官方微博

基础AIS服务数据网络研究及其对我国AIS岸基建设的启发

作者:陈哲 文章来源:中国水运杂志 日期:2018年02月05日

摘要:E-航海发展促使AIS岸基网络提供更加高效率便捷的数据服务,对岸基AIS网络服务提出了更高的数据服务要求,通过研究国际航标协会关于AIS基础数据服务的内容,AIS岸基数据服务网络架构及各个组件和AIS基础数据的交互模型与典型组网模型,结合目前我国AIS岸台组网以及相关数据服务的现状。提出了关于完善我国AIS数据网络架构,引入AIS基础服务数据体系,规划AIS网络数据传输与使用机制的三点关于我国AIS升级应用服务的建议。为今后建设完善我国的AIS数据服务网络提供参考。

关键词:AIS;基础服务;网络架构;组件;

中图分类号:U653 文献标识码:A  文章编号:1006—7973(2018)1-0017-03

船舶自动识别系统(Automatic Identification System-以下简称AIS)是用于在船-岸之间提供诸如船名、船位、航向、航速等航行类信息自动报告的应用系统,从而确保水上船舶的航行安全以及进行有效的水上交通流高效管理。目前,国际海上人命安全公约(SOLAS 74)已经强制要求符合配载条件的各类船舶配备船载AIS设备。我国作为航运大国,不但遵循了SOLAS公约在满足条件的船舶上配载AIS设备,同时也推进完成了我国沿海的各类渔船、工程船等配备相应等级的AIS设备(B类AIS设备)。AIS设备按照使用地点分主要分为船台和岸站,海事航海保障部门主要通过岸站设备获取我国沿岸、内河范围内的船舶AIS数据。当下,我国海事主管部门已经建立了覆盖我国沿海及内河水域的AIS岸基台站网络。但是在AIS数据服务的数据功能结构划分上仍有一定不足,且使用上大部分只是获取、解析沿岸船舶的AIS数据。并不能像欧洲、日本等国家实现AIS数据的相关数字业务通告播发与交互。本文通过搜集国际航标协会(IALA)的关于AIS的服务、架构等相关资料文件,研究了IALA关于AIS的内外部基础AIS服务、AIS网络架构组件、AIS的数据流接口之后,从整体架构数据的角度,对我国AIS数据服务网络建设提供一些参考建议。以便相关部门对今后的AIS网络大数据系统升级应用进行参考。

1 基础AIS服务描述

1.1 基础AIS服务定义

基础AIS服务(Basic AIS Service,BAS)是相对于AIS服务中的一个相对独立的服务体系,其主要用来作为一个有效的助记的手段以方便依次展现事先定义好的数据条目的传递功能。基础意味着它是一个AIS服务的基础组成功能(或最低层组件)。每一个基础AIS服务支持一个在AIS和其他岸基技术服务系统之间数据交互,并且这些都定义在IALA 通用岸基系统框架之内(IALA Common Shore-Based System Architecture,CSSA)。基础AIS服务又分为外部基础AIS服务(External BAS)和内部基础AIS服务(Internal BAS)。

1.2 外部基础AIS服务

外部基础AIS服务(External Basic AIS Service,External BAS)是传输AIS数据往来于岸基系统间。因此,外部基础AIS服务包括了从船到岸和从岸到船(和其他交通对象)数据流。外部基础AIS服务根据BAS网络数据流的行为被安排在基础AIS服务的类目中,外部基础AIS服务类目包括:

(1)类目E-1:响应外部AIS站(移动站)从而启用并且从外部AIS站(移动站)传输数据到请求的岸基技术服务方。

(2)类目E-2:响应请求的岸基技术服务开始并且从请求的岸基技术服务传输数据到外部AIS站(移动站)。

(3)类目E-3:响应请求的岸基技术服务开始。它们提供数据到外部AIS站(移动站)为了预先定义好时间段或者配置外部AIS站(移动站)的在AIS VHF数据链路上(VDL)行为。

(4)类目E-4:响应请求的岸基技术服务开始。它们提供已经在AIS关于AIS-VDL服务中和个人外部AIS站(移动站)轮廓内的有效数据

可见,外部的基础AIS服务主要包括4个条目,每个条目对应的具体服务信息可见表1:

