基于AIS的新一代船舶引航信息系统

文/ 集美大学航海学院 刘 洋 彭国均 张杏谷 柯冉绚

港口作为陆地和海洋两大地理单元的结合点，已日渐成长为最具活力的经济实体，并成为国家、地区和城市发展的强大引擎。船舶引航是船舶与港口生产相连接的一个重要纽带，对保证港口安全、船舶航行安全、维护航行秩序有着极其重要的意义。如今全球气候变暖，雷暴、强风等突发天气时有发生，给航行中的船舶造成极大的影响。引航员引领船舶在港口水域航行时，能够随时随地准确判断船位、让船舶始终不偏离航道是保障船舶航行安全的关键。随着经济的发展，港口水域的船舶密度不断增加，如果能够准确地识别相关船舶，了解它们的动态，获得包括船名、航向、速度、碰撞等参数在内的信息，将有利于实现船舶避碰。此外，由于船方和系统的原因，老的引航系统往往不能满足繁忙港口引航员工作的需要。为此，各个港口的引航员迫切需要一款新的引航信息系统，以时刻保障船舶引航的安全。

基于AIS的新一代船舶引航信息系统，配有电子海图以及高分辨率卫星遥感影像图的双背景图层，引航员可根据自己的喜好随时在电子海图和遥感影像图之间切换：一方面可以利用电子海图展现详细的海域范围内各种航行要素的分布情况，同时利用遥感影像图展现直观形象的陆域、港口及海岛等范围内的各种要素分布情况；另一方面可以在此基础上显示修改后的最新海图信息，还可以随时叠加自定义的助航要素信息，使图上的信息更加完整、生动，提高助航效果。与先前的单一电子海图相比，遥感影像图的添加使空间信息更加丰富、内容层次更加分明，能够为驾引人员提供直观、翔实的信息。该系统可减轻引航员的工作压力，降低视觉疲劳，为提高引航安全率提供有力的保障。该系统采用PDA作为硬件支持，体积小、携带方便，且具备两种AIS信息获取方式：与船舶AIS相应端口连接，接收无线局域网发布的AIS信息。后者数据的传输速度比前者要显著提高，图1为卫星遥感影像图与电子海图的对比显示（分别截图后，系统每次支持一种显示方式）。

图1 电子海图与卫星遥感影像图的对比

过去，引航员往往只依靠甚高频（VHF）无线电话、雷达和望远镜进行船舶引航作业，如今随着计算机技术的发展，这将成为历史。目前，我国各大港口的引航站都为引航员配备了各种各样的引航系统。早期的引航系统非常简单，将通过GPS接收到的船位叠加在安装了电子海图系统（ECS）的便携式电脑上，引航员可在任何时候获得自己的船位，但不足之处是不能显示其他船舶。随着AIS在船上的强制安装，新的引航系统是将AIS融合在安装了电子海图与信息系统（ECDIS）的便携式电脑中，引航员除随时随地可获得显示在ECDIS的本船船位外，还可对周围相关船舶进行跟踪，及时获

取相关船舶的动、静态数据，为引航员提供船舶引航安全的大量信息。但是，部分船舶的AIS端口不能正常工作会影响引航系统作用的发挥，其不在合适的位置会影响引航员对相关船舶的观察和跟踪，使获取的信息单一；同时，由于引航员在进行引航作业时需要背一个笨重的包或箱子爬引航梯上下船，不仅不方便而且很可能会威胁到引航员的人身安全。基于AIS的新一代引航信息系统不仅克服了上述不足，而且在获得相关船舶动、静态数据的同时，还能够和调度中心随时进行双向通信获取船舶进出港计划。另外，安全监督部门也可利用AIS、ECDIS监控相关引航员引领船舶航行的安全等问题。

经对比发现，国内外引航系统都没有叠加遥感影像图，也很少采用掌上智能电脑（PDA）作为硬件设备。基于AIS的新一代引航信息系统采用高分辨卫星遥感影像图加电子海图的双背景图层，以PDA作为硬件设备，采用3G通信系统接收数据，具有信息实时、图像生动、简便易携和通信方便等优点，可为终端用户提供完善的船舶引航、调度、监控等应用软件和系统集成服务。该系统已经在实际应用中受到引航员的好评，并且越来越受到他们的青睐。

一、新一代引航信息系统的构成

PDA不仅可以在引航作业中使用，使引航员随时随地获取本船船位，跟踪、监控周围船舶的航行动态，获取所需的安全信息，而且可以查询调度中心的船舶进出港计划、气象、潮汐和航行警告等。

1. 硬件构成

新一代引航信息系统以PDA作为硬件支持，可以通过AIS接收模块、机载移动通信模块、GPS模块等通信方式实时获取周围船舶信息，实现双向通信。与便携式电脑相比，PDA设备更加小巧、轻便，在其上安装的引航信息系统功能也更加强大。当然引航员也可根据自己习惯，选择便携式电脑作为硬件支持。

