Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm hệ thống thiết bị nhận dạng tự động (AIS) dùng cho báo hiệu hàng hải

LỜI NĨI ĐẦU 1.Tính cấp thiết đề tài Trong xu hàng hải đại an toàn, cơng tác bảo dảm an tồn hàng hải Việt Nam, Thủ tướng Chính phủ ký Quyết định số 1166/QĐ-TTg ngày 14/07/2011 phê duyệt đề án phát triển Bảo đảm an toàn hàng hải Việt Nam đến năm 2020, định hướng đến 2030, nêu rõ: Nâng cấp, Nâng cấp, hoàn thiện hệ thống báo hiệu có, thiết lập hệ thống báo hiệu vùng biển tuyến luồng hàng hải phù hợp với yêu cầu hệ thống cảng biển; thiết lập hệ thống báo hiệu hàng hải vô tuyển; đầu tư đồng sở sản xuất phụ trợ, sở điều hành quản lý, trang thiết bị, phương tiện phục vụ quản lý sản xuất; đào tạo, tuyển dụng nguồn lao động, phấn đấu đến năm 2020, hạ tầng kỹ thuật bảo đảm an toàn hàng hải nước ta đạt trình độ tiên tiến so với khu vực theo kịp xu phát triển giới Mục tiêu cụ thể: - Đầu tư mới, nâng cấp, phát triển hệ thống báo hiệu hàng hải truyền thống, hệ thống báo hiệu hàng hải vô tuyến (RACON, RTE, AIS), hệ thống công cụ hỗ trợ hàng hải (DGPS, VTS, ENC) trạm quan trắc thủy hải văn tự động; - Tập trung đầu tư mới, nâng cấp, phát triển hệ thống báo hiệu hàng hải biển đảo đặc biệt đèn biển quần đảo Trường Sa, Hồng Sa để góp phần bảo vệ chủ quyền, quyền chủ quyền quốc gia biển, đảo; Để đáp ứng mục tiêu trên, từ đến năm 2020 hệ thống AIS Việt Nam xây dựng sau: + Báo hiệu hàng hải AIS lắp đặt đèn biển cấp I, cấp II, cấp III báo hiệu dẫn luồng nơi có mật độ tàu biển lớn Dự kiến lắp đặt 1.395 thiết bi AIS: Trong 109 thiết bị lắp đặt đèn biển nâng cấp 1.286 thiết bị luồng + Hạ tầng AIS bờ: dự kiến xây dựng 21 trạm sở trạm trung tâm Xuất phát từ định hướng trên, năm 2015 Cục Hàng hải Việt Nam – trực tiếp Tổng Công ty BĐATHH miền Bắc thực đề tài nghiên cứu khoa học: "Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm hệ thống thiết bị nhận dạng tự động (AIS) dùng cho báo hiệu hàng hải", với mục tiêu: Nghiên cứu làm chủ chế tạo thành công thiết bị nhận dạng tự động (AIS) dùng hệ AtoN báo hiệu hàng hải Tuy nhiên, góc độ chuyên gia, tác giả nhận thấy cần thiết phải lưu ý số vấn đề kỹ thuật công nghệ triển khai ứng dụng hệ thống thiết bị nhận dạng tự động (AIS) cho báo hiệu hàng hải phù hợp với điều kiện Việt Nam Mục đích Từ pháp lý, tiêu chuẩn kỹ thuật tính tương tác với hạ tầng thơng tin hàng hải có Việt Nam, tác giả đề xuất số vấn đề kỹ thuật công nghệ cần bổ sung nghiên cứu sâu thêm triển khai ứng dụng hệ thống thiết bị nhận dạng tự động (AIS) cho báo hiệu hàng hải phù hợp với điều kiện Việt Nam Nội dung phương pháp nghiên cứu Nội dung nghiên cứu: - Tổng quan Hệ thống thiết bị nhận dạng tự động (AIS) - Mơ hình hệ thống BHHH có sử dụng hệ thống AIS kết chế tạo thử nghiệm Việt Nam (theo kết nghiên