航海技术毕业论文.docx
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航海技术毕业论文
(航海技术专业本科生)
毕业专题论文
中文题目
AIS的发展与其在航海实践中
应用的研究
英文题目
The researchofdevelopmentofAIS andapplianceofAISin navigationalpractice
作者姓名
葛国强
所在专业
航海技术
所在班级
航海1073班
申请学位
学士学位
指导教师
毕修颖教授
毕业专题论文成绩评定
指导教师评语:
ﻩ指导教师(签名)
年月 日
答辩小组评语:
ﻩ答辩小组组长(签名)
ﻩ年 月 日
毕业专题论文成绩
系主任
(签名)
年月日
审批单位
(盖章)
年月 日
第一章AIS的产生背景及其功能- 2 -
1.1 AIS产生的背景ﻩ—2-
1。
2 AIS的发展过程-2 -
1。
3 AIS发展的前景-2 -
1。
4 AIS的概念和意义-2-
1.5新规范的AIS技术特点ﻩ-3-
1.6AIS在海事管理中的应用及其前景-4-
第二章 AIS的发展现状-6—
2.2AIS在船舶航行及避碰中的应用-7-
2.3 AIS的试验机应用现状—8-
第三章对AIS的研究及特点-9 -
3.1对AIS基础技术性问题的研究-9—
鸣 谢ﻩ— 14-
参考文献ﻩ-15—
AIS的发展与其在航海实践中应用的研究
航海技术,2,葛国强
指导教师:
毕修颖
摘要
船舶自动识别系统(AIS)自90年代中期由瑞典等国家提出,得到迅速的发展,IMO在1999年通过了《AIS强制安装的决定》,并将于2002年7月1日开始逐步强制在船上安装AIS设备;该设备安装以后,对目前航运界的避碰手段、航行警告制度、传为报告制度以及物流方面将产生巨大而深远的影响。
关键词:
AIS 现状 应用 研究
Abstract
AutomaticIdentificationSystem(AIS)sincethemid-90smadebySwedenandothercountries,rapiddevelopment,IMOin1999adoptedthe"AISmandatory installationofdecision"andwillbe1 July 2002theshipbegantogradually force Installationof AISequipment;theequipmentinstalled,theshippingindustry on thecurrentmeansofcollision avoidance,navigation warning system,communicationandlogisticsforthe reportingsystemwillhavetremendousandfar-reaching impact.
Key words:
AIS StatusApplied Research
第一章AIS的产生背景及其功能
1。
1AIS产生的背景
航行中的船舶之间的信息交换是非常有限的,手段也非常单一,主要是利用VHF进行通信,但是由于语言的障碍,是的船舶双方不能进行很好的沟通,也就无法了解双方的操船信息与意图,使船舶碰撞的可能性大大增加,在某些限制水域和VTS作用区,是通过无线电询问或船舶主动向控制中心报告而获得船舶信息的,此信息再由人工的方式输入VTS系统从而实现对船舶的跟踪管理,但是对于船舶航行密度较大的地区来讲,不仅劳动强度增大,而且操作上容易出现差错,再加上雷达盲区,容易失去目标,针对上述情况,至上个世纪九十年代,IMO就着手研究AIS系统。
1。
2AIS的发展过程
尽管早在十年前有关航运部门提出了对AIS的迫切要求,但是没有先进技术的支持,要满足AIS的要求也是不可能的,而AIS系统的三大技术支柱就是:
高精度的定位手段;自控时分多址接续技术(SOTDMA)和电子海图技术,同时一个全球范围内统一的船舶编码(MMSI)也是必不可少的;就是年代末,信息技术与通讯技术的发展和完善,使AIS得到迅速的发展。
AIS作为一个强制安装的项目,将于2002年7月1日开始实施,到2008年全面实施.
