船舶航行远程监控技术
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船舶航行远程监控技术
1．概述 1.1 船舶航行监控必要性 1.2 船舶航行监控技术发展 2．船舶远程监控的基本原理与实现方法 2.1 船舶驾驶台设备及其网络系统 2.2 数据采集 2.3 数据传输 2.4 数据重用 3．内河船舶监控技术 4．港区船舶监控技术 5．远洋船舶监控技术
1．概述
1.1 船舶航行监控必要性
2006 年 12 月 6 日，装载着钻井 平 台 Aleutian Key 号 的 荷 兰 半 潜 船 Mighty Servant 3 号 在 安 哥 拉 Luanda 港 水 域 作 业 时意外沉没。
1．概述
2010 年 4 月 20 日，美国墨西哥 湾“深水地平线”钻井平台 发生爆炸，造成原油泄漏。
——操作信息：车钟指令和回令数据，主机油门/螺距操作、转舵操 作和实际舵角、推进器、侧推器等数据。 ——船舶状态信息：主机转速、船艏向、航迹向、航速、船位、船 体开口状况、水密门和防火门状况、船体应力、风向风速、水 深等数据。 ——图像信息：每15s一帧的雷达图像。 ——语音信息：驾驶室内语音，内部通信、船舵令、广播系统和声 响报警的声音，甚高频（VHF）无线电话通信的声音。
一个 VDR 具有三项基本功能：船舶 静态信息固化、船舶动态信息和操 作信息记录。 VDR 一般由三部分组 成；数据存储单元、数据处理单元 和数据回放单元。
上海市科委嵌入式系统第一期应用研发资助项目，上海船研所研制 S-VDR，2007年通过样机验收。 科技部资助清华大学与中远集团研制VDR，在中远集团推广应用。
1．概述
2015 年 6 月 1 日深夜载有 458 人 的“东方之星 ”客轮突遇龙 卷风，在长江监利水道段倾 覆，442人遇难。
1．概述
船舶航行监控的实施者和服务对象
——国际海事组织(IMO)对航行于海上的船舶实施监控，提供应急救助 服务； ——港口国海事监管机构对沿海、沿江、航道上的所有船舶实施监控， 进行船舶水上交通管理和航行执法；
1．概述
船舶保安警报系统
（SSAS——Ship Security Alert System） 2002年12月IMO在缔约国政府会议上审议并通过了强制安装 SSAS，纳 入SOLAS公约。从事国际海域航行的船舶必须安装SSAS，并自2004年7月1 日起生效。
系统自动向主管当局指定的相 关部门发送警报。不向任何其 他船舶发送船舶治安警报；也 不会由此启动船上任何其他警 报。
——导航/助航设备，具备IEC-61162数据通信接口标准 （AIS、VDR、SSAS、风速仪、计程仪、回声仪等）
——机舱自动化设备，目前无统一接口标准，数据获取难度较大 （机舱集中监视报警系统、机舱单元自动化系统）
关于IEC-61162协议：
——1995年制定的一个单讲话器，多受话器数据通信协议，规定了 海上电子设备、导航和无线通信设备之间的通信标准。 ——采用自定义的6位数据进行通信，定义了通信所用的字符和语句 格式。包括正式语句、询问语句和私有语句。
2．船舶远程监控的基本原理与实现方法
国际海事卫星 VDR黑盒子 数据存储单元
岸基
VDR主机 数据处理单元
VDR显示 数据回放单元 数据 远程传输
雷达 其它 设备 高频 电话
IMO航行报警 舱室监视 风速 船位 船速 船艏向 水深 车钟令和响应 操舵令和响应 防火门/水密门
2．船舶远程监控的基本原理与实现方法
——自有海难记录以来的200年间，全球有100多万艘大中型船舶沉没； ——近20年来，每年沉船事故平均242艘152万吨。 ——2009年我国海上搜救行动1964次，救助遇险人员18397名，救助遇 险船舶1588艘。 ——2008年，索马里海域发生120多起海上抢劫，超过30艘船只遭劫。
2008 年 2 月 7 日，一艘往返 英国与爱尔兰的 5000 吨级 货轮 Riverdance 号，在英 国西海岸遇暴风雨搁浅翻 覆。