cứu Tổng công ty BĐATHH miền Bắc) - Đề xuất số vấn đề kỹ thuật công nghệ triển khai ứng dụng hệ thống thiết bị nhận dạng tự động (AIS) cho báo hiệu hàng hải phù hợp với điều kiện Việt Nam Phương pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu lý thuyết - Tổng hợp - Phân tích Ý nghĩa khoa học thực tiễn Đề tài có giá trị thực tiễn chuyên gia AIS Việt Nam, có giá trị tham khảo tốt giảng viên, sinh viên nhà chun mơn chun ngành Kỹ thuật An tồn hàng hải Chương Tổng quan Hệ thống thiết bị nhận dạng tự động (AIS) 1.1 AIS – thành phần quan trọng Hệ thống hàng hải điện tử E-NAV 1.1.1 Khái quát hệ thống E-NAV E-Nav (E-Navigation) hệ thống mở tuân thủ tiêu chuẩn Quốc tế dùng để hiển thị thông tin hàng hải tàu bờ phương tiện điện tử để tăng cường dẫn đường bến đến bến dịch vụ liên quan, an toàn an ninh biển bảo vệ môi trường biển E-Nav tạo thông tin, thu thập, tích hợp, trao đổi trình bày hài hịa thơng tin hàng hải tàu bờ phương tiện điện tử để tăng cường cho hàng hải cảng & dịch vụ liên quan, an toàn an ninh hàng hải biển bảo vệ môi trường hàng hải Hàng hải điện tử đời xuất phát từ yếu tố thực tế sau: Sự phát triển nhanh chóng lĩnh vực hàng hải dẫn tới nhu cầu tự động hóa quản lý dẫn đường nhằm:  Đạt mức độ cao an toàn an ninh,  Tăng cường biện pháp phòng tránh tai nạn,  Tạo nên hiệu khai thác tàu thuyền,  Đảm bảo an toàn lại tàu tiết kiệm thời gian Giảm thiểu tai nạn yếu tố người: Theo thống kê: Nhật 10 năm qua, 50% tai nạn (đâm va, mắc cạn) 90% định sai phản tác dụng điều hành (Lloyd’s Reg Ltd cho số liệu gần tương tự Do giải pháp chủ đạo cần giảm ảnh hưởng yếu tố người công cụ dẫn đường điện tử mạnh e-navigation đời Hình 1-1 Hàng hải điện tử Hàng hải điện tử E-nav bao gồm hệ thống thu thập, tích hợp & hiển thị thông tin hàng hải tàu & bờ phương tiện điện tử nhằm mục đích tăng cường cho giao thơng hàng hải, dịch vụ liên quan, tăng cường an toàn an ninh biển, bảo yệ môi trường hàng hải 1.1.2 Thành phần hệ thống E-NAV * Các thiết bi tàu: - Hải đồ dẫn đường điện tử (Electronic Navigation Chart - ENC); - Hiển thị hải đồ hệ thống thông tin (ECDIS); - Các máy thu cho hệ thống dẫn đường vệ tinh Quốc tế (Receivers for GNSS/DGNSS system); - Các máy thu phát AIS; - Radar * Các thiết bi bờ: - Các trạm AIS cố định; - Các trạm đa bờ biển; - Hệ thống định vị vi sai (DGPS); - Các trạm điều tiết giao thông hàng hải (VTS); - Các trạm tham chiếu ảo (VRS); - Các mốc hiệu vô tuyến Radar Beacon (RACON) * Các thiết bi báo hiêu: - Hệ thống báo hiệu truyền thống; - Hệ thống báo hiệu - nhận dạng tự động (AIS) Hình 1-2 Cấu trúc hệ thống E-NA V 1.2 Phân loại AIS Nhiều thiết bị hàng hải chế tạo nhằm nâng cao tính an tồn hiệu cho người phương tiện hoạt động biển AIS thiết bị quan trọng Thiết bị AIS chia thành loại sau: 1.2.1 Thiết bị