AIS电子海图水域船舶监控系统

AIS电子海图水域船舶监控系统

第一章、前言

随着现今航运事业的蓬勃发展，水上交通状况日益复杂，各个海区和港口的

船舶数量逐年大幅上升，这就要先进的水域监控技术提供更有效的安全保障。继雷

达和ARPA之后,AIS海图电子信息是船舶监控管理又一项十分重要的技术，它能够

综合水域地理信息,AIS船舶信息反应出所监控水域的船只连续位置以及相关的水

域信息，对船舶进行监控，帮助船舶防范各种险情，保障航行的安全性。

1.1电子海图信息系统(Electronic Chart Display amp Information

System)

基于统一的电子海图国际标准的目的，国际海事部门各组织逐步开始了对电

子海图技术进行标准化研究，逐步确立了电子图示及其信息系统(ECDIS)的相关国

际标准。国际海道测量组织(IHO)先后推出海图内容与显示规范(S-52)和海图数据

传输交换标准(S-57)这两个标准，确立了基本电子海图的国际规范。

1.2AIS信息系统(Automatic Identification System)

国际海事组织(IMO)规定,2002年7月1日至2008年7月1日航行在国际航

线300总吨以上的船舶和公约国航行于国内航线500总吨以上的船舶，分阶段执行

配备船舶自动识别系统设备,AIS在船舶的强制安装，对于确保水上交通运输安

全，促进水上交通运输事业的发展都具有极其重要的意义。

AIS和电子海图技术的结合是水域船舶监控管理的发展方向。电子海图动态

可视化的显示AIS数据信息，包括水域中AIS船舶的经纬度信息、航向航速以及

MMSI号等静态信息，同时还将ASI报文无偏差的转换成为地理数据，使得AIS动

态航行信息完全的融入到电子海图中。

第二章、AIS电子海图水域船舶监控系统架构

2.1.1 系统网络拓扑图

AIS 船台

串口服务器

图2.1AIS 电子海图水域船舶监控系统架构图

如上图所示，AIS 接收机从基站接收AIS 报文，通过RS232将报文传输给串

口服务器。串口服务器将串口数据转换成网络数据通过以太网络发送给指定接收

端。

2.1.2 系统业务数据流转图

船台

AIS 船台

船台

串口服务器 图2.1.2 AIS 电子海图水域船舶监控系统业务数据流转图

如上图所示，AIS 船台将船舶的动态信息和静态信息报文通过数据链路发送

到AIS 基站，中心AIS 接收机收到基站的AIS 报文信息，将AIS 报文数据转发给

处理终端，完成数据流转。

2.1.3 系统软件架构

图2.13 AIS电子海图水域船舶监控系统软件架构图如上图所示，系统采用

BS与CS两种体系架构的混合模式。

1、系统采用Windows服务的模式接收从网络上接收AIS接收机转发的数据分

析处理归类写入AIS情报信息库。

2、系统采用WEB Service模式发布海图数据。数据通过HTTP协议传输给访

问端。

3、系统采用WEB Service模式发布AIS船舶信息数。数据通过HTTP协议传

输给访问端。

4、发布系统采用有客户端的BS架构，通过BS模式获取海图信息以及船舶信

息，将两种信息融合形成直观的水域船舶动态信息。

采用以上的BS与CS相接合的模式，CS架构获取船舶的数据写入数据库，其

它均利用WEB Service的BS模式进行发布，使得系统灵活，可扩展性强；提供单

客户端显示以及多客户端显示。

2.1.4 系统功能模块划分

1、AIS数据接收子系统（Windows Service）

图2.1.4-1 AIS数据接收子系统功能模块划分

数据接收功能模块：从网络监听由串口服务器发送来的AIS情报数据。采用

TCP/IP协议长连接数据监听。串口服务器为服务器，接收模块为客户端。

报文解析功能模块：将AIS报文数据依据国际标准协议规定的格式，解析出

船舶原始数据，放入待处理队列。

数据分类功能模块：将原始数据进行分类，形成所需要查询航迹信息数据，

去除冗余的数据，放入待写入队列。

数据写入功能模块：将处理好的航迹数据写入数据库中，提供其它子系统使

用。

