1. 引言
随着我国海洋航运事业的不断发展，海缆的船锚事故越来越多，对海底电缆的安全影响愈来愈大。在船舶拖锚的过程中，海缆被船锚钩挂而破坏是锚害事故的最主要原因 [1]。根据国际大电网会议(CIGRE)统计，海缆的外力破坏事故占海缆所有事故的90%以上，其中船舶锚害致使海缆故障就高达80%。船舶锚害是海缆安全运行的主要安全隐患，它不仅会对社会产生巨大的影响，而且海缆的维修耗费的人力物力也大，一次维修至少要数百万甚至上千万的维修费用 [2]。因此，做好对可能发生的船锚事故的预防对海缆运维十分重要。
目前对于预防海缆锚害事故的方法主要有海上巡游船巡视、设立瞭望塔和在海面上设立警示标志。但这些传统方法对于禁止船舶停锚的防止存在耗时长、观察范围有限以及效率低下等缺点。近年来，国内外对AIS技术不断研究，使得人们可以将AIS的船舶航行信息反应在电子海图上直接观察。文献 [3] 提出了雷达光电一体化与AIS相融合的船舶监控系统，对于船舶违停、违法抛锚有很大的抑制作用，文献 [4] 提出了加强了对船舶AIS位置监控以及全国实时接入的技术，文献 [5]、文献 [6] 对船舶动态预测进行了研究，文献 [7] 提出了基于Storm框架的重点区域船舶异常行为实时监测系统。文献 [8] 提出了基于避让度的船舶领域边界确定方法。
综上所述，通过AIS系统中的船舶航行数据，对船舶的航行进行实时反映，可以很好地监控、抑制船舶违规停留、违规放锚的行为。本文通过介绍AIS系统的技术原理以及AIS系统应用于海缆运维中的优势，接着说明了AIS系统在海缆运维中的监控和报警应用，最后根据某实际油田说明了其准确性与高效性。
2. 船舶自动识别系统
2.1. AIS系统技术与原理
船舶自动识别系统(Automatic Identification System，简称AIS)是一种新型的助航设备，图1所示为一款B级AIS设备。它的核心技术是以自组织时分多址接入(Self Organized Time Division Multiple Access，简称SOTDMA)为核心技术，可以用于海上的交通联络与交通指挥，包括岸上到船上、船上到岸上以及船与船之间的通讯 [9] [10]。
AIS系统设备由船载设备和岸台设备两部分组成：在岸台VTS覆盖区域内，AIS基站可以对配有AIS设备的船舶进行指定模式的通信 [11]。一般的船载AIS系统如图2所示：
AIS运用SOTDMA方式发射船舶数据、信息：MMSI码、船名、静态信息、动态信息以及安全信息等，经过接口电路转换后送信息处理器，在计算机内实现信息的融合、编程 [12]，然后再由接口电路经信道选择、编码，由VHF发信机发送到VHF信道，在此信道守听的目标船就可以接收；同时，本船也可以接收目标船的识别信息，并将目标船的信息和本船信息一并储存在本船的储存器，以便向其他目标船发送目标范围内的它船信息。 [13]
2.2. AIS系统的应用优势
国际海事组织规定(IMO)规定，国际航线的300总吨以上船舶和公约国航与国内航线的500总吨以上的船舶，2008年7月1日以后必须安装AIS系统。目前我国海事部门已经建成覆盖中国沿海的AIS网络，政府部门从2011年以后就要求所有的客船、货船以及渔船都必须安装AIS设备。且AIS在世界各地发展十分迅速，我国现阶段已建设AIS基站数十座，且都实现了联网。
传统的海上运维方式主要有3种方案，如图3所示：(a) 在海缆的登陆点附近建造瞭望塔，每日派遣专人来值守，来监视禁锚区域是否有违规船只；(b) 在禁锚区内及其周边设置警示标志，提醒过往的船只这个地方为海缆禁锚区域；(c) 派遣巡逻船巡视相关的海域，遇到船只违规的行为进行警告及劝离等。这些方案虽在一定层度上减少了海缆锚害事故的发生，但是也有很多的不足之处：1) 人员的肉眼识别距离有限，特别是夜晚时分，难以观察远处船舶情况；2) 警示标志一般为发光标志，一旦出现故障，航行船只复无法发现禁止标志，可靠性不高；3) 巡逻船巡视效率低，人力财力资源耗费大；4) 违规船只可能无法被追究责任等缺陷。
Figure 3. Traditional submarine cable operation and maintenance mode
图3. 传统海缆运维方式
相较之下将AIS系统应用到海缆的运维当中，不仅可以实时地监控到禁锚区域周围船舶的航行信息，还能对进入禁锚区的船只进行提醒和警告。这样可以提高海缆运维的效率性、准确性和实时性，使得监控人员可以在船只进入禁锚区域前、航行于禁锚区域中以及与禁锚区域中的违规操作船只进行监控、警告、记录等操作。还能减少人力物力的输出，减少海缆的运维成本。
3. AIS对船只航行的监控应用
3.1. 监控船只航行情况
通过AIS系统监控AIS基站周围海域的船只，通过相关软件将AIS信息叠加显示到电子海图上(如图4所示)，不仅可以监控每一艘船只的航行情况，船只的IMO码、船名、船长名、装载货物信息等静态信息，以及航信目的地、预计到达时间等航行相关信息，以及相应船只经纬度、航向状态等动态信息。
3.2. 船只航行预警
记录船只的航行记录，通过AIS数据对船舶航迹信息分析，基于RNN-LSTM (Recurrent Neural Networks-Long Short-Term Memory)和C++平台和Tensorflow 1.1系统 [14] 对船只航行轨迹进行仿真分析(如图5所示)。五边形为防护区，预测船只下一刻江湖驶入安防区域，给与感叹号提醒。