AIS lớp A (Class A) Mỗi thu phát AIS bao gồm phát tín hiệu AIS, hai thu AIS sử dụng đa truy cập phân chia thời gian (TDMA), gọi chọn số (Digital Selective Calling-DSC) băng tần VHF, liên kết đến hệ thống cảm biến thị tàu thông qua tiêu chuẩn viễn thông điện tử hàng hải (NMEA 0183 hay biết IEC 61162) Một hệ thống AIS thông thường làm việc chế độ tự động liên tục hoạt động ngồi khơi hay khu vực ven biển nội địa Kênh hàng hải 87B (161,975 MHz) 88B (162,025 MHz) sử dụng điều chế GMSK tốc độ 9,6Kb/s với độ rộng kênh 25 12,5 KHz dùng giao thức gói HDLC Mặc dù có kênh cần thiết mồi trạm truyền nhận hai kênh vô tuyến để tránh can nhiều cho phép chuyển kênh mà không bị liên lạc Hệ thống loại A phải tích hợp hình hiển thị, cơng suất phát 12,5W, khả hiển thị nhiều tàu lúc có lựa chọn chức đặc tính tinh vi 1.2.2 Thiết bị AIS lớp B (Class B) Các thu phát lớp B nhỏ đơn giản hon thu phát lớp A Mỗi gồm có phát VHF, hai thu VHF sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia thời gian cảm nhận sóng mang (CSTDMA), hai kênh ln phiên thu thơng qua gọi chọn số (DSC) anten GPS tích cực Mặc dù định dạng liệu ngõ hỗ trợ thông tin mào đầu, thông tin truyền Tốc độ dòng liệu AIS tiêu chuẩn 38,4Kb/s giao tiếp RS232 định dạng NMEA Công suất phát giới hạn 2W bao phủ phạm vi từ 5-10 hải lý 1.2.3 Các trạm cố định (Base station) Bộ thu phát AIS bờ hoạt động sử dụng SOTDMA Trạm gốc có chức đặc tính theo tiêu chuẳn AIS, kiểm sốt hệ thống AIS tất thiết bị hoạt động phạm vi kiểm sốt Có khả gửi yêu cầu tới thu phát AIS khác để thu thập thông tin trạng thái hay thay đổi tần số phát 1.2.4 Trợ giúp báo hiệu - dẫn đường hàng hảỉ (Aids to Navỉgation - AtoN) Các trạm thu phát đặt bờ phao sử dụng đa truy cập phân chia thời gian cố định (FATDMA) thiết kế để thu thập truyền thông tin điều kiện biển thời tiết chuyển tiếp thông tin để mở rộng vùng phủ Bộ thu phát tìm kỉếm cứu nạn (Search and Rescue Transponder SART) Thiết bị AIS chuyên biệt tạo đèn hiệu bị nạn khẩn cấp hoạt động sử dụng đa truy cập phân chia thời gian thông báo trước (pre-announce timedivision multiple-access -PATDMA) hay gọi “SOTDMA thay đổi” Thiết bị chọn ngẫu nhiên khe thời gian để truyền truyền loạt thông điệp để tối đa hóa xác suất truyền thành cơng Một SART yêu cầu để truyền xa đến dặm truyền định dạng liệu đặc biệt nhận dạng thiết bị AIS khác Thiết bị thiết kế để sử dụng định kỳ trường hợp khẩn cấp kiểu hoạt động PATDMA với khe thời gian đặc biệt Các thu phát AIS chuyên biệt Mặc dù IMO, IEC cơng bố đặc điểm chun biệt cần có hệ thống AIS, số quan chức cho phép khuyến khích phát triển thiết bị AIS lai Các thiết bị trì tính tồn vẹn cấu trúc truyền cốt lõi hệ thống AIS, thiết kế để đảm bảo độ tin cậy hoạt động, đồng thời thêm vào tính đặc điểm để phù hợp với yêu cầu chuyên