综上所述，该系统完成AIS情报数据接收与分类写入功能，其对数据主要处

理为形成单批查询数据以及单时查询数据。为查询提供优化后的数据，简化前台

显示的计算。采用Windows Service使得无需人员操控，自动记录AIS报文

数据。

2、海图发布子系统（WEB Service）

图2.1.4-2海图子系统功能模块划分

通讯功能模块：HTTP WEB Service响应模式，接收客户端的WEB请求。

海图数据组织模块：通过解析客户端请求中的地理信息，在海图文件库中找

到对应的海图组织成海图数据，依托通讯功能模块将海图数据转给客户端。

海图数据管理模块：对海图数据文件的管理与发布。

3、AIS情报数据发布子系统(Web Service)

图2.1.4-3 AIS船舶信息服务子系统功能模块划分

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通讯功能模块:HTTP WEB Service响应模式，接收客户端的WEB请求。

AIS数据组织模块：通过解析客户端请求中查询信息，在AIS情报数据库中

找到对应的船舶信息数据组织成返回数据集，依托通讯功能模块将情报数据转给客

户端。

AIS数据管理模块：对AIS数据的管理与发布。其包括数据分类，数据维护

以及超时数据删除。

4、AIS电子海图水域船舶监控客户端子系统

图2.1.4-4 AIS船舶信息服务子系统功能模块划分

通讯功能模块:HTTP通讯模式，提交数据查询请求。

界面显控模块：业务逻辑的现实，其主要包括以下几个方法

1)S57国际标准海图显绘。

2)海图测量(测距、测面积)

3)AIS船舶信息转换地理信息显绘。

4)AIS船舶动态航迹信息显绘。

5)AIS船舶静态航迹信息查询。

6)AIS船舶信息统计与查询。

7)AIS船舶航迹信息单批和单时重演。

2、目标航迹显示

接收、存储目标实时位置信息，在背景地图上叠加显示目标运动航迹，具有

变色、变长、指示运动参数等功能。

控制目标航迹显示近期轨迹或全轨迹，显示指定区域内的轨迹，计算并显示

指定目标的动态参数

主功能菜单区域

鹰眼地图显示区域

AIS静态信息

3、地图作业标绘

在海图背景上分层叠加标绘图层。当为协同标绘模式时，通过数据传输模块

将标绘数据传到的服务器，由服务器分发给所有在线用户或指定用户。

4、航迹重演

分页显示

第三章、AIS数据格式说明

3.1、AIS的信息

AIS系统采用船舶全球的唯一编码体制，即MMSI码作为识别手段。每一艘船

舶从开始建造到船舶使用结束解体，给予一个全球唯一的MMSI码。1987年11月

19日IMO通过了第A.600(15)号决议，推广应用MMSI码。目的在于加强海运安全

和防止海运中的欺骗及防止船舶造成海洋污染的管理。MMSI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。

3.1.1、AIS信息内容

1)静态信息:

a)IMO编号;

b)海上移动业务识别码(MMSI);

c)呼号及船名;

d)船长、船宽、船舶类型;

e)船上使用的定位仪天线的位置(离船舷距离和中心线左右距离)

2)动态信息:

a)船位及其精度标示和完好性状态;

b)世界协调时UTC时间;

c)对地航向(1/10度为单位);

d)对地航速(1/10Kn为单位);

e)艏向(0~359度);

f)航行状态(由人工输入);

g)转向速率(若无可不发);

3)航次相关的信息:

a)船舶吃水;

b)危险货物(种类)按管理当局要求;

c)目的港及估计到达时间(船长估计);

d)选项—航路计划(航路点X基本电文中无此数据区)。

4)与安全有关的短电文:

a)与安全有关的寻址电文(包含源ID、目的地ID，安全电文长度可占

1~5时隙);

b)与安全有关的广播电文(只包含源ID，安全电文长度可占1~5时隙)。

3.1.2、信息更新率

自主模式下信息的更新速率规定为:

1)静态信息:6分钟以及接收到发送要求时;

2)动态信息：根据船速不同，按下表1更新率报告;

