基于AIS的在航船舶油水分离器状态信息远程传输方案设计与实现＊

柳晨光 何 伟 石 磊 初秀民

（1.武汉理工大学智能交通系统研究中心 武汉430063；2.武汉理工大学能源与动力工程学院 武汉430063；3.闽江学院交通学院 福州350108）

0 引 言

由于航运具有运量大、能耗低、成本低等优点，已成为国际贸易最主要的方式，占国际贸易总量的2／3以上。船舶在营运过程中会产生一定数量的机舱舱底水［1－2］。官方资料统计，每年随机舱舱底水排入海洋和内河水域的油量数以万t计。国际海事组织（IMO）制定的《MARPOL 73／78公约》附则I中规定：船舶排放机舱舱底水前必须经过油水分离器处理，在允许排放区域达到排放标准后方可排放。但船舶机舱维护人员为减少设备维护工作量和节约成本，不使用油水分离器，直接将舱底水排放入海，当前油水分离器监控系统很难识别这些违规行为。在PSC（港口国）检查时，监管人员目前主要通过查看油水分离器使用记录和观察管路改装与否等方式来确定是否有违规排放舱底水行为发生。这种人工检查方式效率较低，且检查人员个人业务水平可能会影响最后判断的结果。

基于上述现状，笔者提出了1种通过远程访问的方式查看油水分离器使用状况的方法。该方法旨在提高检查效率、准确度，以及节约人工成本，同时也提高了船舶管理信息化水平，是物联网技术在船舶管理上的应用。

张道发［3］设计了1款基于3G远程监测的船舶油分浓度监测装置，提出了在长江内河3G网络覆盖区域采用3G网络模块实时传输油水分离器运行情况，但3G网目前无法实现一卡全球通，使用区域受限，且会产生费用。陈一奇等［4］针对舱底水非法排放的现象设计了基于AIS的舱底水排放监控系统，但其传输的信息单一，不能完全反映油水分离器状态信息，也未能深入分析信息远程传输的具体实现过程。此外，还有一些研究学者提出利用射频IC卡或者U盘来保存油水分离器历史使用情况，但这种方法自动化程度不高［5－6］。针对上述方法普遍存在的不足，笔者围绕油水分离器远程信息传输方案的设计与实现来展开。

1 传输方案

要实现油水分离器信息的远程传输，必须使用1种通用、可靠、成本低的通信方式。

1.1 通信方案选择

查阅相关资料并总结，适合本系统的远程传输方式主要有移动通信、海事卫星系统和AIS。三者各有特点，比较说明如下。

1）移动通信。移动通信是指用于手机数据通信的网络，主要包括GPRS、3G和4G网［7］。移动通信网均是通过电信运营商基站来进行数据传输，其传输速度明显高于一般无线电台，同时建立连接速度快，比较适合间断、突发性和频繁的数据传输场合［8］。但由于各国使用的标准都不一致，且资费也不尽相同，即使有全球漫游通信的可能，实现数据传输的全球化也需要付出高额的使用费用。因此，使用移动通信作为油水分离器远程传输方式并不十分符合。

2）海事卫星系统。海事卫星系统是美国通信卫星总公司于20世纪70年代中期研制成功的新型通信工具。海事卫星系统主要由同步通信卫星、移动终端（包括海用、陆用和空用终端）、海岸地球站，以及协调控制站等组成［9－11］。海事卫星覆盖面十分广阔，数据带宽也能满足本系统通信需求，但费用太高，且大量船舶如果长期占用海事卫星信道会影响搜救等重要任务正常进行，因此并不适用作为油水分离器远程传输方式。

3）AIS。AIS系统起源于北欧，是1个工作于VHF频段双固定频点的窄带无线传输系统。它由船舶电台、助航设备电台、基站和搜救飞机等组成，是1种集网络技术、现代通信技术、计算机技术、电子信息显示技术为一体的数字助航系统和设备［12－13］。AIS频率稳定度较高，带宽范围内的信号漂移极小，这显著提高了其抗干扰的性能。作为重要的船舶避碰和海事信息化管理设备，几乎所有的海船和内河船舶上都配备了AIS［16］。