并且可以通过AIS系统记录统计船只航行路线，对船流量大且经过禁锚区域的区域进行重点监控。
3.3. 船只历史轨迹回放
利用AIS监控船只的航行等情况，很好地弥补海缆运维中人工监视、巡视海上船舶范围小、效率低的不足；当海缆锚害事故发生后，需要寻找肇事船只证据时，可以通过AIS系统对指定MMSI号船只进行历史轨迹回放(如图6所示)取证，作为事故发生相关追究责任的法律依据。
4. AIS对船舶停锚的报警应用
AIS在海缆中的报警应用主要包括船只进入海缆禁锚区域时对船只的提醒、警告以及船只在禁锚区域具有停锚趋势或者停锚行为的异常行为进行报警。具体方案就是对重点水域的船只进行异常行为检测。
4.1. 船只异常行为检测框架
由于船舶异常行为的发生具有随机性、发展过程的复杂性及现有资料的不完备性，导致对船舶异常行为分析时，很多因素都无法直接量化。因此，采用层次分析法 [15] 将问题定量化。又由于每个重点区域的船只活动状态又有不同，所以把不同的重点区域进行分区，参考层次分析法的主体思想，采用Delphi专家调查法 [16]，根据不同的异常因子对不同的重点区域的船舶异常行为进行检测。
将重点区域作为二层元素，异常因子作为三层元素。对不同的检测区域，二层元素的数量可以增加，异常因子也是可以增加的。
本文以2种常见的异常因子(停留时间和航速)和2个重点区域(A02至A07段海缆和QHD32-6EPP至A01段海缆)为例构建层次模型。检测框架如图7所示。
4.2. 基于异常因子扣分值的报警判断
由于船只在重点区域正常行驶时，其速度会维持在一个合理的范围内。当着船速参数发生较大变化时，便可以认定此船只发生了异常。当船只在重点区域减速或停留时，考虑到位于海缆禁锚区域，这种行为属于禁止行为。根据Delphi专家评定，将异常因子划分为I、II、III 3个等级，权重倍率有1、2、3、4，根据公式3-1求出船只异常行为扣分值。
(3-1)
其中
为行为扣分值；
为异常等级的基本扣分值；
为权重倍率。
1) 船舶停留时间
在海缆QHD32-6EPP至A01段和海缆A02至A07段的禁锚区域的停留时间扣分和权重不同。由于海缆QHD32-6EPP至A01段是属于海上油气平台区域，这个区域附近的船舶数量较多，船速较慢，并且由于一些船只需要运输石油、天然气，所以运输船只需要停留一段时间用于传输石油和天然气，这个过程一般需要30分钟左右的时间，所以船只在这个区域船只停留时间较长。而海缆禁锚区域A02至A07段不属于油田附近海域，所以此区域船只停留时间一般为2分钟左右，最多不超过5分钟。如表1所示。
Table 1. Weight of points deducted for residence time
表1. 停留时间扣分权重表
2) 船舶航行速度
同船舶停留时间情况相同，海缆QHD32-6EPP至A01段由于有海上平台，所以船只航行速度小甚至为0 kn，海缆A02至A07段的船只速度至少应大于8 kn。如表2所示。
Table 2. Weight of navigation speed deduction
表2. 航行速度扣分权重表
最后根据船只异常行为扣分值总和，结合运维工作人员和监控中心意见，通过公式(3-2)、(3-3)计算出船只异常行为扣分值并判断船舶异常行为状态。
(3-2)
(3-3)
式中：
为船舶停留时间扣分值；
为船舶航行速度扣分值；
为船只扣分值总和。
当船舶异常行为扣分值达到2分，判断该船只有停泊的嫌疑，给出一级预警的对策；当船舶异常行为扣分值达到6分，判断该船只有很大的停泊嫌疑，给出二级预警的对策；当船舶异常行为扣分值达到10分，判断该船只确定已经停泊，给出锚泊报警的对策。
5. 实例应用
以中海油某油田实际海上平台的海缆区域为监控对象。图8展示了某一时刻AIS系统的船只监控图。
Figure 8. AIS system monitoring diagram
图8. AIS系统监控图
图中我们可以清楚直观地观测到海缆禁锚区域周边的船只航行方向、位置、速度等情况，以及海缆禁锚区域和海缆重点保护边界。选取某日某一时段，系统监控的两艘报警船只的报警信息，监控报警信息如表3所示：
636009882号船只的报警信息中分为了两个时间段。10:08至10:11间，该船只在海缆禁锚区域A05_A06段附近，通过船只异常行为扣分值判断，该船只在此处有停留的嫌疑，系统给出一级报警的警告，在10:10时刻船只异常扣分值达到10分，判断其船只可能已经停留，给出锚泊报警的警告；10:10第二次信息更新，船只扣分值只有8分，报警等级下降为二级预警直至解除。10:16该船只靠近海缆的QHD32-6EPP_A01段，行为扣分值处于2至6之间，系统给出一级预警。经过核定，该船只在10:08至10:11时间段内确实减了速，准备向海上平台移动停靠。
413375460号船只在10:08至10:19间一直处于报警状态，但经过计算10:08至10:18应该是二级预警状态，那就有可能船只在10:08以前就停留了很长的时间。经过工作人员核定，当日时间413375460号船于09:57至10:24在海上平台停靠。
6. 结论
随着AIS系统的不断发展，将AIS系统应用到海缆运维当中不仅可以提高海缆运维作业的效率，大大减少运维成本，对事故后肇事船只追究责任进行取证，还能够减少巡逻船员出海落水等风险。AIS系统对海缆运维的监控报警方面有很大的作用，可以提高海缆运维的水平。