摘 要 轮渡船的监管一直以来都是海事部门关注的重点和难点，轮渡船的安全直接与人民的生命财产安全相关，一旦发生轮渡船事故总是会造成巨大的人员伤亡和恶劣的社会影响，因此轮渡船的监管非常重要。AIS是目前用于船舶监管，避碰的重要设备，在保证船舶运输安全方面发挥了重要的作用。但标准的AIS设备价格高昂而且无线电通信受覆盖范围限制，通信距离短，导致船舶在AIS信号弱时不能与外界完成安全信息的交互，进而造成监控的空白区。北斗卫星导航系统可为用户提供定位，导航，授时和短报文通信服务，3G/4G通信网络传输速度快，将其合理并用可弥补 AIS 监控所存在的短板。因此本文针对我国轮渡船监管的现状和需求，设计了一种价格相对低廉的轮渡船监管系统。描述系统的构成、系统的功能、系统的技术标准。该系统对于减少轮渡船事故的发生,有效提升海事部门对轮渡船的监管能力具有重要的意义。 关键词：轮渡船；安全监管；AIS； Abstract The supervision of ferry boats has always been the focus and difficulty of the maritime sector. The safety of ferry boats is directly related to the safety of people’s lives and property. Once a ferry accident occurs, it will always cause huge casualties and adverse social impacts. The supervision of the ferry boat is very important. AIS is currently an important equipment for ship supervision and collision avoidance, and plays an important role in ensuring the safety of ship transportation. However, the standard AIS equipment is expensive and the radio communication is limited by the coverage, the communication distance is short. As a result, when the AIS signal is weak, the ship cannot complete the interaction of security information with the outside world, thereby causing a blank area for monitoring. The BD satellite navigation system can provide users with positioning, navigation, time service and short message communication services. The 3G/4G communication network has a fast transmission speed, and its reasonable use can make up for the shortcomings of AIS monitoring. Therefore, this paper designs a relatively inexpensive ferry vessel supervision system aiming at the status and demand of ferry supervision in China. Describe the composition of the system, the functions of the system, and the technical standards of the system. This system is of great significance for reducing the occurrence of ferry accidents and effectively improving the supervision capability of the maritime sector for ferry vessels. Keywords: ferry boat; safety supervision; AIS； 目录 摘要 I 第一章、绪论 1 1.1研究背景和意义 1 1.2研究目标 1 1.3研究内容 2 1.4技术路线 2 1.5论文章节的划分 3 第二章、国内外研究现状 4 2.1AIS现状 4 2.2北斗卫星定位导航系统现状 6 2.3国内外轮渡船监管现状 8 2.3.1国外轮渡船监管现状 8 2.3.2国内轮渡船监管现状 8 第三章、轮渡船监管系统的需求分析 11 3.1轮渡船监管系统设计的影响因素的分析 11 3.2系统的设计原则 11 3.3系统的需求分析 12 第四章、轮渡船监管系统基本构成与功能 13 4.1系统基本构成 13 4.2各部分构成的功能与关系 13 4.3船载终端的组成 14 4.4船载终端的功能 15 4.5船载设备化简后与主流AIS的区别 16 4.5.1简化部分 16 4.5.2增加部分 16 4.5.3功能区别 16 第五章、轮渡船监管系统的性能要求与技术要求 17 5.1 性能要求 17 5.1.1 系统功能 17 5.1.2 工作模式 17 5.1.3 内部北斗接收机 17 5.1.4 船位信息源 17 5.1.5接口 17 5.1.6标识 18 5.1.7信息 18 5.1.8信息更新率 18 5.1.9船舶报告容量 19 5.1.10安全性 19 5.1.11初始化 19 5.1.12供电 19 5.1.13技术参数 19 5.1.14报警、指示 20 5.1.15显示、输入和输出 20 5.2 技术要求 21 5.2.1 一般要求 21 5.2.2 物理层 21 5.2.3链路层 23 5.2.4 网络层 23 5.2.5 传输层 24 5.2.6表示接口（PI） 24 5.2.7环境适应性 25 第六章、研究总结与展望 26 6.1总结 26 6.2展望 26  