biệt Bộ nhận dạng thu phátAIS ví dụ, thiết bị sử dụng cơng nghệ cốt lõi CSTDMA lớp B để thiết kế đảm bảo thiết bị truyền phù hợp hoàn toàn với đặc tính kỹ thuật IMO có số thay đổi để hoạt động nguồn pin, giảm giá thành dễ dàng để cài đặt ừiển khai với số lượng lổm Thiết bị khơng có chứng quốc tế, thơng thường quan chức thực đánh giá kỹ thuật chi tiết riêng kiểm tra để đảm bảo hoạt động cốt lõi thiết bị không gây tổn hại cho hệ thống AIS quốc tế 1.3 Lĩnh vực ứng dụng 1.3.1 Đối với phương tiện tham gia giao thông hàng hải Theo quy định 19 đoạn 2.4 Chương Công ước quốc tế an toàn sinh mạng người biển (SOLAS 74/88), tất tàu 300 dung tích trở lên chạy tuyến quốc tế, tất tàu hàng 500 dung tích trở lên chạy tuyến quốc tế tất tàu khách khơng kể kích thước phải lắp đặt hệ thống nhận dạng tự động AIS Hệ thống AIS sử dụng đê trao đôi thông tin tàu với tàu tàu với bờ nhằm nâng cao an ninh, an toàn hàng hải bảo vệ mơi trường biển AIS hỗ trợ việc nhận dạng tàu, hỗ trợ truy theo mục tiêu, đơn giản hóa việc trao đổi thơng tin (tức làm giảm báo cáo từ tàu ngữ) cung cấp thêm thông tin để hỗ trợ việc nhận biết tình xung quanh Một ứng dụng quan trọng dùng để trao đổi thông tin phương tiện thủy đối tượng bên phạm vi phủ sóng VHF AIS cho phép phương tiện thủy chủ động chia sẻ thông tin với phương tiện, trạm bờ hoạt động khu vực lân cận; trạm VTS quan quản lý hàng hải Phương thức truyền tin thiết bị tàu đất liền truyền dẫn vệ tinh và/hoặc vô tuyến điện dải tần VHF, hệ thống hoạt động liên tục 365/365 ngày năm, 24/24 ngày Các tàu hay đối tượng hàng hải liên quan lắp đặt AIS liên tục có chu kỳ phát thơng tin tàu thơng tin an tồn hàng hải, trao đổi thông tin với tàu khác hay với đài đất liền trang bị AIS Hình 1-3 Phương thức truyền thơng tin hệ thống AIS AIS phương tiện giao thông thủy hệ thống thông tin liên lạc trợ giúp hàng hải, cho phép tàu trao đổi thông tin nhận dạng vịtrí, hướng, tốc độ với trao đổi với trạm bờ Các thông tin nhằm tránh xảy va chạm tàu, trao đổi thơng tin trợ giúp có cố, thơng tin thời tiết, Khi kết hợp AIS với thiết bị thông tin liên lạc khác, cịn ứng dụng trường họp khẩn cấp, cứu hộ, cứu nạn biển Trong chế độ tự động, liên tục thông tin phát quảng bá phút nhanh 10 giây/lần tàu di chuyển phút/lần tàu neo/buộc, bao gồm thông tin cố định (tĩnh), thông tin thay đổi (động) thơng tin hành trình: - Thơng tin cố định (static data): tên tàu, hô hiệu, mã nhận dạng lưu động hàng hải (MMSI), số IMO (International Maritime Organization), kích thước tàu: chiều dài, bề ngang, loại tàu, vị trí lắp đặt anten GPS tàu; - Thông tin động như: vị trí tàu tại, hướng quay trở, tốc độ quav trở, hướng tàu chạy, trạng thái hàng hải; - Các thông số liên quan đến hành trình như: độ sâu mớn nước, loại hàng nguy hiểm (nếu có), cảng đến