在VTS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信息與AIS信息融合的方法探討

摘 要：本文探討了AIS設(shè)備在VTS系統(tǒng)中的應(yīng)用，還分析了VTS系統(tǒng)、AIS與雷達(dá)的作用。提出實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信息與AIS信息融合的必要性，并對(duì)信息融合的基本原理與方法步驟展開(kāi)說(shuō)明，有效解決了不同設(shè)備中同一信息的處理差異問(wèn)題。文章最后說(shuō)明在信息融合過(guò)程中存在的問(wèn)題，為未來(lái)的研究指明的方向。

關(guān)鍵詞：VTS系統(tǒng);AIS;雷達(dá);信息融合

AIS信息與VTS中雷達(dá)信息融合是在船上的多種傳感器有效綜合處理，得到可靠、高精度的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，為船岸通信導(dǎo)航需求服務(wù)的背景下提出來(lái)的。在科技進(jìn)步的推動(dòng)下，船岸的通信設(shè)備日益增加，不僅給船舶的航行安全提供了保障，還提高了航運(yùn)效率，在海洋環(huán)境保護(hù)方面也提供了有力的技術(shù)支持。但是，由于各類導(dǎo)航傳感器之間提供的數(shù)據(jù)精度存在差異，且如AIS、雷達(dá)等提供的信息中存在關(guān)聯(lián)和冗余，這就給數(shù)據(jù)處理與分析帶來(lái)了一定的困難，并造成了資源浪費(fèi)。本文就雷達(dá)信息與AIS信息融合的必要性和方法步驟等展開(kāi)論述。

1 VTS系統(tǒng)與AIS作用分析

1.1 VTS系統(tǒng)的作用

VTS（Vessel Traffic Service）是一種由雷達(dá)、AIS、CCTV、無(wú)線通訊等子系統(tǒng)組成的對(duì)在港灣或進(jìn)出港口的船舶實(shí)施監(jiān)控、協(xié)調(diào)，并給這些船舶提供航行中所需的安全信息的交通管理系統(tǒng)[1]。國(guó)際海事組織（IMO）對(duì)VTS的定義是：由主管機(jī)關(guān)實(shí)施的，用于增進(jìn)交通安全和提高交通效率以及保護(hù)環(huán)境的服務(wù)[2]。VTS系統(tǒng)具有四大功能：信息服務(wù)、助航服務(wù)、交通組織服務(wù)和聯(lián)合服務(wù)。當(dāng)前，在我國(guó)的沿海城市，VTS系統(tǒng)已經(jīng)在船舶運(yùn)輸管理、海事部門行政執(zhí)法和保護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益等方面發(fā)揮重要作用。

1.2 雷達(dá)系統(tǒng)

在VTS中，雷達(dá)系統(tǒng)是重要組成部分。雷達(dá)系統(tǒng)是船舶實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)搜集和交通監(jiān)視的主要工具。雷達(dá)的主要任務(wù)包括[3]：目標(biāo)檢測(cè)與錄取、目標(biāo)跟蹤、運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算和危險(xiǎn)局面判斷等。VTS想要對(duì)整個(gè)區(qū)域的交通狀況進(jìn)行評(píng)估，就需要通過(guò)雷達(dá)系統(tǒng)獲得雷達(dá)圖像。通過(guò)雷達(dá)圖像，可快速直觀的判斷航道船舶密度，運(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)而找到存在碰撞、擱淺等危險(xiǎn)的區(qū)域，或者海事發(fā)生后可能造成危險(xiǎn)發(fā)展的嚴(yán)重程度等，進(jìn)而確定是否需要采取必要行動(dòng)措施。

1.3 AIS系統(tǒng)

AIS（Automatic Identification System）是船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，誕生于20世紀(jì)90年代。國(guó)際海事組織對(duì)AIS系統(tǒng)的描述為：AIS是一種船上改善避碰效果的方法;AIS是一種不用雷達(dá)即可使VTS獲得交通狀態(tài)的方法;AIS是一種制定船舶報(bào)告計(jì)劃的方法。AIS 根據(jù)船舶的航行狀態(tài)，以一定的時(shí)間間隔不斷發(fā)送信息。這些信息主要包括靜態(tài)信息和動(dòng)態(tài)信息。靜態(tài)信息包括IMO識(shí)別編碼，海上移動(dòng)業(yè)務(wù)識(shí)別碼（MMSI），呼號(hào)及船名，船長(zhǎng)，船寬，船舶類型，定位儀天線（主要是GPS）在船上的位置（離船舶距離和中心線左右距離）。動(dòng)態(tài)信

