1、本科毕业论文（20届）基于AIS的跨海大桥避碰预警系统研究所在学院专业班级航海技术学生姓名学号指导教师职称完成日期年月1目录0引言11AIS概述111AIS网络的概念及组成112船载AIS的组成及功能213AIS系统的主要功能32构建覆盖杭州湾跨海大桥AIS网络321杭州湾跨海大桥通航状况322杭州湾水域AIS岸基网络构建323杭州湾跨海大桥通航规定43基于AIS的杭州湾跨海大桥预警系统的建立431AIS在VTS中的应用532AIS虚拟航标在跨海大桥避碰预警系统中的应用6321AIS虚拟标的简介6322AIS航标和AIS虚拟标的功能7323AIS航标和AIS虚拟标在跨海大桥预警系统中的应用73
2、3基于AIS的跨海大桥预警系统的基本原理7331该系统的预警原理7332该预警系统的功能特点94该系统的可行性和局限性分析1041增强型VTS中的AIS应用的分析1042桥墩上的AIS设备或者虚拟桥墩AIS的应用分析1043AIS在使用中的精度等问题分析1144整个系统的运行可行性分析115该系统在其他跨海大桥上的应用及发展1151该系统在其他跨海性大桥上的应用1152跨海大桥避碰预警系统研究的发展126结束语122摘要本文根据船舶自动识别系统（AIS）的导航特点以及其扩展应用，针对杭州湾跨海大桥建立以AIS为基础的避碰预警系统。文中首先阐述了杭州湾跨海大桥水域的情况以及目前其通航状况的复杂性
3、，大桥的安全受到一定的威胁，急切需要有效的手段进行管理，联系现代导航仪器AIS的功能的优越性，建立以覆盖杭州湾跨海大桥的AIS网络系统。在此AIS网络的基础上，将AIS功能植入杭州湾的VTS，以增强VTS对杭州湾水域船舶的监督和管理，对大桥的防船撞作了基本保证，同时，结合目前AIS在航标中的扩展应用，将类似于AIS航标或者AIS虚拟标的功能应用于大桥避碰上，作为获取大桥数据的手段，再运用AIS的网络原理，建立一个既易于VTS通过对船舶预警实现对大桥的防撞，又易于船舶自身对大桥提早实施避碰行动的双重功能系统。关键词增强型VTS；AIS航标或AIS虚拟标；最佳航向；预警；ABSTRACTTHISR
4、ESEARCHISBASEDONTHECHARACTERISTICSOFAUTOMATICIDENTIFICATIONSYSTEM（AIS）AIDSTONAVIGATIONANDITSEXPANDEDAPPLICATIONTODEVELOPAWARNINGSYSTEMBASEDONAISWHICHISAIMEDATCOLLISIONHANGZHOUWANSEACROSSINGBRIDGETHEPAPERDESCRIBESCIRCUMSTANCEOFWATERAREASURROUNDINGHANZHOUWANSEACROSSINGBRIDGEANDTHECOMPLEXITYOFSEATRAFFI
5、CSITUATIONTHESAFETYOFTHEBRIDGEWASANISSUEBECAUSEOFTHEVESSELSCROSSINGUNDERTHEBRIDGEITISNECESSARYTOHAVEANEFFECTIVEMEANSTOMANAGETRAFFICANDPROTECTTHEBRIDGEURGENTLYCONNECTINGWITHTHEFUNCTIONOFMODERNNAVIGATIONEQUIPMENTAIS,WEPROPOSEDANAISNETWORKSYSTEMWHICHCOVERSTHEWATERAREAOFHANGZHOUWANSEACROSSINGBRIDGEBASED
6、ONTHISAISNETWORK,WEEMBEDTHEFUNCTIONOFAISINTOVESSELTRAFFICSERVICEVTSSOASTOSTRENGTHVTSCONTROLANDMANAGEMENTOFVESSELTRAFFICAROUNDTHEWATERAREAOFTHEBRIDGE,MAKINGAFUNDAMENTALGUARANTEEFORSHIPBRIDGECOLLISIONAVOIDANCEMEANWHILE,SIMILARTOTHEAPPLICATIONSOFAISINTHENAVIGATIONAID,WEAPPLIEDAISFUNCTIONWHICHISSIMILART
