文献综述-基于AIS的船舶避碰数据采集系统设计

1、前 言该毕业设计介绍了基于AIS的船舶避碰数据采集系统的设计。AIS数据采集是AIS系统的部分功能，AIS数据采集系统得到的信息进行处理，得出最佳避碰方案，然后发送到屏幕上显示，供驾驶员参考。作为AIS系统功能部分，介绍AIS系统就很有必要。AIS ( Automatic Identification System)是工作在VHF海上频段的船舶和岸基广播数据传输系统。它是一种可在船与船之间以及船与岸之间交换数字信息的工具。设置AIS有利于自动船舶识别、避免船舶碰撞、协助目标跟踪、减少话音报告、简化信息交换并提供附加信息以帮助了解船舶交通状况。目前，AIS已成为海船上必不可少的配置，作为雷达的补

2、充，用作船舶之间避碰和自动交换信息的重要助航工具。AIS可使VTS ( Vessel Traffic Service)改善和加强对船舶交通的服务管理功能，可使港航部门获取有关船舶的装载货物、航行计划、实际位置等信息。此外，AIS还可在航标和搜寻救助等方面有着重要的作用。AIS发展过程中较早的一种方法是基于VHF数字选择呼叫(DSC-digital selective calling)技术开发而成的，称为自动应答系统(Transponder System )。其基本方法是在70频道上以DSC方式自动发出询问信息，接收到询问信息的接收机(装在船舶或岸台上的AIS设备)根据询问方要求的频道，将本船的

3、识别码、船名、船位、航向、航速、吃水等信息自动传给询问方，这样便实现了自动应答功能。AIS作为通信导航系统或设备，经历了一个从不完善到逐步完善的过程，IMO海安会及其它的国际组织，不断制定和补充相应的标准，同时对AIS的研究也在不断地向前推进。目前AIS设备在我国的应用也得到了广泛的实施。随着船舶识别网络系统在珠江口水域运行成功，海事部门实现了对船舶实施网络化、自动化监管。最近南通辖区通常、通沙、海太三条主力渡线21艘渡船也全部安装了船舶自动识别系统。随着AIS设备在我国得到越来越多的应用同时海上航行安全也得到更高的保证。基于AIS船舶避碰数据处理及发送系统实际上可看做AIS功能一部分，它只要

4、求避碰数据处理及发送。本论文对基于AIS的船舶避碰数据采集系统进行了阐述，介绍了该系统的软硬件构成与实现方法。对于AIS功能的一部分该系统研究对AIS系统的实现有着非常重要的意义。主 题1. AIS的由来目前，航运事业发展迅速。各个国家的船舶正朝着大型化、高速化方向发展，船舶数量和水域交通密度及危险货物装载量不断增加，海损事故时有发生，严重威胁船舶航行安全和海洋生态环境。为了改变这种状况，瑞典提出了AIS系统。国际海事组织(IMO)、国际航标协会(IALA)和国际电信联盟(rru)等国际组织经过多次研究和讨论，基本确定了船舶自动识别系统(AISAutomatic Identifications

5、ystem)的概念、工作频率、系统构成、信息交换方式和系统性能标准。2.AIS的结构和功能2.1 AIS的结构AIS系统主要由岸台系统和船台设备两部分组成。2.1.1 岸台系统由一系列岸台联网而成。一个典型的岸台由VHF TDMA收发机、VHF DSC接收机、基站控制器(BSC)、网络设备、控制软件和应用软件组成。AIS基站收发机遵从ITuRM1371一l建议案(AIS技术特性标准，可安装在VIS系统中或作为AIS沿海网络的核心单元。借助基站控制器(BSC)，基站收发机可以相互连接实现对海岸线的覆盖。收发机还可配置为转发站。2.1.2 船台设备是一种VHF海上频段的船载广播式应答器。一个典型的