1帧 时隙0 1分钟 当前时隙 时隙0 时隙2249 下一帧 时隙2249 当前帧
例如：一个船位报告占用数据链路上的一个时隙，其他类型的报文 可以使用多于一个时隙，一份报文具体使用时隙的数目视具体情况而定， 但最多不能超过5个时隙。
2．船舶远程监控的基本原理与实现方法
VDR VDR可以获取的信息：
AIS 设备的成本相对于雷达设备要 低的多，然而它的“可视”范围却 几乎等于雷达。为船舶提供一种有 效的避碰措施，极大地增强雷达功 能。 AIS 的数据可以输出到 ECDS 或 ARPA上，实现目标船的监控。
“十一五”期间，浙江省重点科技攻关项目 ——船舶自动识别系统， 同时也是国家发展改革委支持的产业化项目完成验收。由浙江广洋电子 科技有限公司研制，突破了数字化收发信机和高性能数据处理嵌入式系 统的关键技术，产品通过了中国船级社型式认证。
2．船舶远程监控的基本原理与实现方法
导航 电子海图 中央控制台 航线设计 电子海图 自动操舵仪
雷达
GPS/AIS 系统 航行数 据记录
航运 优化系统 机舱监控 报警系统 电航仪器 海上遇险 和安全系统 机舱网关
机舱控制台
海图桌
2．船舶远程监控的基本原理与实现方法
2.2 数据采集 从导航/助航设备、机舱自动化设备中获取监控数据：
1．概述
2007 年 12 月 23 日，挪威一 艘邮轮 M/S Explorer ，搁 浅在南极。
2007 年 1 月 18 日 ， 英 国 一 艘集装箱轮 MSC Napoli ，侧翻在位于 大西洋和加勒比海之间的 英属维尔京群岛附近。
1．概述
巴拿马散装船 M/V New Flame ， 2007 年 8 月 12 日， 在直布罗陀海峡与一艘丹麦油轮相撞。
2．船舶远程监控的基本原理与实现方法
船载AIS构成
VHF GPS接入 差分[ITU 823-2] VHF差分[ITU 823-2]选用 IEC61162-2 可按IEC61162-2配置 IEC61162-3 IEC61162-2 IEC61162-2 IEC61162-2
传感器 (D) GNSS 位置 时钟
——第一阶段，70年代中后期的研究试验和组织准备阶段。 ——第二阶段，80年代VTS开始建设的初级阶段，先后在宁波、秦皇 岛、青岛、大连、连云港五个港口开始了VTS的建设。 ——第三阶段，90年代以后VTS全面建设发展阶段。新建了从营口到 琼州海峡等 10个港口和水道的 VTS；建成了长江中下游 VTS（重庆段、宜 昌段、武汉段、江西安徽段、江苏段、上海段）；对80年代VTS进行了更 新或扩展。至此，中国沿海共有18个VTS中心。
2．船舶远程监控的基本原理与实现方法
数据的有效性检验、格式转换、分类和标识：
——有效性检验是滤除非法数据和无效数据，包括：数据时效准确 性检验、数据量值范围检验、异常数据检验。 ——格式转换是将不同量纲的数据转换成kg/m/s标准量纲数据，以 及统一的数据类型。
——分类与标识按照数据功能分为航行数据、机舱状态数据和货物 状态数据。对这些带时标的当前数据按给定要求加以标识。
1．概述
船舶交通管理系统
（VTS——Vessel Traffic Services） VTS具备监视水域船舶运动并对船舶提供信息、建议和指示的手段， 它能与船舶相互作用并能有效控制船舶交通流，从而在获得最大的港口 营运效益同时使船舶交通事故和环境污染的风险减至最小。
1．概述
我国的VTS发展经历了三个阶段：
——船务公司对其所辖船舶实施监控，有效掌控船舶状态，进行船岸一 体化管理；
——港务公司对其港口水域的船舶进行监控，保障港口安全。
1．概述
1.2 船舶航行监控技术发展 全球海上遇险与安全系统
（GMDSS——Global Maritime Distress and Safety System ）
1973年IMO提出决议案，1999年2月，GMDSS在全球全面启用。与 SOS 不同，GMDSS是一个船岸间全球海上移动无线电通信系统。它由卫星系统 和地面无线电系统组成。能更迅速、更可靠地发出救难信息，还能以自 动、半自动的方式取代以前的人工报警方式。
