試述基于多傳感信息融合的內(nèi)河水運統(tǒng)計應(yīng)用研究

何建春

（嘉興市港航管理局，浙江 嘉興 314000）

試述基于多傳感信息融合的內(nèi)河水運統(tǒng)計應(yīng)用研究

何建春

（嘉興市港航管理局，浙江 嘉興 314000）

目前我國水運統(tǒng)計的主要手段是抽樣統(tǒng)計，嘉興港航局定期在船舶樣本庫中抽取樣本船，通過人工調(diào)查，根據(jù)樣本船調(diào)查結(jié)果推算出全區(qū)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。抽樣統(tǒng)計方法在實際應(yīng)用過程中難免會存在數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、分析不到位等問題?；诙鄠鞲行畔⑷诤系膬?nèi)河水運統(tǒng)計方法，運用科技手段可對全樣本船舶流量流向、船舶航行里程、航道船舶密度的即時化、準(zhǔn)確化、精細化統(tǒng)計分析與展現(xiàn)，實現(xiàn)對水路運輸船舶科技化、動態(tài)化和智慧化管理。

多傳感信息融合；內(nèi)河水運統(tǒng)計；MMSI（Maritime Mobile Service Identity）；船舶航次全樣本數(shù)據(jù)

嘉興港航局的內(nèi)河水運統(tǒng)計模式以浙江省港航管理局統(tǒng)一制定的抽樣調(diào)查制度為依據(jù)，定期在船舶樣本庫中抽取樣本船，由于人工樣本數(shù)據(jù)的取得過程中會形成很多誤差，導(dǎo)致抽樣總體與實際有誤差，樣本調(diào)查數(shù)據(jù)存在不準(zhǔn)確性等問題與不足影響統(tǒng)計推算結(jié)果準(zhǔn)確性。為此，如何結(jié)合現(xiàn)有船舶RFID、GPS/AIS等技術(shù)的應(yīng)用、港航管理新模式和水運統(tǒng)計信息化進行多傳感技術(shù)融合研究顯得非常必要。

1 多傳感信息融合技術(shù)

多傳感信息融合技術(shù)將各種傳感器進行多層次、多空間的信息互補和優(yōu)化組合處理，最終產(chǎn)生對觀測環(huán)境的一致性解釋。根據(jù)信息表征的層次，多傳感信息融合劃分為像素級融合、特征級融合和決策級融合。

（1）像素級融合是最低層次的信息融合。在這種方法中，匹配的傳感器數(shù)據(jù)直接融合，而后對融合的數(shù)據(jù)進行特征提取和特征說明。傳感器的信息融合之后，沒有單個處理的信息損失，識別的處理等價于對單個傳感器的處理。

（2）特征級融合是中間層次的信息融合。在這種方法中，每個傳感器觀測目標(biāo)，并對各傳感器的觀測進行特征提?。ㄈ缣崛⌒螤睢⑦呇?、方位信息等），產(chǎn)生特征矢量，而后融合這些特征矢量，并做出基于聯(lián)合特征矢量的屬性說明。

（3）決策級融合是最高層次的信息融合。在這種方法中，每個傳感器觀測目標(biāo)，對各傳感器的觀測進行特征提取，產(chǎn)生特征矢量；而后對特征矢量進行模式識別處理，完成各傳感器關(guān)于目標(biāo)的說明；再將各傳感器關(guān)于目標(biāo)的說明數(shù)據(jù)按同一目標(biāo)進行分級；最后利用融合算法將某一目標(biāo)各傳感器的數(shù)據(jù)進行合成，得到該目標(biāo)的一致性解釋與描述。

2 內(nèi)河水運統(tǒng)計概況

嘉興港航局的統(tǒng)計模式以浙江省局統(tǒng)一制定的抽樣調(diào)查制度為依據(jù)，定期在船舶樣本庫中抽取樣本船，抽出的樣本船根據(jù)船舶注冊地、船籍港，通過局、處、站三級網(wǎng)絡(luò)分派到基層進行人工調(diào)查，由市局運管科統(tǒng)一對本港船進行每半年一次性抽6個月所要使用的所有樣本，這些樣本船舶主要靠手動錄入。

然后將每個月的樣本船舶分配到各個站點，由站點工作人員主要采用電話調(diào)查方式了解信息（包括船舶航次、貨物名稱、貨物重量、運輸公里、油耗、運輸成本、利潤等等）。調(diào)查完成后，工作人員手動填寫《浙江省水路運輸分月抽樣調(diào)查單船登記表》，然后上報到各個處，由各處的工作人員統(tǒng)一錄入抽樣調(diào)查系統(tǒng)。利用統(tǒng)計學(xué)中的抽樣調(diào)查法，根據(jù)樣本從而推算出嘉興所有本港船的年載貨量與總運距。