第一章、绪论

1.1研究背景和意义

轮渡船是一种在内河航行的短途船舶，主要用于在河流、湖泊、海峡运送旅客、货物、和车辆，我国水资源丰富，在广袤的土地上河流众多。流域而积在100 平方公里以上的河流有 5 万多条、总长43万公里,大小湖泊900多个。^[1]自古以来，轮渡船一直与人民群众的生产和生活息息相关，也是重要的交通运输方式之一。自上个世纪八十年代以来，我国的经济得到了迅猛发展，道路，桥梁建设飞速，交通运输方式更加快捷便利，人们的出行有了更多样化的选择，但轮渡船仍然是一些地区不可或缺的交通方式。轮渡船与人们的生活有着紧密的联系,而轮渡运的监管也一直是有关部门非常重视的问题。据统计我国轮渡船有两万余艘，服务于各个江河湖泊，为百姓的便捷出行做出了不可代替的贡献，在很多地方，坐轮渡船出行，已经成为生活的一部分。2014年6月12日我国交通运输部的第5次部务会议通过了《内河渡口渡船安全管理规定》，2014年6月18日我国交通运输部令2014年第9号公布。自2014年8月1日起施行，可见有关部门对轮渡船安全的重视。 AIS技术的出现掀起了船舶助航的革命，AIS在实现船舶避碰和自动识别上都颇有成效。所以研究AIS技术用来监管内河轮渡船的安全运营是可行的。内河水域在我国分布广泛，轮渡船也是内河中较为特殊的船舶，一旦发生交通事故，通常是群死群伤，将会造成极其恶劣的社会影响。轮渡船监管的问题，究其原因是内河船舶之间、船岸之间的信息交互存在问题，无法及时有效的地了解周围船舶的信息与意图，不能实现实时监管。船舶自动识别系统AIS是信息技术、计算机技术、卫星导航技术等高新技术在船舶领域应用的重要系统，给水上助航技术发展带来了深远的影响。然而，标准的AIS对航行于内河的轮渡船来说而言价格高昂，这就需要设计一种针对轮渡船的AIS系统，其主体为简易型AIS，并入北斗定位与3G/4G通信技术构成轮渡船监管系统。在符合AIS检验指南基础上进行设计，该系统应以符合《内河渡口渡船安全管理规定》要求为前提，通过信息的交换，及时得到有关轮渡船安全的信息，并与管理部门联动，切实实现轮渡安全监管。我国在水上运输保障设施建设上已经颇有成就，但是对轮渡船监管能力已经达不到有关部门的监管要求，因此开展轮渡船监管系统的研究，将北斗卫星导航系统、互联网技术、移动通讯技术，AIS技术相结合应用于轮渡船监管系统，可提高轮渡船监管的质量和效率，有着重要的意义。

1.2研究目标

以AIS系统与北斗导航系统为基础，设计一个具有定位和通信功能的系统，让海事监管部门能更直观有效的监控轮渡船的静态及动态情况。通过船载终端对轮渡船进行动态跟踪，实时监管，实现船岸的有效沟通和数据的传输，加强对轮渡船的有效监管。 1）实现轮渡船监管更加有效便利：当今的轮渡船监管随着水路的忙碌而变得更加困难，海事部门难以将其与商船共同监管，而随着各种先进的通信、监控技术的出现，让更有效监管轮渡船成为可能。轮渡船监管系统的研究，增强了海事部门对轮渡船的监管能力，使轮渡船静态，动态信息能及时有效的和管理部门互通，实现监管的有效便利。 2）提高系统的针对性：如今的导航通信系统众多，在船舶上成功应用的技术已屡见不鲜，而且大多系统都是为大型船舶的需要设计，功能过多且安装成本过高，不适合轮渡船的使用，需要充分利用船舶识别和避碰等方面的技术成果，设计一个适用于内河船舶的AIS系统。这个系统可以接收配备了AIS的其他船舶和主管部门岸台的信息，包括船舶静态，动态信息，航次信息和其他与安全有关的信息，并能将获得的信息在屏幕上显示出来，来提高轮渡船安全。此类系统用于内河轮渡船舶，以解决此类船舶存在的资金困难、不能有效监管等问题。基于内河轮渡船的特点和现状并，设计一个类似于B类的AIS系统，此类系统的功能、配置和要求均被缩减，成本较低，符合非SOLAS公约规定的内河航行的轮渡船的需求，为轮渡船安全监管提供便利。 力求达到：在综合交通显示器上能自动识别、跟踪轮渡船舶，掌握所有船舶交通事态，建立轮渡船舶与VTS的通信与报警渠道，提高轮渡船自身导航能力。^[2] 设计内河船舶综合安全监管平台时，需要从内河船舶安全监管的全局利益和长远利益出发，确定系统功能需求，注重规范各类接口标准，本着“整体考虑，统筹兼顾，突出监管”的原则，力争系统设计更加科学合理、更加具有可扩展性，以达到有效控制、降低成本、提高效能、方便使用之目的。^[3]