7、OAISFAIRWAYBUOYORAISVIRTUALBUOYTOAVOIDCOLLISIONWITHTHEBRIDGETHEAISEQUIPMENTSTHATHAVETHISFUNCTIONAREUSEDFORACQUIRINGIDENTIFICATIONOFTHEBRIDGE,SOTHATWEMAKEITAPPLICATIONINAISSOWECANBUILDADOUBLEFUNCTIONSYSTEMWHICHNOTONLYENABLEVTSTOGIVEANEARLYWARNINGTOVESSELSTOACHIEVECOLLISIONAVOIDANCEWITHBRIDGE,BUTALSOM
8、AKEVESSELSTHEMSELVESTAKECOLLISIONAVOIDANCEACTIONSPROMPTLYKEYWORDSENHANCEDVTSAISFAIRWAYBUOYORAISVIRTUALBUOYOPTIMUMHEADINGPRIORWARNING10引言随着我国经济建设的发展,海上交通运输事业的发展如日中天，但是其在带来经济效益的同时，也必然产生流量与安全的矛盾。目前跨海性大桥的数量在不断增加，同时由于经济体制的不断放宽,船只数量进一步增多,导致桥区船舶通航密度和航道的复杂性的增加，船舶撞击大桥的可能性大大提高。为保证交通安全,提高运输效率,构造一种对大桥安全性造成威胁的船只
9、提出预警及警告的系统是很有必要的。本文就以杭州湾跨海大桥为例，建立以AIS为基础的跨海大桥预警系统。杭州湾跨海是跨海性大桥的我国跨海性的最佳代表，它是伴随着经济发展的需要建立起来的，但其意义不仅仅表现在经济上，而且还标示着我国跨海性大桥建造的水平已经跨入世界一流，所以针对它建立起有效的保护措施势在必行。由于船舶数量的增多，还有桥区环境的恶劣，势必会导致船舶在穿越大桥航道航行时困难增加，同时船舶交通服务系统（VTS）对大桥航道的管理复杂性也越艰难，这些原因都会对跨海大桥的安全性构成威胁。本文立足于AIS的功能和导航特点，以及AIS的功能在VTS和航标中的扩展应用，结合杭州湾水域和跨海大桥的通航特
10、点，初步建立一个基于AIS的针对杭州湾跨海大桥的预警系统，并将此系统扩展应用于其他的跨海性大桥。近些年来，随着水上交通运输的发展，使得船舶数量大幅度的增加，陆上交通交通也顺应经济发展的要求，增加了跨江性和跨海性大桥的建设，由于在大桥管理方面未做出足够的或者未做出有效的防船撞措施，船舶撞击桥梁的几率相当高。在国内，根据调查统计，船舶撞击大桥的事件屡屡发生，例如武汉长江大桥建桥至今以来共被撞81次以上；南京长江大桥从1968年10月25日长江707吊拖船队第一次碰撞大桥8号墩起,到1995年7月8日，“长江21011”轮碰撞8号墩止,共发生重大撞桥事故25起；黄石长江公路大桥在建造施工过程中已发生
11、6次航行船舶碰撞施工作业船舶和4号钢围堰的事故。2006年8月11日12时30分，新加坡籍“沥青快车”轮在嘉兴港联检锚地锚泊时发生走锚，在杭州湾跨海大桥B27与C1处桥墩之间与大桥发生碰撞1。目前，在针对大桥防撞的系统研究中，主要有两种桥梁保护系统一种桥梁保护系统直接安装在桥墩上,其防护板起到缓冲作用,可以防止桥墩遭受直接碰撞并可提供其他保护措施；另一种方法是使用全天候船舶电子导航系统,高精度的仪器可以使碰撞降低到最小程度2。第二种方法中，目前有人提出个使用雷达进行避碰方案设计，但是由于雷达存在着某些局限性，如覆盖范围小、易受天气影响和跟踪和监视功能有缺陷等，尤其是雷达不能联网的局限性，使得目
12、前没有建立针对大桥的预警系统，AIS的出现使得这个预警系统成为可能，AIS不但弥补了雷达的很多不足之处，而且还提供了网络连接，使得VTS、海事管理部门以及港口管理部门等对船舶、航道和港口的监督管理更加便捷和有效。本文就以基于AIS建立杭州湾跨海大桥预警系统作个初探,在建立了覆盖大桥水域的AIS网络的基础上，将AIS融入VTS系统中，利用AIS增强VTS对杭州湾跨海大桥的监督管理，并结合AIS在航标管理中的扩展应用，充分发挥基于AIS的航标在大桥避碰预警中的使用，联系AIS的网络结构，以此建立一个比较完整AIS网络预警系统，从而达到有效防止船舶撞击跨海大桥。1AIS概述11AIS网络的概念及组成