1。
3AIS发展的前景
从AIS的基本功能和技术特点看,该系统为船舶航行安全和航行管理提供了一种新型有效的手段。
据国外有关部门在1999年作的统计和预测,AIS的发展虽比ECDIS(电子海图显示与信息系统)起步晚了十年左右,但它的发展数度已大大超过ECDIS,今后若干年将保持这种发展趋势,从IMO的方面看,AIS的强制配备要求将先于ECDIS,新的SOLAS拱月修正案已经在2000年底被正式通过,这就意味着2002年的7月1日将进入配备AIS设备的实施阶段。
74SOLAS公约的88年修正案对公约的第四章(无线电通信)作为重大修正,提出了航运界人所皆知的GMDSS计划,GMDSS计划的实施带给航运界和个管理部门的影响是巨大的.将要实施的AIS系统,设备的规模和费用上虽比不上GMDSS,但其对船舶航行安全和航行安全管理的作用却是十分重要的,发展的规模和前景是非常广阔的。
1。
4 AIS的概念和意义
全球无线电应答器系统,也称自动识别系统(AIS),是近年来几个国际组织,特别是国际海事组织(IMO)、国际航标协会(IALA)、国际电信联盟(ITI—R)共同的研究成果。
AIS的目的是使所有船舶都安装无线电应答器系统,使本船可以被其它装有无线电应答器的船舶“看得见”。
船舶之间“看得见”,意味着不需要人为介入便能够连续交换重要的航行数据,包括当前航行状态和动态。
信息中最重要的数据包括船籍、船位、航线、航向、航速、转向速度。
只有当这些信息可自动、连续传送给“所有”相关船舶时,AIS才可称为无线电自动识别系统。
由于AIS使用海上移动VHF波段交换数据,所以AIS设备的成本相对于雷达设备要低,然而它的“可视"范围却几乎等于雷达。
由于这种特性,AIS将为船舶提供一种有效的避碰措施,并极大地增强雷达功能.而且,由于安装AIS的船舶的航行信息都是在“空中”传播,因此当地VTS站也可以收到。
为处理AIS信息,VTS只需配有AIS基站,操作员无需逐个查询船舶,利用AIS就可以获得所有装有AIS船舶的完整的交通动态信息。
由于AIS完全独立于雷达,也就是说,基于AIS的VTS无需安装雷达,因此,AIS技术对VTS操作的长期作用,其效果不可估量。
最后,如果将定期航行和固定航线的船舶的相关信息经常或者按需加在传送信息中,AIS将成为一种船舶报告系统。
这些附加的信息包括船舶呼号、船名、货种、始发港和目的港以及实际吃水,等等。
上述三个应用领域组成了AIS的整体思想,也是IMO对它的定义的依据:
——AIS是一种船上改善避碰效果的方法
—-AIS是一种不用雷达及可使VTMS获得交通状态的方法
—-AIS是一种制定船舶报告计划的方法
1.5新规范的AIS技术特点
(1)系统工作特点:
—-在所有区域内自主和连续工作
——有还是管理部门的交管监视中心指配工作信道和模式,以便主管部门控制数据传输的间隔和时隙
——数据的传输响应来自于船舶或主管部门的问询,有轮询和受控两种模式
(2)系统传输的静态信息:
IMO编码(如有)、呼号和船名、船的长度和宽度、船的类型、定位天线在船上的位置。
(3)系统传输的动态信息:
船位、国际协调时、对地航向、对地航速、航迹向、航行状态、转向率、横倾角(选用项)、纵倾和横摆(选用项)。
(4)系统传输的航行相关信息:
船舶吃水、危险货物类型、目的港和预计到达时间、航行计划(选用项)、简明的安全信息。
(5)技术特点:
AIS采用OIS(OpenSystems Interconnection)工作模型,无线传输的宽带为25kHz或12.5kHz(见ITU—RM.1084),调制采用GMSK方案,数据编码为NRZI方式,数据传输的比特率为9600b/s。
(6)AIS的功能特性:
与DSC兼容
-—允许访问GMDSS A1海区的海岸站台
—-允许提供简单的GMDSSA1海区的雷达目标确认
--提供了一种AIS信道管理的方法于12。
5kHz窄带信道兼容
-—提供了一种引入新的AIS信道的方法
—-符合窄频带前向纠错的发射需要
——与当前的25kHz宽带系统相兼容与双工信道兼容
--协助双工的海岸基站的信号转发
——可提供一个半径为100nmile 的广域覆盖
——在广域覆盖的区域,允许船载的自组织的无错的AIS无线应答器发射信号
——协助访问岸站的服务中心与数据库
——NOAAPORTS数据(潮汐,洋流,天气等)
—-国家气象服务中心(图像和为本信息)
——港口管理服务中心(引水机构,港口代理,港务局,海上运输的中转机构,等等)
1.6AIS在海事管理中的应用及其前景
AIS的基本功能是为了实现船舶的自动识别,减少和避免船舶间的碰撞。
目前这一功能发挥的比较好。
此外,AIS还有一些其他功能以正在发挥作用,特别是在海事监管和搜寻救助中发挥的作用比较明显.