1.3研究内容

针对AIS技术在轮渡船监管中进行研究。具体研究内容如下： 1.分析AIS系统、北斗导航系统的现状以及技术标准和目前的应用，为轮渡船监管系统设计提供理论依据和技术手段。 2.轮渡船监管系统的需求分析 3.分析系统组成和功能，依据AIS检验指南，对轮渡船监管系统的总体结构功能进行设计，描述其与主流AIS的区别，并对终端的功能和标准进行设计。

1.4技术路线

通过对《内河渡口渡船安全管理规定》的解读，在深入分析了轮渡船监管的要求后，根据实际需求，研究船载终端设备在轮渡船上应用的技术特点，并据此提出具体的功能与性能需求，规范条件。 根据需求，制定技术路线如下图所示。

1.5论文章节的划分

第一章绪论介绍了轮渡船监管的背景和研究具有的意义，明确了研究目标，研究内容和技术路线，说明了章节的划分。 第二章介绍了组成轮渡船监管系统所用的关键技术即AIS系统与北斗卫星导航系统的发展现状以及轮渡船监管的现状。 第三章对轮渡船监管系统进行影响因素，设计原则，以及需求分析。 第四章研究轮渡船监管系统的构成与各部分之间的关系。对各部分在系统中所发挥的功能进行描述，从而展现系统工作流程，对船载设备的组成和基本功能进行描述设计。 第五章对轮渡船监管系统的性能要求和技术要求进行相应规范和提出标准。 第六章研究的结论与展望，对本文的研究进行总结并对未来系统发展进行展望。

