AIS的解碼及其在航道通航環(huán)境評(píng)估中的應(yīng)用

薛玉成

（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306）

目前，我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)年均增速為13.6%，占GDP比重越來(lái)越大，所以海洋安全非常重要。海上交通越來(lái)越受到人們的重視，許多學(xué)者對(duì)進(jìn)港航道水域通航環(huán)境進(jìn)行了分析研究。劉天喜等[1]探討了主要涉及到評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取、權(quán)重的計(jì)算和評(píng)價(jià)方法的確定，通過(guò)層次單排序法建立評(píng)價(jià)矩陣得出影響通航環(huán)境的主要因素；吳國(guó)棟等[2]通過(guò)專家調(diào)查數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，利用層次分析法獲得各評(píng)價(jià)因素的權(quán)重，對(duì)煙臺(tái)港航道環(huán)境安全模型進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并給出了相關(guān)建議；劉永強(qiáng)[3]應(yīng)用未確知測(cè)度理論建立了深圳港西部航道水域引航安全評(píng)估模型。

雖然上述方法可行且考慮全面，但是數(shù)據(jù)項(xiàng)較多、數(shù)據(jù)獲取困難且計(jì)算繁瑣復(fù)雜，實(shí)用性不足。隨著AIS（船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)）技術(shù)的發(fā)展，潘家財(cái)[4]等人利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)提出了一種通過(guò)航速（航向）變化率來(lái)反應(yīng)航道通航環(huán)境的方法。

文中分析了已有航道評(píng)估方法航速（航向）變化率法在航道通航環(huán)境評(píng)估中的不足和缺陷，提出了航速（航向）權(quán)重法對(duì)航速（航向）變化率法進(jìn)行了優(yōu)化，使得結(jié)果更加精確，并且對(duì)評(píng)估結(jié)果提出了一種量化指標(biāo)。

1 AIS簡(jiǎn)介及解碼

1.1 AIS簡(jiǎn)介

AIS（Automatic Identification System），船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，船舶的AIS報(bào)文反應(yīng)出了船舶的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)和航行安全相關(guān)的信息。AIS的語(yǔ)句種類分為明碼和暗碼。暗碼是以‘!’字符開(kāi)始的語(yǔ)句，這種語(yǔ)句是將真實(shí)信息經(jīng)過(guò)壓縮編碼后形成的，所以要對(duì)接收到的暗碼進(jìn)行解碼才能獲取有用信息。

暗碼語(yǔ)句的結(jié)構(gòu)如下：

!AIVDM,X,Y,Z,S,C-V*HH,〈CR〈LF＞

!：表明本語(yǔ)句為暗碼語(yǔ)句；AIVDM：標(biāo)識(shí)符，指明本條語(yǔ)句封裝的背景信息；X：發(fā)送該信息需要的句子總數(shù)（1～9）；Y：本句的句子序號(hào)（1～9）；Z：連續(xù)信息的識(shí)別（0～9）；S：表示接收該條語(yǔ)句的AIS信道號(hào)（A/B）；C-C：數(shù)據(jù)段，為封裝信息，即數(shù)據(jù)部分；V：填充字段，因?yàn)榉庋b的字符需要是6的整數(shù)倍，若不滿足則需填充0～5個(gè)字符；HH：表示校驗(yàn)字段，用以判斷該條語(yǔ)句在傳輸過(guò)程中是否受干擾而出錯(cuò)。

1.2 AIS解碼

AIS解碼流程[5-6]為：1）校驗(yàn)語(yǔ)句是否正確：校驗(yàn)就是將‘!’和‘*’之間的所有有效字符的ASCII碼進(jìn)行異或操作，將異或結(jié)果與語(yǔ)句中‘*’后面的兩個(gè)字符進(jìn)行比較，如果相同，則語(yǔ)句正確，否則，語(yǔ)句錯(cuò)誤。錯(cuò)誤很可能是由于在信息傳輸過(guò)程中受外界干擾造成的。2）判斷報(bào)文消息ID（識(shí)別碼）：報(bào)文的解碼是將數(shù)據(jù)段的ASCII碼轉(zhuǎn)化成6 bit二進(jìn)制，然后根據(jù)各參數(shù)所占的比特?cái)?shù)進(jìn)行解析。所有的報(bào)文的信息ID都是最前面的6 bit，也就是數(shù)據(jù)段的第一個(gè)字符。3）解碼：提取出報(bào)文的數(shù)據(jù)段，根據(jù)消息ID，調(diào)用相應(yīng)解碼程序進(jìn)行解碼。對(duì)某艘船舶的AIS報(bào)文解碼信息表1所示，前兩列是船舶的一些動(dòng)態(tài)信息，后兩列是船舶的一些靜態(tài)信息。