2007 年 2 月 22 日，印尼客运 渡轮 Levina1 ，起火造成至 少51人丧生。3天后沉没。
1．概述
2008 年 12 月 17 日 12 时 43 分 左 右 ， “振华 4 号”从苏丹返航途径亚丁 湾水域时遭遇2艘海盗船袭击。
1．概述
2014 年 4 月 16 日，载有 476 人 的“岁月”号客船在韩国西 南部海域沉没，遇难284人。
1．概述
船舶自动识别系统
（AIS——Automatic Identification System) 1998年IMO对将于2002年7月生效的SOLAS公约中，增加了“通用船载 自动识别系统（AIS）”和“航行数据记录仪（VDR）”，船舶强制性装 备AIS的时间表是：最迟 2008 年7月1日前，国际航线300总吨以上的船舶； 国内航线客船及500总吨以上的船舶；安装AIS。
SSAS 双重作用：
——紧急状况下提供警报功能，SSAS可自动将报警信息Email形式发 至用户指定的信箱，同时在界面上明显标注报警船舶的位置， 并增加报警船舶的船位报告频率。 ——正常状况下SSAS为船舶公司提供船舶动态监控功能，使公司管 理人员实时了解本公司船舶在全球海域的航行动态。
2．船舶远程监控的基本原理与实现方法
2.1 船舶驾驶台设备及其网络系统
综合桥楼系统（ IBS Integrated bridge system ） 综合了计算机技术、网络技术、控制技术、信息处理 技术等，将船上的各种导航 /助航、操作控制和雷达 避碰等电子设备通过计算机网络有机地组合起来，实 现船舶自动化航行。
1．概述
船舶航行数据记录仪
（VDR——Voyage Data Recorder） IMO的SOLAS公约要求，客船、客滚船以及 2002年7月 1日以后新建造 的3000 总吨及以上所有其他船舶强制配载 VDR。VDR 的主要功能是记录航 行设备数据、驾驶台声音以及其他与航行安全相关的数据，在船舶发生 海难或事故后，能够快速有效的取得相关证据。
——静态信息：IMO编号、呼号和船名、船长和船Βιβλιοθήκη Baidu、船舶类 型、船上使用的定位天线的位置。 ——动态信息：带有精度指示和完整性状态的以WG84坐标系为参考 的船位、时间、航向、速度、艏向、航行状态、回转速率。 ——与航次有关的信息：船舶吃水、危险货物类型、目的港和预计 到港时间。 ——与安全有关的信息：短信息。
数据的存储、筛选：
——对来自数据采集装置的当前数据同时以数据循环更新和数据循 环添加二种方式储存。 前者一旦岸基系统发出传输请求，就自动将当前数据发送。 后者是历史数据，保存长度可根据需要调节。 ——对数据进行有目的的筛选，以便将最重要的数据传输给岸基系 统，这种筛选可以根据需要人工或自动设定。
2．船舶远程监控的基本原理与实现方法
AIS/GPS
AIS将船舶标识信息、位置信息、运动参数和航行状态等与安全有关的 数据，通过 VHF 信道（利用 VHF 的通信频段（ 156.025-162.025MHz ），建 立海上自组织时分多址无线通信数据链路，实现移动目标之间的应答）， 广播给周围的船舶，实现对本海区船舶的识别和监视。
AIS可以获取的信息：
报警电路（常闭继电器） 电源输入
AIS的基本构成包括：内置卫星传感器、VHF数据通信机、控制器、 船舶运动参数传感器接口、数据接口等。
2．船舶远程监控的基本原理与实现方法
AIS数据通信原理
采用时分多址 (TDMA) 通信方式，它把每个信道的时间分成固定的时 间缝隙，称为时隙。一组时隙构成一帧。一帧持续1分钟，包含2250个时 隙。所有这些时隙都可以由工作在数据链路上的电台使用。
TDMA解码 TDMA解码 DSC解码 控制器
TDMA RX TDMA RX DSC RX （CH 70）
RX/TX控制
（外部键盘与 显示器） TDMA编码 （引航辅助设 备） 远程接口 BIIT监测 电源 DSC编码 TX
简易键盘/显示器