13、AIS（AUTOMATICIDENTIFICATIONSYSTEM自动识别系统，是一种工作在VHF频段采用SOTDMA现代通讯技术的广播式自动报告系统。其诞生于20世纪90年代，是集现代通信、网络和信息技术2为一体的多门类高科技航海助航设备和安全信息系统。AIS网系统由两大部分组成岸台系统和船台设备。1）岸台系统。AIS岸台网主要由AIS主基站、AIS基站、AIS船站、信息传输系统以及相关接口等组成，一个典型的岸台由VHFTDMA收发机、VHFDSC接收机、基站控制器（BSC）、网络设备、控制软件和应用软件组成。AIS基站收发机遵从ITURM1371建议案AIS技术特性标准，可安装在VIS系统
14、中或作为AIS沿海网络的核心单元。2）船台设备。是一种VHF海上频段的船载广播式应答器。一个典型的AIS船台1台VHF发射机、2台VHFTDMA接收机、1台VHFDSC接收机、1台带有标准的船用电子通信接口（IED61162/NMEA0183/200）的控制装置以及各种必要的传感器组成。它能发出船舶的各种信息，如船名、MMSI、船位、船首向、船舶类型、船舶长度、宽度、吃水、所载危险货物等信息3。而船台设备通常是指船载AIS，还包括其他如飞行器上的AIS设备等。下面进行介绍。12船载AIS的组成及功能船载AIS属于AIS系统中的船台设备，由以下部分组成AIS信息处理器、AIS通信处理器、AIS信
15、息显示器、船用导航设备通用接口和VHF设备。如图1所示图1船载AIS原理工作流程简介1）船用导航设备通用接口接收来自GPS/DGPS/GNSS接收机的船位信息和同步世界时UTC，还有本船陀螺罗经提供本船对地航向，计程仪提供对地速度，以及VHF或TDMA接收的外界船舶信息，然后送到AIS信息处理器进行处理。2）信息处理器一方面存储本船信息，并将本船的最新航行信息和必要的静态信息及其他信息进行编码后送通信处理器，另一方面将本船和它船的信息送到AIS显示器。AIS显示器就可以显示本船和他船的信息了，AIS显示器由于有ECDIS的数据输入，各种船舶数据可以显示在ECDIS上。3）AIS通信处理器接收来
16、自系统处理器的数据后，用VHFCHN87B、88B两个国家专用频道按协议通信方案自动发射系统处理器的信息，并接收有同样规定的来自他船或岸站已调信号。VHF发射机VHF/TDMA接收机1VHF/TDMA接收机2VHF/TDMA接收机3GPS/DGPS/GNSS计程仪电罗经雷达/ARPAECDIS/ENC输入装置船用电子通讯接口AIS信息处理器AIS显示器34）VHF设备则是连接AIS通信处理器的，AIS的VHF设备一般包括一台VHF接收机、两台多信道VHF接收机和一台用于信道管理的信道70频道接收机（DSC），他是发射和接收的终端设备。13AIS系统的主要功能从上边工作AIS的原理得出AIS的功
17、能如下41）该系统可在无需人工介入的情况下，主动连续地向具有适当配备的岸台和其他船舶提供信息，包括船名、船舶识别码、船型、船位、航向、航速、航行状态和其他与航行安全有关的信息。2）系统能接收、处理船位、航速等传感信息，自动接收来自具有相同匹配的船舶、管理当局及其他来源的上述信息。3）以适当的更新速率提供船位和操纵信息，以便于当局和其他船舶精确跟踪和监视船舶状态，并提供了其他辅助避碰的信息。4）与AIS岸台交换数据，以使主管部门指配工作模式，控制数据传输的时间和间隙。5）系统有内设测试设备，并有人工输入和数据输出的数据接口。在以上AIS系统的主要功能中，我们很容易得出AIS最主要的功能是能与他船
18、和岸台互换船舶的船位、航向、航速和安全信息等信息，从而达到“知己知彼”，并提供在船舶避碰和主管机关当局进行海事监控中的原始数据，以便于船舶能及时判断是否形成碰撞可能和形成碰撞趋势以后有助于船舶采取下一步行动，也有助于主管机关对港口和某些船舶交通枢纽的重要水域进行监督管理。2构建覆盖杭州湾跨海大桥AIS网络本文以杭州湾跨海大桥为例，建立此系统。为建立基于AIS的针对杭州湾跨海大桥的避碰预警系统，首先得建立覆盖覆盖大桥的AIS网络，因此有必要杭州湾水域以及大桥水域的特点进行了解，并构建合理的AIS网络。21杭州湾跨海大桥通航状况杭州湾跨海大桥是我国目前跨度最长的跨海大桥，大桥起于杭州湾北岸的海盐县
19、郑家埭，跨越杭州湾宽阔海面及南岸滩涂后上岸，迄于宁波慈溪市丰收闸北约3KM处，全长36KM。杭州湾大桥跨越嘉兴港、杭州港等通海航道，大桥北岸有嘉兴港海盐港区、乍浦港区，南岸有上虞港，上游钱塘江内有杭州港,因此杭州湾跨海大桥水域是外海船舶进出嘉兴、海盐港区、秦山核电站和上虞、杭州的必经航道，水上交通比较繁忙，仅秦山核电站的重件码头，当前月吞吐能力就超过10万吨。此外，由于北岸的海陆联运优势，使得杭州、湖州甚至苏南的货物都从海盐港转运，比如杭钢集团从澳大利亚、巴西进口的铁矿石要经过杭州湾水域才能运到杭州1。自跨海大桥建成后，水面上将增加很多桥墩,桥区水域通航环境的改变,一方面,给进出于杭州湾各港口