息主要是船位及其精度標(biāo)示和完好性狀態(tài)，世界協(xié)調(diào)時(shí)UTC 時(shí)間，真航向，對(duì)地航速，艏向，航行狀態(tài)，轉(zhuǎn)向速率等[4]。

2 AIS在VTS中的應(yīng)用

目前，大多數(shù) VTS是以雷達(dá)為基礎(chǔ)進(jìn)行船舶數(shù)據(jù)的采集和跟蹤，而VHF話音通信是船舶的交通服務(wù)的主要方式。將AIS技術(shù)引入VTS，對(duì)VTS的船舶數(shù)據(jù)采集與跟蹤以及實(shí)施服。AIS的引入對(duì)VTS的影響包括三個(gè)方面[4]：自動(dòng)船舶識(shí)別與提高船舶數(shù)據(jù)質(zhì)量;擴(kuò)展跟蹤范圍和改善跟蹤性能以及改善和擴(kuò)展服務(wù)功能。

3 信息融合的必要性[5]

按照SOLAS 1974要求，從事國(guó)際運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)代化船舶至少應(yīng)配備1臺(tái)電子海圖顯示與信息系統(tǒng)ECDIS和2臺(tái)雷達(dá)/ARPA。在雨、霧和各類船舶密集區(qū)域，船舶如果同時(shí)使用2臺(tái)雷達(dá)，由于其天線的位置和目標(biāo)船舶的相對(duì)關(guān)系以及無(wú)線電波的波長(zhǎng)不同，在ECDIS上就會(huì)出現(xiàn)對(duì)同一船舶的2個(gè)回波顯示，再加上AIS信息，顯示器上就會(huì)出現(xiàn)3個(gè)不同的船位顯示。這樣很可能會(huì)造成駕駛員對(duì)情況誤判，最終引起風(fēng)險(xiǎn)。

同一船舶的ARPA和AIS的數(shù)據(jù)來(lái)源和處理方式不同（對(duì)地運(yùn)動(dòng)和對(duì)水運(yùn)動(dòng)，歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)），所以通過(guò)雷達(dá)/ARPA和AIS獲得的目標(biāo)船的運(yùn)動(dòng)參數(shù)是不同的。

AIS 的船舶靜態(tài)信息、航行相關(guān)信息以及與安全有關(guān)的短信息與雷達(dá)信息無(wú)關(guān)，而船舶動(dòng)態(tài)信息與雷達(dá)信息有關(guān)。因此，AIS 信息與雷達(dá)信息的融合主要是AIS船舶動(dòng)態(tài)信息與雷達(dá)信息的融合。

4 信息融合的基本原理

信息融合是充分利用多傳感器系統(tǒng)的資源，通過(guò)對(duì)多傳感器系統(tǒng)觀測(cè)信息的合理支配和利用，把多傳感器系統(tǒng)在空間或時(shí)間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)一定的準(zhǔn)則進(jìn)行融合，以獲得被測(cè)對(duì)象的一致性解釋和描述[6]。在信息融合技術(shù)中，多傳感器系統(tǒng)是信息融合的硬件基礎(chǔ)，多源信息是信息融合的處理對(duì)象，分析和綜合處理是信息融合的核心[7]。

信息融合一般分為三級(jí)，從低到高依次為[8]：數(shù)據(jù)級(jí)融合、特征級(jí)融合和決策級(jí)融合，其中決策級(jí)融合是最高級(jí)的融合。信息融合的模式分為集中式融合和分布式融合[8]。

各傳感器單獨(dú)跟蹤目標(biāo)，利用自己的量測(cè)做出本地判決結(jié)論，將估計(jì)結(jié)果向數(shù)據(jù)融合中心報(bào)送，數(shù)據(jù)融合中心在更高層次上集中多方面數(shù)據(jù)做出進(jìn)一步的相關(guān)合成處理[9]。集中式融合傳送的數(shù)據(jù)全面，無(wú)信息丟失，最終判決結(jié)論置信度高;而分布式融合傳送的數(shù)據(jù)量少，對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)的要求不嚴(yán)格，融合中心處理時(shí)間短，計(jì)算速度快、可靠性和延續(xù)性好，響應(yīng)速度快。集中式融合傳送數(shù)據(jù)量大，對(duì)處理器的要求高，可靠性較低，信息處理時(shí)間較長(zhǎng)，影響系統(tǒng)響應(yīng)能力;分布式融合的跟蹤精度沒(méi)有集中式高。

