洋山港水域电子围栏系统的应用
黄纯 陈国伟 毛新健
【摘 要】 为保护洋山港水域内重要工程设施，保障洋山港水域船舶的航行、停泊、作业安全，东海航海保障中心上海航标处与洋山港海事局合作，针对特殊水域助航技术不完善的问题共同开发电子围栏系统，以洋山港水域实际应用作为案例介绍电子围栏系统的主要功能、架构、关键技术、应用场景设计，为服务航船安全和海事监管提供一种全新手段。
【关键词】 洋山港;电子围栏系统;信息服务;预警
0 引 言
洋山深水港区（以下简称“洋山港”）是服务“一带一路”建设的重要支点，是上海国际航运中心的重要组成部分，其区域内的东海大桥、码头等工程设施极其重要。
洋山港水域有海上干线的交汇航路，周边密布传统渔业作业区，各类船舶在此交汇航行和作业，通航环境复杂;洋山港水域存在水文气象区域性差异，部分水域在寒潮大风季节时瞬时风力较大，抗风浪等级较低的小型商船和渔船极易在此区域发生事故。随着我国海上交通运输业的迅速发展，近年来洋山港水域水上交通流量明显增加，局部水域船舶密集，水上交通风险增大。
为保护洋山港水域内重要工程设施，保障洋山港水域船舶的航行、停泊、作业安全，东海航海保障中心上海航标处与洋山港海事局合作，针对特殊水域助航技术不完善的问题共同开展电子围栏系统的应用研究，依托东海航海保障中心在船舶自动识别系统（AIS）基站资源及专业技术积累，结合特殊水域船舶交通流量精细化数据采集，在洋山港四期码头布置专用AIS基站，开发电子围栏系统，建立特殊水域助航服务新模式，实现了在特殊水域智能助航与警示，主动式助航信息服务成效显著。
1 电子围栏系统的主要功能
（1）对划定水域内的所有船舶发出预警信息。在出现恶劣天气前，可运用电子围栏系统对进入划定水域的所有船舶发送AIS安全提醒报文，让船舶及时了解该水域天气状况，以便及時采取安全措施。
（2）对重点水域船舶发送特别预警信息。洋山港海事局辖区内有东海大桥、风电场、LNG作业区等重要设施和重点水域，这些水域都有特定的通航条件约束。运用电子围栏系统划定这些重点水域后，可自动向进入划定水域的船舶发送相关预警信息，提醒船舶交通服务（VTS）中心值班人员及时判断船舶动向，提高监管效果。
（3）对特定水域船舶发送临时预警信息。沉船现场、水工作业现场等水域因施工作业需要而临时划定警戒区域。为防止船舶误入这些特定水域，可通过设置电子围栏、AIS虚拟航标，对靠近该类水域船舶发送AIS短报文予以警示。
2 电子围栏系统架构、关键技术和应用场景设计
2.1 系统架构
电子围栏系统是在传统的AIS数据应用基础上开发的拓展应用系统，由AIS播发基站和应用软件系统两部分构成。
（1）AIS播发基站。AIS播发基站的功能是数据接收、数据处理和数据发送。AIS播发基站将接收到的AIS船台广播信息进行初步处理和存储后再转发给应用软件，实现数据的呈现和应用;应用软件将要发送的数据信息通过网络发送给基站管理服务器，由基站向AIS船台播发AIS数据。
（2）应用软件系统。电子围栏应用软件系统是采用面向对象的开发方法、运用微服务理念而开发的基于浏览器/服务器模式（B/S架构）的管理系统。系统通过AIS播发基站在水上划出电子围栏区域和警戒线，当系统感知船舶进入电子围栏区域或穿越警戒线时，就会由AIS基站向船舶发送安全提醒、气象信息等AIS短报文。
2.2 关键技术
（1）采用面向对象开发方法。电子围栏应用软件系统的设计和开发，选用的是基于UML（Unified Modeling Language）标准的可视化（Rational Rose）建模工具。建模工具从不同应用角度出发，定义了系统的用例图、类图、对象图、状态图、活动图、顺序图、协作图、构件图、部署图等图形模型，从不同角度对系统进行描述。