20、的船舶航行安全造成较大的影响,另一方面,通航船舶也给大桥的安全形成威胁。例如船舶在跨海大桥通航孔桥墩附近大量聚集，通航密度增大，船舶在航行时不但要在有限的水域内避让他船，还得避让大桥桥墩，航行难度加大，同时船舶通航时将受到大桥通航孔高度和宽度的限制，船舶因此还得注意自身船舶的装载情况和操纵性能，并且应选择适当的通航孔。如此，改善跨海大桥的通航状况成了急需解决的问题。22杭州湾水域AIS岸基网络构建在杭州湾跨海大桥的AIS网络系统构建上方案上，笔者比较同意何跃盛和张仁颐在杭州湾水域AIS通信网络的构建一文所提及的观点5杭州湾跨海大桥海中平台位于杭州湾跨海大桥南航道桥以南约17KM下游150M，通
21、过匝道桥与大桥主线连接，是大桥监控维护，抢险救生的服务保障功能区域，海中平台观光塔高度为145米，具有良好的视野，周围的干扰小，通信条件好。以此地4作为主基站，可以对整个杭州湾水域的AIS网络进行控制。根据它的高度，主基站的覆盖范围半径可达276海里，基本覆盖了杭州湾大部分水域，包括跨海大桥周边水域、嘉兴港、嘉兴港锚地、上虞港等区域。滩浒山位于杭州湾水域的东北部，上设灯桩，距离杭州湾跨海大桥海中平台约29海里、离东霍山约22海里，海拔高度772米，基站的覆盖范围半径约20海里。东霍山位于杭州湾水域口门的南部，上设灯桩，离杭州湾跨海大桥海中平台约33海里，海拔高度63米，基站的覆盖范围半径约18
22、海里。该三基站与周边现有的舟山AIS通信网络的七里峙基站、长江口AIS通信网络的大戢山基站一起对整个杭州湾水域形成有效覆盖。如表1表1杭州湾AIS基站表基站及特点大桥平台中心嘉兴航标站滩浒山东霍山台站性质主基站站点灯桩灯桩台站距中心距离0102933电波覆盖范围276162018台站通信条件有线/好有线/好无线/中无线/中23杭州湾跨海大桥通航规定目前，为急于改善大桥交通混乱的情况，海事管理部门对大桥通航孔的通航做出了规定，其通航规定如下61号通航孔（北航道北侧副通航孔），其对应的桥区航道为303409“N/1210259“E、303401“N/1210242“E和303354“N/12102
23、26“E三点连线为中心线，两侧各宽40米，航道走向062242。1号通航孔及其对应的桥区航道为由东向西（上行）1000载重吨以下船舶单向通航，通航船舶应在其桥涵标引导下，在航道中间航行。2号通航孔（北航道主通航孔），其对应的桥区航道为303434“N/1210420“E、303353“N/1210247“E和303311“N/1210115“E三点连线为中心线，两侧各宽100米，航道走向062242。2号通航孔及其对应的桥区航道为5000载重吨以下船舶双向通行，通航船舶应在其桥涵标引导下，靠右航行。或500035000载重吨船舶单向通行，通航船舶应在其桥涵标的引导下，在航道中间航行。3号通航孔
24、（北航道南侧副通航孔），其对应的桥区航道为303359“N/1210325“E、303344“N/1210253“E和303306“N/1210130“E三点连线为中心线，两侧各宽40米，航道走向为062242。3号通航孔及其对应的桥区航道为由西向东（下行）1000载重吨以下船舶单向通行，通航船舶应在其桥涵标引导下，在航道中间航行。4号通航孔（南航道主通航孔），其对应的桥区航道为302922“N/1210800“E、302824“N/1210640“E和302726“N/1210520“E三点线为中心线，两侧各宽100米，航道走向为049229。4号通航孔及其对应的桥区航道为3000载重吨以下
25、船舶双向通行，通航船舶应在其桥涵标引导下，靠右航行。从以上杭州跨海大桥的通航具体情况得知，1号和3号为单向通行，2号和4号为双向通行，并靠行驶，其中2号孔为最大通航孔，也是较为复杂的通航水域。3基于AIS的杭州湾跨海大桥预警系统的建立在AIS网络的基础上，根据杭州湾大桥的通航规定，下文建立针对于杭州湾跨海大桥的建立基5于AIS的预警。并阐述和明确其他跨海性大桥在建立此系统避碰方面的共性和差异性。大桥是静止的，不可能因为你船撞他而他会给你“让路”。因此在防止船舶撞击桥梁时主要是依靠船舶自身采取的行动，船舶采取行动的前提是必须先获得大桥与船舶之间相对位置关系以及自身航速航向等数据，方能根据实际情况