使用AIS作为油水分离器远程传输方式具有以下优点：① 无需申请专门的通信频点，直接使用原有AIS通信设备和通信网络即可；②AIS有24种报文，其中某些报文内容可自己定义，很好地解决了通信兼容性问题；③AIS作为全球通用设备，可免费使用AIS网络，降低了通信成本。因此，笔者选用AIS作为油水分离器远程通信方式。系统通信流程见图1。

1.2 传输协议制定

油水分离器远程信息传输主要是指海事监管部门（港口国检查部门）与船舶间进行信息交互。对于现有油水分离器设备，只能采集到油分质量浓度信息，并不能完全反映油水分离器使用情况。本文需传输的信息包括油水分离器启闭情况、实时数据、历史排油情况和自定义消息。为完成上述信息的采集，需对船舶油水分离器管路做适当改造，可行的方式是舷外水排出管路和污油排出管路增加流量计。

传输信息的具体含义如下。

1）实时数据。用于描述油水分离器实时工作状态，包括实时油分浓度值、排出舷外水实时流量、排到污油柜污油实时流量值和报警标识。当油分质量浓度大于15mg／L（部分地区要求更为严格），而排出舷外水流量计不等于0（近似），表示油水分离器工作异常，此时应报警。

2）油水分离器启闭情况。用于描述在过去1个月内（时间长度可根据需求进行更改）油水分离器每24h内启闭情况。

图1 AIS通信流程Fig.1 The procedure of AIS communication

3）历史排油情况。根据历史处理污油总量和正常污油阈值判断是否有未正常使用油水分离器而偷排油污水行为发生。在1个月内如果总排污油量小于设置下限阈值，则船舶有偷排行为发生的可能性很高；如果高于正常上限阈值，在排除维修因素影响情况下说明机舱在近期内设备有漏油等情况发生，应提醒船上人员注意。

4）自定义消息。海事监管部门能远程发送自定义消息至某条船舶，该船舶收到后会显示到屏幕上。

本文需制定1套报文传输协议，以实现上述信息的传输。船舶端至监控管理部门传输过程为：油水分离器信息采集终端将采集信息打包为明码报文，通过串行通信方式传输至AIS船台；AIS船台解析出数据后，将数据嵌入到AIS暗码报文中，通过甚高频广播传输至监控中心AIS基站；监控中心AIS基站接收到该AIS报文后进行解析，还原为明码报文，通过串行方式传输至监控信息管理平台；监控中心管理平台接收到明码报文后，对其进行解析，最后将信息显示和存储起来。监控管理部门至船舶端传输过程相反。整个过程见图2。

从上述信息传输过程可以看出，信息传输需经过自定义明码报文和AIS暗码报文的相互转换，但暗码报文仅是明码报文的“翻译”。明码报文用于油水分离器采集终端与船载AIS船台、AIS基站与信息管理平台间的透明传输，暗码报文用于AIS设备间的通信。本文所涉及的报文传输协议是指明码报文协议，包括实时数据报文协议、启闭情况报文协议、历史排油情况报文协议、自定义消息报文协议。

图2 船舶采集端至监控信息平台间信息传输过程Fig.2 The process of information transmission between ship data acquisition terminal and monitor platform

要实现上述传输协议，至少需要新定义6类报文，即实时数据报文、请求发送报文、启闭情况报文、历史排油情况报文、自定义消息报文、确认收到报文。各个报文间传输的关系见图3。

图3 各报文传输关系Fig.3 The relationship between the messages

每条报文格式均采用NEMA0183语句格式，即为“＄AAAAA，ddd…d dd＊hh＜CR＞＜LF＞”，具体字段见表1。

表1 报文字段定义Tab.1 General message definition

1）实时数据报文协议。实时数据报文是AIS船台通过自主广播的方式发送，周期为20s，其地址域为“RLOIL”。报文格式为“＄RLOIL，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞＊hh＜CR＞ ＜LF＞”。各字段定义和备注见表2。

表2 实时数据报文字段定义Tab.2 Message definition of real-time data

2）启闭情况报文协议和历史排油情况报文协议。如图3所示，启闭情况报文协议包括请求发送报文、启闭情况报文和确认收到报文。信息通信流程为：监控中心发送请求发送报文给某船舶，船舶接收到该报文后回复启闭情况报文和历史排油情况报文，若在一段时间内船舶未回复，则再次发送请求发送报文；监控中心接收完成后发送确认收到报文，如果船舶未收到确认报文，则船舶重新发送未收到的报文。