6、AIS船台由l台VHF发射机、2台VHFTDMA接收机、1台VHF DSC接收机、1台带有标准的船用电子通信接口(IED 61 l62NMEAOl8320o)的控制装置以及各种必要的传感器组成。它能发出船舶的各种信息，如身份、船位、船首向、船舶类型、船舶长度、宽度、吃水、所载危险货物等信息。2.2 AIS的功能SOLAS第5章第19条中规定了通用AIS的配备要求。该系统的配置已于2002年7月1日起新造船舶开始强制执行，同时，对所有从事海上航行的船舶于2004年7月1日起强制装备，300总吨以上能够从事国际运输的船舶，500总吨及以上不从事国际航运的货船和所有客船，均需要安装AIS的设备1。3

7、.规则阐述的AIS大体有如下功能：(1)系统可在无人介入的情况下，主动连续地向合适配备的岸台、其他船舶或航空器提供信息，包括船舶识别、类型、位置、航向、航速、航行状态和其他与安全有关的信息；(2)系统能自动接受处理来自他船的操纵和船位信息；(3)系统内设测试设备(BITE)；(4)能与AIS岸台交换数据；(5)能识别船只、检测和跟踪船舶；(6)大大简化了信息的交流量和交流次数；(7)提供其他辅助信息以避免碰撞发生。4.A1S在V11S和航海中实际应用航海者都认为AIS系统是一种有效的避碰手段，给航行安全带来了革命性的突破。AIS提供的船舶信息，减少了船船及船岸间大量的口头通信内容和时间1999

8、年新加坡AIS小规模测试表明：有了AIS提供的船舶信息，使船方只要进行简单的船位报告，就能进行有效地识别，几乎减少了一半的口头通信时间，最大程度消除了语言障碍及误解，有利于船舶相互间集中时间进行协调避让2。AIS系统有助于船舶和VTS识别雷达盲区船舶的航行动态因雷达发射波被岛礁等阻断，船舶雷达无法捕捉到该雷达盲区航行船舶，这给船舶航行带来了一定的安全隐患。而V 跟踪的未配置AIS系统的船舶进入雷达盲区，船舶标识符(1S标注的船舶识别符号)按船舶进入雷达盲区时的速度、航向前进，无疑会与船舶实际位置发生出入，如果船舶在盲区锚泊，船舶标识符就会移失，与其他船舶、物标发生假碰撞报警，锚泊船也会失去跟踪

9、，这些给VT和船方都造成了不小的麻烦。而装备AIS系统的船舶通过与附近船舶及岸基AIS数据的实时交换，船位得到了与岸基AZ5相连的DGPS的修正，船舶定位精度更高，航行动态更易识别。AIS让雷达回波、船舶标识符及AIS识别标识符紧紧关联在一起。从而有效避免了船舶标识符交换现象，让船舶标识符实时标识在船舶实际位置上。AIS对航行水域环境的应用:灯标、浮标等航标容易受到水流的影响产生移位或者漂浮，因而很可能给船舶带来事故。但是这些航标是否移位，有的时候不能被及时发现或者及时改正，船舶也不能及时地得到通知。如果在AIS系统情况下仍需要现行的实物航标，只要在现行灯标体上安置1台AIS设备就能解决。当灯

10、标发生移位时，移位了的灯标上的AIS设备就能把移动了的位置报告出来并报警，这对航行安全是非常有益的，可以有效地减少因为看错灯标或者定位错误而产生事故3。有助于确定沿海事故嫌疑船舶及组织事故附近水域船舶参与搜救IMO规定：船舶上安装的AIS设备除在有国际协议、规则或标准要求保护航行信息的情况下(如为避免海盗获悉船信息)不得停止使用，故此，只要在沿海地区合理布局AIS基站，每一条配备AIS设备的航行船舶动态都能被实时跟踪、记录。近几年事故调查表明：沿海地区发生的船舶碰撞事故，大多数肇事逃逸嫌疑船舶都是VTS通过保存的AIS数据进行排查确定的。同时AIS系统清楚地显示了事故水域附近的航行船舶，海上搜