第二章、国内外研究现状

2.1AIS现状

船舶自动识别系统AIS(Automatic Identification System)作为船舶导航设备，可以有效避免船舶碰撞，它可以加强ARPA雷达和VTS系统的性能，可以把船舶静态信息，动态信息等在电子海图上显示，为船舶之间，船岸之间提供了合适的互通手段。 在VTS系统之中引入AIS技术，可以进一步发挥VTS的功能，相对于雷达目标跟踪，AIS系统在目标跟踪方面具有较为明显的优势。^[4] AIS由岸台、船台、转发台、助航台、机载台组成。船台安装在船舶上可自动播放船舶的静态和动态信息及与安全相关的短消息，并且还可以自动接收其他船舶及岸台的信息。岸台在收到信息后可以与海事管理部门互通，使主管部门可以及时了解交通情况，提高管理能力。 AIS系统实现了船-船、船-岸之间的有效信息交换，为海上交通管理提供了重要的技术支持，为船舶安全提供了保障。 AIS的基本功能： 1.AIS设备可以自动的向同样安装了AIS的船舶和岸台播发本船的动态和静态信息。同时也能接收其他AIS船舶和岸台发来的相关信息。 2.AIS设备采用的访问协议是时分多址。AIS能同步世界协调时UTC，在不能直接同步UTC时，可以间接同步。 3.AIS设备包括了一台GNSS接收机，可以获得精确授时以及精准定位船舶位置。如果外部不能提供船位信息源，GNSS接收机可提供作为船位信息源。 4.AIS设备能人工输入与显示船舶有关的信息，有最小键盘和显示MKD，能够显示设备状态。 5.AIS设备具有自我保护安全功能，防止设备失效和随意的更改记录数据。AIS设备停止运行，所有记录也不得修改。 SOTDMA多址技术： AIS使用的是时分多址（TDMA）技术，即SOTDMA， SOTDMA是“自组织时分多址”的意思。 AIS规定：每分钟具有2250个时隙。每个时隙可发送一条不高于256bit的信息，大于256bit的信息要添加时隙。每艘船会找到一个没有被其他船舶占用的时隙来播发本船的相关信息。在VHF的频道上，AIS可以播发和接收船舶的静态，动态信息而不会与其他船舶冲突，SOTDMA技术便可以达到这个目的。AIS在某一区域内能同时服务的船舶有限，当同一区域内船舶过多的情况下，AIS会自动放弃远距离的船舶，以保证优先服务近距离目标。实现SOTDMA用2个AIS专用的VHF信道，即AIS1=161.975MHz，AIS2=162.025MHz。 AIS对VTS、船舶自动导航和船岸一体化管理具有不同程度的影响。从VTS的角度看，增大了VTS的覆盖范围，加强了VTS的工作效率，VTS工作人员通过VHF通信呼喊进行沟通的状况也将成为历史；从船舶自动导航的角度看，AIS的出现，为开发自动导航系统(ANS)做了充足的铺垫，在协助船舶自动避让方面有了技术上的飞跃，为降低船舶碰撞机率发挥了重要的作用；从船岸一体化的角度看，通过VDR设备进行数据采集，ECDIS显示数据、AIS设备的区域数据传输和INMARSAT—C／A／B／F全球通信等联动。完善船岸信息系统，加快实现天上一棵星，地上一张网，管理一棵树的船岸一体化管理进程。^[5] 从AIS的技术层面分析，AIS在船舶避碰和安全监管发挥着重要的作用，航行的船舶不但可自动获得周围航行船舶的信息，而且通过VHF的广播可获得有关的航行信息以及港口信息，通过计算得出与周围的船舶之间的会遇信息，若发生报警，能在船舶碰撞之前就进行有效的沟通，使船舶航行更加安全。不会发生导航中的雷达跟踪出现雷达信号盲区而丢失目标，以及因VHF设备操作(如收听频道的选择错误)或语言交流上的问题，使之无法及时了解对方船舶的信息和航行示意图，导致碰撞事故发生的现象。^[6] AIS的应用可以详细了解船舶的情况和动态，有效地帮助船舶降低碰撞的可能性，在内河等狭窄区域更能帮助船舶安全行驶。事实表明，AIS在防止船舶碰撞，交管部门安全监管方面具有重要的作用。 一旦发生事故，VTS中心存储了轮渡船的航行轨迹，AIS扮演了类似系统“黑匣子”的角色,，为碰撞事故的处理提供了数据支持，因为数据记录不可随意的人为进行更改，有效避免了责任方推卸责任。AIS可为海事监管部门提供重要证据，了解事故真相，分析事故原因，确定责任划分，妥善处理事故提供有效依据。 为了船舶航行安全得到保障，修正了SOLAS条约第V章，从事远洋的客船以及总吨数300吨以上的其他船舶，并且不从事远洋总吨数500吨以上的船舶要求强制性安装A级AIS设备。从2002年7月开始实施。 由于碰撞等事故在非SOLAS船也时有发生，经常也造成恶劣的社会影响和严重的损失，因此提出了B类AIS设备，研发B类AIS设备在非SOLAS船上安装，B类AIS设备相对于A类设备进行了功能简化，降低了制作成本。B类AIS设备分为采用SOTDMA协议和采用CSTDMA协议的。SOTDMA的B类AIS由于采用与A类AIS相同的协议，因此在通信时会对A级AIS产生干扰，而采用CSTDMA协议的B类理论上对A类的使用影响较小。不存在CSTDMA与SOTDMA的优与劣，从技术实现上来看,CSTDMA更加严格，难度更大。^[7] AIS从提出概念到广泛应用经历了数年，目前AIS正在继续发展完善。IMO对AIS非常满意，随着关于AIS性能、技术、测试等要求的出台，SOLAS公约也要求相应的船舶强制安装AIS， AIS技术正在船舶交通领域迅速普及。 我国也对AIS的发展相当重视，随着AIS的发展研究所、院校、公司都有对AIS设备进行研制，如今国内自行设计生产的AIS设备已经足以AIS要求的各项标准，在国际市场也颇具竞争力。

2.2北斗卫星定位导航系统现状

北斗卫星导航系统是我国自行研发的全球卫星导航系统，是继美国GPS系统和俄罗斯GLONASS系统之后第三个成熟的定位导航系统，并可以与其他导航卫星系统兼用，北斗卫星导航系统我国拥有自主知识产权，安全可靠且保密性强，在GPS不能使用的情况下，北斗卫星导航系统能保证可见卫星的数量，提高监控的可靠性，有重要的军事意义。