26、采取适当的措施进行避让。因此在此系统的研究思路上，我认为有两种方法，一种是以VTS为主体的，首先建立覆盖大桥水域的AIS网络和VTS系统，并将AIS的功能应用于VTS中，从而形成增强型VTS，加强VTS对大桥以及大桥周围船舶的监督管理，并通过VHF或者VTS短信方式对船舶进行提前预警，并指导船舶船舶采取行动；另一种是以船舶自身为主体的，在建立AIS网络的基础上，船舶通过获取大桥的数据，联系本船的动态，及早对大桥实施避碰行动。这两种方法中，两个主体VTS和船舶都是以获得大桥的信息为基础的，因此前提是解决获得大桥信息的手段。31AIS在VTS中的应用在AIS未出现之前，VTS的管理主要是通过雷达实
27、现的，原理是由计算机对VTS雷达所获得的船舶数据以及VTS同船舶通信所获得的数据加以处理，将处理的结果作为依据，以此对船舶实施交通管理和助航服务。但是这些数据的可靠性取决于雷达的特性，我们知道雷达有性能的限制，如雷达存在盲区、受天气条件限制、覆盖范围窄等等局限性，这些使得VTS使用雷达、ARPA等传统的航海仪器在搜集船舶的信息静态信息如船舶的船名、MMSI、船舶呼号、船籍港、在船人数、船型、吨位、载货隋况、船位、航向、航速、机器状况、进出港或锚地的位置、时间等和动态信息如船位、航向、航速、CPA、TCPA等时，存在很大的局限性，不能够提供即时的船舶动态，不利于判断评估在航船舶是否有碰撞、偏离航
28、道、临近危险区等危险以及是否有违反航行、锚泊规则等各种违章行为；也不利于评估锚泊船舶是否有走锚危危险或任意移位、评估助航设施是否有移位、丢失。并且VTS在监督管理中绝大多数是使用VHF语音通信功能，而在实际应用中，由于甚高频可使用的频率数量有限，电波相当拥挤，高频上相当嘈杂，导致有些重要信息可能误解或者丢失。AIS采用SOTDMA自控时分多址联接发送和接收报告，在统一的VHF频道上，AIS范围内任何船舶都能自动互不干扰地发送和接收报告。AIS的覆盖范围即为VHF的覆盖范围，约为30海里，在同一区域能同时容纳200300艘船舶，并且系统超载时，会自动放弃远距离的目标，保证近距离目标的监视、监测和
29、跟踪。由于SOTDMA的强抗干扰性，克服了许多目前VT雷达监视和跟踪目标的局限性，同时AIS可以减少船舶向VTS的船位报告，便于VTS更好的跟踪和监视船舶动态。因此AIS作为一项新兴的航海仪器，其有着雷达不具备有的优越性，且弥补了很多雷达的缺陷，并提供了短信的通信方式，所以将AIS系统和VTS系统有机结合起来，弥补雷达在VTS中的不足之处，形成增强型VTS，不仅可以扩大了VTS覆盖范围，增强船舶识别和船舶的的动态跟踪能力，而且还增强了船岸之间的通信能力，从而更有效地管理船舶。AIS植入VTS原理如图2所示6图2AIS植入VTSAIS融入VTS主要就是AIS数据和VTS雷达数据的整合，整合之后会
30、得到船舶更多的数据，如以前用雷达只能得不到船舶名称、MMSI、目的港等，而AIS则补充了这些数据，当然其他的如船速等数据则不是简单的普通的互相补充。之后雷达站将数据发送给AIS网络中心，又将AIS网络中心和VTS中心设立在一起，更加方便了VTS对船舶进行监控和跟踪，实现更加全面的管理。目前对于AIS用于VTS的应用已经成为目前研究的重点，海事部门规定要求自2009年后所生产的雷达都必须带有AIS显示功能，这也是AIS应用于VTS迈进的一步。AIS植入VTS后，VTS便可以通过覆盖杭州湾跨海大桥水域的AIS网络系统获得大桥周围的船舶信息，并给予船舶各种预警和引航服务，同样在此AIS网络的基础上，
31、船舶（配备有AIS的船舶）会获得周围船舶的信息，一船也可以对另一船发送信息或其他预警。32AIS虚拟航标在跨海大桥避碰预警系统中的应用在建立了该AIS网络并将AIS的数据接入VTS后，下面需要解决的关键问题在于AIS如何能获得船舶与大桥桥墩之间是否存在碰撞可能的数据问题。321AIS虚拟标的简介AIS的开放系统互连工作模式使得系统具有很大的兼容性，2006年IALA提出了关于海中航标使用自动识别系统（AIS）的建议案，于是一种以AIS为基础的虚拟航标的技术正在迅速发展起来。AIS在航标中的应用有如下几种1）AIS航标就是在实际航标上使用AIS设备，该AIS设备可以只带一个GPS作为定位，其他数
