基于AIS數(shù)據(jù)處理的船舶失聯(lián)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王捷，汪益兵，王舉升

基于AIS數(shù)據(jù)處理的船舶失聯(lián)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王捷1,2，汪益兵2，王舉升3

針對(duì)一些AIS監(jiān)控系統(tǒng)缺乏數(shù)據(jù)自動(dòng)分析報(bào)警功能的現(xiàn)狀，利用時(shí)效性計(jì)算和校驗(yàn)，綜合判定船舶信號(hào)的丟失狀態(tài)和等級(jí)，設(shè)計(jì)船舶失聯(lián)實(shí)時(shí)報(bào)警的5種方式，實(shí)現(xiàn)特定船舶和特定監(jiān)控區(qū)域內(nèi)船舶失聯(lián)報(bào)警的精準(zhǔn)和有效監(jiān)控。

AIS；失聯(lián)報(bào)警；目標(biāo)控制；船舶監(jiān)控

基于AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行船舶安全監(jiān)控已普遍應(yīng)用在海事安全管理和相關(guān)的港口安全管理系統(tǒng)中，但在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中均無(wú)基于AIS數(shù)據(jù)處理的船舶失聯(lián)報(bào)警功能[1]。

海事管理部門在接收區(qū)域內(nèi)AIS目標(biāo)信息時(shí)，由于目標(biāo)船舶數(shù)量眾多，則當(dāng)某個(gè)關(guān)注目標(biāo)船舶的信息丟失或船舶失聯(lián)時(shí)，很難通過肉眼及時(shí)觀察到[2]。因此，類似“東方之星”輪客船失事后不能通過AIS信息予以報(bào)警的風(fēng)險(xiǎn)始終存在。針對(duì)這一問題，需要在船舶交通安全監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)相關(guān)程序，實(shí)現(xiàn)船載AIS信號(hào)消失后情況下船舶失聯(lián)實(shí)時(shí)報(bào)警的需要。

1 AIS 系統(tǒng)的信息動(dòng)態(tài)發(fā)射

根據(jù)國(guó)際海事組織(IMO)規(guī)定，總噸位300以上的船舶和所有新造客船必須安裝AIS-A船臺(tái)，其他小型船舶必須安裝AIS-B船臺(tái)。AIS-A和AIS-B(SO型)通信模式都是自組織時(shí)多分址(SOTDMA)，而AIS-B(CS型)通信模式是載波偵測(cè)時(shí)多分址(CS-TDMA)。目前，商船一般裝有AIS-A船臺(tái)，漁船或其他小型船舶一般裝有AIS-B(SO型)或AIS-B(CS型)船臺(tái)。在動(dòng)態(tài)發(fā)射時(shí)間間隔(報(bào)告周期)上，AIS-A 與AIS-B系統(tǒng)設(shè)備主要性能參數(shù)比較見表1。

表1 AIS-A 與AIS-B系統(tǒng)動(dòng)態(tài)發(fā)射時(shí)間間隔(報(bào)告周期)比較

注：靜態(tài)消息報(bào)告頻率：每6 min，或者當(dāng)數(shù)據(jù)被修正。

從表1中可知，無(wú)論載有AIS-A還是AIS-B的船舶，即使船舶停泊，動(dòng)態(tài)發(fā)射間隔一般也不超過3 min，而靜態(tài)信息固定為6 min[3-4]。

2 船舶失聯(lián)實(shí)時(shí)報(bào)警功能設(shè)計(jì)

2.1 載有AIS的船舶信號(hào)丟失的判定

AIS信息更新頻率與船舶的航速和轉(zhuǎn)向率有關(guān)，一般動(dòng)態(tài)信息最快為2 s，最慢為3 min，靜態(tài)信息固定為6 min。另外，對(duì)于AIS-A 與AIS-B系統(tǒng)設(shè)備，其更新頻率也有所差別。

船舶信號(hào)丟失的判定是以最新船位各項(xiàng)數(shù)據(jù)、船舶靜態(tài)信息頻率為依據(jù)，通過時(shí)效性計(jì)算和校驗(yàn)，綜合判定船舶信號(hào)的丟失狀態(tài)和等級(jí)。