2. 软件构成

软件设计采用面向对象技术，利用visual C++、Asp.net、OLE DB等技术为开发工具，基于S-52 ECDIS并叠加了高分辨率卫星遥感影像图，以 SQL server 2000（结构化语言查询）数据库和AIS信息作为后台支持。该系统分为4大模块——便携式计算机移动引航系统、船舶3G移动引航系统、中心服务平台、引航调度监控系统。便携式计算机移动引航系统与船舶3G移动引航系统主要为引航员提供船舶动态和周围海上交通通航态势等引航作业辅助功能。中心服务平台实现引航调度信息、船舶AIS信息的内外网获取，并进行分类处理，最后通过AIS信息互联网及3G手机通信服务平台在调度中心、3G手机、调度系统和便携式电脑之间实时流转。引航调度监控系统主要为调度和监控人员在船舶引航调度、监控时提供支持。

二、新一代引航信息系统的技术实现

1. 混合多级索引技术的应用

索引技术是空间数据引擎的一项关键技术，它直接影响空间数据访问和查询的效率。在大量研究和实验的基础上发现，任何一种索引技术都有其不足之处，采用单一索引不能满足现在海量影像图的绘制和矢量空间数据混合存储时获取数据的需求。在数据引擎中采用混合多级索引技术，即四叉树索引、R树索引、动态索引（或称多级网格索引）和图库索引（原称三级索引）4种索引，充分发挥每一种索引的优势，提高数据访问和查询效率。

2. 3G无线移动通信技术的应用

绝大部分引航系统采用与船舶的AIS相应端口连接，但存在端口不能正常工作或者端口不在合适位置的情况。新一代引航信息系统采用3G无线移动通信技术来实现AIS基站服务器与PDA终端之间的数据实时通信，通过将AIS基站、无线通信系统（AIS WLAN）与引航系统相结合，使AIS数据在无线网络中得以实时传输。在上行链路中，WLAN通信模块将AIS设备终端输出的串行数据打包传送，其传输速度的提升使引航员在引航时几乎可以获得无缝的数据接收服务，这对提高接收系统数据的稳定性起到了至关重要的作用，从而进一步保障了船舶引航的安全。无线数据传输过程如图2所示。

图2 无线数据传输框图

三、青岛港新型船舶引航系统的应用

新一代引航信息系统总体结构设计如图3所示。

图3 总体结构设计框图

1. 引航调度监控系统

船舶数据通过中心服务平台获取后，显示在电子海图或遥感影像图上，不仅可以使管理人员能够实时掌握船舶的位置、航向、速度、港口水域船舶的通航密度以及重点船舶与他船的运动关系、通航态势等，还可以在电子海图或者遥感影像图上回放显示船舶运动轨迹，并且提供海图操作、船舶监控、引航调度等功能，为调度人员进行引航调度提供信息支持，为安全监督人员的监控提供现场交通信息支持。此外，系统还可以从中心服务平台查询当天的船舶引航调度计划、潮汐、气象等资料，为管理人员和引航员进行监控、调度、引航作业提供帮助。

2. 青岛港新型船舶引航信息系统介绍

该系统硬件设备采用智能手机，并专门为其建设一套应用系统，主要配备给引航站管理人员和引航员。通过3G无线通信网络，“青岛港引航员PDA引航系统”与“中心服务平台”相连接，引航员可获取实时船舶动态，查询每天的引航调度计划、气象信息、潮汐信息、水流信息等，以便及时采取应对措施，克服风、流等对船舶操纵的不利影响，以确保安全引领船舶进出港。该系统支持电子海图和叠加了航道、锚地、航标等助航要素的遥感影像图的双背景图层，融电子海图详细的海域资料和遥感影像图的直观生动于一体，进一步提高了引航员引航作业的安全性，可以为船方提供更加安全、及时、优质的引航服务，在实际应用中得到了引航员的认可。引航员PDA引航系统界面如图4所示。

图4 PDA引航系统操作界面

青岛港是我国重要的港口和外贸口岸，2010年吞吐量突破了3.5亿t，青岛港引航站2010年共安全引领各类中外船舶23400艘次。要建设成为一流的引航站，各项服务必须处于领先地位，首先要着力提高引航安全率。青岛港新型船舶引航信息系统的研制成功，为青岛港引航站进一步提高引航作业工作的效率、增加调度工作的科学性、保证海上船舶航行的安全起到了积极的作用。

四、结束语

基于AIS的新一代船舶引航信息系统符合当前引航作业的需求，采用WLAN无线通信技术传输AIS信息，信号的穿透能力强、覆盖范围大以及PDA设备的便携式特点，使得引航员能够脱离船上设备独立工作。但在船载AIS使用过程中，部分船舶的驾驶人员没有正确输入船舶的静态信息和未更新船舶的动态信息、航次相关信息，AIS没有按要求开机或者有故障等，导致本系统在发现、跟踪这些船舶时有局限性，甚至根本发现不了这些船。但随着船长、驾驶人员对船载AIS认识的提高和使用的进一步规范，本系统将具有更高的实用价值，能为港口船舶引航作业提供安全、高效和便捷的服务。

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