AIS電子海圖水域船舶監控系統

AIS電子海圖水域船舶監控系統

第一章、前言

隨著現今航運事業的蓬勃發展，水上交通狀況日益復雜，各個海區和港口的

船舶數量逐年大幅上升，這就要先進的水域監控技術提供更有效的安全保障。繼雷

達和ARPA之后,AIS海圖電子信息是船舶監控管理又一項十分重要的技術，它能夠

綜合水域地理信息,AIS船舶信息反應出所監控水域的船只連續位置以及相關的水

域信息，對船舶進行監控，幫助船舶防范各種險情，保障航行的安全性。

1.1電子海圖信息系統(Electronic Chart Display amp Information

System)

基于統一的電子海圖國際標準的目的，國際海事部門各組織逐步開始了對電

子海圖技術進行標準化研究，逐步確立了電子圖示及其信息系統(ECDIS)的相關國

際標準。國際海道測量組織(IHO)先后推出海圖內容與顯示規范(S-52)和海圖數據

傳輸交換標準(S-57)這兩個標準，確立了基本電子海圖的國際規范。

1.2AIS信息系統(Automatic Identification System)

國際海事組織(IMO)規定,2002年7月1日至2008年7月1日航行在國際航

線300總噸以上的船舶和公約國航行于國內航線500總噸以上的船舶，分階段執行

配備船舶自動識別系統設備,AIS在船舶的強制安裝，對于確保水上交通運輸安

全，促進水上交通運輸事業的發展都具有極其重要的意義。

AIS和電子海圖技術的結合是水域船舶監控管理的發展方向。電子海圖動態

可視化的顯示AIS數據信息，包括水域中AIS船舶的經緯度信息、航向航速以及

MMSI號等靜態信息，同時還將ASI報文無偏差的轉換成為地理數據，使得AIS動

態航行信息完全的融入到電子海圖中。

第二章、AIS電子海圖水域船舶監控系統架構

2.1.1 系統網絡拓撲圖

AIS 船臺

串口服務器

圖2.1AIS 電子海圖水域船舶監控系統架構圖

如上圖所示，AIS 接收機從基站接收AIS 報文，通過RS232將報文傳輸給串

口服務器。串口服務器將串口數據轉換成網絡數據通過以太網絡發送給指定接收

端。

2.1.2 系統業務數據流轉圖

船臺

AIS 船臺

船臺

串口服務器 圖2.1.2 AIS 電子海圖水域船舶監控系統業務數據流轉圖

如上圖所示，AIS 船臺將船舶的動態信息和靜態信息報文通過數據鏈路發送

到AIS 基站，中心AIS 接收機收到基站的AIS 報文信息，將AIS 報文數據轉發給

處理終端，完成數據流轉。

2.1.3 系統軟件架構

圖2.13 AIS電子海圖水域船舶監控系統軟件架構圖如上圖所示，系統采用

BS與CS兩種體系架構的混合模式。

1、系統采用Windows服務的模式接收從網絡上接收AIS接收機轉發的數據分

析處理歸類寫入AIS情報信息庫。

2、系統采用WEB Service模式發布海圖數據。數據通過HTTP協議傳輸給訪

問端。

3、系統采用WEB Service模式發布AIS船舶信息數。數據通過HTTP協議傳

輸給訪問端。

4、發布系統采用有客戶端的BS架構，通過BS模式獲取海圖信息以及船舶信

息，將兩種信息融合形成直觀的水域船舶動態信息。

采用以上的BS與CS相接合的模式，CS架構獲取船舶的數據寫入數據庫，其

它均利用WEB Service的BS模式進行發布，使得系統靈活，可擴展性強；提供單

客戶端顯示以及多客戶端顯示。

2.1.4 系統功能模塊劃分

1、AIS數據接收子系統（Windows Service）

圖2.1.4-1 AIS數據接收子系統功能模塊劃分

數據接收功能模塊：從網絡監聽由串口服務器發送來的AIS情報數據。采用

TCP/IP協議長連接數據監聽。串口服務器為服務器，接收模塊為客戶端。

報文解析功能模塊：將AIS報文數據依據國際標準協議規定的格式，解析出

船舶原始數據，放入待處理隊列。

數據分類功能模塊：將原始數據進行分類，形成所需要查詢航跡信息數據，

去除冗余的數據，放入待寫入隊列。

數據寫入功能模塊：將處理好的航跡數據寫入數據庫中，提供其它子系統使