進(jìn)行信號(hào)丟失的判別需要分成3個(gè)步驟：計(jì)算當(dāng)前最新船位的有效時(shí)長(zhǎng)、最新船舶信息時(shí)長(zhǎng)校驗(yàn)、失聯(lián)狀態(tài)判定。

1)當(dāng)前最新船位的有效時(shí)長(zhǎng)Te計(jì)算。由于AIS-A 與AIS-B系統(tǒng)設(shè)備提供的數(shù)據(jù)所有差異，需使用不同的計(jì)算策略。對(duì)于使用A類設(shè)備Te為

(1)

式中：k為航行狀態(tài)，航行中取值為1，停泊或拋錨為0；s為船位速度，kn；r為轉(zhuǎn)向率，(°)/h；a為系數(shù)，s≤3時(shí)，取值為1，否則為0；b為系數(shù)，s≤14時(shí)，取值為1，否則為0；c為系數(shù)，1423時(shí)，取值為1，否則為0；e為系數(shù)，r>0時(shí)，取值為1，否則為0。

對(duì)于使用B類設(shè)備Te為

Te=a·180+b·30+c·15+d·5

(2)

式中：a為系數(shù)，s≤2，輔助導(dǎo)航，取值為1，否則為0；b為系數(shù)，223時(shí)，取值為1，否則為0。

2)最新船位時(shí)長(zhǎng)校驗(yàn)。

(3)

式中：Td為船位時(shí)長(zhǎng)；Tn為當(dāng)前時(shí)間；Tp為船位時(shí)間。

船舶靜態(tài)信息時(shí)長(zhǎng)校驗(yàn)：

(4)

式中：Ts為船舶靜態(tài)信息時(shí)長(zhǎng)；Tn為當(dāng)前時(shí)間；Ti為最新船舶靜態(tài)信息時(shí)間。

3)失聯(lián)狀態(tài)判定。AIS信號(hào)包含動(dòng)態(tài)、靜態(tài)2種，在進(jìn)行失聯(lián)狀態(tài)判定時(shí)需要對(duì)這2類數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行時(shí)效判定，有2種判定方式。

第一種方式是使用有效誤差計(jì)算方式進(jìn)行判斷。首先判斷船位時(shí)效，根據(jù)上述公式計(jì)算出的Te、Td以及允許的誤差范圍(T1：比如2倍時(shí)間)，自動(dòng)判斷失效狀態(tài)。當(dāng)Te+T1

第二種方式是使用固定閥值判定失效狀態(tài)。使用上述公式計(jì)算得到的Td和Ts，與設(shè)置時(shí)間長(zhǎng)度，比如,7 min(比2個(gè)最長(zhǎng)信號(hào)周期多一些)，進(jìn)行比較，同樣有與上述一樣的4種判定結(jié)果。

第一種方式比較復(fù)雜，當(dāng)船舶處于變速或變向狀態(tài)時(shí)，不容易判斷準(zhǔn)確，比較容易出現(xiàn)誤報(bào)警(一方面信號(hào)可能遲于預(yù)期，另一方面信號(hào)可能出現(xiàn)誤碼，都會(huì)導(dǎo)致不能及時(shí)收到船舶信號(hào))，影響效果；第二種方式更簡(jiǎn)單有效一些，誤報(bào)警相對(duì)較少，但對(duì)目標(biāo)丟失判定的時(shí)效性沒有第一種方式好。

當(dāng)處于失聯(lián)狀態(tài)后，再根據(jù)失聯(lián)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行失聯(lián)報(bào)警的等級(jí)確定。

2.2 船舶AIS信息失聯(lián)實(shí)時(shí)報(bào)警方式

根據(jù)對(duì)配置AIS的船舶進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的需要，船舶AIS信息失聯(lián)報(bào)警方式一般有以下5種方式可供選擇使用。

1)區(qū)分符號(hào)顯示。在海圖顯示區(qū)域，AIS船舶信號(hào)丟失的顯示符號(hào)與正常船舶信號(hào)的符號(hào)進(jìn)行區(qū)分顯示。這在國(guó)際海事組織(IMO)關(guān)于AIS標(biāo)準(zhǔn)和電子海圖系統(tǒng)的相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中已有規(guī)范要求。如圖1中的圈中的符號(hào)，即為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中AIS船舶信號(hào)丟失后的顯示符號(hào)。