（1）请求发送报文。报文格式为“＄REQST，＜1＞＊hh＜CR＞ ＜LF＞”。其中，“＜1＞”为 MMSI（maritime mobile service indentify，海上移动通信业务标识），表示请求发送数据的目标船舶，MMSI固定为9个字节长，能唯一标识每艘船舶。

（2）启闭情况报文。报文格式为“＄USEYN，＜1＞＜2＞＊h h＜CR＞＜LF＞”。其中：“＜1＞”为目标监控中心MMSI，＜2＞为1个月内油水分离器每1d启用情况。为节约带宽，报文使用二进制表示，即“1”代表已启用，“0”代表未启用，将二进制转为ASCII码发出。31d用4个字符即可。比如前8d使用情况为“00100011”，转为 ASCII码为“＃”。

（3）历史排油情况报文。报文格式为“＄HISOIL，＜1＞ ＜2＞＜3＞ ＜4＞＊hh＜CR＞＜LF＞”。字段定义见表3。

表3 历史排油情况字段定义Tab.3 Message definition of history oil discharge

（4）启闭情况确认收到报文。报文格式为“＄VRUSE，＜1＞＊hh＜CR＞ ＜LF＞”。其中：“VRUSE”为确认收到启闭情况报文地址域，“＜1＞”为目标船舶MMSI。

（5）历史排油情况确认收到报文。报文格式为 “＄VRHIS，＜1＞＊hh＜CR＞＜LF＞”。其中：“VRHIS”为确认收到启闭情况报文地址域，“＜1＞”为目标船舶MMSI。

3）自定义消息报文协议。如图3所示，自定义消息报文协议包括自定义消息报文和确认收到报文。信息通信流程为：监控中心发送自定义消息给某条船舶，船舶接收到后回复确认收到报文，如果未回复确认收到报文，监控中心重新发送自定义消息报文。

（1）自定义消息报文。报文格式为“＄CSMSG＜1＞＜2＞＊hh＜CR＞＜LF＞”。其中：“CSMSG”为自定义消息报文地址域，“＜1＞”为MMSI；“＜2＞”为消息内容，支持可显示ASCII字符。

（2）自定义消息确认收到报文。报文格式为“＄VRCSM，＜1＞ ＊hh＜CR＞ ＜LF＞”。其中：“VRCSM”为自定义消息确认收到地址域，“＜1＞”为目标监控中心MMSI。

2 AIS通信实现

AIS语句由语句起始符（“＄”或“！”）起始，以语句结束符（＜CR＞＜LF＞）结束。语句的最大长度为82个字符，超过此长度语句应分割为几个语句传输。AIS语句分为2种形式，1种以“＄”开始的语句，能直接从消息中读出包含的信息，称为“明码”（parametric sentences），主要是传感器的信息，比如GPS报文；另1种是以“！”开始的语句，需要通过字符转换和格式定义才能明白其中信息，称之为“暗码”（encapsulation sentences）或封装语句，包含了船舶航行的重要信息。封装语句为“！aaccc，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞＊hh＜CR＞＜LF＞”，各字段定义见表4。

表4 AIS封装语句定义Tab.4 The message definition of AIS

ITU－R M.1371－1规定，消息12是寻址安全相关消息，用于点对点发送安全报文，其定义见表5；消息14是安全广播消息，用于对外广播安全相关报文，其定义见表6。舱底水排放与海洋和水路环境保护息息相关，因此使用安全消息传输较为合理。从报文协议可知，“＄RLOIL”为广播消息，应使用消息14传输，其余所有报文均使用消息12传输。消息12与14内容嵌在封装语句的数据块字段内进行传输。安全报文对于安全保障十分重要，因此当船舶发生事故时，应优先发送事故报文。

表5 消息12定义Tab.5 Message 12definition

IEC61162－1规定，AIS只能传输可显示ASCII字符，其有效范围为0x20–0x7E［17］。油水分离器数据如果直接以标准ASCII码传输，会造成AIS报文中存在不可显示的字符。因此，规定在安全信息内容中需要传输6位ASCII码字符。ASCII码字符与标准ASCII码字符转换见表7。

表6 消息14定义Tab.6 Message 14definition

表7 6位ASCII码字符与标准ASCII码字符转换Tab.7 The conversion reference between standard ASCII and“6-bit”ASCII

