AIS船舶避碰系统方案的设计

摘 要 随着航运业的飞速发展，航运事业对各项技术有着非常大的依赖，这些技术的运用，能够推动海上运行的安全，目前，AIS作为一种VHF海上频段中的船舶和岸基广播数据的传输系统，船舶的自动识别系统在工作中的海上VHF频段，合理利用SOTDMA方式的发射船舶中的数据，能够将航运中的的信息经过相关的接口的电路转换后，可以将这些信息送到相关的处理器中，这些处理的信息在经过另外一个接口的电路透过VHF发信机直接的发送至VHF信道，该信道所守听的目标船能够接受这些信息。它应用在船与船之间，以及一般的船与岸之间进行数字信息交换，可以让船“长眼睛”，自动的对附近航行的船舶实施识别，防止船舶之间的碰撞。对此，本文立足专业理论知识，详细探讨AIS及基于AIS船舶避碰系统，并在此基础上，对AIS船舶避碰系统方案的设计。

关键词 航海事业 AIS船舶避碰系统 设计方案 电路转换

中图分类号：U675 文献标识码：A

一、基于AIS船舶避碰系统的提出

船舶在海上航行的安全一直是航海事业中一个长期关注的话题，为规避这些危险因素，就必须提前对这些危险因素进行识别，准确的对这些信息进行判断。目前，常规识别手段是应用船载雷达时刻掌握船舶动静态。但是雷达信号只是一种模拟信号，受环境因素比较大，并且覆盖范围相对比较小，难以满足日益发展的航海业。对此，雷达缺少精度性，造成实践中难以侦测的具体信息。虽然使用雷达能够获得目标的存在和动、静态数据，但由于其存在抗外界干扰能力差、精度不高等这些主缺点，使得雷达在日益繁忙的海上交通，特别是在港口、沿海水域航行方面的应用有很大的局限性。

另外，为了沟通和了解对方船舶的信息和操船意图，岸船、船舶之间的通信现在仍然依靠高频无线电话（VHF）进行通信联系。这种通信方式由人工来完成，效率不高，有时还会因为设备操作及语言交流上存在的问题而不能及时沟通和了解对方船舶的信息和操船意图，造成行动不协调，甚至导致海事的发生。在船舶日益大型化、高速化的今天，海上交通特别是港口水域交通状况也日益繁忙和复杂。基于雷达及VHF的船舶识别和通讯已日益显示其局限性，难以满足未来船舶航行安全的需要，例如：当遇到雨雪、大风浪等恶劣天气时，雷达的反馈信号可能会受到干扰而出现杂波或丢失目标等问题。AIS尽管在强雷、暴风雨的天气也可能会受到干扰，但由于其工作原理的不同，受恶劣天气的影响较雷达来说还是小的多，并且在AIS的覆盖区，不会因为目标距离的远近、大小、形状而产生信号差异。加之AIS传输的信息量较大，因而有助于船舶在实施避让行动前，对目标的识别和对避碰局面的判断。

当船舶行驶于多岛礁、航道的弯头等遮蔽水域时，雷达将肯定无法探测到这些目标，而AIS在这些障碍物的高度不影响无线电波传输的情况下，仍能发现目标，这可以使航行于遮蔽水域的船舶及早发现目标，避免突然出现目标使船舶一下子陷入十分窘迫的局面中，进而提高在该水域中船舶的航行安全。

为了提高海上航行安全，避免船舶碰撞，长期以来人们对船舶自动避碰系统进行了大量的研究，但一直没有完全解决这个问题。AIS能自动、连续地提供船舶静态的和动态的信息，这可以解决采集目标信息的问题，同时可以快速、准确的建立通信链路，加之AIS具有发送短信息的功能，因而又可将避让意图发给具有碰撞危险的船舶及周围其他船只，以了解避让意图，提高避让动向的有效性，进而提高船舶的海上航行安全。

船舶自动识别系统AIS的出现，为上述问题的解决带来了新的希望。AIS不仅能够解决原来雷达所提供的数据信息，而且能够另外提供许多与船舶有关的静态信息和转向率、航迹向等目标动向意图信息。与自动标绘雷达—ARPA利用雷达作为信息源一样，可以直接利用AIS信息来完成类似ARPA的功能，且响应时间短精度高，这就是基于AIS的船舶避碰系统。