抽樣調(diào)查統(tǒng)計方法在原理上正確可行，但在實際應(yīng)用過程中難免會存在一些問題與不足：

（1）船舶樣本總體與實際存在差異性。船舶樣本總體每個月進行調(diào)整，船舶總體運力隨經(jīng)濟形勢的變化相對敏感，導(dǎo)致抽樣總體與實際有誤差，另外，由于總體庫相對固定，抽出的樣本船存在已變賣或注銷的可能性，這會影響結(jié)果的正確性。

（2）樣本調(diào)查數(shù)據(jù)存在不準(zhǔn)確性。由于樣本船舶需要人工調(diào)查，樣本數(shù)據(jù)的取得過程中會存在船戶經(jīng)常不接電話，不配合；船戶上報的數(shù)據(jù)存在相當(dāng)大的主觀性；各站抽樣統(tǒng)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也依賴于基層工作人員的經(jīng)驗，甚至也有拍著腦袋出數(shù)據(jù)等問題而形成很多誤差。

針對以上問題，結(jié)合港航已有的信息化能力，需要研究應(yīng)用船舶AIS動態(tài)、GIS、RFID、視頻監(jiān)控等多傳感器信息融合的全樣本水運統(tǒng)計模型與方法，提高水上運輸統(tǒng)計的準(zhǔn)確性。

3 基于多傳感信息融合的內(nèi)河水運統(tǒng)計方法

3.1 基于船舶航次記錄的全樣本統(tǒng)計數(shù)據(jù)模型

內(nèi)河水運全樣本統(tǒng)計數(shù)據(jù)模型涉及船舶電子報告、碼頭作業(yè)報告、船舶AIS動態(tài)、RFID、激光流量、視頻監(jiān)控等多感知信息以及航道/碼頭等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及這些信息在業(yè)務(wù)上、邏輯上、時空上的相互關(guān)系。理清內(nèi)河水運生產(chǎn)活動中可能產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，做到一數(shù)一源、多元采集、共享校核、及時應(yīng)用，可以實現(xiàn)基于統(tǒng)計總體的全樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

根據(jù)基于船舶航次記錄建立的全樣本統(tǒng)計數(shù)據(jù)模型，對于內(nèi)河水運統(tǒng)計的全樣本數(shù)據(jù)庫中的每條船舶都有一張船舶航次記錄信息表及船舶流向、貨物流量流向、港口吞吐量、營運船舶狀況、途經(jīng)過點軌跡等多個派生表。通過AIS、RFID、視頻監(jiān)控、激光流量等多傳感信息融合并輔于電子報告、碼頭作業(yè)等信息，可以以時間為主線來完善船舶航次記錄信息表，從時空上把握船舶的航行記錄，重現(xiàn)每條船舶的生產(chǎn)活動過程，從而為基于船舶航次記錄的全樣本水運統(tǒng)計打下堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2 基于船舶航次全樣本水運統(tǒng)計方法

3.2.1 水運統(tǒng)計主要指標(biāo)的計算思路

在基于船舶航次全樣本水運統(tǒng)計計算中，通過AIS/GPS、RFID電子船名牌等智能感知手段獲取船名，再通過船名獲取該船舶的船名、船舶經(jīng)營人、凈載重量、功率、船舶類型等基本信息。對于航次、航次起訖地點、貨物名稱、貨物重量、運輸里程等動態(tài)信息的采集，需要基于船舶航次記錄建立的全樣本統(tǒng)計數(shù)據(jù)模型進行計算或者獲取。對航次起訖地點、運輸里程、航行時間、貨運量這四個主要指標(biāo)數(shù)據(jù)計算的基本方法是：

航次起訖地點（裝貨港-卸貨港）：基于船舶航次記錄建立的全樣本數(shù)據(jù)模型，利用航道卡口點及AIS/GPS/RFID/激光流量等感知手段，通過定位還原航行軌跡，在電子航道圖中調(diào)出起點、終點數(shù)據(jù)。再通過電子報告獲取的數(shù)據(jù)，結(jié)合碼頭作業(yè)報告對數(shù)據(jù)進行核實。

運輸里程：通過AIS/GPS獲取船舶航行路線軌跡，利用RFID電子船名牌卡口監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及激光船體識別記錄進行核實，結(jié)合電子航道圖各航道航段里程數(shù)據(jù)計算出運輸里程。需要注意的是，在AIS/GPS開機率不高的情況下，RFID數(shù)據(jù)和激光船體識別記錄成為推算船舶航行路線軌跡的主要數(shù)據(jù)庫源。

航行時間：在航次起訖地點已知的情況下，利用AIS/GPS獲取船舶行駛記錄，通過碼頭作業(yè)報告獲取載貨、卸貨數(shù)據(jù)，結(jié)合電子報告，計算出空載、重載時間，兩者相加得到合計時間。

