船舶AIS數(shù)據(jù)錯(cuò)誤檢測(cè)方法

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(1.青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院， 山東 青島 266071； 2.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院， 上海 201306)

船舶AIS數(shù)據(jù)錯(cuò)誤檢測(cè)方法

衛(wèi)桂榮1,楊春2

(1.青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院，山東青島266071； 2.上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海201306)

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)的靜態(tài)數(shù)據(jù)和航次相關(guān)信息由用戶手動(dòng)輸入，傳輸層協(xié)議采用低可靠性的用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(User Datagram Protocol,UDP)，由于AIS信息沒有源時(shí)間戳等原因，導(dǎo)致接收到的AIS數(shù)據(jù)可能有錯(cuò)誤。對(duì)此,依據(jù)AIS的通信原理，提出水上移動(dòng)業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)(Maritime Mobile Service Identify,MMSI)碼校驗(yàn)、填充位和校驗(yàn)碼綜合檢測(cè)、動(dòng)態(tài)信息和靜態(tài)信息匹配校驗(yàn)及異常位置點(diǎn)檢測(cè)等數(shù)據(jù)錯(cuò)誤檢測(cè)方法，以有效降低海事管理中AIS數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤率。

水路運(yùn)輸;航海;船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)數(shù)據(jù);錯(cuò)誤檢測(cè);數(shù)據(jù)過濾

Abstract: Several factors, including manually inputting of Automatic Identification System(AIS) static data and voyage-related data, low reliability of User Datagram Protocol (UDP) for transport layer, and lack of timestamp for AIS reports, can cause AIS data anomalies or errors. According to the communication principle of AIS, the methods for detecting errors are put forward, which covers Maritime Mobile Service Identify(MMSI) code error, AIS report padding bits and checksum error, mismatch between dynamic data and static data, and abnormal ship position in order to keep the AIS data used for maritime administration reliable.

Keywords: waterway transportation; marine navigation; AIS data; error detection; data filtering

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)是一種集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及電子信息顯示技術(shù)于一體的數(shù)字助航系統(tǒng)和設(shè)備，一種工作在甚高頻(Very High Frequency，VHF)頻段的采用自組織時(shí)分多址(Self-Organized Time Division Multiple Access，SOTDMA)等協(xié)議的廣播式自動(dòng)報(bào)告系統(tǒng)[1-2],由岸基臺(tái)、船載臺(tái)、轉(zhuǎn)發(fā)臺(tái)、助航臺(tái)和機(jī)載臺(tái)組成。船載臺(tái)既可向他船及岸基臺(tái)自動(dòng)播放本船的動(dòng)態(tài)信息(船位、航速、航跡向等)、靜態(tài)信息(船名、目的港等)、航次信息和安全短消息等信息，也可自動(dòng)接收他船及岸基臺(tái)的資訊;岸基臺(tái)則可依靠所獲取的信息拓展海事主管機(jī)關(guān)的服務(wù)管理范圍，及時(shí)掌握海域交通動(dòng)態(tài)，提高海域管理效率。系統(tǒng)的通信協(xié)議采用開放式系統(tǒng)互聯(lián)(Open System Interconnection，OSI)模型，包括物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層,其中:物理層實(shí)現(xiàn)通信信道上的原始比特流傳輸;鏈路層主要是加強(qiáng)物理層傳輸原始比特的功能，使之對(duì)網(wǎng)絡(luò)層顯現(xiàn)為一條無錯(cuò)線路;網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)的運(yùn)行控制;傳輸層數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、分組、排序及實(shí)現(xiàn)與上一層接口。

隨著世界船舶數(shù)量不斷增加及船舶逐漸朝大型化和高速化方向發(fā)展，世界重要水道越來越擁擠，海損事故時(shí)有發(fā)生，給船舶安全航行和海洋生態(tài)環(huán)境帶來了巨大威脅。AIS作為一種保障船舶安全航行、提高航運(yùn)交通效率的先進(jìn)工具，其廣泛應(yīng)用為真正實(shí)現(xiàn)海上交通安全的信息化管理、提高船舶航行安全、防止及控制船舶對(duì)海洋的污染提供了重要的手段。《國際海上人命安全公約》(SOLAS公約)要求所有2002年7月1日及以后建造的航行于國際航線的300總噸及以上船舶和航行于國內(nèi)航線的500總噸及以上的貨船和所有客船均須裝配AIS設(shè)備；要求所有于2002年7月1日之前建造的國際航行船舶必須在2008年7月1日之前裝配AIS設(shè)備。國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)進(jìn)一步明確規(guī)定，大中型船舶(300總噸及以上)必須安裝A類AIS船臺(tái)，中小型船舶安裝B類AIS船臺(tái)，輔助導(dǎo)航設(shè)施(包括無線浮標(biāo)和燈塔)安裝ATON AIS設(shè)備。[3-5]