(1)提高海上搜寻与救助能力
渤海海峡和琼州海峡提前安装AIS的一个重要原因是提高这些水域的海上搜寻和救助能力。
AIS的安装,增强了船舶安全航行的技术条件,改善了重点水域安全航行的环境,提高了海事部门对船舶遇险救助的指挥和决策能力。
当船舶遇险时,海上搜救中心可以通过岸基AIS很快找到离遇险地点最近的船舶前往救助,从而大大提高了搜救工作效率.烟台海事局在2005年2月对“FLU19"轮和“GU”轮的救助过程中,AIS发挥了其独有的作用。
(2)提高交通管制效率
为实现对船舶自动识别,减少VTS人员与船舶驾驶员在VHF上的通话时间,目前个海事局正在将AIS整合进VTS系统,弥补了单纯依靠雷达系统进行人工识别的不足,使VTS人员在任何时候都能全面掌握区域内船舶交通状况,提高了交通管制的工作效率。
(3)AIS的“黑匣子”功能
据南方网讯报道“上海海事局2004年8月27日对违反规定向辖区内海域排污的两艘外轮送达了行政处罚通知书,罚款13万元。
在最新应用的AIS记录的确凿证据面前,两外轮船长心服口服地接受了处罚”。
原来,检察人员在对船舶进行检查时,发现该两外轮有违章排污嫌疑,立即通过船舶报告中心调取了新使用的船舶识别系统的数据。
在确凿证据面前,船方不得不承认在中国海域违章排污的事实。
在事故调查中,船舶报告中心存储了船舶标识和船舶航迹,AIS在其中实现了类似“黑匣子”功能。
(4)发布海上安全信息和识别助航设备
海事部门可以实时通过AIS系统的无线数据链路传输发布最新的航行警告、潮汐和气象等信息,提高了船舶的安全系数。
此外将AIS安装在水上浮标等各种助航设备上,有利于船舶驾驶人员识别,也有利于航标管理部门和海事部门监控它们的状态.当由于恶劣天气或其他原因使浮标移位时,可以通过设定的监控报警装置及时发现,及时采取措施,从而减少事故的发生。
(5)监控船舶排污活动
根据规定,化学品船的洗舱水要排入岸上接收设施或者海中。
但排于海中要满足一定条件,例如,对于C类物质,根据MARPOL73/78附则二的规定必须满足水深不少于25m ,距“最近陆地”不少于12nmile,且船舶的航行速度至少为7kn等条件。
以前,由于技术原因,海事部门很难对船舶排放洗舱水进行监控。
装了AIS设备之后,可以对船舶整个航程进行监控,核对船舶是否满足了排放条件。
这样,可以杜绝一些违章排放洗舱水的行为。
(6)AIS具有全球联网实施动态船舶监控的潜能
AIS采用开放系统互联的工作模式(OSI),使该系统具有很大的兼容性,而它的网络应用特性为实现实时的和动态的海事管理提供技术平台.目前,各国正在探讨AIS的组网和联网问题,将来会建成无缝覆盖世界各沿岸海域的岸基网.届时,世界各国海事部门将联手对航行在世界各沿岸水域的船舶进行实时监控,从而解决目前存在的诸多问题。
例如,一些海事局经常收到一些要求协查被海盗劫持船舶的通报。
海盗劫持船舶后,将船舶图成别的颜色并换上事先准备好的另一套船舶证书继续营运。
通常要在世界范围内查到这样的船舶犹如大海捞针.岸基网建立之后,可以对船舶进行适时、全过程监控,当船舶被海盗劫持后,就很容易发现和追踪船舶。