2)符號(hào)閃爍顯示。當(dāng)顯示比例尺較小時(shí)，AIS船舶信號(hào)顯示容易重疊，導(dǎo)致區(qū)分符號(hào)不容易識(shí)別。則可在海圖顯示區(qū)域使丟失AIS船舶信號(hào)的符號(hào)進(jìn)行閃爍顯示，在視覺效果上更容易進(jìn)行識(shí)別。

3)報(bào)警燈閃爍提示。當(dāng)丟失AIS船舶信號(hào)不在當(dāng)前海圖顯示區(qū)域時(shí)，以上2種報(bào)警方式將無(wú)法觀察到。可以通過設(shè)置信號(hào)丟失報(bào)警燈，一旦發(fā)現(xiàn)有AIS船舶信號(hào)丟失，報(bào)警燈即進(jìn)行閃爍顯示。

4)彈出窗口提示。如果不間斷地有目標(biāo)丟失出現(xiàn)，那么報(bào)警燈將處于長(zhǎng)期閃爍，用戶無(wú)法識(shí)別新的AIS船舶信號(hào)丟失。則考慮使用彈出窗口方式，提示最新出現(xiàn)的AIS船舶信號(hào)丟失。

5)報(bào)警聲音提示。當(dāng)用戶沒有在系統(tǒng)旁值守時(shí)，只使用報(bào)警燈或彈出窗口方式，用戶都將無(wú)法觀察到?？梢酝ㄟ^發(fā)出報(bào)警聲音進(jìn)行提醒。

上述實(shí)驗(yàn)研究表明，實(shí)驗(yàn)組巨大兒、新生兒高膽紅素血癥等并發(fā)癥發(fā)生率低于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。實(shí)驗(yàn)組新生兒低血糖、低胎齡兒、呼吸窘迫綜合征等并發(fā)癥發(fā)生率與對(duì)照組相比，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。實(shí)驗(yàn)組妊娠期高血壓、產(chǎn)程異常、產(chǎn)后感染以及胎膜早破等并發(fā)癥發(fā)生率低于對(duì)照組，孕期體重增長(zhǎng)少于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。實(shí)驗(yàn)組引產(chǎn)率、剖宮產(chǎn)率、早產(chǎn)率與對(duì)照組相比，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

上述5種報(bào)警方式可以單獨(dú)或組合使用。

2.3 船舶失聯(lián)報(bào)警目標(biāo)的控制

如果系統(tǒng)針對(duì)所有目標(biāo)都進(jìn)行丟失判斷，并當(dāng)任何目標(biāo)出現(xiàn)信號(hào)丟失時(shí)，都能夠及時(shí)判定并報(bào)警，那可能由于報(bào)警的AIS船舶數(shù)量太多而影響船舶監(jiān)控的效果。因此，根據(jù)海事管理部門和航運(yùn)企業(yè)不同的業(yè)務(wù)需求，可以采用針對(duì)特定船舶的失聯(lián)報(bào)警和針對(duì)特定監(jiān)控區(qū)域內(nèi)船舶的失聯(lián)報(bào)警2種方式來降低報(bào)警目標(biāo)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)和有效監(jiān)控。

一是針對(duì)特定船舶的失聯(lián)報(bào)警，即分組監(jiān)控。首先對(duì)某些特定船舶(如公司管理船舶)或某些涉及安全的特殊船舶，如危險(xiǎn)品船、油船、高速船和客船等進(jìn)行分組設(shè)定。其設(shè)計(jì)原理是將監(jiān)控船舶進(jìn)行分組，將關(guān)注的船舶加入到特定船舶組目錄內(nèi)，只對(duì)船舶組中的船舶進(jìn)行信號(hào)丟失判定。船舶組可以創(chuàng)建多組，可進(jìn)行所有組的船舶丟失監(jiān)控，也可以只對(duì)指定組的船舶進(jìn)行丟失監(jiān)控。