（2）微服务应用架构。电子围栏应用软件采用的微服务应用架构可以让系统运转变得更为简便，只需扩展单个组件而无需整个应用程序堆栈就能满足服务等级协议，且可更快更新，将更有利于后续系统功能的拓展和二次开发。
（3）采用B/S架构。为充分满足电子围栏应用软件系统在安全、跨平台、易扩展、易维护等方面的要求，采用先进的3层应用体系架构：第一层为客户机，是用户与整个系统的接口，客户的应用程序精简到一个通用浏览器软件;第二层为网页（Web）服务器，动态生成超文本标准语言（HTML）代码和相应的数据响应及存取处理;第三层数据库服务器，协调各Web服务器发出的对数据库的请求，管理数据库。基于B/S架构开发的电子围栏应用软件，可在网络浏览器上轻松访问和应用。
2.3 应用场景设计
应用软件是电子围栏系统的管理控制核心，必须满足特定水域船舶的使用需求。
（1）电子围栏区域设置。在控制终端上设置警戒线及由自主划定多边形线段组成的电子围栏区域，实现在海图图层上通过经纬度描点、拖拽划线等人机友好界面实现警戒线的设置，当船舶以某一航线穿越警戒线后，可对其播发AIS短报文;对于进入多边形封闭电子围栏警戒区域内的船舶进行AIS短报文广播，也可根据后台导入预设数据对比匹配后，对指定船舶进行AIS短报文广播。
（2）船舶数据的查询显示。基于AIS信息可实时查询单个船舶AIS数据的静态信息和动态信息，也可以以列表、柱图、曲线图等方式实时显示群体AIS船舶数据信息。
（3）船舶数据统计分析。可对穿越辖区某条警戒线的船舶，或对电子围栏区域内的船舶的信息（船舶名称、种类、数量等）进行分类统计分析，从而获取穿越警戒线船舶的统计列表，进而获取区域船舶流量图。划定电子围栏区域后，系统可自动实现数量统计功能，跟踪查询特定关注船舶AIS航行轨迹线，对于配置多套AIS设备的江海运输船舶，自动触发电子围栏软件，系统可对船载AIS船名等数据记录进行比对，为海事现场执法提供依据。
（4）系统播发机制。在电子围栏系统播发控制终端上，监管人员可灵活设定重复播发时间间隔，也可手动即时播发。当有多台AIS基站组网时，可手动指定播发的基站，也可根据电子围栏区域按基站与船舶“就近原则”自动选择播发基站。
（5）用户体验设计。系统可为用户保存常用播发内容，具备数据推送日志的记录功能，方便日常播发操作;系统可针对不同船舶类型进行精准推送，避免无关联船舶受到干扰。
（6）后台船舶数据导入。后台可导入特别关注船舶（砂石船、小型施工船、危险品船和客渡船等）的数据，当这些船舶穿越电子围栏区域和警戒线时，系统记录这些船舶穿越时的船位信息，并选取为这些船舶预设的广播语句进行警示播发，同时产生一条数据推送日志。
（7）基站配置监控软件。通过应用软件系统，可实现对AIS播发基站基础信息配置、控制和各类工作数据监测。
（8）甚高频（VHF）语音播发。设置电子围栏警戒区域，当船舶穿越警戒区域时，可根据需要通过VHF基站16频道发送区域VHF语音信息。
（9）手机短信服务。中国移动、中国电信和中国联通3家通信运营商提供沿海手机短信服务，系统采用第三方接口组件并分别开发公网手机短信模块，一旦船舶穿越电子围栏，系统除通过AIS短报文播发警示信息外，还通过手机短信服务向船舶有关人员的手机播发短信。
3 应用实例
2019年7月30日，洋山港VTS中心收到31日大风预警信息，随即结合辖区实际情况在通航警戒区、东海大桥、南支灯船、黄泽洋等重点水域设置了电子围栏区域（见图1），对途经预警线的所有船舶船载AIS设备发送“明天洋山西北风8级，阵风9至10级”的大风预警信息，为船舶安全航行提供服务。
4 结 语
洋山港电子围栏系统已在洋山港海事局试运行，为辖区水域提供AIS信息服务，实现东海大桥碰撞提示、特定船舶预警播发、LNG码头前沿设防、沉船碍航物提醒、风电场禁止航行、特定气象（大风及能见度不良）信息播发等各类管理场景应用，基本达到系统建设目标。