外部键盘/显示器可以看作 是雷达，ECDIS或专用设备
键盘/显示器
1．概述 1.1 船舶航行监控必要性 1.2 船舶航行监控技术发展 2．船舶远程监控的基本原理与实现方法 2.1 船舶驾驶台设备及其网络系统 2.2 数据采集 2.3 数据传输 2.4 数据重用 3．内河船舶监控技术 4．港区船舶监控技术 5．远洋船舶监控技术
1．概述
1.1 船舶航行监控必要性
2006 年 12 月 6 日，装载着钻井 平 台 Aleutian Key 号 的 荷 兰 半 潜 船 Mighty Servant 3 号 在 安 哥 拉 Luanda 港 水 域 作 业 时意外沉没。
1．概述
2010 年 4 月 20 日，美国墨西哥 湾“深水地平线”钻井平台 发生爆炸，造成原油泄漏。
——操作信息：车钟指令和回令数据，主机油门/螺距操作、转舵操 作和实际舵角、推进器、侧推器等数据。 ——船舶状态信息：主机转速、船艏向、航迹向、航速、船位、船 体开口状况、水密门和防火门状况、船体应力、风向风速、水 深等数据。 ——图像信息：每15s一帧的雷达图像。 ——语音信息：驾驶室内语音，内部通信、船舵令、广播系统和声 响报警的声音，甚高频（VHF）无线电话通信的声音。
一个 VDR 具有三项基本功能：船舶 静态信息固化、船舶动态信息和操 作信息记录。 VDR 一般由三部分组 成；数据存储单元、数据处理单元 和数据回放单元。
上海市科委嵌入式系统第一期应用研发资助项目，上海船研所研制 S-VDR，2007年通过样机验收。 科技部资助清华大学与中远集团研制VDR，在中远集团推广应用。
1．概述
2015 年 6 月 1 日深夜载有 458 人 的“东方之星 ”客轮突遇龙 卷风，在长江监利水道段倾 覆，442人遇难。
1．概述
船舶航行监控的实施者和服务对象
——国际海事组织(IMO)对航行于海上的船舶实施监控，提供应急救助 服务； ——港口国海事监管机构对沿海、沿江、航道上的所有船舶实施监控， 进行船舶水上交通管理和航行执法；
1．概述
船舶保安警报系统
（SSAS——Ship Security Alert System） 2002年12月IMO在缔约国政府会议上审议并通过了强制安装 SSAS，纳 入SOLAS公约。从事国际海域航行的船舶必须安装SSAS，并自2004年7月1 日起生效。
系统自动向主管当局指定的相 关部门发送警报。不向任何其 他船舶发送船舶治安警报；也 不会由此启动船上任何其他警 报。
——导航/助航设备，具备IEC-61162数据通信接口标准 （AIS、VDR、SSAS、风速仪、计程仪、回声仪等）
——机舱自动化设备，目前无统一接口标准，数据获取难度较大 （机舱集中监视报警系统、机舱单元自动化系统）
关于IEC-61162协议：
——1995年制定的一个单讲话器，多受话器数据通信协议，规定了 海上电子设备、导航和无线通信设备之间的通信标准。 ——采用自定义的6位数据进行通信，定义了通信所用的字符和语句 格式。包括正式语句、询问语句和私有语句。
2．船舶远程监控的基本原理与实现方法
国际海事卫星 VDR黑盒子 数据存储单元
岸基
VDR主机 数据处理单元
VDR显示 数据回放单元 数据 远程传输
雷达 其它 设备 高频 电话
IMO航行报警 舱室监视 风速 船位 船速 船艏向 水深 车钟令和响应 操舵令和响应 防火门/水密门
2．船舶远程监控的基本原理与实现方法
——自有海难记录以来的200年间，全球有100多万艘大中型船舶沉没； ——近20年来，每年沉船事故平均242艘152万吨。 ——2009年我国海上搜救行动1964次，救助遇险人员18397名，救助遇 险船舶1588艘。 ——2008年，索马里海域发生120多起海上抢劫，超过30艘船只遭劫。
2008 年 2 月 7 日，一艘往返 英国与爱尔兰的 5000 吨级 货轮 Riverdance 号，在英 国西海岸遇暴风雨搁浅翻 覆。
1帧 时隙0 1分钟 当前时隙 时隙0 时隙2249 下一帧 时隙2249 当前帧