32、据可以提前预存，然后采用类似于“船船”工作模式，来往于AIS覆盖区域的船舶发出询问信号时，AIS航标将发出相应的应答信号，在船上的显示终端电子海图上显示其信息，使船舶准确及时获取其周围环境信息，确保航行安全。或者该AIS航标以自主工作模式向岸上AIS基站发送自身数据，并由基站统一广播到覆盖水域的船舶，在船舶的AIS显示器或者ECDIS上会清楚地显示该航标的位置等信息7。2）AIS虚拟标AIS虚拟航标是AIS与电子海图显示和信息系统（ECDIS）有机结合的产物，其原理是AIS将管理区域的航标信息实时动态地发送给用户（主要是船舶），并在ECDIS上显示出来8。其分为有实体的虚拟标和无实体的虚拟标。
33、雷达天线AIS基站VTS中心AIS中心雷达站AIS基站雷达站雷达站雷达站AIS基站VHF天线7有实体的虚拟航标航标是真实存在的，但发射航标信息的AIS站却在远离航标的地方。有实体的虚拟AIS航标由GPS接收机，处理器和GSM（全球移动通信系统）组成。在岸上接收数据，按照ITU规定的AIS航标数据格式进行变换，由AIS岸站或AIS航标站广播，就如同由航标上的AIS设备发射的信息一样，该信息被船载AIS设备接收后将在电子海图上显示。无实体的虚拟航标航标实际上并不存在，而是管理部门为方便指引和警示船舶通行，AIS主基站在ECDIS上的某些重要的交通水域或者特定地点设置航标符号，并通过岸基台站或航标A
34、IS站广播出去，从而在AIS信息显示屏上产生一个虚拟的航标，在这种情况下，航标符号会出现在船舶AIS的显示屏上没有实际航标存在的特定位置。322AIS航标和AIS虚拟标的功能AIS航标和AIS虚拟标的应用使得管理部门对于航标的管理更加统一和便捷，而且缩减了在航标上的费用高的难题，加强了航标的管理，另外由于加入了AIS功能，使得航标（如灯浮标、灯船等）变“活”起来，通过AIS网络，船舶能随时掌握航标动向，降低船舶碰撞航标的机率。如可以在AIS航标周围设置警戒圈，一旦有船舶进入，则该AIS航标报警并自动做好记录；另一种手段是在AIS设备中设定安全距离，一旦与船舶的距离小于安全距离，立即向该船舶发出
35、警告，并通知航标管理中心。目前，虚拟标已经投入实际应用，例如上海航道管理处在长江苏通大桥水域设置的4座AIS虚拟界限标，还有如青岛港也使用了AIS虚拟航标，还有在渤海湾北部营口港也使用了AIS虚拟航标。基于AIS的航标有着很多普通航标没有的优越性，它使得航标数字化，所以其发展前景尤为可观。323AIS航标和AIS虚拟标在跨海大桥预警系统中的应用从上面AIS航标和AIS虚拟标的原理可以得出，AIS航标和AIS虚拟标可以作为船舶获取航标数据的一种手段。同理船舶在大桥附近航行时，船舶要获得大桥环境信息，才能进行判断是否有碰撞危险，为了获得大桥的数据，我个人认为可以使用AIS航标或者使用有实体的AIS
36、虚拟标。两种方法如下一种是AIS网络中心直接在ECDIS上的杭州湾跨海大桥桥墩上设置虚拟大桥桥墩AIS，如同有实体（桥墩）的AIS虚拟标，该AIS显示的是大桥桥墩位置以及最佳通航航向等数据，然后通过AIS基站广播给杭州湾水域的船舶；另一种是在大桥桥墩上设置只带有GPS电路的真实的AIS设备，该AIS向AIS网络中心以自主工作模式发送自身信息，AIS网络中心以广播模式发送给杭州湾水域的船舶。这样在AIS的显示器上（ECDIS）上会显示出大桥桥墩位置以及大桥最佳通航航向等数据，让船员一目了然。后一种方法在实际上可能因为不经济所以在虚拟航标上没有使用，可是在这里是用作大桥防撞预警系统的一个终端，相对
37、于船舶撞击的损失，我想还是很经济的。33基于AIS的跨海大桥预警系统的基本原理331该系统的预警原理装设在桥墩上的AIS设备或者虚拟大桥桥墩AIS会自动提供自己的信息，显示的数据有如名称“杭州湾跨海大桥几号孔”、GPS位置“多少”、类型“单向或双向通航”、发射模式“自主连续”、播发间隔“3分钟”、最佳通航航向“多少度”等，通过此桥孔的最佳航向等等信息。这些数据中最重要的是其穿越最佳航向，杭州湾跨海大桥采用了“S”型设计，可以使桥梁与航道的水流基本垂直，使船舶可以顺利地顺流通过,而且大桥桥孔的孔的长度使得通航孔在建造上没有曲度，因此我们可以将此AIS提供的最佳航向设置为垂直于大桥的航向，也就是交