表1 外部BAS数据内容描述

类目 名称 说明

E-1 A_STAT A类船载移动AIS站的静态船舶数据

A_DYN A类船载移动AIS站的动态船舶数据

A_VOY A类船载移动AIS站的航线相关船舶数据

B_DAT B类船载移动AIS站的船舶数据

SAR_DAT 搜救空基AIS台站的数据

SAFE_AD(received) 从AtoN(助航/航标)AIS站接收到的数据

SAFE_BR(received) 从特定船舶接收到的安全相关的广播消息

ASC_AD(received) 寻址专应用消息接收

ASC_BR(received) 广播专应用消息接收

DGNSS_COR(received) DGNSS修正信息接收(从岸站)

E-2 SAFE_AD(transmitted) 安全相关寻址消息发送

SAFE_BR(transmitted) 安全相关广播消息发送

ASC_AD(transmitted) 寻址专应用消息发送

ASC_BR(transmitted) 广播专用用消息发送

DGNSS_COR(transmitted) 通过AIS-VDL广播发射DGNSS修正信息

E-3 ASGN_RATE 指定AIS移动站报告率

ASGN_SLOT 指定特定移动站在受保护的时隙中报告

ATON_DAT(transmitted) 传输真实和/或虚拟的助航(航标)数据至AIS移动站

E-4 CH_MON 监控AIS VDL并且提供相关数据至服务请求方

MOB_PROFILE 个人移动AIS站台人员落水特征,AIS-VDL上的特性及相关的在船设备和应用数据。

1.3内部基础AIS服务

内部基础AIS服务是这些需要管理AIS-VDL或者在AIS-VDL和/或外部AIS站(移动站)收集信息以满足AIS服务的技术操作。对于岸基系统的提醒部件而言它们是不可见的,并且也不能被其他的技术服务访问。与外部基础AIS服务一样,根据数据流行为,它们也包含在基础AIS服务的条目内,内部基础AIS服务条目包括:

(1)条目I-1:受请求岸基的技术服务启动。它们提供已经在关于AIS-VDL上的AIS服务和个人外部AIS站(移动站)有效的数据。

(2)条目I-2:受技术操作人员启动并且传输持续数据从AIS服务到一个请求的岸基技术服务或者也可以是外部AIS站(移动站)。

(3)条目I-3:受技术操作人员启动并且从AIS-VDL向技术操作人员传输数据。

(4)条目I-4:受技术操作人员启动。他们提供已生效的在AIS关于AIS-VDL和个人外部AIS站(移动站)的服务数据

(5)条目I-5:该内部基础AIS服务条目包括所有的应当具有胜任主管的部门所需要的从内部记录数据到AIS服务功能特征的内部基础AIS服务。

(6)条目I-6:该内部基础AIS服务条目包括所有的全局性的处理初始化和/或终结AIS的内部基础AIS服务

(7)条目I-7:该内部基础AIS服务条目包括所有处理初始化、配置或者终结AIS服务的个人功能性组件。

内部基础AIS服务对应的条目包括的具体的信息服务内容可见下表,需要说明的是条目I-5到I-7的具体内容根据主管部门或者个人需求定制的,并未建立统一的内容标准:

表2 内部BAS数据描述

类目 名称 说明

I-1 BASE_DAT 基站的时间与位置数据

ASGN_RATE(internal) 指定AIS移动站的报告率(内部传输数据)

ASGN_SLOT(internal) 指定AIS移动站进入受保护的区域(受保护的时隙)报告(内部传输数据)

FATDMA 固定时分多址接入协议的基站时隙预定

I-2 CH_MAN 信道管理

I-3 CH_MON(internal) 监控AIS-VDL并且提供相关的数据给技术操作人员(内部传输数据)

I-4 MOB_PROFILE 个人移动AIS站台人员落水特征,AIS-VDL上的特性及相关的在船设备和应用数据。

2 AIS数据服务架构组件描述

AIS服务组件主要聚焦于岸基AIS信息服务的各个网络层级的节点,按照从最底层往最高控制层的逻辑顺序,分别有AIS物理岸基台站(AIS-PSS),AIS逻辑岸基台站AIS-LSS,AIS服务管理(AIS-SM)。这四个层面构成了岸基的AIS网络从底层物理收发单元到顶层的AIS网络控制管理的整体架构。

2.1 AIS物理岸台基站

AIS物理岸基台站 (AIS physical shore station,AIS-PSS),该台站即为目前我国海事部门建设的AIS基站。通常情况下,AIS-PSS包括三个逻辑部件组成,即AIS 无线频率组件部分(AIS RF component),AIS固定站(AIS Fixed Station)—包括AIS基站、转发器等,以及AIS 物理岸台基站控制单元(AIS Physical shore station Control Unit,AIS-PCU)。