貨運量：在航次起訖地點已知的情況下，可通過碼頭作業(yè)報告獲取載貨、卸貨數(shù)據(jù)得到船舶每一個航次的貨運量。在目前的智能感知手段中，激光流量系統(tǒng)能夠大致估計船舶裝載貨物的重量，但用于實際的水運統(tǒng)計還不成熟。

3.2.2 基于船舶航行軌跡的計算方法

以上三種統(tǒng)計數(shù)據(jù)信息的采集主要采用在電子航道矢量圖上繪制航行軌跡的方法實現(xiàn)。具體實現(xiàn)方法如下：

AIS感知平臺收集了豐富的船舶位置信息，且信息中包含了船舶唯一標(biāo)識MMSI（Maritime Mobile Service Identity），這就為每艘船舶的航跡繪制提供了可行性。AIS數(shù)據(jù)庫包括了船舶動態(tài)和靜態(tài)信息表、船舶資料表及各AIS點位置信息表等。其中，各AIS點位置信息表AIS_NAME記錄了AIS點的名稱、安裝位置及最大覆蓋范圍；動態(tài)信息表記錄MMSI、船舶位置、記錄數(shù)據(jù)時間等信息。

利用船舶動態(tài)表的經(jīng)緯度信息、記錄數(shù)據(jù)時間和AIS點名稱可以完成航跡分布圖的繪制。

（1）生成繪制航跡分布所需的全部且無重復(fù)記錄的MMSI表。根據(jù)輸入的港口名稱、時間段，繪制區(qū)域的矩形，搜索完成航跡分布所需的全部動態(tài)表，再對這些動態(tài)表按MMSI分組查詢，把分組的MMSI放入到一個表，由于這些MMSI來自不同的動態(tài)表，故有些MMSI記錄會重復(fù)，對這些表繼續(xù)按MMSI分組查詢，就可以得到繪制航跡分布全部且無重復(fù)記錄的船舶MMSI。

（2）對MMSI表的每個MMSI，按時間先后順序搜索有關(guān)動態(tài)表的位置信息，接著設(shè)置經(jīng)度、緯度、時間的最大差值（閥值）λlat、λlong、λtime，然后比較相鄰的兩個位置信息，當(dāng)時間差≤λtime，經(jīng)度差≤λlong，緯度差≤λlat，同時滿足這三個條件時，才可以畫線，否則，就不能畫線。這樣遍歷所有的位置信息，就可以得到屬于此MMSI的航跡。然后對下一個MMSI重復(fù)上述步驟，直至遍歷MMSI表中的所有MMSI。這樣就得到了此港口水域或矩形區(qū)域的航跡分布圖。在這里，設(shè)置經(jīng)度、緯度、時間閥值的原因在于有些船舶在較短的時間內(nèi)出現(xiàn)了較大的位置變化，或者是間隔相當(dāng)長的時間才有記錄，或者是進入了AIS設(shè)備盲區(qū)，設(shè)置了閥值就可以避免航跡分布出現(xiàn)雜亂線的可能。時間閥值主要根據(jù)船舶最大報告頻率設(shè)置；經(jīng)緯度閥值主要根據(jù)船舶航行最大速度及時間閥值設(shè)置。

根據(jù)算法設(shè)計的思路可歸納出基本的算法步驟，它表示一個AIS點在輸入起止日期、繪制矩形經(jīng)緯度后，繪制航跡分布的流程。若要繪制多AIS點航跡分布圖，循環(huán)此算法即可。

由AIS/GPS采集的船舶航行軌跡數(shù)據(jù)是船舶連續(xù)變化的行駛狀態(tài)（位置,速度,方向等）的離散化,目前在應(yīng)用領(lǐng)域普遍采用線性參考系統(tǒng)和航道分段技術(shù)建立航行軌跡數(shù)據(jù)的坐標(biāo)參考系（Rm,ln,Di,ti）。其中，Rm,ln,Di分別表示該軌跡采樣點在航網(wǎng)中的航段編號、航道編號、該采樣點與航道中線的垂足點與航段起始點的沿航道中線的距離。

根據(jù)上述算法在矢量圖上繪制出船舶航行軌跡，航次起訖地點即為每段航行軌跡的起點和終點。

其中Li表示編號為i的航段長度，Ti表示經(jīng)過該航段的次數(shù)。航行時間通過AIS/GPS讀取時間信息計算可得。

4 總結(jié)

本文研究基于多傳感信息融合的內(nèi)河水運統(tǒng)計方法，實現(xiàn)船舶流量流向，貨物流量流向，船舶航行里程，航道船舶密度的即時化、準(zhǔn)確化、精細化統(tǒng)計分析與展現(xiàn)，對水路營運船舶實施科技化、動態(tài)化和智慧化的管理，為解決長期以來水運統(tǒng)計靠人工抽查造成的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、分析不到位等問題做出一定的貢獻。

U692

A

1006—7973（2017）10-0039-02

10.13646/j.cnki.42-1395/u.2017.10.017