38、通流的航向或者交通流的反航向。设置数据如表28表2桥墩上的AIS设备和虚拟AIS的数据设置名称类型发射模式播发间隔最佳通航航向1号通航孔单向通航自主连续3分钟上行2422号通航孔双向通航自主连续3分钟上行242下行0623号通航孔单向通航自主连续3分钟下行0624号通航孔双向通航自主连续3分钟上行229下行049对于VTS和船舶如何获取跨海大桥的通航孔信息，两种方式的原理分别见下。1）对于装设在大桥桥墩上真实的AIS设备（带GPS），其位置可以由GPS提供，其他的数据如名称和最佳航向等信息可以先在其信息处理器里存储，然后同船载AIS一样，利用自组织时分多址技术（STDMA），可以和其他的船载A
39、IS使用同一载频，按照时间分隔制，以自主工作模式AIS岸基网络发送大桥数据，这样AIS主基站会得到大桥信息，由于AIS主基站和VTS是联通的，所以增强型VTS便可以在ECDIS上显示桥梁通航孔的信息，同理VTS也会获得大桥附近船舶的相关信息，这样VTS经过数据处理后，初步判断船舶与大桥是否会有碰撞危险，如有则对目标船进行预警，使其及时采取行动。同时AIS基站会将大桥上的AIS的信息广播至所有覆盖区域的装载有AIS的船舶，从而这些船舶的ECDIS上便会显示出大桥桥墩位置以及通航孔的最佳通航航向（如A类AIS，B类不具有），其MKD上也会显示有关大桥的文字信息（对于目前的第三代AIS船舶避碰仪，可
40、以直接在MKD上显示电子海图），然后船舶根据自己与大桥的相对位置关系，联系自己航向、航速等信息及时采取有必要的避碰措施。这种方法还可以在桥墩的AIS设备中设定安全距离，一旦与船舶的距离与桥墩的距离小于安全距离，则会立即向该船舶发出警告。2）如果是使用虚拟的大桥桥墩AIS，AIS主基站直接在需要广播的信息当中设置一个实际上并不存在AIS设备的大桥桥墩虚拟AIS设备，该虚拟AIS设备中需输入桥墩名称如“杭州湾跨海大桥几号孔”、桥墩GPS位置、最佳通航航向等信息（实际测量后输入），该虚拟AIS通过岸台基站向大桥所在水域进行广播，可在AIS的显示屏上产生一个虚拟的AIS设备，这样增强型VTS和大桥附近
41、的船舶同样也会获得大桥的信息，从而进行如上所述的预警。两种方法的预警系统原理如图3所示9图3大桥预警原理图332该预警系统的功能特点不管是利用装设在桥墩上的真实的AIS设备还是利用虚拟桥墩AIS，船舶和VTS都会获得通航孔信息，在船舶实际穿越大桥桥孔的过程中，为进行有效的安全穿越，最重要的是航道的位置以及穿越通航孔时的大致航向，上面介绍的两种方式都会在船载AIS的ECDIS显示器上显示大桥桥墩位置，而不是通航空中心，这样做的原因主要有两点一是桥墩是船舶最容易碰撞的地方，船载AIS显示桥墩有利于引起船员的注意，自然而然就像避开他船一样采取行动，设于通航空中心容易让人误会通航孔中存在障碍物；另外是
42、有利于船舶衡量本船在穿越通航孔时，用于估计本船计划航线与桥墩的距离，便于船舶将自身航线设于离桥墩安全距离的航线上。上面的预警系统为船舶提供两种避碰方式一种是船舶向桥墩上的AIS设备发送询问模式或AIS基站广播给船舶的方式，直接获得大桥数据，然后根据数据判断是否与大桥桥墩有碰撞危险，即船舶通过船载AIS设备自动获得的大桥信息原始数据，从而实施避碰行动。另一种是船舶从外界警告，即船舶通过植入AIS的VTS（增强型VTS）或者他船发送的航行安全警告，进而采取避碰行动，实例如图4图4船舶通过桥孔虚拟桥墩AIS桥墩上带GPS的AIS或者船载AIS船载AIS船载AISAIS基站AIS基站AIS主基站VTS
43、中心产生送至AIS基站广播船舶获取桥墩数据，采取避碰措施监视船舶动态，对船舶发布早前预警桥墩1号船2号船交通流方向大桥通航孔AIS所示最佳航向10当然，除了航向之外，VTS对于船舶的预警还有船位因素，即船舶应该位于航道里且航向要基本接近最佳通航航向。此系统在实际应用中，船舶通过船载AIS获得欲穿越的桥孔位置和最佳通航航向后，船舶依据此设计相应的航线，使其航线与桥孔下航道一致，如图4所示，1号船通过大桥时航向与大桥通航孔交通流方向基本一致，且位于正确的航道中，则其保持航向，并把握与他船的横距，即可通过。2号船一方面校对自己目前航向和船位是否符合交通流，及时调整；另一方面VTS可能会发送预警要求船
44、舶注意自己的船舶动态，及时采取避碰措施。这就是这个系统能达到的结果。另外一个避碰因素就是桥梁两侧宽度和船舶横距是否宽裕问题。我想这个可以使用GPS得以解决船舶根据桥墩上AIS所提供的航向，船舶依据穿越最佳航向在ECDIS上设置航线，并根据GPS功能设置偏航报警“XTE”，若偏航，在ECDIS上可以看出来，同时GPS也会报警。船员可以根据船舶偏航情况联系实际瞭望，掌握当时本船的航向、航速、以及本船桥区位置，联系当时的通航密度，做出适当的穿越角度进行穿越，并做好与他船避碰的行动准备。4该系统的可行性和局限性分析41增强型VTS中的AIS应用的分析该系统中用到的AIS的功能包括船载AIS功能和AIS
