ais船载设备的应用可靠性分析终稿.docx
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ais船载设备的应用可靠性分析终稿
山东交通学院海运学院
AIS船载设备的应用可靠性分析
专业 航海技术
届别 2011级
学号 070615206
姓名 姜仲南
指导教师 马爱军
山东交通学院海运学院
二○一一年五月
原创声明
本人姜仲南郑重声明:
所呈交的论文“AIS船载设备的应用可靠性分析”,是本人在导师马爱军的指导下开展研究工作所取得的成果。
除文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果,对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明,本人完全意识到本声明的法律后果,尊重知识产权,并愿为此承担一切法律责任。
姜仲南
日期:
2011年05月15日
摘要
摘要:
此文分析了AIS实施过程中存在的船位安全、VHF通信、系统的可靠性及与ARPA信息融合等问题,并从技术和法规角度提出看解决这些问题的一些设想。
在AIS强制安装使用的过渡期间盲目使用AIS会带来不安全的因素。
AIS与其它驾驶台信息设备性能标准不统一和缺乏连续性,使得其在其他信息显示器上叠加显示AIS信息面临着困难。
本文分析了AIS对航行安全的影响探讨目前已有的助航设备雷达ARPA、ECDIS、VTS等系统在实际应用中各自的优势和不足,以及AIS与ARPA、ECDIS、VTS等系统实现优势互补之必要性。
关键词:
AIS,应用可靠性,优势互补,航行安全
Abstract
Text:
Thepaperanalysesindetailstheissuesaboutshippositionsecurity、VHFcommunication、systemreliabilityandintegrationofARPAduringtheimplementationandpresentsthemethodsforimprovementfromtheangleoftechnologyandregulation.TheapplicationofAISwillmakesometroublesatthebeginningofitsusage.Theincompatibleandinconsistenceperformancestandardwithotherexistinginformationsystems.ThethesisitconcentratedonAIS’sinfluenceonthenavigationsecurity.Whatismore,discussingtheadvantagesanddisadvantagesthealreadyexistedARPA、ECDIS、VTSsystem,aswellastheadvantagesofthecombinationbetweenARPA、ECDIS、VTSsystemandAIS.
Keywords:
AIS,Reliability,Complementeachother'sadvantages,Safetynavigation
前言
进入20世纪末,船舶吨位大型化、运动高速化和航行密集化的发展,使得驾驶员已经难以仅凭简单瞭望、驾驶经验和船舶广泛应用的航海仪器,来应对复杂的航行环境。
AIS集卫星定位技术、数字通信技术、信息处理技术和计算机网络技术等现代化高科技发展的最高成就与一身,具有精度高、传输速度快、自动化程度高、显示界面友好、与其它航海仪器设备有几好的扩展性和兼容性等优点,为船舶实时交通安全监控和航运管理提供了高效率的信息传输通道,是现代航海仪器技术发展的重要成果。
然而,AIS和其他广播系统一样,对射频干扰敏感,同时还受到VHF电波传播的限制。
AIS的核心是卫星导航系统,因此它也具有GNSS固有的脆弱性。