AIS信息的準(zhǔn)確性首先依賴于船舶定位系統(tǒng)的精度和對(duì)信息的正確輸入、發(fā)送端對(duì)信息的編碼和傳輸及接收端對(duì)信息的接收和解碼。AIS是一個(gè)實(shí)時(shí)的系統(tǒng)，采用一種無連接的用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(User Datagram Protocol，UDP)，具有資源消耗少、處理速度快的優(yōu)點(diǎn)，但既不支持?jǐn)?shù)據(jù)包分組、組裝，也不能對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行排序，即當(dāng)報(bào)文發(fā)送之后無法得知其是否安全完整到達(dá)，因此UDP報(bào)文的可靠性較差，會(huì)有數(shù)據(jù)包丟失現(xiàn)象。此外，AIS的數(shù)據(jù)自檢糾錯(cuò)功能較弱，同時(shí)其靜態(tài)信息和航次相關(guān)信息需用戶手動(dòng)輸入。這些系統(tǒng)設(shè)計(jì)和人為因素會(huì)導(dǎo)致接收端接收到的AIS數(shù)據(jù)不正確，并帶入到海事管理系統(tǒng)中。[6]

針對(duì)以上情況，基于AIS的通信原理及現(xiàn)實(shí)使用情況，提出水上移動(dòng)通信業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)(Maritime Mobile Service Identify，MMSI)碼校驗(yàn)、數(shù)據(jù)填充位和CRC校驗(yàn)碼綜合檢測(cè)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)匹配檢測(cè)及異常位置點(diǎn)檢測(cè)等檢測(cè)方法，對(duì)接收到的AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行檢錯(cuò)和過濾。

1 MMSI碼校驗(yàn)

AIS采用MMSI碼作為移動(dòng)設(shè)備的識(shí)別手段。MMSI碼的前3位數(shù)是由國際組織分配給各個(gè)國家和地區(qū)的識(shí)別碼,如中國大陸為412；后6位數(shù)為船舶特定識(shí)別碼,如同船舶的IMO編號(hào)，可通過這6位數(shù)查到船舶所有人、經(jīng)營人等相關(guān)信息。

由于MMSI碼是由船舶所有人或經(jīng)營人及其委托機(jī)構(gòu)手動(dòng)輸入的，因此客觀上存在輸入失誤和主觀蓄意的投機(jī)行為，從而使MMSI碼產(chǎn)生錯(cuò)誤，具體表現(xiàn)在輸入的MMSI碼不存在、船舶主要信息(國籍、船名、船舶所有人等)發(fā)生變更時(shí)不能及時(shí)申請(qǐng)更新相應(yīng)的MMSI碼及MMSI碼重復(fù)使用(即不同船舶使用相同的MMSI碼)等3個(gè)方面。

針對(duì)以上3種常見的錯(cuò)誤形式，采用以下方法對(duì)MMSI碼進(jìn)行校驗(yàn)和過濾：

(1)檢查MMSI碼是否符合規(guī)定的長度；

(2)檢測(cè)MMSI碼前3位是否與船旗國代碼相同以判斷是否有效；

(3)結(jié)合船舶資料等數(shù)據(jù)檢驗(yàn)MMSI碼是否對(duì)應(yīng)有效的船舶類型。

用該方法對(duì)某海事局提供的2012年4—5月我國沿海AIS基站系統(tǒng)接收到的船舶AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和過濾，結(jié)果見表1。

表1 MMSI碼校驗(yàn)和過濾統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)結(jié)果表明,該方法可將上述錯(cuò)誤的MMSI信息語句從AIS數(shù)據(jù)中檢測(cè)出來并剔除。

2 數(shù)據(jù)填充位和CRC校驗(yàn)碼綜合檢測(cè)

