海上电子围栏及虚拟AIS 航标技术融合探讨

宋 鑫，吕正冬

（中海油信息科技有限公司天津分公司，天津 300452）

引言

伴随经济的发展及社会的进步，海上船舶数量急剧增加，船舶的管理变得愈加困难，船舶破坏海上生产设备设施的事故时有发生，造成经济损失的同时会对海上环境造成一定破坏。为有效保护海上生产设备设施，同时也确保海上船舶的安全行驶，大量应用技术被投入实际应用，但综合考虑可操作性及成本，基于AIS 技术的海上电子围栏及虚拟AIS 航标技术是众多技术中的首选。本文简要介绍两种技术并探讨将两种技术进行融合，以增强船舶端与监控端的互动，进一步提升海上设备设施及船舶本身的防护效果。AIS 技术能够广泛应用的依据包括：

（1） 中国海事局《国内航行船舶船载电子海图系统和自动识别系统设备管理规定》（海船舶〔2010〕156 号），该规定对中国籍沿海航行船舶配备船载电子海图系统时间进行了要求。

（2） 国际海事组织（IMO）第73 届海安会通过了《1974 年国际海上人命安全公约》（SOLAS74 公约）修正案，该修正案对需要安装船载自动识别系统的国际及非国际船舶做了要求，航行安全分委会第54 次会议通过了船载驾驶台航行值班警报系统及电子海图和信息显示系统配备要求的草案，草案对国际航行船舶安装电子海图的标准及时间做了要求。

1 海上电子围栏技术

海上电子围栏技术[1]是指以海上被保护设备设施的位置分布情况为参考，划定一个保护区域，且该区域能够覆盖全部被保护设备设施，当船舶等进入该保护区域时，能够被监控系统侦测到，监控系统自身进行报警的同时，会调用告警设备向船舶端发送报警提示。海上电子围栏在海上不是真实存在的，其目前仅存在于监控系统中，船舶端一般无法查看。

在海上电子围栏技术应用中[2]，判断船舶是否处于保护区域的原理见图1，其中3 区域为保护区，2 区域是限定在保护区最大、最小经纬度之间并去除保护区的区域，1 区是以2 区域为基础向外扩展一定距离的区域，1 区域和2 区域共同组成预警区。当监控系统侦测到船舶的经纬度范围位于1 区域时，监控系统会调用告警设备对船舶进行预警提示。当船舶越过1 区域，继续向前行驶时，通过对比经纬度已无法直接判断船舶位于3 区域还是2 区域，需要使用其他方法来判断。以船舶所处位置点向外做射线，长度限定在1区域内，若与保护区的边缘交点个数为偶数，则船舶仍然处于预警区，需要继续对船舶进行预警提示；若与保护区的边缘交点个数为奇数，则说明船舶已经驶入保护区，需要对船舶进行告警提示，同时还需采取其他措施对船舶进行驱离。

图1 在海上电子围栏技术应用中判断船舶是否处于保护区域的原理

2 虚拟AIS 航标

虚拟AIS 航标[3-4]通常指由航标主管机构通过AIS岸台基站发布的一种数字化航标，该航标能够在诸如ECS（电子海图系统）及ECDIS（电子海图显示与信息系统）等海图导航系统中显示，见图2，但该航标在现实世界中并不存在。虚拟AIS 航标由AIS 岸台基站使用AIS 21 号报文播发。监控系统根据海上设备设施分布情况，调用AIS 岸台基站播发虚拟AIS 航标以提示过往船舶进行避让。相对于实体航标，虚拟AIS 航标的建设维护成本都较低，具备经济优势。

图2 虚拟AIS 航标在ECS(电子海图系统)中的样式

此外国家海事机构对虚拟AIS 航标有严格的管控要求，需遵循《海港总体设计规范》（JTS165-2013）、《航道工程设计规范》（JTS181-2016）和《自动识别系统（AIS）航标应用导则》（JT/T1193-2018）。虚拟AIS 航标一般分为临时虚拟AIS 航标和永久虚拟AIS 航标。

临时虚拟AIS 航标用于提供临时性或预备性的警告信息，适用于如下情形：

标识航行限制区域；

标识临时推荐航路；

标识故障航标或移位航标。

永久虚拟AIS 航标可在不具备布设实体航标条件时使用，宜布设在深水区域、恶劣海况环境或随时间、洋流或天气影响而动态变化的区域，适用于如下情形：

标识永久碍航物；

标识航道界限；

标识安全水域界限；

标识特殊区域（如锚地和遮蔽区）。

设置虚拟AIS 航标时应满足以下技术要求：

（1） 在设置虚拟AIS 航标时，应确保每个虚拟AIS 航标包含表1 中字段内容，且内容应满足相关法律法规及规范要求。

表1 虚拟AIS 航标包含字段内容示例

（2） 虚拟AIS 航标中文名称格式为“航标名称+虚拟AIS 航标”。AIS 航标中文名称应避免与其他航标名称相同，长度不应过长，不宜超过18 个字。

（3） AIS 岸台基站通过AIS 21 号报文向外发布虚拟AIS 航标的英文名称，不发布中文名称。英文名称为中文名称对应的英文翻译，地名、船名可使用汉语拼音。英文名称应准确合理，避免与其他航标名称相同。按照ITU-R M.1371-5 和《AIS 航标应用导则》（JT/T 1193-2018）对21 号报文格式的定义，航标英文名称（包括空格）建议不超过20 个字符，最多不能超过34 个字符。

（4） 虚拟AIS 航标经纬度采用WGS-84 坐标，采用"XX°XX′XX.X″N XX°XX′XX.X″E" 格式。在AIS 管理系统中位置格式一般为"XX°XX.XXXX′N XX°XX.XXXX′E"，在设置虚拟AIS 航标时应进行格式转化。