AIS不是自主的安全检测设施,对目标的监测依赖他船设备的正常工作,并非所有的在航船舶都配备了AIS设备,配有AIS设备的船舶可可能随时将设备关闭,因此AIS具有一定的局限性和负面影响。
本文旨在研究AIS船载设备的应用可靠性,分析并研究AIS设备的安全应用,并提出解决AIS应用局限性的一些方法,结合现在船舶上已有的航海仪器,并说明AIS与VTS、ECDIS、RADAR和VHF等船载设备在航海避碰中的优势互补,在进一步提高航行安全方面提一些自己的见解。
1AIS的产生背景和技术特点
1.1AIS的产生背景
IMO和各国主管部门通过制定和实施避碰规则,规定强制配备必要的助航设备,建立VTS、船舶报告制度等措施来管理船舶的安全航行,但船舶的碰撞事故还是屡屡发生。
为了进一步提高船舶安全航行的性能,有关机构和厂商对助航设备进行着不断的研究和开发,通信技术和计算机技术的飞速发展,为这方面的研究和开发提供了技术上的保证,AIS就是依托了这些技术发展而成的。
IMO很重视这项新技术对安全航行的作用,1997年IMO的航行安全分委会举行第43次的会议通过了《关于全球船载自动识别系统(AIS)性能标准的建议案》。
会议认为该系统“满足以下需要:
①船对船模式的避碰;②港口国获得船舶和它所运货物的信息;③作为VTS的工具”。
1998年IMO的海安会批准了该建议案。
1999年航行安全分委会45次会议最后确定了对SOLAS公约第五章的修订,并确定了2002年7月1日后建造的船舶,必须安装AIS,2002年7月1日前建造的船舶,从2003年7月1日起到2008年7月1日分阶段执行配备AIS设备的规定。
1.2AIS的原理和技术特点
1.2.1AIS的介绍
AIS主要由VHF通信机、内置GPS接收机、通信数据处理器、调制解调器、接口电路、显示器、外接GPS接收机、罗经、计程仪及其它相关设备(雷达、ECDIS等)组成。
AIS各组成部分的作用:
(1)外置GPS/DGPS:
提供船舶的位置(经、纬度)、船舶对地航向(COG)、对地航速(SOG)、及世界时等数据。
(2)罗经:
提供给船载AIS航向信息。
(3)计程仪:
提供给船载AIS航速信息。
(4)其它:
如雷达、电子海图显示系统(ECDIS)等,与船载AIS共同组成功能强大的船舶定位、避碰及自动识别系统。
(5)接口电路:
用于链接外接设备以获取所需相关信息。
(6)数据处理器:
作为船载AIS的核心部分,对来自GPS/DGPS的本船静(船舶海上移动识别码、船名、呼号等)、动(船舶航向、航速、航行状态等)态数据进行存储、处理,并将数据编码后送入调制器;对来自解调器的接收信号进行解码、存储并送入显示器。
(7)调制解调器:
对船舶相关数据进行调制后送入VHF通信发射机;对来自接收机的接收信号进行解调后送入数据处理器。
(8)VHF通信机:
发射、接收调制信号,工作于87B(161.975MHz)、88B(162.025MHz)两个频道。
由一台VHF发射机、两台TDMA接收机、及一台VHFDSC接收机组成,自动发射和接收已调信号,如:
本船和他船的航行信息等。
(9)内置GPS:
提供船载AIS系统同步所需世界时,以消除内部设备间的冲突;外置GPS/DGPS故障时提供船舶船位、对地航向(COG)和对地航速(SOG)等。
(10)显示器:
显示相关数据和状态状态信息,监视系统的运行状况。
1.2.2AIS的工作原理
在一定的作用范围内,在规定的频道上,用VHF脉冲转发器传输船对船和船对岸的识别、导航和通信信息,自动进行船对岸和船对舶的识别的系统称为自动识别系统。
国际海事组织(IMO)的人命安全公约(SOLAS公约)强制规定:
所有300总吨及以上从事国际航行船舶、不从事国际航行的500总吨及以上的货船和不论大小的客船,应按要求在2004年底前必须配备船载自动识别系统AIS。
船载AIS的信息如下:
A.静态信息:
IMO海上移动识别码(MMSI)、船名、船舶呼号、船舶长度和宽度、船舶类型、定位天线在船上的位置等。
B.动态信息:
船位、国际协调时、对地航向(COG)、对地航速(SOG)、航迹向、航行状态、转向率、纵横倾数据等。
C.与航次相关的信息:
船舶吃水、始发港、目的港、预计抵达时间、危险货物等。
D.简明的安全信息:
气象、潮汐等。
2AIS系统的可靠性分析
2.1AIS的可靠性在航海上的优势
(1)AIS提供的船舶信息,减少了船舶及船岸间大量的口头通信内容及时间。
(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VTS跟踪的未配置AIS系统的船舶进入雷达盲区,船舶识别符按船舶进入雷达盲区的速度、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,船舶识别符就回移失,与其它船舶、物标发生假碰撞报警,锚泊船也会失去跟踪,这些给VTS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AIS相连的DGPS的纠正,船舶定位精度更高,航行动态更易识别。
(3)AIS让雷达回拨、船舶标识符急AIS识别标识符紧紧关联在一起。
当VTS跟踪的两船近距离驶过,一不小心你会发现一船的船舶标识符丢了,该标识符跟随另一船走了,一般来说,雷达探测感应器离探测目标超过一定距离如3海里,而探测目标之间小于一定距离如80米,船舶标识符交换现象就回发生。
而AIS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。
(4)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
AIS长距离的数据交换使集成AIS系统的VTS探测、记录沿海装备AIS系统船舶的航行动态成为可能。
IMO规定,船舶上安装的AIS设备除在有国际协议、规则或标准要求护航信息的情况下不得停止使用,故此只要在沿海地区合理布置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。
(5)AIS有助于船舶避碰
随着AIS系统在航海应用中的不断普及,AIS系统的船舶避碰功能越来越为航海界所认知。
2002年7月伦敦举办的IMO/IALA大会关于AIS报告中,IMO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条和第7条中,而许多资深船长也认为AIS系统作为一种瞭望避碰手段已经运用于行行中:
①AIS作为一种适合当时环境和情况的有效的瞭望手段,其接收的数据进一步改善了值班驾驶员的瞭望信息。
②AIS系统是一种有效手段判定是否存在碰撞危险。
当值班驾驶员对两船是否会发生碰撞存在怀疑时即可通过AIS船对船模式分析两船的DCPA和TCPA,AIS船舶定位精度高,计算机会根据AIS和雷达等提供的实时数据帮助值班驾驶员断定是否存在碰撞危险。
③AIS系统又是一种避免碰撞的有效手段,装备AIS的船舶如果存在碰撞危险,他们为避免碰撞而做的航向和航速的任何变动都会通过AIS被对方实时而准确的探知,有助于船舶判定目前两船是否正在形成紧迫局面,以便及早地进行和充分运用良好船艺避免与他船碰撞,并细心喝茶避碰行动的有效性,直到驶过让请为止。
2.2AIS的可靠性不足之处
2.2.1AIS对航行安全的负面影响
(1)AIS信号传感器对信息交换质量的影响
AIS信号传感器对信息交换质量的影响AIS动态信息包括位置、时间、实际航速和航迹向、船首向、船舶状态以及转向速率等。
除船舶状态信息外,其余的动态信息由直接连接于AIS的信息传感器提供和自动更新。
这些信息更新的速度取决于当时的航速和航向的变化。
IMO建议航速为20kn的船舶的动态信息更新速率为6S,如果航向同时发生变化,速率为2S。