11、救中心接到求救报告后，可以立即组织进行搜救。AIS系统有助于船舶避碰2002年7月伦敦举办的IMOIALA大会关于AIS的报告中，IM0助理秘书长就曾在报告中提及将AIS作为一种适合当时环境和情况的有效手段加入到1972年国际海上避碰规则第5条(了望)和第7条(断定是否存在碰撞危险)中；而许多资深船长也认为AIS系统作为一种了望、避碰手段已经运用于航海中。AIS进一步改善了值班驾驶员的了望信息目前沿海地区发生的重大事故，往往是能见度不良情况下大型船舶在高速行进中将小船撞沉，由于海况、天气和其他干扰源对雷达探测的影响及选用雷达距离标尺带来的限制，在适当距离内，雷达对小船和其他漂浮物有探测不到的可

12、能性，使小船被撞概率居高不下，造成了海上人命财产的极大损失。所以本人强烈建议小船更应安装AIS系统，以便大型船舶值班驾驶员能及时掌握小船动态，避免事故发生。AIS系统是一种提供适时信息以断定是否存在碰撞危险的有效手段值班驾驶员可通过AIS船对两船的DCPA和TCPA进行分析，提供的实时数据帮助值班驾驶员断定是否存在碰撞危险。所以AIS系统是一种避免碰撞的有效手段。装备AIS系统的两船如果存在碰撞危险，们为避免碰撞而作的航向和航速的任何变动都会通过AIS被对方实时而准确地探知，有助于船舶判定隔船是否正在形成或消除紧迫局面，以便及早和充分地运用良好的船艺避免与他船碰撞，并细心查核避免行动的有效性，

13、直到最后驶过让清为止4。5.AIS实际使用中应该注意的问题目前AIS设备已进入实质性的强制安装和使用阶段，但是任何一种设备都有其特性和局限性，要发挥其作用，使用人员必须全面熟悉和掌握其性能，以免显示不正确信息，引发事故。下面是AIS系统在使用时容易出现的几个问题：AIS位置信息可能出现误差与AIS相连的任何设备或传感器的准确度或其出现故障都将影响到AIS信息的准确性。该情况在实际工作中已经得到验证。本人查阅了进出厦门港口的一段时间内装有AIS船舶的AIS船位信息与雷达回波进行比较，发现两者之问存在一定的误差。在厦门VTS显示系统中，当AIS船位信息与雷达回波较近时，两者融合在一起，显示一个船位

14、信息；当两者相差较大时则分别显示AIS信息与雷达回波信息。中国沿海如不进行校核，普通型的GPS船位的误差一般在10q：a左右，其中包含20m左右的伪距水平误差，50m左右的坐标系统误差，20m左右的海图和作图误差。经调查2004年l1月下旬进出厦门港的船舶，共有350艘装有AIS，其AIS船位信息与雷达船位信息不一致的占12 ，部分船舶AIS船位与雷达船位相差200m以上，有一船相差478m，另船竟达935m。厦门V 中心雷达在工程验收时实测测距误差为692m，实际位置误差可能大于实验误差，必须引起重视。与AIS相关的故障将影响AIS信息的准确度2004年3月，Q轮向厦门VrIS中心报告，该轮

15、从检疫锚地起锚进港，VTS中心通过AIS对该轮进行跟踪，十几分钟后V11S工作人员发现Q轮刚出锚地，AIS矢量图象与进港海图不符，同时航道内距Q轮16n miles左右的一艘未向VTS报告的大船，未被跟踪。经与Q轮核实，实际未被跟踪的船舶是Q轮， 显示的信息是错误的，原因是该轮GPS出现故障，GPS显示的起锚不久的位置和航向、航速信息，导致V 收到Q轮的AIS信息与实际不符，所以驾驶员和AIS使用人员要注意AIS虚假信息和错误报告的识别。不能正确操作，使AIS信息与实际状况不符目前我国AIS的培训仅仅在海上保安员培训课程中涉及，且涉及到具体航行中的使用也不多。驾驶员对AIS的使用只能通过自学和