例如：一个船位报告占用数据链路上的一个时隙，其他类型的报文 可以使用多于一个时隙，一份报文具体使用时隙的数目视具体情况而定， 但最多不能超过5个时隙。
2．船舶远程监控的基本原理与实现方法
VDR VDR可以获取的信息：
AIS 设备的成本相对于雷达设备要 低的多，然而它的“可视”范围却 几乎等于雷达。为船舶提供一种有 效的避碰措施，极大地增强雷达功 能。 AIS 的数据可以输出到 ECDS 或 ARPA上，实现目标船的监控。
“十一五”期间，浙江省重点科技攻关项目 ——船舶自动识别系统， 同时也是国家发展改革委支持的产业化项目完成验收。由浙江广洋电子 科技有限公司研制，突破了数字化收发信机和高性能数据处理嵌入式系 统的关键技术，产品通过了中国船级社型式认证。
2．船舶远程监控的基本原理与实现方法
导航 电子海图 中央控制台 航线设计 电子海图 自动操舵仪
雷达
GPS/AIS 系统 航行数 据记录
航运 优化系统 机舱监控 报警系统 电航仪器 海上遇险 和安全系统 机舱网关
机舱控制台
海图桌
2．船舶远程监控的基本原理与实现方法
2.2 数据采集 从导航/助航设备、机舱自动化设备中获取监控数据：
1．概述
2007 年 12 月 23 日，挪威一 艘邮轮 M/S Explorer ，搁 浅在南极。
2007 年 1 月 18 日 ， 英 国 一 艘集装箱轮 MSC Napoli ，侧翻在位于 大西洋和加勒比海之间的 英属维尔京群岛附近。
1．概述
巴拿马散装船 M/V New Flame ， 2007 年 8 月 12 日， 在直布罗陀海峡与一艘丹麦油轮相撞。
2．船舶远程监控的基本原理与实现方法
船载AIS构成
VHF GPS接入 差分[ITU 823-2] VHF差分[ITU 823-2]选用 IEC61162-2 可按IEC61162-2配置 IEC61162-3 IEC61162-2 IEC61162-2 IEC61162-2
传感器 (D) GNSS 位置 时钟
——第一阶段，70年代中后期的研究试验和组织准备阶段。 ——第二阶段，80年代VTS开始建设的初级阶段，先后在宁波、秦皇 岛、青岛、大连、连云港五个港口开始了VTS的建设。 ——第三阶段，90年代以后VTS全面建设发展阶段。新建了从营口到 琼州海峡等 10个港口和水道的 VTS；建成了长江中下游 VTS（重庆段、宜 昌段、武汉段、江西安徽段、江苏段、上海段）；对80年代VTS进行了更 新或扩展。至此，中国沿海共有18个VTS中心。
2．船舶远程监控的基本原理与实现方法
数据的有效性检验、格式转换、分类和标识：
——有效性检验是滤除非法数据和无效数据，包括：数据时效准确 性检验、数据量值范围检验、异常数据检验。 ——格式转换是将不同量纲的数据转换成kg/m/s标准量纲数据，以 及统一的数据类型。
——分类与标识按照数据功能分为航行数据、机舱状态数据和货物 状态数据。对这些带时标的当前数据按给定要求加以标识。
1．概述
船舶交通管理系统
（VTS——Vessel Traffic Services） VTS具备监视水域船舶运动并对船舶提供信息、建议和指示的手段， 它能与船舶相互作用并能有效控制船舶交通流，从而在获得最大的港口 营运效益同时使船舶交通事故和环境污染的风险减至最小。
1．概述
我国的VTS发展经历了三个阶段：
——船务公司对其所辖船舶实施监控，有效掌控船舶状态，进行船岸一 体化管理；
——港务公司对其港口水域的船舶进行监控，保障港口安全。
1．概述
1.2 船舶航行监控技术发展 全球海上遇险与安全系统
（GMDSS——Global Maritime Distress and Safety System ）
1973年IMO提出决议案，1999年2月，GMDSS在全球全面启用。与 SOS 不同，GMDSS是一个船岸间全球海上移动无线电通信系统。它由卫星系统 和地面无线电系统组成。能更迅速、更可靠地发出救难信息，还能以自 动、半自动的方式取代以前的人工报警方式。