由信息传感器输入的船舶动态数据的精度直接影响着AIS交换信息的质量,从而影响航行安全。
①位置、实际航迹向和航速传感器
在自主发射模式下,AIS通常由GPS/DGPS接收机提供时间位置、航迹向和航速数据(GLONASS和正在建设中的伽利略(Galileo)卫星定位系统也可以作为信号输出源),极少数船舶使用计程仪(如Doppler计程仪)来提供实际航速信号。
GPS定位精度与时间常数计算滤波器的性能和美国政府对精度的人为控制有关。
在美国政府实际取消可选择性码(SA)之前,民用GPS接收机提供的船位精度是100m,由此计算的航向和航速并不是很精确,这将会直接影响AIS的信息精度和可信度。
虽然在美国政府宣布取消SA后民用接收机的定位精度得到提高(定位精度达到10m),但作为GPS接收机计算时间常数的滤波器的计算性能仍然未能得到改善。
民用GPS的船位精度对一般航行没有大的影响,但它对AIS图形显示模式下计算最近会遇距离DCPA和会遇时间PA的结果有影响,继而影响驾驶员对碰撞形势的判断。
②船首向传感器
AIS船首向信号传感器通常连接在陀螺罗经的一个输出端口上。
通过传感器,陀螺罗经向信息处理器传递可靠的船首向信号,船舶正常航行中任何细微的船首向变化都能立即被感知。
正常航行条件下,陀螺罗经航向误差是0.5度~1度,但是该误差可能会因速度和航向的快速变化达到3度~4度,使用其他仪器作为船首向信号输入源(如磁罗经)将影响船首向和转向率信息的质量。
在没有船首向信号输入的情况下,AIS自动发出“无船首向信号”值,但是在AIS图形显示状态下,系统集成检查并不能确认和识别这种信息,继而引起其他装有AIS并使用该设备的船舶的迷惑和误解,导致值班驾驶员对碰撞危险的错误估计和判断。
(2)AIS信息与驾驶台信息过载
①AIS信息显示
值班驾驶员对碰撞危险的估计和碰撞形势的判断来自于他对本船和它船运动态势的认识,这种认识可能来自于视觉、听觉、雷达、ARPA、AIS和其它一切适合于当时情况的方法。
与其它语言/语音信息交换方式(如VHF)一样,在文字信息显示模式MKD(MinimumKeyboardandDisplayUnit)下,虽然AIS收集和交换的信息是实时信息,但信息量是有限的,驾驶员难以在短时间内依靠这些信息来推断出未来一段时间的船舶动态和会遇局面,特别当船舶航行在狭窄水道或船舶交通密集区等操纵空间受限的水域时;而且,语言仍然是进行信息交流的障碍。
然而在AIS图形显示(GraphicDisplay)模式下,通过图形显示,AIS可以通过连续接受的目标船的位置信息,快速和自动地计算出最近会遇距离和会遇时间,并显示出目标船的运动状态。
与ARPA一样,通过AIS图像观测,值班驾驶员不仅能够迅速获得它船的运动参数,还可以通过变化单位时间矢量的长短来判断未来时间的会遇局面。
此外,AIS图形显示具有更突出的优点:
ARPA计算的航向和航速来源于历史的雷达数据,所以ARPA显示的是历史图像,而AIS能够时刻显示它船的航首向、实际航向和航速,是一种实时显示。
因此。
AIS在图形显示模式下对提高航行安全有较大的优势。
②综合信息图像显示
如上所述,只有在图形显示模式下才能最大限度地发挥AIS的功能,但是如果在驾驶台安装专门的独立AIS显示器并没有特别意义,而且还会出现驾驶员奔走于众多的显示器之间疲于应付各种报警和信息的局面,影响正常的值班了望。
因此,1998年IMO在其制定的AIS性能标准中没有对AIS图形显示提出要求。
IMO和国际电工技术委员会(IEC)建议在其它驾驶台信息设备中叠加显示AIS信息,如电子海图显示与信息系统(ECDIS)和ARPA。
航行安全设备和系统都有各自的性能标准。
支持SOLAS公约第V章(航行安全)所要求的设备和系统的性能标准达到26个。
IEC提供这些设备和系统性能的测试标准。
2001年IMO航行安全分委会颁布了AIS信息图形显示临时指南。