用。

綜上所述，該系統完成AIS情報數據接收與分類寫入功能，其對數據主要處

理為形成單批查詢數據以及單時查詢數據。為查詢提供優化后的數據，簡化前臺

顯示的計算。采用Windows Service使得無需人員操控，自動記錄AIS報文

數據。

2、海圖發布子系統（WEB Service）

圖2.1.4-2海圖子系統功能模塊劃分

通訊功能模塊：HTTP WEB Service響應模式，接收客戶端的WEB請求。

海圖數據組織模塊：通過解析客戶端請求中的地理信息，在海圖文件庫中找

到對應的海圖組織成海圖數據，依托通訊功能模塊將海圖數據轉給客戶端。

海圖數據管理模塊：對海圖數據文件的管理與發布。

3、AIS情報數據發布子系統(Web Service)

圖2.1.4-3 AIS船舶信息服務子系統功能模塊劃分

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通訊功能模塊:HTTP WEB Service響應模式，接收客戶端的WEB請求。

AIS數據組織模塊：通過解析客戶端請求中查詢信息，在AIS情報數據庫中

找到對應的船舶信息數據組織成返回數據集，依托通訊功能模塊將情報數據轉給客

戶端。

AIS數據管理模塊：對AIS數據的管理與發布。其包括數據分類，數據維護

以及超時數據刪除。

4、AIS電子海圖水域船舶監控客戶端子系統

圖2.1.4-4 AIS船舶信息服務子系統功能模塊劃分

通訊功能模塊:HTTP通訊模式，提交數據查詢請求。

界面顯控模塊：業務邏輯的現實，其主要包括以下幾個方法

1)S57國際標準海圖顯繪。

2)海圖測量(測距、測面積)

3)AIS船舶信息轉換地理信息顯繪。

4)AIS船舶動態航跡信息顯繪。

5)AIS船舶靜態航跡信息查詢。

6)AIS船舶信息統計與查詢。

7)AIS船舶航跡信息單批和單時重演。

2、目標航跡顯示

接收、存儲目標實時位置信息，在背景地圖上疊加顯示目標運動航跡，具有

變色、變長、指示運動參數等功能。

控制目標航跡顯示近期軌跡或全軌跡，顯示指定區域內的軌跡，計算并顯示

指定目標的動態參數

主功能菜單區域

鷹眼地圖顯示區域

AIS靜態信息

3、地圖作業標繪

在海圖背景上分層疊加標繪圖層。當為協同標繪模式時，通過數據傳輸模塊

將標繪數據傳到的服務器，由服務器分發給所有在線用戶或指定用戶。

4、航跡重演

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第三章、AIS數據格式說明

3.1、AIS的信息

AIS系統采用船舶全球的唯一編碼體制，即MMSI碼作為識別手段。每一艘船

舶從開始建造到船舶使用結束解體，給予一個全球唯一的MMSI碼。1987年11月

19日IMO通過了第A.600(15)號決議，推廣應用MMSI碼。目的在于加強海運安全

和防止海運中的欺騙及防止船舶造成海洋污染的管理。MMSI碼一般由當地船級社

辦理，現有的營運船可以向當地船級社提出申請獲得。

3.1.1、AIS信息內容

1)靜態信息:

a)IMO編號;

b)海上移動業務識別碼(MMSI);

c)呼號及船名;

d)船長、船寬、船舶類型;

e)船上使用的定位儀天線的位置(離船舷距離和中心線左右距離)

2)動態信息:

a)船位及其精度標示和完好性狀態;

b)世界協調時UTC時間;

c)對地航向(1/10度為單位);

d)對地航速(1/10Kn為單位);

e)艏向(0~359度);

f)航行狀態(由人工輸入);

g)轉向速率(若無可不發);

3)航次相關的信息:

a)船舶吃水;

b)危險貨物(種類)按管理當局要求;

c)目的港及估計到達時間(船長估計);

d)選項—航路計劃(航路點X基本電文中無此數據區)。

4)與安全有關的短電文:

a)與安全有關的尋址電文(包含源ID、目的地ID，安全電文長度可占

1~5時隙);

b)與安全有關的廣播電文(只包含源ID，安全電文長度可占1~5時隙)。

3.1.2、信息更新率

自主模式下信息的更新速率規定為:

1)靜態信息:6分鐘以及接收到發送要求時;

2)動態信息：根據船速不同，按下表1更新率報告;

3)航次相關信息:6分鐘及數據有變化時和接收到發送要求時;

4)安全信息：根據需要。

3.1.3、AIS信息類別

包括信息摘要、信息描述；在信息描述中詳細有位置報告、基地臺報告、船

舶靜態和航行有關數據報告、船舶類別報告、使用全球導航衛星系統(GNSS)位置報

告、安全信息報告、廣播信息、世界協調時查詢、差分GNSS信息、數據鏈的管理

信息和信道管理信息等。共有22種報文。

表2 AIS處理報文列表

M：移動臺,B：基臺。

表3 A級AIS的位置報告報文內容表

3.2、AIS的分類

AIS設備包括以下幾類:

1)船載AIS

2)基站AIS

3)ATON AIS(輔助導航)

4)機載AIS

5)星載AIS

船用AIS 可分三大類: A 級(Class A) AIS、B 級(Class B) AIS、和AIS 接

收器(Receiver Type AIS)。各類AIS 各有其不同應用范圍,B級AIS安裝在IMO尚

未強制規定必須按照A級AIS的船舶上，有助于提高海上航行的安全。

B級AIS有兩種類型，一種是CSTDMA(載波偵聽時分多址)，符合IEC-62287-

1技術標準，一種是SOTDMA(自組織時分多址)，符合ITU-R M.1371及IEC-62287-

2技術標準，由于SOTDMA B級AIS協議與A級設備相同，可以看作是一種A級設

備。

A級和B級設備的主要區別如下:

表4 AIS A級與B級設備區別

具體說明如下:

3.2.1、協議區別

SOTDMA(自組織時分多址)是一種嚴格的時分多址技術協議，在A級設備和B

級SOTDMA設備中采用。

SOTDMA是AIS標準(ITU-R M.1371)中規定的AIS數據交換用的數據鏈。標準

中規定，以國際協調時(UTC)作為同步源，同步精度要求應<312 s。在SOTDMA中，

數據鏈使用權是自主選擇獲取的，每個AIS設備都是首先監聽網絡，記錄每個時隙

的使用情況，自動選擇空閑時隙，并自動避免時隙沖突。SOTDMA協議非常復雜，

目前全球只有少數公司掌握此技術。

B級CSTDMA(載波偵聽時分多址)采用先聽后發技術，某一時刻接收不到其它

船舶發射信號，即可發射本機消息，協議較簡單。為防止CSTDMA設備干擾AIS系

統,CSTDMA發射消息長度不能超過一個時隙。

3.2.2、靜態報告的區別

A級設備具備通過消息5周期性發送標準A級設備靜態報告的功能。

SOTDMA B級設備具備通過消息19周期性發送標準B級設備靜態報告的功

能。

說明:

消息19—擴展的Class B位置報告，增加了船舶類型和大小等信息，可以被

其它A級設備識別。由于消息19占用了兩個時隙，所以CSTDMA的Class B不能使

用該消息。

表5 消息19內容

CSTDMA B級設備通過消息24發送靜態AIS數據報告，消息24包括24A 和

24B兩部分,24A發射1min后應發射24B。

說明:

消息24—由于該消息是新增加的，原來的Class A船舶不能識別該消息，導

致不能識別安裝CSTDMA的Class B船舶。

表6 消息24A內容

表7 消息24B內容

3.2.3、報告更新率的區別

按照IEC 62287-1標準，以CSTDMA 方式工作的AIS，位置報告（消息18）

的報告速率為：

1）當航速SOG ＞2kn，30s

2）當航速SOG ≤2kn，3min

按照ITU-RM. 1371 規范，以SOTDMA 方式工作的AIS，其回報告速率如下

表：

表8 A級、B級船載移動臺的報告周期

3.2.4、報文通信的區別

A級和SOTDMA的B級設備嚴格按照ITU-RM. 1371 規范設計，尋址報文最長

936bit，廣播報文最長1008bit，可以進行文字消息的通信，還可以進行中文短消

息的通信，方便用戶使用，對該系統在我國的推廣應用具有積極的促進作用。

按照IEC 62287-1標準，CSTDMA僅允許發射與安全有關的文字消息，發射消

息長度不能超過一個時隙，尋址報文最長96bit，廣播報文最長128bit，不能進行

自動回復。