但海盗劫持船舶后,AIS可能被关闭,使岸基管理部门找不到目标。
此时,可以在整个岸基网中加上报警功能,当被监控目标突然丢失后,能发出报警,岸基管理部门可以立即与船舶联系,如果联系不上,就可以调集海岸警备队的船只前去巡查并提醒周围船舶的注意.这样,可以利用岸基AIS网的实时监控功能及早发现劫船行为,及时采取措施。
毋庸置疑,如果AIS的设想得到实现,必将极大地促进船舶交通管理的安全和效率,并使VTS操作更加经济、更加有效。
第二章AIS的发展现状
2。
1有关AIS的国际组织会议及审议的问题
1992年:
国际灯塔协会IALA根据调研想国际海事组织IMO和国际电信联盟ITU做工作决定使用数字选择性呼叫DSC技术的应答置系统,并以国际无线电咨询委员会(CCIR,现为ITU—R)M。
825号劝告内容作为国际标准。
同年,IMO航行分委会NAV38次会议,同意使用DSC技术的应答置系统的提案。
IMO会议提出对SOLAS公约第5章进行修改。
1994年-1995年:
瑞典和芬兰首次提出“无线电AIS”的概念.德国助航研究与发展中心完成一项将DSC式无线电应答器集成到VTS中心进行了试验.
1995.7:
在IMONAV41次会议上,瑞典芬兰联合首次提出“将自组织时分多址技术应用于船舶间和船岸间海上转发器系统的建议草案”的提案。
同时,会议根据英国提案。
确定利用VHF CHN70的应答器性能标准。
1996。
9:
在IMO NAV42次会议上,各成员国代表对AIS采用VHF/DSC式还是自组织时分多址STDMA(Self-Organized timeDivision MultipleAccess)技术的广播式两种信息交换方式进行了广泛争论,最后达成共识:
未来传播AIS必须满足船舶间和船岸间不断增长的信息交换需求,一个在不久将来不能满足需求的国际标准将成为技术发展的障碍。
1996。
12:
IMOMSC67次会议一致同意将广播式信息交换方案引入AIS。
1997:
IMONAV43次会议通过“通用船载AIS性能标准建议草案”,确定以自组织通信网络为基础的“通用船载AIS”作为未来全球海上实施的系统。
1997.6:
IMOMSC68次会议,技术小组比较了广播式与DSC式、并制成通报容量大的(最小为2000个报告/min)AIS性能标准草案。
1997。
10:
ITU-R无线电通信大会审议M.825号劝告修正草案,用AIS扩大VTS信息,追加VTS用高速自动识别系统的技术特性的提案。
1998.5:
IMOMSC69次会议采纳了AIS性能标准草案。
1998.7:
IMONAV 44次会议,建立了2002年起,所有300总吨以上的新造船和客轮都必须安装AIS设备。
关于已营运船舶的强制性安装AIS设备要求拟在下次NAV会议讨论。
同前,ITU—R第8工作组通过VHF频道国际标准:
全球AIS专用两个VHF频道CHN78Bf=161。
975MHz CHN88Bf=162.025MHz,从而满足了AIS需求的频率条件.