IEC下属的专门负责海上航行的技术委员会TC80设立特别工作小组研究和制定设备和系统性能的测试标准,如wG1(雷达)、wG7(ECDIS)、WG10(综合导航)和wG13(显示)等。
因为各种设备和系统的性能标准是独立完成的,并且设备的出现又处于科技发展的不同历史阶段,所以它们之间的冲突和不连续是必然的。
TC80和WG1一直致力于制定额外的指南来规范在雷达图像上叠加显示AIS信息的显示标准。
他们在研究过程中发现雷达信息和AIS信息的符号标准不一致,为此,他们不得不对先行的电子信息显示标准作了一些修改。
不断增多的相互关联的助航设备需要统一的信显示标准。
只有当AIS与其他驾驶台信息源(ARPA和ECDIS)一起以易于理解和协调的方式提供安全信息时,AIS对提高航行安全的潜在作用才得以完全发挥。
近年来,IMO和其他机构致力于综合驾驶台系统(IBS)的研究和开发,但一些工作的进展因没有统一连续的航行信息显示标准而受到阻碍。
目前IMO/IEC还没有适合于所有信息系统的完全统一的显示标准,他们正在试图制定这样一个标准。
在其他信息系统中叠加AIS信息是这个标准的一个重要部分。
此外,单个设备的显示性能标准很少涉及到信息显示“定性特征”的要求,即关于最低数量的必须显示的信息要求,这也是综合显示需要解决的问题。
现在多数船上使用的系统是以ECDIS为平台,其上叠加显示雷达信息和AIS信息。
这种方法只是多个信息的简单合成,并不是真实意义上的信息集成,而且由于诸如术语、符号、颜色等性能标准不同,在综合显示器上将会出现不统一的信息显示。
③信息过载
不断涌现的现代航海设备和系统能提高航行安全和效率,但也在另一方面加重值班驾驶员的负担。
现在驾驶台已经有雷达/ARPA、AIS和ECDIS等众多的信息系统,对值班驾驶员如何在短时间内对于如此多的信息进行选择和利用的问题一直是IMO关注的焦点。
AIS的使用会不会加剧已经存在的驾驶台“信息过载”现象,成为另类威胁?
IMO和IEC已经注意到在现有的驾驶台显示系统上增加额外AIS信息对值班驾驶员的影响。
按照SOLAS1974的要求,一艘从事国际运输的现代化船舶将至少配备1台ECIDS和2部雷达/ARPA。
假设驾驶台已经实现信息系统综合显示并且每一种设备和他们的信息传感器都经过了正确的校验,则船舶在雾航状态时,如果同时使用2台雷达,由于2台雷达天线的位置和目标船舶的相对关系以及无线电波的波长不同,在ECDIS显示器上就会出现对同一船舶的2个回波,再加上AIS信息,显示器上就会出现3个不同的回波;再者,同一船舶的ARPA和AIS的数据来源和处理方式可能不同(对地运动和对水运动、历史数据和实时数据),所以通过雷达/ARPA和AIS获得的目标船的运动参数是不同的。
因此即使对于同一物标,驾驶员将会收集到2种不完全相同的航行信息。
在紧急情况下驾驶员如何在短时间内对这些信息做出正确判断和选择是迫切需要解决的现实问题,它客观上造成了驾驶台信息过载,属于影响航行安全的“人为因素”范畴。
(3)船舶保安对航行安全的影响
基于海上保安的考虑,IMO提醒港口和船舶特别注意那些装有AIS的“幽灵船”,这类船舶为了达到隐瞒身份的目的而故意通过AIS发送虚假的或错误的船舶识别或动态信息,从而使港口或其它船舶无法识别或错误识别这种船舶。
这种“幽灵船”的存在对航行安全是一种潜在的巨大威胁。
另一方面,很多人对AIS在船舶自动避碰系统中的应用持较为乐观的态度,但是如果恐怖分子故意入侵基于AIS信息而开发的自动避碰系统,这不仅使船舶不但不能实现自动避碰,反而会导致自动碰撞。
此外,IMO还提醒值班驾驶员应认识到并非所有的船舶都装备了AIS,如非公约适用船舶;或者即使装备了AIS,也可能根据船长的专业判断而使AIS处于暂时关闭状态。
如果驾驶人员过于依赖AIS而忽视其他信息系统及正常了望将会造成很大的损失。
(4)过渡期间不完善的AIS培训
《国际船舶和港口设施保安规则》(ISPSCode)将于2004年7月1日起实施。