使用消息12或14传输油水分离器明码报文过程为（以终端向远程发送为例）：① 终端通过串口发送明码报文至AIS船台；②AIS船台接收到报文后进行校验，如无误，则提取报文内容，如有误，则舍弃该条报文；③ 将报文内容嵌套至消息12或14中，以AIS消息发送；④ 监控中心AIS基站接收到该AIS报文后进行解析，还原明码报文；⑤AIS基站通过串口发送明码报文至远程计算机，计算机对报文解析后进行显示和存储。

上述过程以实时数据报文为例进行说明，实时数据报文应使用消息14传输。假设某一时刻船载采集终端给AIS船台传输的实时数据报文为“＄RLOIL，12，1001，0000，N＊19”（完整报文应加上＜CR＞＜LF＞，对应十六进制为0x0D0A，下同），AIS船台接收到该报文后校对无误后，提取出需传输报文 “RLOIL，12，1001，0000，N”。根据定义消息14，假设报文转发次数为0，自身 MMSI为“413771818”，消息14二进制表示为

共200个b，6b一组排列后还剩2b，此时应填充4个二进制“0”凑齐。消息14最后二进制表示为

根据表6将6b值对应为标准ASCII字符串，即“＞6：k’：QBC4u9C2hi＜Rhi＜30i；30h＜30dCP”（双引号不计算在内），共34个字符。再根据AIS封装语句定义，并假定该语句通过B信道传输，则最后生成的AIS报文为

“！AIVDM，1，1，，B，＞6：k’：QBC4u9C2hi＜Rhi＜30i；30h＜30dCP＊04”

该条报文由AIS基站接收后，经解析处理还原为“RLOIL，12，1001，0000，N”，重新打包为“＄RLOIL，12，1001，0500，4000，N＊19”，再通过串口发送至远程信息管理计算机。计算机对该报文进行解析，得到当前船舶的MMSI、排出舷外舱底水流量、油份浓度值、排出舷外舱底水流量值、排到污油柜污油流量值、油水分离器报警标识分别为“413771818”“1001L／h”“0L／h”和“未报警”。

3 通信可靠性测试

AIS作为1种通信方式存在通信不可靠问题，马枫等从机理上对此作了科学的分析，因此有必要研究本系统的通信可靠性问题。

以武汉理工大学大学第1教学楼和第5教学楼为测试点，测试2点间数据传输可靠性问题，测试点位置见图4。其中第1教学楼模拟船舶端，第5教学楼模拟海事监管部门，2点间的直线距离约为834m，在传输链路上有树木等障碍物遮挡。

图4 测试点位置Fig.4 Test position

1）测试方法。通信可靠性最重要的一点是保证丢包率控制在一定范围内，因此可通过测试丢包率来评判通信链路的可靠性。丢包率测试方法为：① 在规定的时间内，从船载端以固定间隔发送油水分离器实时数据报文，测试远程端接收情况，统计共丢失报文数量，最后计算得到丢包率；② 在规定的时间内，从远程端发送查询报文到船载端，测试船载端接收情况，统计丢失报文数量，最后计算得到丢包率。

2）测试结果。2014年3月23日16：20～17：00时期间，分别测试了远程端至船载端和船载端至远程端通信丢包率情况，接收报文数据见表8。

根据上述数据计算可得，远程端至船载端丢包率Q1＝（219－157）／219＝28.3%；船载端至远程端丢包率Q2＝（220－139）／220＝36.8%。图5、图6描述的是不同方向数据接收情况。由于AIS通过甚高频段传播数据，属于视距传播，易受障碍物遮挡的影响，本实验中2个测试点间有房屋和树木遮挡，对通信产生了一定的影响，导致丢包率偏大。

表8 通信测试数据Tab.8 Communication data

图5 远程端至船载端部分数据接收情况Fig.5 The reception from remote terminal to shipborne terminal

图6 船载端至远程端部分数据接收情况Fig.6 The reception from shipborne terminal to remote terminal

4 结束语

笔者提出的基于AIS传输方案较为完整，普适性较好，成本低廉，有助于更好地监督含油舱底水的非法排放。但本方案设计中对于安全消息等级问题没有做细致的分析，对重发机制使用效果也没有作进一步的验证，这在今后的研究中需要完善。

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