1998。
11:
ITU通过AIS技术标准—-建议M.1371。
1999:
IMONAV 45次会议通过AIS强制性安装决定:
要求在2002年7月1日后建造的新船和从2008年7月1日起在航营运船必须装备AIS。
(详见附录A)。
2000。
5:
IMOMSC会议未通过上述强制性安装AIS的议案,似交2000.11下属MSC会议再讨论。
国际电子技术协会IEC正在制定AIS测试要求的标准61993-2。
该标准将提供对所有AIS是被进行型式认可的基础,原定于2000年5月出台,现可能要拖到2001年.至此,AIS的概念、工作频率、系统构成、信息交换方式及系统性能标准均已得到解决,余下的测试要求标准及强制性安装问题估计今、明年也将解决.
2。
2 AIS在船舶航行及避碰中的应用
目前,船舶在航行避碰过程中,较为有效的助航设备是雷达,尤其是在能见度受限时但雷达在使用上受自然环境的影响较大,AIS的使用在某些方面可解决或改善这些问题
如:
1 当遇到风雪大风浪等恶劣天气时雷达的反馈信号可能回受到干扰而出现尽可能波或丢失目标等问题AIS尽管在强雷暴天气中也可能回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只要在AIS覆盖区目标不会由于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。
2当船舶行使于多岛礁航道的弯头或地段等遮蔽水域时雷达将肯定无法观测到这些目标而AIS在这些居间障碍物的高度不影响无线电波传输的情况下仍咳发现目标这可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陷入十分窘迫的局面中进而提高在该水域中船舶航行安全AIS 在海上搜寻及救助中的应用对于海岸监控网来说还应具有协助海上搜寻和救助功能当船舶按国际公约的强制装载要求安装了AIS 设备后沿海水域的海上搜寻和救助能力将有所提高当一船遇险时即可通过AIS设备发送有关遇险信息如船位船名呼号遇险类型等若时间允许还可通过AIS 的短消息的功能发送更尽的遇险信息如遇险原因自救情况船舶状况需要救助情况就能够快速找到离遇险地点最近的船舶从而提高了海上搜寻和救助工作的效率在整个搜寻过程中海上救助协调中心也能够对所有参与搜寻的船只进行跟踪和导航从而实现对整个搜寻过程的监控和有效地利用可用的资源并确保覆盖整个搜寻区域并且所有出事地点附近的船只和参与救助的船只都能够像海上救助协调中心一样识别遇难船只从而采取救助行动这样将更有利于高效快速地实施海上搜寻和救助AIS设备的发展将会给未来的海岸监控网的发展带来新的技术新的思想必将会使海岸监控网的功能更加完善
3AIS在自动避让系统中的应用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两大问题一直困扰着研究者致使到目前位置仍无实质性进展那就是1目标信息的采集2避让信息的交换从技术上涌真正解决这两个问题那么船舶实现自动避碰将永远是人们良好的愿望而无法付诸实施AIS实施后AIS系统在远离岸站的情况下同样会同附近的AIS系统自成系统显示周边船舶的航行动态开阔水域的船舶相对比较少由于AIS系统有把最近的一艘船舶作为主要对象船并将其主要数据显示在显示屏上的功能很自然AIS系统会把对方船的主要数据显示在显示屏上显示目的是便于船舶之间的避让和相互沟通就是万一避让不当造成两船发生碰撞事故时由于对方船的数据自动保存在AIS 系统中现场就可抓紧时间确认碰撞事实和了解损失情况等不必象以前那样先要询问对方船名船公司名称等基本数据在了解事故情况和调查阶段由于AIS 系统具有把最近对方船的航行数据自动保存的功能双方的动态一清二楚事故的责任自然很容易判别就是有一方有意篡改也是徒劳的在船舶密集海域和航道交汇处由于对周围其它船舶的资料非常清楚而不用像目前情况下要靠主动询问才能得到这些资料同时由于AIS 系统是工作在VHF 频段电磁波具有绕射功能所以我们会闻其声而不见其人对于一些雷达发现不了的隐藏在大目标后面的小目标也会一目了然因而大大增加船舶航行的安全性其特点是导航雷达和ARPA所无法比拟的综上所述AIS能自动连续地提供船舶静态的和动态的信息如船位航向船速船名呼号等这可解决采集目标信息问题同时可快速准确地建立通信链路加之AIS具有发送短消息的功能因而又可将避让意图发送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新动向的有效性进而提高船舶的海上航行安全
2。
3AIS的试验机应用现状
在过去的几年中,欧洲、北美对AIS发展较活跃,进行了一系列的试验。
加拿大从1993年起先后对几种AIS技术进行了评估试验,1997年夏天,加拿大海岸警卫队(CCG)和航运界船舶、西海岸VTS中心、引航员等合作进行了AIS试验。
瑞典等北欧一些国家,在军舰和商船上应用全球定位和通信系统做了大量试验工作。
美国、加拿大、德国、丹麦和芬兰试验广播式AIS。
芬兰用7台与瑞典形同的AIS装置进行了各种试验。
在英国沿岸使用VHF/DSC通信方式的AIS,设置了DSC式应答器系统,通报容量为20个报告/min,已投入使用.在美国阿拉斯加州的巴尔德斯VTS也设置了DSC式应答器系统.