45、的网络功能。一方面装设在桥墩上AIS或者虚拟桥墩AIS能能提供类似于船载AIS的船舶静态数据和动态数据，诸如“名称”、“最佳通航航向”、“GPS位置”等大桥信息；另一方面利用AIS网络功能将该数据广播给船舶，而且在将AIS融入VTS的基础上，VTS也能得到大桥以及桥区船舶（配备AIS的）的信息，更好的监视船舶。与VTS雷达相比，AIS有如下优点能够实时性地主动提供信息，不受近距离交会的影响，不因快速操纵而失去目标；不受天气海况影响，不因恶劣天气的影响造成目标的丢失；能够检测到VHF/FM覆盖范围内的目标，包括障碍物后面的目标。从而有效的解决了误跟踪、目标互换和恶劣气象条件下船位监测等问题，化解
46、了恶劣天气条件下VTS的跟踪监测功能。该系统是基于AIS的，但是目前很多小型船舶没有配备船载AIS，如杭州湾水域的船舶大多为小型船舶，都未配备有AIS，有的小船甚至也无需AIS设备，另外有的船不会使用AIS甚至不屑于使用AIS，还有的情况是船员的错误输入信息，这样会使VTS得到错误信息，从而造成碰撞等事故。所以普及B类AIS在小船上的配备，加强船员AIS的培训等是很关键的。同样也是因为以上这些问题，AIS需要雷达作为辅助才能更好的应用于导航，也是到目前为止AIS无法代替传统的雷达作为VTS的主要技术设备的原因之一。但是基于雷达的VTS，由于雷达的局限性，使得VTS在使用雷达作为监视工具时的潜能
47、无处可挖，并且雷达技术的发展需要高经费，所以很多国外这方面的研究已经转入AIS应用于VTS领域，相信AIS作为VTS的“得力助手”的技术发展前景是广阔的。对于预警系统，虽然目前AIS在VTS中的使用还有一定问题需解决，但是AIS能够用作VTS雷达的辅助，并解决雷达的某些局限性，从而更好的监视和跟踪船舶，这是当前实际可行的。42桥墩上的AIS设备或者虚拟桥墩AIS的应用分析随着AIS技术的发展，AIS在航运中的应用越来越广泛，从船载AIS的应用过度到AIS虚拟标的应用就是个很好的例子，AIS的这两种应用都是在利用AIS的网络传输功能，不同的就是AIS终端设备所输入的数据不同，因此只要更换AIS的
48、终端设备，就可以应用于其他的各种航行标志、物标以及航道界限等领域，本文所用的桥墩上的AIS和虚拟桥墩AIS就属于此类应用。桥墩上真实的AIS设备只带有GPS，不像船载AIS那样还有很多接口，如电罗经、计程仪等接口，但是可以在其信息处理器部分中直接存入如“最佳通航航向”等其他信息，然后直接有VHF发射机发11送给岸台基站。这个功能类似AIS航标，不同的就是更改AIS信息处理器里储存的数据。虚拟桥墩AIS由AIS基站直接设置进行广播，利用AIS虚拟标的设置原理可以实现，而且虚拟标已经投身入了实践应用中，所以实现这点也是可行的。但其有局限性91）AIS虚拟标要求AIS网络系统有非常高的可靠性。AIS
49、网络系统的可靠性是受诸多因素影响的，仅依靠AIS一种导航设备是有一定风险的，尤其是在近距离避撞、狭水道航行、近岸航行等情况下，综合运用多种助航手段还是有必要的。2）要求船舶必须装有AIS设备以及ECDIS，否则该虚拟桥墩AIS不能正常显示。3）由于AIS虚拟标的技术成熟程度不够，这主要将取决于一些高新技术应用情况，如高精度的电子海图、港口高精度自动导航模型的开发、高可靠性。虽然，以上两种AIS模型单元都有一定的局限性，但是随着各种导航技术的发展和优化，其前景是相当可观的。43AIS在使用中的精度等问题分析在预警系统中，大桥的信息是否准确主要是AIS精度的问题，在第一种方法中，也就是在大桥上安装实际设备，这个引起的误差主要就是AIS中的GPS输入的位置精度问题，在中国沿海如不进行校核，普通型的GPS误差也就是一般商船所使用的GPS精度在100米左右，其中20米左右的伪距水平误差，50米左右的坐标系统误差，20米左右的海图和作图误差，而大桥桥孔的跨度2号和4号为100米，1号和3号为40米，在GPS的精度范围内，这无法表示桥墩位置，但是可以作为大桥通航孔位置，这对于这个预警系统来说，已经足够，并且船舶要穿越桥孔，其必会更加小心。如果船舶使用的是DGPS