3)航次相关信息:6分钟及数据有变化时和接收到发送要求时;

4)安全信息：根据需要。

3.1.3、AIS信息类别

包括信息摘要、信息描述；在信息描述中详细有位置报告、基地台报告、船

舶静态和航行有关数据报告、船舶类别报告、使用全球导航卫星系统(GNSS)位置报

告、安全信息报告、广播信息、世界协调时查询、差分GNSS信息、数据链的管理

信息和信道管理信息等。共有22种报文。

表2 AIS处理报文列表

M：移动台,B：基台。

表3 A级AIS的位置报告报文内容表

3.2、AIS的分类

AIS设备包括以下几类:

1)船载AIS

2)基站AIS

3)ATON AIS(辅助导航)

4)机载AIS

5)星载AIS

船用AIS 可分三大类: A 级(Class A) AIS、B 级(Class B) AIS、和AIS 接

收器(Receiver Type AIS)。各类AIS 各有其不同应用范围,B级AIS安装在IMO尚

未强制规定必须按照A级AIS的船舶上，有助于提高海上航行的安全。

B级AIS有两种类型，一种是CSTDMA(载波侦听时分多址)，符合IEC-62287-

1技术标准，一种是SOTDMA(自组织时分多址)，符合ITU-R M.1371及IEC-62287-

2技术标准，由于SOTDMA B级AIS协议与A级设备相同，可以看作是一种A级设

备。

A级和B级设备的主要区别如下:

表4 AIS A级与B级设备区别

具体说明如下:

3.2.1、协议区别

SOTDMA(自组织时分多址)是一种严格的时分多址技术协议，在A级设备和B

级SOTDMA设备中采用。

SOTDMA是AIS标准(ITU-R M.1371)中规定的AIS数据交换用的数据链。标准

中规定，以国际协调时(UTC)作为同步源，同步精度要求应<312 s。在SOTDMA中，

数据链使用权是自主选择获取的，每个AIS设备都是首先监听网络，记录每个时隙

的使用情况，自动选择空闲时隙，并自动避免时隙冲突。SOTDMA协议非常复杂，

目前全球只有少数公司掌握此技术。

B级CSTDMA(载波侦听时分多址)采用先听后发技术，某一时刻接收不到其它

船舶发射信号，即可发射本机消息，协议较简单。为防止CSTDMA设备干扰AIS系

统,CSTDMA发射消息长度不能超过一个时隙。

3.2.2、静态报告的区别

A级设备具备通过消息5周期性发送标准A级设备静态报告的功能。

SOTDMA B级设备具备通过消息19周期性发送标准B级设备静态报告的功

能。

说明:

消息19—扩展的Class B位置报告，增加了船舶类型和大小等信息，可以被

其它A级设备识别。由于消息19占用了两个时隙，所以CSTDMA的Class B不能使

用该消息。

表5 消息19内容

CSTDMA B级设备通过消息24发送静态AIS数据报告，消息24包括24A 和

24B两部分,24A发射1min后应发射24B。

说明:

消息24—由于该消息是新增加的，原来的Class A船舶不能识别该消息，导

致不能识别安装CSTDMA的Class B船舶。

表6 消息24A内容

表7 消息24B内容

3.2.3、报告更新率的区别

按照IEC 62287-1标准，以CSTDMA 方式工作的AIS，位置报告（消息18）

的报告速率为：

1）当航速SOG ＞2kn，30s

2）当航速SOG ≤2kn，3min

按照ITU-RM. 1371 规范，以SOTDMA 方式工作的AIS，其回报告速率如下

表：

表8 A级、B级船载移动台的报告周期

3.2.4、报文通信的区别

A级和SOTDMA的B级设备严格按照ITU-RM. 1371 规范设计，寻址报文最长

936bit，广播报文最长1008bit，可以进行文字消息的通信，还可以进行中文短消

息的通信，方便用户使用，对该系统在我国的推广应用具有积极的促进作用。

按照IEC 62287-1标准，CSTDMA仅允许发射与安全有关的文字消息，发射消

息长度不能超过一个时隙，寻址报文最长96bit，广播报文最长128bit，不能进行

自动回复。