16、不断的摸索，那出现不当的使用就不足为奇了。AIS的航向信息可以从电罗经上接入，也可以人工输入；AIS的航迹向信息可以通过仪器本身计算或人工输入风流压差。有的船舶随意输入风流压差，导致AIS显示的矢量图象与实际移动相差甚远，有的相差70度到80度。该错误信息使其它船舶的AIS计算与该船间的CPA，TCPA不正确，目标危险程度显示不真实，出现错误报警和漏报警，驾驶员如盲目相信AIS则可能引发碰撞事故。单独使用AIS的局限性AIS不能取代雷达；AIS仅在双方均安装了该设备的情况下才能显示和进行联络。对没有安装该设备的船舶无法显示和跟踪，特别是小型船和渔船一段时间内可能不会安装AIS设备。对其他静止目

17、标及水域环境等无法显示，或显示的不是水域的全景交通图象5。6.运用ARPA与AIS协助船舶避碰的基本原理船舶碰撞危险判定的经典理论经典船舶危险判断的依据是测算目标船的六大参数，分别为船真方位、D距离、DCPA最近会遇距离、TCPA到达最近会船点所需时间、 C 目标真航向、 目标真航速对于船舶会遇危险的考虑优先顺序从两个层面人手，一是位置关系，一般采纳先近后远，先首后尾，先正横前后正横后，先右后左的顺序，但这种原则显然是不专业的并未考虑船舶之间的位置变化规律，只能在最初发现来船，所有标绘活动尚未开始时的一种粗浅的信息处理的先后排序；第二是从DCPA、TCPA人手，认为DCPA小于安全值为危险船，

18、且越小越危险，结合TCPA来决定危险的紧迫程度，认为TCPA小于设置范围则存在紧急碰撞危险，同时根据规则要求，把会遇过程中的碰撞阶段分为自由行动阶段、碰撞危险阶段、紧迫局面阶段、紧迫危险阶段；按会遇态势划分不同区域的来船，如图1所示，本船又存在直航权利与让路义务之分，并对不同会遇态势下本船与来船的行动许可作了详尽的规定，规则还在能见度不良时作了进一步陈述，此时船舶互有避让义务由此可见，DCPA、TCPA是海上避让的决定碰撞危险度的核心参数，对于船舶避碰行为的取决，DCPA、TCPA是前提，以此评判是否避让，也可通过它们来评价避让或虚拟避让(试操船)的效果雷达与AIS获得DCPA 与TCPA 的

19、过程分析:雷达ARPA 协助船舶避碰求取DCPA 与TCPA的过程分析雷达协助船舶避碰是船舶探测目标并加以分析与决策的重要手段，特别是在能见度不良的情况下，这种手段尤显重要，雷达利用电磁波的反射特性，通过测量电磁波往返时间来测算物标的距离，利用电机同步或电磁场 l，解算的方法或使用天线方位编码的方法使雷达扫描线与天线朝向一致，从而测得目标相对我船的方位，即舷角，将我船的罗经航向考虑进去即得到目标的真方位，在某一时刻测得目标的方位和距离即得到目标第一时刻的位置A，随后进行目标的系统观测，经过 时间后，用同样方法得到目标第二位置BAIS协助船舶避碰求取DCPA与TCPA 的过程分析:AIS协助船舶

20、避碰是船舶相互发送与接收位置及运动参数信息并附加船舶的静态信息为船舶避让决策提供重要参考，并同时对船舶进行识别以利于有效的沟通近年来，这一手段以其高效、直观、良好的数据兼容性、易于叠加与共享，得到了全面的重视及广泛的应用AIS设备利用甚高频81、82频段，采用SOTDMA自组织时分多址技术，在一定的电磁波覆盖范围内，一定的容量下，实现船舶间或与岸基台的有效的无拥塞通信，通信的内容包含目标的静态信息(例如船名、呼号、IMO编号、MMSI等等)和目标船传感器动态信息(例如GPS(GNSS)船位信息、航向信息、航速信息等等。7.运用不同技术协助船舶避碰的优劣比较举要7.1 漏警与虚警方面雷达电磁波具