二是針對(duì)特定監(jiān)控區(qū)域內(nèi)船舶的失聯(lián)報(bào)警，即分區(qū)監(jiān)控。對(duì)于特定監(jiān)控區(qū)域，進(jìn)入該區(qū)域的船舶將自動(dòng)啟動(dòng)丟失監(jiān)控，一旦離開該區(qū)域，則取消監(jiān)控，如同自動(dòng)標(biāo)繪雷達(dá)對(duì)船舶自動(dòng)跟蹤的原理。特定監(jiān)控區(qū)域可以創(chuàng)建多個(gè)分區(qū)，分別進(jìn)行監(jiān)控。

3 報(bào)警流程

基于AIS數(shù)據(jù)的船舶失聯(lián)報(bào)警系統(tǒng)是在船舶交通安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上的進(jìn)一步開發(fā)。根據(jù)AIS信息研究需要，構(gòu)建AIS信息數(shù)據(jù)庫(kù)[5-7]。

基于AIS數(shù)據(jù)的船舶失聯(lián)報(bào)警系統(tǒng)監(jiān)控流程見圖2。

第一步。結(jié)合交通流分析的研究成果，制定有效的監(jiān)控船舶組群和區(qū)域。

2)結(jié)合設(shè)置的監(jiān)控區(qū)域?qū)v史數(shù)據(jù)進(jìn)行船舶的種類、速度分布的統(tǒng)計(jì)分析，確定監(jiān)控必要性較高的船舶種類，進(jìn)而進(jìn)行監(jiān)控船舶的分組設(shè)置。

3)依據(jù)上述的水域分區(qū)、船舶分組，形成有針對(duì)性的船舶監(jiān)控組合和選區(qū)，并依據(jù)監(jiān)控策略，結(jié)合實(shí)時(shí)的船舶AIS信息進(jìn)行船舶位置的實(shí)時(shí)定位監(jiān)控。

第二步。完成監(jiān)控組群和監(jiān)控區(qū)的設(shè)定后，制定失聯(lián)判定的各項(xiàng)參數(shù)。

利用圖3所示的界面進(jìn)行失聯(lián)判定的參數(shù)設(shè)置。

第三步。通過各種有效渠道獲取船舶的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并依據(jù)對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的判定，決定每艘監(jiān)控船舶的失聯(lián)狀態(tài)和報(bào)警提醒類型。實(shí)時(shí)判定船舶失聯(lián)的流程如下。

1)使用監(jiān)控船舶分組和監(jiān)控區(qū)域過濾監(jiān)控船舶集合，剔除監(jiān)控必要性相對(duì)較低的船舶，納入監(jiān)控必要性較高的船舶。

2)對(duì)監(jiān)控船舶進(jìn)行參數(shù)判定，確定是否進(jìn)入失聯(lián)報(bào)警狀態(tài)。

3)對(duì)進(jìn)入失聯(lián)報(bào)警狀態(tài)的船舶進(jìn)行報(bào)警等級(jí)的判定。

最后，依據(jù)各報(bào)警船舶的等級(jí)，按照上述的各類報(bào)警提醒的設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的聲音、報(bào)警燈、船舶閃爍方式進(jìn)行報(bào)警提醒。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用VS2010的C++工程環(huán)境、電子海圖系統(tǒng)及數(shù)據(jù)文件、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問技術(shù)以及AIS數(shù)據(jù)介入的各外圍環(huán)境，統(tǒng)一構(gòu)建船舶失聯(lián)報(bào)警系統(tǒng)，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖4。

外部數(shù)據(jù)通過一系列方式記錄到保存AIS歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)和文件中，并提向監(jiān)控終端提供實(shí)時(shí)的AIS數(shù)據(jù)。監(jiān)控終端上運(yùn)行的系統(tǒng)通過建立船舶交通流分析、繪制模塊，并通過此模塊對(duì)數(shù)據(jù)文件、數(shù)據(jù)庫(kù)的讀取，在后臺(tái)進(jìn)行交通流數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，并將結(jié)果在監(jiān)控終端的海圖上繪制。電子海圖上提供監(jiān)控區(qū)域視圖編輯和手動(dòng)編輯功能，以及船舶分組的編輯功能，用以確定需要監(jiān)控的船舶和區(qū)域。