南非用的STDMA应答器系统,通报容量为1800个报告/min,瑞典、芬兰用的同样系统通报容量为2250个报告。
第三章对AIS的研究及特点
AIS的发展现在还处于初级阶段,但是发展非常迅速,也有着很好的发展前景。
现阶段,对AIS的研究已经有了系统性的研究,但大多数都是试探性进行的,并且还没有正式的研究成果得出.概括的说,现有的对AIS的研究主要包括基础研究和应用研究两个方面。
3.1对AIS基础技术性问题的研究
AIS发展至今,在技术体制选择上可以分为两个阶段。
最初的AIS系统,采用的是VHF DSC技术,其基本方法是在70频道上以DSC方式自动发出询问信息,接收到询问信息的接收机(装在船舶或岸台上的设备)根据询问方要求的频道,将本船的识别码、船名、航向、航速、吃水等信息自动传给询问方,这样便实现了应答功能.后期的发展,选择的技术是SOTDMA。
国际海事组织(IMO)第42次会议上,决定船舶自动识别系统(AIS)采用SOTDMA技术。
因为这种AIS在可靠性、抗干扰性和信道利用率等方面比前者有更大的提高.AIS中采用SOTDMA通信协议进行通信,信道阻塞率较低,发信成功率较高,具有良好的性能【2】。
集美大学的王飞舟和范成对此进行了研究【3】,他们从以上两种系统的信道利用率、可靠性、吞吐能力和检测容量方面进行比较,得出结果:
a.STDMA-AIS的信道利用率约为DSC-AIS的9.3倍;
b.STDMA-AIS在传输可靠性方面要差于DSC-AIS;
c.吞吐能力受可靠性的影响,两者相差不大;
d.STDMA—AIS的检测容量对误码比DSC-AIS敏感的多,尤其采用自组织信道接入模式时,在满信道负荷时检测容量会因吞吐性能的恶化而急剧减少。
因此得出结论,STDMA-AIS还存在一些缺点。
STDMA—AIS的差错控制性能是制约其总体性能的瓶颈,可以借鉴DSC通信协议的差错控制技术,针对VHF信道的特定换将采用进一步的纠错措施,通过提高STDMA通信协议的差错控制性能来改善其总体性能.
对于AIS的可靠性问题,文献[4]对AIS系统性能在信道过载时的特点进行分析得出结论:
使用AIS时,不能完全相信其提供的远处船舶的运动情况,AIS在检测远处目标时,信道容量会变小,且当链路容量过载时,AIS的作用距离也会缩小,将会看不到原来印象中能够观察到的区域。
因此,驾驶员应当了解AIS的这种特点,避免被AIS显示的远区无船的假象迷惑,提高船舶航行的安全性。
此外,AIS属于蜂窝移动通信系统范畴,是一种无线数据通信网