21、有直线传播的特性，因此雷达对目标的探测存在阴影区，另外雷达天线高度与垂直波束宽度的限制，以及雷达发射脉冲宽度与收发开关恢复时间的限制，存在盲区问题，这样近距离目标、遮挡物后的目标有可能探测不到，另外对于反射性能不好的目标在发现方面亦存在欠缺，ARPA对目标的跟踪还存在目标丢失与误跟踪现象；AIS对所有安装了AIS发射装置的物体，在有效范围内，探测能力大大增强，例如，从黄浦江驶出的船舶与从海人长江或由长江人海的船之间，往往由于岬角形成的阴影，雷达难以探测，而AIS可以有效探测甚至从AIS静态信息知道目标船上下水意图，但AIS也存在很大漏警问题，对未安装的目标船、地理目标(例如浮筒等)都不能探测，

22、应考虑补充手段7.2 避碰数据的可靠性方面如前述，雷达对船舶避碰的核心数据DCPA、TCPA的计算是由目标前后相对我船的位置改变计算而得的，显然误差来源仅在雷达本身，本船与目标船的航向、航速数据的误差都不致对其构成影响，而AIS对目标的避碰核心数据的计算是由我船、它船地理位置反推相对位置，再以此位置关系为基础，依靠我船航向、航速及目标船航向、航速反算出来的，其中船舶定位传感器、航速传感器、航向传感器的误差均成为避碰核心数据的误差来源，因此比较后，雷达ARPA在避碰数据的可靠性方面明显优于AIS，同时，为了提高船位、航速、航向传感器的可靠性与精确度，使AIS给出的避碰数据更可信。7.3 避碰数据

23、给出的快速性方面雷达对船舶避碰的核心数据DCPA、TCPA的计算必须有足够的时间等待相对位置的改变，才能推算出后续的相对位置变化规律，当原有的相对位置变化规律被破坏后，又需要重新等待，一般，人工标绘得到目标的DCPA、TCPA 需要612 minARPA标绘也需要3 min左右的延时，很显然是不及时的，而AIS从其计算机理可以看出，它可以实时给出该数据，这一点非常可贵，尤其在频繁操纵的通航环境中，可以随时知悉碰撞危险。7.4 协调与查核方面由于AIS的首要功能是船舶识别，它在船舶沟通方面的优势表现非凡，这一点雷达ARPA是无法相比的，AIS还能提供更多的信息使双方更方便地了解对方的操纵意图，使

24、得避让更为及时与协调，在避让行动实施后，AIS以其计算的实时性，还能更快地提供避让效果，极大程度地减少了不协调避让。8.AIS的前景展望由于目前不是所有的船舶都配备有此设备，例如游船、内陆水域船舶等，所以必须生产出满足较低航行标准的、经济的AIS设备。随着IMO关于AIS标准的出台和不断提高，各种研制厂商也不断地推出了具有最新功能的AIS设备。AIS将成为对现存导航系统(包括雷达)最重要的补充。总之，经AIS接收的数据将提高值班驾驶员获取信息的质量，增强通航意识。配备合适的图象装置，船载AIS通过计算到达最近点(CPA)和从目标船发送的数据，将能提供快速、自动和精确的碰撞危险信息，为自动避碰系统的发展提供了较好的数据源。AS从单台仪器向网络方向发展，从单一的提供数据向智能专家系统发展，与V，rs结合向新型船舶交管系统方向发展，向互联网(INTERNET)发展。AIS已不是简单的船舶装备的单独航行仪器，它与海岸AIS网构成船岸之间航海保证系统，进人互联网，具有广阔的前景。船舶AIS与电子海图显示(ECDIS)技术集成为“新型船舶避碰专家系统”，AIS与过去基于雷达的V，I1S结合集成为“新型船舶交管系统”。AIS既是航海导航通信设备，又是船舶信息化的网络系统，利用传统的甚高频水上移动通信频率，采取了自主时分多通道访问协议的数字通信技术，以先进的GPS定位作为船位