利用海圖系統(tǒng)提供的失聯(lián)報(bào)警監(jiān)控設(shè)置窗口進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，電子海圖系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)接入AIS信息，依據(jù)船舶分組和監(jiān)控區(qū)域的設(shè)定自動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控船舶的過濾；隨后，以設(shè)置的報(bào)警監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行失聯(lián)狀態(tài)和等級(jí)的判定；最后，依據(jù)監(jiān)控的結(jié)果在海圖上使用特殊符號(hào)、報(bào)警燈、彈出窗口以及報(bào)警聲音進(jìn)行船舶失聯(lián)報(bào)警。見圖5。

為清晰標(biāo)注失聯(lián)船舶的等級(jí)，使用不同的符號(hào)、顏色以及提醒方式來進(jìn)行失聯(lián)報(bào)警。

5 結(jié)論

基于AIS數(shù)據(jù)處理對(duì)船舶失聯(lián)進(jìn)行監(jiān)控和報(bào)警的技術(shù)核心就是AIS信息數(shù)據(jù)的挖掘和分析處理，系統(tǒng)利用VS2010的C++工程環(huán)境、電子海圖系統(tǒng)及數(shù)據(jù)文件、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問技術(shù)以及AIS數(shù)據(jù)介入的各外圍環(huán)境，統(tǒng)一構(gòu)建船舶失聯(lián)報(bào)警系統(tǒng)，并通過可選擇的5種方式予以報(bào)警實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)是在基于AIS信息的船舶實(shí)時(shí)個(gè)性化安全監(jiān)控模式等研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入研究的成果，通過對(duì)船舶AIS信號(hào)丟失后的報(bào)警及顯示方法進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)載有AIS設(shè)備的船舶進(jìn)行精準(zhǔn)和有效的監(jiān)控，保證船舶和人命財(cái)產(chǎn)的安全。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將為增強(qiáng)AIS管理系統(tǒng)功能和提高交通海事監(jiān)管能力提供技術(shù)手段。因此，系統(tǒng)的應(yīng)用推廣將是今后工作的主要方向。

[1] 王捷，汪益兵.基于AIS信息的船舶實(shí)時(shí)個(gè)性化安全監(jiān)控模式[J] .中國(guó)航海，2015(4)：83-86.

[2] 殷宇波.長(zhǎng)江海事局AIS系統(tǒng)應(yīng)用分析[J] .中國(guó)水運(yùn)，2013，13(9)：62-63，217.

[3] 王玉春.全球船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)_AIS_的安裝及檢驗(yàn)[J].天津航海，2009(3)： 52-55.

[4] 徐建德.船載AIS終端的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與注意事項(xiàng)[J] .航海，2011(1)：76-78.

[5] 紀(jì)賢標(biāo)，邵哲平，潘家財(cái)，等.AIS信息分布式采集系統(tǒng)的開發(fā)及關(guān)鍵技術(shù)[J].上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，28(1)：28-31.

[6] 邵哲平，孫騰達(dá)，潘家財(cái)，等.基于ECDIS和AIS的船舶綜合信息服務(wù)系統(tǒng)的開發(fā)[J] .中國(guó)航海，2007(2)：30-33.

[7] 汪益兵，聶建濤.基于嵌入式技術(shù)的船岸一體化管理平臺(tái)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34(4)：23-26，66.

(1.上海海事大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，上海 201306；2.浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316021；3.大連陸海科技股份有限公司，遼寧 大連 116023)

Design of Ship Lost Contact Alarm System Based on AIS Data Processing

WANG Jie1,2, WANG Yi-bing2, WANG Ju-sheng3

(1.College of Transport & Communications, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China;2.Zhejiang International Maritime College, Zhoushan Zhejiang 316021, China;3.Dalian LandSea Maritech Co., Ltd., Dalian Liaoning 116023, China)

For some AIS monitoring system are short of data automatic analysis alarm function at present, the technology of timeliness calculation and test were used to judge the status and rank of the ships’ signal loss comprehensively. Five real-time alarm methods for lost vessels were designed to realize accurate and effective monitoring for specific vessels and lost vessels at specific monitoring area.

AIS; lost contact alarm; target control; ship monitoring

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.042

2016-06-21

浙江省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(2012W14)

王捷(1963—)，男，博士，教授研究方向:交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理、航海技術(shù)

U675.7

A

1671-7953(2017)01-0173-05

修回日期：2016-07-19