AIS物理岸台基站控制单元(AIS-PCU)是一个AIS物理岸基台站中AIS面向VDL的AIS服务接口,逻辑架构上位于AIS-PSS的最高层。因此,AIS-PCU都配套于AIS-PSS内部,并且一个AIS-PCU有且仅对应于一个AIS-PSS。该单元封装了依托AIS服务的技术性功能并且提供技术上独立的AIS功能给AIS的逻辑基站(AIS-LSS),因此AIS标准的改变将不会对AIS-LSS的接口有影响。

2.2 AIS逻辑岸台基站

AIS逻辑岸台基站(AIS Logistic Shore Station,AIS-LSS)是一个软件程序,将与一个或多个AIS-PCU联控的AIS数据流转换成不同的与AIS相关的数据流。每个不同的转换进程都将会考虑到使用AIS服务的应用操作方面。

一个AIS逻辑岸站的软件进程能够运行在任何地方上任何合适的电脑上。然而,他被要求需要有可靠的数据传输方法能够与所有关联的AIS-PCU和伴随有AIS 服务接口的客户端进行双向通信。最终,一个AIS服务应当能够同步的管理多个AIS-LSS对其匹配的不同客户端的服务配置。

2.3 AIS 服务管理

由于一个胜任的主管机关的AIS服务大部分情况下会包含多个AIS-LSS,AIS-PCU和AIS固定站台。这就需要一个顶层点来全盘控制这些AIS服务,也就是AIS服务管理(AIS Service Manage,AIS-SM)。AIS-SM应该能够:

(1)“统管”所有的AIS-LSS和AIS-PCU,请求,初始化,配置和在运行时终止它们。

(2)决定在AIS-PCU和它们的相连的AIS-LSS之间的网络交流关系为他们在运行时间使用。

(3)决定在AIS-LSS和他们相关应用等之间的通信关系。这顶层节点作为“转换板”实现了在不同的进程关系之间的数据交换。

AIS-SM通过控制系统的数据流和设置不同实体来满足系统需求,从而管理AIS服务。

3 AIS服务网络数据交互架构

3.1 AIS网络数据交互模型概述

随着e-航海理念在海事信息化过程中越来越深入,AIS的服务数据网络涉及到多个国际标准的数据交互模型也越来越向e-航海的数据框架下运行,现有的ITU,IEC的ITU R.M -1371 ,IEC 61162-1,IEC 62320-1等标准均不同程度的规范了AIS台站的数据结构模型,这些数据结构模型统一称之为PI (Presentation Interface),该类接口数据模型主要使用于AIS的外部BAS数据中,而在内部BAS数据中,主要使用海事数据交换格式模型(Maritime Data Exchange Format,MDEF)。其中,对于整体的AIS网络架构而言,其AIS岸基固定站、AIS-PCU、AIS-LSS、AIS-SM之间的数据交互,使用如下的数据模型:①AIS-PCU与AIS岸基固定站之间使用IEC规定的数据传输标准。鉴于IEC的数据传输有多个标准,本文统一使用IEC PI来IEC的系列数据传输表示接口,如IEC 61162,IEC 62320标准关于AIS数据传输部分的数据传输标准。②AIS-PCU与AIS-LSS之间,AIS-PCU与AIS-SM之间,AIS-LSS与AIS-SM之间,各个AIS-LSS之间使用MDEF框架下外部、内部BAS数据交换模型。具体的数据交换模型如下图所示:

图3-1 AIS岸基网络各组件间交互数据模型概略

3.2 典型的岸基AIS数据服务网络架构模型

图3-2 AIS服务网络架构模型

如上图的一个例子,AIS服务网络中,一个AIS-PCU控制1到2个AIS固定基站(通常情况下为一个PCU对应一个AIS固定基站)。而建立的AIS-LSS1逻辑基站可以对应从AIS-PCU1到AIS-PCU4的4个连接来完成AIS数据的双向传输、路由设置等基本与定制化功能,AIS的服务管理贯穿于整个AIS服务网络架构中,完成对AIS-PCU和AIS-LSS的整体服务控制与通信。该网络架构的优势在于:①AIS-LSS的建立与配置通过AIS-SM管理,AIS-SM可以实现对AIS-LSS的建立,配置对应的PCU,设置相关的LSS的AIS基础数据权限等。②每一个配置的AIS-LSS可以根据其不同的功能、用途、价值、安全性等属性进行划分。并且对应相关的业主部门,切实有效的提高了各个AIS基站的使用效率。③灵活配置,可以根据实际需求进行相应的AIS-LSS、AIS-PCU的生命周期、使用权限等管理。优化网络资源与使用效率。