5 信息融合的方法與步驟

5.1 信息融合的方法

信息融合處理方法按技術(shù)方法和組合方式可分為多種[10-11]，如表1所示。

5.2 AIS與VTS的雷達(dá)/ARPA信息融合的步驟

判別一個(gè)目標(biāo)的存在，AIS的信息為即時(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，雷達(dá)型的ARPA的矢量圖是通過(guò)歷次雷達(dá)數(shù)據(jù)推算而得出，性質(zhì)不一樣。當(dāng)AIS 船位信息與雷達(dá)回波相近時(shí)兩者融合在一起，顯示一個(gè)船舶信息;相差較大時(shí)則分別顯示AIS 信息與雷達(dá)回波信息。對(duì)于后者，如何顯示目標(biāo)較真實(shí)的運(yùn)行狀態(tài)亦即信息融合的問(wèn)題。圖1是雷達(dá)和AIS各自獲得的數(shù)據(jù)融合步驟的示意圖。

1）雷達(dá)獲得目標(biāo)的距離R（m）和方位（°），AIS獲得目標(biāo)位置的經(jīng)度L和緯度l。

2）將數(shù)據(jù)送入處理器之前，要確保兩種設(shè)備所獲得數(shù)據(jù)的時(shí)間同步。

3）將雷達(dá)探測(cè)到的目標(biāo)航跡與AIS 所提供的目標(biāo)航跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)，找出屬于同一個(gè)目標(biāo)的AIS 目標(biāo)航跡和雷達(dá)目標(biāo)航跡。

4）數(shù)據(jù)融合之前，要進(jìn)行數(shù)據(jù)的坐標(biāo)變換，兩者的數(shù)據(jù)采用同一格式。

5）把航跡關(guān)聯(lián)的的目標(biāo)數(shù)據(jù)以某種算法準(zhǔn)則（正態(tài)型隸屬度函數(shù)）進(jìn)行歸一化處理，實(shí)現(xiàn)兩種信息的互補(bǔ)，提高數(shù)據(jù)融合的質(zhì)量。

6 信息融合中存在的問(wèn)題

進(jìn)行信息融合處理的重要前提是兩者信息的時(shí)間、空間統(tǒng)一，關(guān)鍵是信息的相關(guān)性判別，最終目標(biāo)是形成中心級(jí)航跡。VTS 中環(huán)境復(fù)雜，目標(biāo)數(shù)量大，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，對(duì)目標(biāo)信息融合，必須考慮各種算法的有效性、可靠性。同時(shí)，要考慮算法本身存在的系統(tǒng)誤差，以及誤差對(duì)航跡關(guān)聯(lián)與航跡融合的影響。 融合的算法大體上分兩大類：一是基于統(tǒng)計(jì)的方法，再就是基于模糊數(shù)學(xué)的方法，每一類又分很多種具體的算法。不少文獻(xiàn)對(duì)這些算法作了深入的研究與探討，同時(shí)也進(jìn)行了仿真，但是在工程實(shí)現(xiàn)還有待于進(jìn)一步的探索。必須考慮雷達(dá)和AIS 的信息的來(lái)源、種類以及環(huán)境對(duì)信息影響等特點(diǎn)，二者信息存在著冗余性和相關(guān)性，如何將信息進(jìn)行有效的相關(guān)、融合，建立共同的中心級(jí)航跡，是亟待解決的問(wèn)題。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了VTS系統(tǒng)、雷達(dá)以及AIS系統(tǒng)各自的作用，就將VTS中雷達(dá)信息與AIS信息有效融合的必要性、基本原理與方法展開(kāi)論述。利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)將VTS系統(tǒng)中的雷達(dá)信息與AIS信息實(shí)現(xiàn)融合，有利于充分利用各自資源，改進(jìn)海事管理工作，完善監(jiān)督和服務(wù)。同時(shí)，本文所提及的方法步驟在實(shí)際應(yīng)用中具有參考意義。

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作者簡(jiǎn)介

陳鵬（1965-），漢，湖北省黃梅縣，高級(jí)工程師，本科，研究方向：海洋測(cè)繪。