thời gian dự định tới, tin liên quan đến an toàn hàng hải tin khác Các thông số cố định phát theo chu kỳ phút theo yêu cầu, thay đổi Các thông tin thay đổi phát theo chu kỳ phù hợp với tốc độ đổi hướng chạy tàu Ví dụ: cảng đích thời gian dự định tới phát theo chu kỳ phút, với tàu neo, buộc chạy chậm hải lý/giờ phát theo chu kỳ phút, tàu chạy với tốc độ lớn 23 hải lý/giờ phát theo chu kỳ giây Người sử dụng AIS hồn tồn n tâm tính bảo mật thơng tin Mọi thông tin tàu bảo vệ cách nghiêm ngặt công nghệ đại với quy định pháp iuật bảo mật thông tin Nhà nước quy định Nhờ nhận dạng liên tục theo dõi (bám vết) hành trình tàu, thơng tin hành trình nơi đến, nơi hệ thống ghi nhận, bao gồm thông tin vào cảng, hướng dẫn vào luồng, phịng tránh đâm va có hệ thống cảnh báo (khi gặp nguy hiểm có dấu hiệu đâm va tàu gần nhau, hệ thống tự động đưa cảnh báo âm (cịi) hình ảnh hình thiết bị giúp người biển nhanh chóng có biện pháp ứng phó kịp thời để không xảy tai nạn, cố nguy hiểm đến tính mạng tài sản) Ngồi ra, hệ thống trợ giúp dẫn đường hành hải, quản lý thơng tin vào ra, trợ giúp thơng tin tìm kiếm cứu nạn, điều tra kiện biển Nhờ kiểm soát chặt chẽ hoạt động biển tàu thuyền, AIS góp phần khơng nhỏ vào việc đảm bảo an tồn giao thơng biển 10 Hình 2.8 Sơ đồ khối module hệ thống nhận dạng tự động AIS Base Station Các khối phần cứng chức gồm: + Khối xử lý tín hiệu băng gốc/điều khiển trung tâm + Khối giao tiếp Ethernet (hòa mạng Internet) + Khối cao tần (tạo dao động, khuếch đại thu/phát, trộn tần…) + Khối chuyển mạch thu/phát theo giao thức SO-TDMA + Các khối phụ trợ khác GPS Phương pháp thiết kế gồm bước: + Thiết kế chức (sử dụng phần mềm chuyên dụng); + Thử nghiệm chức công cụ mô phỏng; + Thiết kế mạch, chế tạo thử nghiệm module phần cứng; + Thiết kế phần mềm nhúng (chạy module phần cứng); + Cài đặt module phần mềm nhúng; + Đo lường tham số, chạy thử module chức (đã cài phần mềm) hoàn thiện thiết kế Các module phần mềm (nhúng) thực chức trạm cố định giao tiếp với máy tính thực cài đặt host CPU, công việc liên quan đến nội dụng bao gồm: + Thiết kế phần mềm nhúng (chạy module phần cứng); + Cài đặt module phần mềm nhúng; + Đo lường tham số, chạy thử module chức (đã cài phần mềm) hoàn thiện thiết kế Phân hệ VHF : Với mục đích thử nghiệm, phân hệ VHF Base Station chọn giống phân hệ VHF AIS AtoN: dải tần làm việc 156.0 – 162.025 MHz, máy phát máy thu, chia thành kênh 25hKz 26 Khối thu GPS Chức khối tách thông tin tọa độ trạm cung cấp thông tin thời gian cho hoạt động trạm Chỉ tiêu kỹ thuật cho khối GPS trạm cố định giống trạm AtoN: + Tần số GPS L1 C/A + Chu kỳ cập nhật thông tin (Navigation update ratio): Hz + Độ xác tọa độ x/y (Accuracy Position) < 10m + Độ xác tọa độ h < 15m + Thời gian khởi động nguội (Acquisition Cold Starts):