经过修正的SOLAS1974公约要求300gt及以上从事国际运输的船舶应该在不迟于2004年12月底之前装备AIS。
鉴于此压力,船舶保安员的强制培训工作已经提上了日程。
作为一种海上保安措施,AIS操作培训是船舶保安员培训的一个项目,确保所有值班驾驶员都熟悉它的操作程序,是过渡期间政府主管机关和船东都应关注的问题。
ISM规则要求船上人员必须经过有效的培训并掌握与航行安全有关的关键性操作程序。
STCW95规定值班驾驶员必须经过雷达和ARPA的相关培训和持有相应的证书才能实际操作这些设备,然而到目前为止,STCW95关于AIS的培训和发证的规定仍是空白的。
尽管IMO正在考虑这件事,然而按照IMO惯例,从修改STCW到真正实施需要较长一段时间。
这就意味着从现在起到2004年底这段过渡期间内,大部分驾驶员将不会接受AIS的相关培训,这对航行安全是一种潜在的威胁。
既然AIS是强制安装的,那么相应的操作培训也应该是强制的,无论是基于海上保安还是提高航行安全的目的。
政府主管机关、船东和培训机构应该确保船舶驾驶员在使用AIS之前都应接受相应的正规培训,并持有相应的证书。
但目前这的标准和要求还没有达到致使有很多安全隐患。
2.2.2AIS在设置、使用中存在的问题
AIS设备是一种双向的识别系统,正确输入相关的信息可使他船和VTS系统容易识别和监控,也能有效发挥AIS设备的作用。
AIS设备需要输入船舶的静态和动态数据。
静态数据主要包括本船船名、呼号、海E移动识别码(简称MMSI)、国际海事组织号码(简称IMO号码)、AIS天线的位置(可知船长和船宽)、船舶种类等,这些相对固定的数据在安装AIS设备时输入;动态数据主要有航行状态、吃水、本航次目的港、预计抵达时间、设置报警的CPA/TCPA值、海员数等。
目前,在相关信息输入方面存在的主要问题是:
(1)船名输入不正确或随意添加符号
在船名间随意添加符号,每两个汉字的拼音之间或两个英文单词之间没有空格或添加其它字母等,这给船舶识别以及VTS信息管理带来困难和麻烦。
国际海事组织要求AIS设备用户正确输入船名,目的是便于呼叫。
如:
“运鸿”轮,在AIS设备中输入的船名是MYSHIP,MMSI是123456789,又不输入船舶呼号等,如何让对方设别、呼叫;“大志号”轮输入船名“DAZHI”,后面的“号”不能省;有的输入船名“SMU”,可能是缩写,不符合要求;有的在船名中没有在两个字之间设置空格,易给对方的呼叫造成困难或误呼叫,如CHANGAN—HAI是CHANGANHAI还是CHANGANHAI,如NINGAN是NINGAN还是NINGAN;有些船添加了No.X,OIL显然也不符合要求。
一定要按船舶证书上注明的船名输入。
另外,拼写一定要正确。
(2)船舶呼号没有输入或输入不正确
船舶呼号是在国家的基础上分配的,所以呼号可以表示船舶的国籍。
如中国籍船舶为B字母开头,法国籍船舶为F字母开头等,当与呼号是B字开头的船舶相遇时,就可直接用汉语进行通活。
汉字中有很多是拼音字母相同而读音不同,只有加船舶的呼号才能区别。
所以,船舶呼叫对方时,除了船名外还应加船舶呼号。
可见,正确输入船舶呼号的必要性。
(3)海上移动识别码没有输入或输入不正确
在船舶自动识别系统的海上移动识别码(MMSI)是一组非常重要的编码,由9位数字组成(范围从201××××××一755××××××),AIS设备是根据这一编码进行识别的。
MMSI又是一组独特的编码,前三位数由国际组织分配给各个国家和地区,如中国大陆为412、413,巴拿马为351、352、353、354、355、356、357,香港477等,买卖、移交船舶只要不改变船舶的国籍,其识别码是不变的,不能随意更改。
MMSl码一般由当地船级社办理,现有的营运船可以向当地船级社提出申请获得。
当同一水域有两艘或更多的船舶用同一组编码
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