2 基于AIS的航道通航環(huán)境評(píng)估

2.1 航速（航向）變化率法

在基于AIS的航道通航環(huán)境評(píng)估方面，潘家財(cái)曾提出這樣一個(gè)理論：一片水域的通航環(huán)境好壞，可以根據(jù)歷史船舶經(jīng)過(guò)該水域時(shí)船舶的航速及航向變化率來(lái)間接的反應(yīng)。假如有一片通航環(huán)境不好（船舶擁擠等）的水域，則當(dāng)一艘船舶經(jīng)過(guò)該水域時(shí)，該船舶就必須不停的通過(guò)改變航速和航向來(lái)避免與其他船舶等發(fā)生碰撞；如果是一片通航環(huán)境良好的水域，那么船舶會(huì)按照已設(shè)定的航速和航向航行，就不必不停地改變航速和航向了。所以對(duì)船舶經(jīng)過(guò)一片水域時(shí)的航速及航向變化率的研究對(duì)航道通航環(huán)境的評(píng)估具有一定參考價(jià)值。

采用公式（1）來(lái)獲取船舶的航速及航向變化率。

航速（航向）變化率=相鄰時(shí)間航速（航向）差值/相鄰時(shí)間間隔…… （1）

公式（1）中的航速（航向）值和相鄰時(shí)間間隔來(lái)自于對(duì)接收到的船舶的AIS報(bào)文的解碼所得。本文選擇了2012年7月17日航行在上海市浦東新區(qū)和長(zhǎng)興島之間航道的船舶“SHANGHAI SUPEREXPRES”的數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究，由解碼后數(shù)據(jù)繪制出圖1船舶平面航跡圖和圖2船舶航跡在Google Earth上顯示的航跡實(shí)況圖。

圖1 船舶平面航跡圖Fig. 1 Planar track map

對(duì)該艘船舶的AIS報(bào)文解碼后進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘處理分析的結(jié)果進(jìn)行可視化顯示如圖3所示。圖3中的（a）圖是船舶的航跡圖及航速變化率和航向變化率隨航跡的變化情況；（b）圖表示船舶的航向（COG）在二維圖中隨航跡的變化，其中航跡選經(jīng)度表示；（c）圖表示船舶的航速（SOG）在二維圖中隨航跡的變化，航跡也選經(jīng)度表示。由圖3中（a）圖可知船舶在其整個(gè)航行區(qū)間內(nèi)其航速和航向變化率都有不同程度的變化，由（b）圖和（c）圖可以定位航向和航速變化較明顯的航行區(qū)域，當(dāng)船舶航行在121.625°E—121.725°E區(qū)間內(nèi)其航速和航向都有較明顯的變化。而根據(jù)圖1船舶平面航跡圖可知，船舶大概在121.67°E—121.70°E區(qū)間航行時(shí)較明顯地改變了航線，由此可知，航速（航向）變化率法的評(píng)估精確度不理想。

2.2 航速（航向）權(quán)重法

2.2.1 定性評(píng)估

前面介紹的航速（航向）變化率法具有一定的合理性，但是評(píng)估結(jié)果是由航速變化率和航向變化率兩個(gè)變化量共同影響的，此方法將兩個(gè)變化量分開(kāi)單獨(dú)考慮，可能是導(dǎo)致評(píng)估精確度不理想的原因。

文中提出了一個(gè)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)的方法：航速（航向）權(quán)重法。航速（航向）權(quán)重法對(duì)航速變化率和航向變化率這兩個(gè)變化量進(jìn)行了簡(jiǎn)化，選擇了新參數(shù)航速變化量和航向變化量，并將新的參數(shù)進(jìn)行了綜合考慮得到一個(gè)航速航向總變化量df，并且分別給航速變化量和航向變化量分配權(quán)重，利用總變化量隨船舶航跡的改變情況來(lái)評(píng)估航道通航環(huán)境。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)船舶遇到緊急交通擁擠時(shí)，多數(shù)情況下主要是實(shí)行改變航向，輔助于改變航速來(lái)保證船舶自身的航行安全，所以航向變化量的權(quán)重（β）要比航速變化量的權(quán)重（α）要大。df的值由公式（2）確定。df=相鄰時(shí)間航速變化量(dsog)2a+相時(shí)間航向變化量

圖2 船舶航跡實(shí)況圖Fig. 2 The ship track live diagram

圖3 航速（航向）權(quán)重法Fig. 3 Speed ( heading ) weight method

圖4 航速（航向）權(quán)重法Fig. 4 Speed ( heading ) weight method

圖5 預(yù)測(cè)問(wèn)題水域與實(shí)際問(wèn)題水域的6種相對(duì)關(guān)系Fig. 5 Six kinds of relative relationship between the predicted and actual problem waters