依據(jù)ITU-RM.1371協(xié)議中的規(guī)定對(duì)AIS報(bào)文語句各數(shù)據(jù)域進(jìn)行分割，可得到語句總數(shù)、當(dāng)前語句序號(hào)、電文序列識(shí)別碼、AIS信道信息、封裝數(shù)據(jù)、填充位和校驗(yàn)碼。根據(jù)用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，若封裝數(shù)據(jù)的第一個(gè)字符位為1,2,3,4,9,B,F或其中的任意一個(gè)，則填充位應(yīng)該為0，且封裝數(shù)據(jù)字段的總字符長度必定為28個(gè)(168 bit)。根據(jù)協(xié)議和CRC校驗(yàn)碼的計(jì)算規(guī)則，計(jì)算得到的CRC校驗(yàn)碼應(yīng)與數(shù)據(jù)自帶的校驗(yàn)碼一致。但是,在接收端接收和記錄數(shù)據(jù)時(shí)由于接收設(shè)備硬件或處理軟件的原因(如數(shù)據(jù)冗余較大時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸粘包、數(shù)據(jù)記錄軟件瑕疵等)，有部分接收和記錄到的AIS數(shù)據(jù)不符合上述規(guī)則。對(duì)上述2012年4—5月的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)總數(shù)為806 986 606條,其中,填充比特位錯(cuò)誤的語句有3條,CRC校驗(yàn)碼錯(cuò)誤的語句有3 338條。

3 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)匹配檢測(cè)

按照船載AIS的安裝要求，每艘船舶安裝的AIS都具有唯一的MMSI碼，且需正確輸入船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)和航次相關(guān)數(shù)據(jù)。但是,受各種客觀原因影響，有一定數(shù)量的重復(fù)使用的MMSI碼存在,且在海事主管機(jī)關(guān)實(shí)際接收和分析的數(shù)據(jù)中存在一定數(shù)量的只播發(fā)船舶位置報(bào)告而不播發(fā)船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)和航次相關(guān)信息，或僅播發(fā)船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)和航次相關(guān)信息而不播發(fā)船舶位置報(bào)告等情況。對(duì)上述數(shù)據(jù)樣本任意抽取1 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果見表2。

表2 船舶位置報(bào)告數(shù)據(jù)與靜態(tài)及航次相關(guān)數(shù)據(jù)匹配分析統(tǒng)計(jì)

4 異常位置點(diǎn)檢測(cè)

通過上述規(guī)則檢測(cè)過濾后的AIS數(shù)據(jù)仍有不正確的數(shù)據(jù)存在，主要原因在于位置數(shù)據(jù)存在錯(cuò)誤和冗余數(shù)據(jù)時(shí)間同步錯(cuò)誤。例如,接收到某艘船舶連續(xù)發(fā)來的AIS語句為：

(1)!AIVDM,1,1,,B,37lciTA0017K=CH0eJsHK43qP>`<,0*02;

(2)!AIVDM,1,1,,A,37lciTA001404@10eJjqpSI5P>`<,0*15;

(3)!AIVDM,1,1,,A,37lciTA0017K=Ar0eKbhHCW5PP00,0*4F。

上述3條語句均滿足數(shù)據(jù)各種規(guī)范性的要求，對(duì)其進(jìn)行解析后得到的位置數(shù)據(jù)對(duì)比見表3。

表3 解析后得到的位置數(shù)據(jù)對(duì)比

在圖中對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)繪，其分布情況見圖1。

圖1 異常位置點(diǎn)標(biāo)繪示意

當(dāng)建設(shè)的數(shù)據(jù)接收基站較密集、同一條AIS播發(fā)的數(shù)據(jù)被不同基站接收到、基站在向數(shù)據(jù)中心傳輸時(shí)，受中心節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和記錄軟件等環(huán)節(jié)影響，存在冗余數(shù)據(jù)時(shí)間不同步的問題，在回放這些數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)“跳點(diǎn)”現(xiàn)象(見圖2)。

a) 軌跡數(shù)據(jù)跳點(diǎn)1

b) 軌跡數(shù)據(jù)跳點(diǎn)2

通過與前后軌跡點(diǎn)的相對(duì)關(guān)系進(jìn)行對(duì)比可知，第2條語句解析出的位置點(diǎn)數(shù)據(jù)明顯異常,而這種異常數(shù)據(jù)不能通過數(shù)據(jù)規(guī)范性校驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只能在標(biāo)繪位置時(shí)發(fā)現(xiàn)。對(duì)這種異常位置點(diǎn)檢測(cè)算法的描述如下。

定義船舶平均速度合理的上限閾值Vlimitsp，并按照以下步驟進(jìn)行驗(yàn)證:

(1)取待檢測(cè)點(diǎn)序列第1點(diǎn)為起始點(diǎn)，后續(xù)一點(diǎn)為終止點(diǎn)，計(jì)算球面間兩點(diǎn)間的距離Ddist，時(shí)間差dt，兩點(diǎn)間平均速度Vsp;