（5） MMSI 格式见图3。

图3 虚拟AIS 航标MMSI 格式

MMSI 码由国家海事机构统筹安排分配，进行虚拟AIS航标设置时，应向国家海事机构申请并与其确认虚拟AIS 航标相关属性是否准确规范。

（6） 虚拟AIS 航标用途种类应按照IALA 和《AIS 航标应用导则》（JT/T 1193-2018）的规定中的“用途种类”进行选择。其显示的特征参照《中国海区水上助航标志》（GB 4696-2016）中通用要求。

（7） 虚拟AIS 航标播发模式一般为“自主连续”，播发周期一般为180 S。虚拟AIS 航标的设置、调整及撤除均须由国家海事机构通过专用软件系统控制。

3 海上电子围栏与虚拟AIS 航标融合

海上电子围栏是一道特殊的电子屏障，在海上设备设施防护中发挥着重要作用。其缺点是仅能在监控系统中显示，船舶端只能收到预报警信息，无法查看海上电子围栏也无法确定需要保护的海上设备设施所处位置。故海上电子围栏技术还需要融合其他技术以提升防护效果。

依据虚拟AIS 航标在实际应用中的局限性，在使用时需要考虑以下问题：

（1） 使用虚拟AIS 航标时要求船舶依照相关国际规范和国内法规配备合规的ECS 或ECDIS 等AIS类设备。在实际应用中存在船舶不安装AIS 类设备或关闭设备的情况，导致虚拟AIS 航标无法发挥其作用。同时考虑到船舶端AIS 设备选型和软件版本等原因，并非所有船舶都能够正确显示虚拟AIS 航标。所以还需要考虑增加补足手段。

（2） 虚拟AIS 航标通过AIS 岸台基站进行播发，若要保证虚拟AIS 航标持续稳定存在，那么需要确保AIS 岸台基站稳定工作。当AIS 岸台基站因各种原因无法正常播发虚拟AIS 航标时，应及时联系国家海事机构进行报备，必要时需由国家海事机构发布航行警告。

（3） 虚拟AIS 航标播发覆盖范围与天气状况及VHF 天线高度有关。当出现雨、雪等不良天气时，或者AIS 岸台基站天线及相关区域船舶VHF 天线高度过低时，虚拟AIS 航标播发覆盖范围都可能缩小。

（4） 周边水域出现的干扰源可能影响船舶端正常接收虚拟AIS 航标。由于军事演习或其他应急演练，AIS 岸台基站通信频道可能受到干扰，影响船舶端正常接收虚拟AIS 航标。因此在日常巡检中应及时关注国家海事机构发布的航行警告，做好沟通和解释工作。

（5） 虚拟AIS 航标受国家海事机构管控，相关设计工作完成后需交由国家海事机构审批，待审批通过后才能正式启用。

由于海上环境复杂多变，海上电子围栏具有很高的性价比，对各种重点保护区域划定预报警和监测范围，一旦船舶目标进入或离开该区域，相关联软件系统就会进行报警提示。虚拟AIS 航标使用AIS 岸台基站播发的AIS 21 号报文能够在诸如ECS、ECDIS 等船舶端海图导航系统中显示，通过开发专业软件系统可以调用AIS 岸台基站进行虚拟AIS 航标播发以标注海上设备设施分布，同时进行AIS 21 号安全报文播发，提示过往船舶进行避让。为提升监控系统对海上设备设施的防护效果，增强船舶端与监控系统的互动，实现对处于保护区域船舶的主动报警，可将海上电子围栏与虚拟AIS 航标融合使用。首先通过海上电子围栏划定海上设备设施的防护范围，并确定预警区和告警区；其次将需要保护的海上设备设施所处位置使用虚拟AIS 航标进行标注，必要时可以控制AIS 岸台基站在正常情况下暂不播发虚拟AIS 航标，而在船舶触发报警时进行播发，这样设计可有效减少对正常行驶船舶的干扰。

预期效果见图4 所示，监控系统能够展示需要保护区域的预警范围与报警范围及虚拟AIS 航标位置，能够对处于预报警区域的船舶进行预报警提示，船舶端能够通过ECS 等AIS 设备查看需要保护的设备设施的位置，以便于及时采取有效措施驶离或调整航线，避免破坏需要保护的海上设备设施。

图4 海上电子围栏与虚拟AIS 航标融合后在软件系统中的预期效果

4 未来展望

目前，海上电子围栏或虚拟AIS 航标一般都是固定的，一旦设置，无法再随时进行改变，所防护的海上设备设施也多为静态目标，若通过开发或优化软件算法、调整AIS 岸台基站参数或将AIS 基站和漂浮目标进行有机绑定等方法，使海上电子围栏、虚拟AIS 航标等随着保护目标的移动而移动，实现对海上动态设备设施的防护，则海上电子围栏与虚拟AIS 航标在海上设备设施防护领域的应用效果会进一步提升，应用范围也会不断扩大。

5 结论

在前文中已经提到，海上电子围栏及虚拟AIS 航标的应用均依赖于AIS 设备，在实际应用中需保证AIS 岸台基站播发范围可覆盖保护区域且其能稳定可靠运行，同时保证船舶端AIS 设备正常开启才能起到防护效果，若船舶端关停了AIS 设备或AIS 岸台基站出现故障，则无法起到防护效果。故为保证持续稳定的防护效果，增强抵御各种风险的能力，还需要融合雷达、VHF（甚高频技术）[5]、超高清CCTV(闭路电视监控系统)等技术，在AIS 相关技术无法发挥作用时，起到有效的补充作用。