4 AIS服务体系对我国的启发

通过系统的研究IALA的AIS服务理念以及相应的服务网络结构。结合目前我国航海保障中心建设的AIS网络。从AIS网络架构建设、AIS基础服务数据、AIS网络服务模式上提出如下建议。

4.1 完善AIS数据网络架构体系

目前我国沿海的AIS岸基台站建设早已完成并稳定运行多年,AIS信息服务平台系统成功投入运行。因此,除了基本的物理AIS基站台链之外,可以考虑细分区域AIS网络。除了东海、北海、南海航海保障中心的集成的区域AIS数据网络以外,考虑进行相应的逻辑基站的网络建设,建设根据各个海事、港航等相关部门所需求的分区域、细分台站的更下一层区域的网络架构体系,如按照港口区域的划分一个或者多个对应AIS岸基台站,组建逻辑基站,细分数据交互、网关管理机制。使得AIS网络架构更加科学、精细。

4.2 建立AIS基础服务数据体系

在国际海事通用数据标准以及兼容e-航海概念框架下,合理的引入IALA的关于AIS基础服务数据理念,划分内部与外部AIS基础服务数据,在软件层面上分门别类建立相应数据库、理顺各个AIS基础服务数据关系库。研究并且编制相应适合我国国内的具体使用的MDEF使用场景与语句。引入并且细化适合我国主管机关的内部AIS基础服务数据(I5-I7)的数据格式标准。切实有效的让AIS内部传输数据在AIS网络内部运行管理、安全信息传输、搜救等相关领域进行高效率的使用,挖掘AIS数据“宝藏”

4.3 规划AIS网络数据传输与使用机制

目前我国的已经建立的AIS公共数据平台,提供全国范围内的AIS数据的显示与查询。然而在具体的使用上,仅仅是实现了AIS数据从数据中心向使用方(客户端)的单方面显示发送。使用方仅能完成这些AIS基础数据的解析显示,而并不能通过AIS网络向外部的AIS移动台站自动广播、点对点的传输相应的寻址消息。因此,通过规划AIS网络数据传输与使用机制,建立AIS服务管理中心软硬件,通过AIS-SM为特定用户分配相应的AIS-LSS以及相应的网关。规划双向通信的权限。使得不同使用地点的用户可以通过AIS岸基网络根据自己的位置及管辖范围实现对辖区内的AIS广播与寻址消息的播发,无疑可以优化AIS网络使用功能。提高AIS台站的使用效率。

5 总结

当下,e-航海框架下,使用先进的电子通信技术完善船-岸之间的自动化通信操作机制趋势越来越深入人心,AIS数据通信作为e-航海框架下的重要导航通信手段,无疑可以发挥船-岸、岸-岸之间自动化通信的重要作用。通过研究分析国际航标协会关于AIS的基础服务数据体系与包含的具体内容、AIS岸基网络的各组件架构、以及组件架构之间的数据交互模型等,结合目前我国已经建成并且运行良好的AIS网络应用现状,从完善细分AIS数据网络架构,引入建立AIS基础服务数据体系,规划AIS网络数据传输与使用机制三个方面提出了相应的改进建议,为未来我国AIS数据服务网络建设做参考。

参考文献:

[1]IALA Recommendation A-124 APPENDICES 9, 10 & 11 Functional Description of the AIS Service components (AIS-PCU, AIS-LSS & AIS-SM) Edition1 December 2012

[2]IALA Recommendation A-124 APPENDIX 1 Basic AIS Services, AIS Data Model and AIS Service specific MDEF sentences

[3]IALA GUIDELINE1082 AN OVERVIEW OF AIS Edition 1.0 June 2011

[4]IALA Recommendation A-124 APPENDIX 4 Interaction and Data Flow Model of the AIS service Edition 1 December 2011

[5] 鲍建波.E-航海概念的发展[J].中国海事,2007,11:50.

上一篇:2018第四届中国海洋信息化科技展览会