(2)判斷Vsp與平均速度閾值Vlimitsp的關(guān)系，若Vsp

(3)以上一終止點(diǎn)為起始點(diǎn)，后續(xù)一點(diǎn)為終止點(diǎn)，計(jì)算兩點(diǎn)間的球面距離Ddist，兩點(diǎn)間的時(shí)間差dt，兩點(diǎn)間平均速度Vsp，進(jìn)入步驟(2)；

(4)起始點(diǎn)不變，以后續(xù)第2點(diǎn)為終止點(diǎn)，計(jì)算兩點(diǎn)間的球面距離和時(shí)間差及兩點(diǎn)間的平均速度Vsp1,若Vsp1Vlimitsp，則定義起始點(diǎn)為異常位置點(diǎn)，以起始點(diǎn)后續(xù)第1點(diǎn)為起始點(diǎn)，后續(xù)第2點(diǎn)為終止點(diǎn)，進(jìn)入步驟(2)。

經(jīng)過上述算法的校驗(yàn)后，即可識(shí)別出異常位置數(shù)據(jù)。以上述示例數(shù)據(jù)為例，經(jīng)過識(shí)別并剔除異常位置點(diǎn)后，得到船舶運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)標(biāo)繪示意見圖3。

a) 圖1中異常位置點(diǎn)過濾后軌跡

b) 圖2a中過濾跳點(diǎn)后軌跡

c) 圖2b中過濾跳點(diǎn)后軌跡

5 結(jié)束語

AIS已成為各類船舶的標(biāo)準(zhǔn)配置，在促進(jìn)海上交通安全和海事監(jiān)管方面發(fā)揮著重要的作用。這里以AIS信息處理中常見的異常和錯(cuò)誤信息為研究對(duì)象分析AIS數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常的原因，提出實(shí)用的數(shù)據(jù)檢測(cè)和過濾措施，可提高AIS數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性。

AIS播發(fā)的數(shù)據(jù)中除了上述典型的包含動(dòng)態(tài)位置數(shù)據(jù)的信息之外，還有一些船舶靜態(tài)信息和與航次相關(guān)的信息，這些信息需由船舶駕駛?cè)藛T手動(dòng)輸入，然后由AIS播發(fā)。由于缺乏關(guān)于AIS設(shè)備安裝、設(shè)置和使用的規(guī)則[7]，在實(shí)際應(yīng)用中船舶靜態(tài)信息和航次相關(guān)信息也存在許多不正確的地方。然而，在處理這類信息時(shí)很難使用統(tǒng)一規(guī)則進(jìn)行檢驗(yàn)，只能通過制定規(guī)則、做好培訓(xùn)等措施來盡量消除。

[1] International Telecommunications Union. Technical Characteristics for an Automatic Identification System Using Time Division Multiple Access in the VHF Maritime Mobile Band: ITU-R M.1371-4[S].2010.

[2] International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities. The Automatic Indentification System (AIS): Operational Issues (IALA Guideline No. 1028, Ed. 1.3)[S]. 2004.

[3] International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities. The Universal Automatic Identification System (AIS): Technical Issues (IALA Guidelines, Edition 1.1)[S]. 2002.

[4] International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities. The Management and Monitoring of AIS Information(IALA Guideline No. 1050)[S]. 2005.

[5] International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities. Automatic Identification System (AIS) Shore Station and Networking Aspect Relating to the AIS Service (IALA Recommendation A-124)[S].2005.

[6] NAUS K, MAKAR A, APANOWICZ J. Using AIS Data for Analyzing Ship’s Motion Intensity[C]//Proc. 7th International Symposium on Navigation,Gydnia, Poland, 2007.

[7] 陸悅銘.制定“AIS設(shè)備安裝、設(shè)置和使用規(guī)則”的建議[J]. 中國水運(yùn)，2010(1):30-31.

Detection of AIS Data Error

WEIGuirong1，YANGChun2

(1. Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao 266071, China; 2. Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

1000-4653(2016)04-0011-04

U675.7

A

2016-07-29

交通運(yùn)輸職業(yè)教育科研立項(xiàng)項(xiàng)目(2015A02);上海市科委地方院校能力建設(shè)項(xiàng)目(15590501600)

衛(wèi)桂榮(1973—),男,江蘇泰州人,副教授,研究方向?yàn)楹胶０踩c技術(shù)、航海教育。E-mail:weigr@coscoqmc.com.cn