2007 年 2 月 22 日，印尼客运 渡轮 Levina1 ，起火造成至 少51人丧生。3天后沉没。
1．概述
2008 年 12 月 17 日 12 时 43 分 左 右 ， “振华 4 号”从苏丹返航途径亚丁 湾水域时遭遇2艘海盗船袭击。
1．概述
2014 年 4 月 16 日，载有 476 人 的“岁月”号客船在韩国西 南部海域沉没，遇难284人。
1．概述
船舶自动识别系统
（AIS——Automatic Identification System) 1998年IMO对将于2002年7月生效的SOLAS公约中，增加了“通用船载 自动识别系统（AIS）”和“航行数据记录仪（VDR）”，船舶强制性装 备AIS的时间表是：最迟 2008 年7月1日前，国际航线300总吨以上的船舶； 国内航线客船及500总吨以上的船舶；安装AIS。
SSAS 双重作用：
——紧急状况下提供警报功能，SSAS可自动将报警信息Email形式发 至用户指定的信箱，同时在界面上明显标注报警船舶的位置， 并增加报警船舶的船位报告频率。 ——正常状况下SSAS为船舶公司提供船舶动态监控功能，使公司管 理人员实时了解本公司船舶在全球海域的航行动态。
2．船舶远程监控的基本原理与实现方法
2.1 船舶驾驶台设备及其网络系统
综合桥楼系统（ IBS Integrated bridge system ） 综合了计算机技术、网络技术、控制技术、信息处理 技术等，将船上的各种导航 /助航、操作控制和雷达 避碰等电子设备通过计算机网络有机地组合起来，实 现船舶自动化航行。
1．概述
船舶航行数据记录仪
（VDR——Voyage Data Recorder） IMO的SOLAS公约要求，客船、客滚船以及 2002年7月 1日以后新建造 的3000 总吨及以上所有其他船舶强制配载 VDR。VDR 的主要功能是记录航 行设备数据、驾驶台声音以及其他与航行安全相关的数据，在船舶发生 海难或事故后，能够快速有效的取得相关证据。
——静态信息：IMO编号、呼号和船名、船长和船Βιβλιοθήκη Baidu、船舶类 型、船上使用的定位天线的位置。 ——动态信息：带有精度指示和完整性状态的以WG84坐标系为参考 的船位、时间、航向、速度、艏向、航行状态、回转速率。 ——与航次有关的信息：船舶吃水、危险货物类型、目的港和预计 到港时间。 ——与安全有关的信息：短信息。
数据的存储、筛选：
——对来自数据采集装置的当前数据同时以数据循环更新和数据循 环添加二种方式储存。 前者一旦岸基系统发出传输请求，就自动将当前数据发送。 后者是历史数据，保存长度可根据需要调节。 ——对数据进行有目的的筛选，以便将最重要的数据传输给岸基系 统，这种筛选可以根据需要人工或自动设定。
2．船舶远程监控的基本原理与实现方法
AIS/GPS
AIS将船舶标识信息、位置信息、运动参数和航行状态等与安全有关的 数据，通过 VHF 信道（利用 VHF 的通信频段（ 156.025-162.025MHz ），建 立海上自组织时分多址无线通信数据链路，实现移动目标之间的应答）， 广播给周围的船舶，实现对本海区船舶的识别和监视。
AIS可以获取的信息：
报警电路（常闭继电器） 电源输入
AIS的基本构成包括：内置卫星传感器、VHF数据通信机、控制器、 船舶运动参数传感器接口、数据接口等。
2．船舶远程监控的基本原理与实现方法
AIS数据通信原理
采用时分多址 (TDMA) 通信方式，它把每个信道的时间分成固定的时 间缝隙，称为时隙。一组时隙构成一帧。一帧持续1分钟，包含2250个时 隙。所有这些时隙都可以由工作在数据链路上的电台使用。
TDMA解码 TDMA解码 DSC解码 控制器
TDMA RX TDMA RX DSC RX （CH 70）
RX/TX控制
（外部键盘与 显示器） TDMA编码 （引航辅助设 备） 远程接口 BIIT监测 电源 DSC编码 TX
简易键盘/显示器
外部键盘/显示器可以看作 是雷达，ECDIS或专用设备
键盘/显示器