二、基于AIS船舶避碰系统的功能与连接

（一）基于AIS船舶避碰系统的功能。

利用本船传感器提供的信息以及由AIS接收机接收到的他船信息，基于AIS的船舶避碰系统可以完成以下主要功能：一是本船的船位、航向、航速等船舶动态信息是由安装在本船的GPS、罗经、计程仪等传感器收集的。为了提高这些信息的可靠性和准确度，可以根据实际情况，对它们进行滤波处理后，作为本船动态数据进行显示和传输。二是接受、存储并显示他船的静态、动态信息。三是利用本船的动态数据，再结合AIS接收机接收到的他船的动态信息，计算出本船与目标之间的相对航向、相对航速等数据，进而解算出TCPA、CPA等重要的避碰参数。四是计算出的TCPA、CPA等参数与设定的安全值相比较，若超出设定的数值，则优先显示危险目标的船名、呼号等信息，并发出碰撞危险警告，同时往危险目标发送危险告警，即把危险目标的船名、呼号等静态信息和危险类型按一定的格式编码，通过AIS发送通道广播发送。

（二）基于AIS船舶避碰系统的结构。

基于AIS的船舶避碰系统主要由通讯模块、接口电路、控制电路及信息处理模块等部分组成。

通信模块：针对AIS采用的STDMA技术的特点，通讯模块包含一个TDMA接收信道和一个TDMA发送信道。接收信道负责接收其他船舶播发的动态、静态信息和附加的一些危险告警信息等；发送信道负责探测存在的空闲时隙，在本船需要播发信息的时候，选出空闲时隙进行播发。每个信道的时隙与外部严格同步，参考时间是协调世界时（UTC）。主要时间来源是GPS时间，但其他来源只要与UTC相关也可使用。另外，通讯模块还包含了一个VHF DSC接收信道。

接口电路：主要是完成信息处理器与外围设备的连接，包括DGPS、罗经、计程仪等传感器接口以及收发信道的接口，所有数据接口为符合美国国家航海电气协会NMEA-0183标准的船用导航设备通用接口。传感器接口将本船的动态信息转化成数字信号输入信息处理器。本船的动态信息主要包括对地航向、对地航速及船位等，可分别由GPS/DGPS、罗经、计程仪来提供。为了便于信息处理器的处理，信息收发信道的接口还具有一定的数据缓冲功能，可以缓冲锁存一桢的数据 。

控制电路：根据外围设备的状态及信息处理器的指令，控制电路可以控制外围设备的工作，并把一定的信息反馈到信息处理器。

信息处理器：信息处理器是整个系统的核心，配合控制电路，它主要完成以下操作：存储本船的静态信息（如：船名、船长、船型等）和与航行安全有关的信息（如：船舶吃水、危险货物类型、选用的航线计划等）；接收接口电路送来的本船动态信息并进行滤波处理，进一步提高精度和可靠性，然后存储；将存储起来的最新的本船动态信息、必要的静态信息和与航行安全有关的信息按标准格式进行编码送发射机；对接收到的其它船舶信息进行解码，并将解码后的数据存储起来；利用接收到的他船信息和本船信息，解算出TCPA、CPA等避碰参数，并判断是否存在碰撞危险；若存在碰撞危险，则判别危险目标，将危险信息集成到发送的信息中去（危险目标的船名、呼号等），并在本船发出危险警告；将本船和其它船的航行信息以及危险目标信息送监视器显示出来。

信息显示模块：监视系统运行状况，显示各种数据和状态信息。信息显示模块包括一个信息显示器和IBS、ECDIS等接口，即可以在本系统显示，又可以通过IBS、ECDIS等接口送往ECDIS、雷达显示屏等按规定格式显示。□

（作者：华中科技大学文华学院机电学部09级船舶与海洋工程专业3班学生）

参考文献：

[1]鲍君忠、周尊山、徐东华、谷学华. 船载自动识别系统应用.大连海事大学出版社，2006

[2]陈福玉.北斗导航通讯技术的应用与展望.第二十一届海洋测绘综合性学术研讨会论文集.2009年

[3]江衍煊，陈福金，张诗永.基于避碰规则融合航仪实例设计避碰数据库.2009年苏浙闽沪航海学术研讨论文集.2009年

[4]陈立家.海上多目标船智能避碰辅助决策研究.武汉理工大学，2011年

[5]林长川，东昉.基于多因素模糊综合决策的AIS与雷达航迹关联算法与仿真.大连海事大学学报，2003年01期

[6]徐志京，王解先.AIS与雷达目标信息融合中坐标位置的计算方法.上海海事大学学报，2005年04期.

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