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，航速變化率權(quán)重α=0.4，航向變化率權(quán)重β=0.6。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。圖4中的df=dsog2*α+dcog2*β為由航速變化量（dsog）和航向變化量（dcog）構(gòu)成的總變化量。圖4中的（a）圖很明顯的顯示出當(dāng)船舶航行在121.65°E—121.70°E區(qū)間時(shí)航速航向總變化量df有十分明顯的變化，由（b）和（c）圖可以精確的定位通航環(huán)境問(wèn)題水域?yàn)?21.68°E—121.70°E，31.33°N—31.345°N區(qū)間。航速（航向）權(quán)重法綜合考慮了兩個(gè)變化量對(duì)結(jié)果的影響，比航速（航向）變化率法評(píng)估精確度更高。

2.2.2 量化指標(biāo)

預(yù)測(cè)問(wèn)題水域和實(shí)際問(wèn)題水域的相對(duì)關(guān)系有圖5中6種關(guān)系。其中，pl為預(yù)測(cè)問(wèn)題水域的長(zhǎng)度，L為實(shí)際問(wèn)題水域的長(zhǎng)度，r0為pl與L的交集，r1為預(yù)測(cè)冗余段（r1=pl-r0）。由圖知，情況(a)和(b)的預(yù)測(cè)完全無(wú)效，情況(c)、(d)、(e)和F是有效的。我們引入預(yù)測(cè)完整度和預(yù)測(cè)冗余度兩個(gè)量化公式來(lái)量化其準(zhǔn)確性程度，預(yù)測(cè)完整度越大、預(yù)測(cè)冗余度越小說(shuō)明預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性越高。公式如式（3）和式（4）。

pl的確定依賴于評(píng)估算法；L的確定引入了方差理論和波動(dòng)說(shuō)，根據(jù)船舶的航向的均值求出航向的一次波動(dòng)，由于一次波動(dòng)求出的L與船舶的航跡相比較并不是很理想，所以引入了二次波動(dòng)，由其一次波動(dòng)的均值求出其二次波動(dòng)，由二次波動(dòng)求出的L經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，效果是很好的。表2和圖6列出了航速（航向）變化率法的航速變化率（psog）、航向變化率（psog）與航速（航向）權(quán)重法中的總變化量（df）的預(yù)測(cè)結(jié)果。

圖6中，pl_psog是由航速變化率預(yù)測(cè)的問(wèn)題水域，即圖中兩個(gè)上三角之間的航跡區(qū)間，pl_pcog是由航向變化率預(yù)測(cè)的問(wèn)題水域，即圖中兩個(gè)加號(hào)之間的航跡區(qū)間，pl_df是航速（航向）權(quán)重法預(yù)測(cè)的問(wèn)題水域，即圖中兩個(gè)圓圈之間的航跡區(qū)間，L是實(shí)際的問(wèn)題水域，即圖中兩個(gè)星號(hào)之間的航跡區(qū)間。由表2和圖6知，航速（航向）變化率法預(yù)測(cè)結(jié)果的完整度很高，但是其冗余度也很高；航速（航向）權(quán)重法預(yù)測(cè)結(jié)果極大的降低了預(yù)測(cè)冗余度，同時(shí)又具有很高的完整度，所以預(yù)測(cè)結(jié)果非常理想。

表2 預(yù)測(cè)結(jié)果的表格比較Tab.2 Table comparison of the prediction results

圖6 預(yù)測(cè)結(jié)果的圖比較Fig. 6 Map comparison of the prediction results

3 結(jié)束語(yǔ)

文中對(duì)AIS作了簡(jiǎn)單的介紹，文章第二部分在基于解碼出的AIS數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析了基于AIS的現(xiàn)有航道通航環(huán)境評(píng)估方法航速（航向）變化率法的缺陷，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，提出了評(píng)估效果更好的航速（航向）權(quán)重法。同時(shí)文中提出了評(píng)估結(jié)果的量化指標(biāo)，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有更高的客觀性和科學(xué)性。本文提出的航速（航向）權(quán)重法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果雖然較航向（航速）變化率法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有更高的精度，但是理論依據(jù)不充分，有待進(jìn)一步完善。量化指標(biāo)中的實(shí)際問(wèn)題水域的長(zhǎng)度L的提出僅是從船舶的航向變化來(lái)反應(yīng)船舶航行狀況，此研究有待進(jìn)一步深入。

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