基于星載AIS信息的船舶模擬訓練平臺*

程 歡，趙 柯，陳 鋒，吳鈺婷，曹 波

(陸軍軍事交通學院鎮(zhèn)江校區(qū) 指揮系，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

船舶模擬訓練一般采用大型三維視景模擬訓練系統(tǒng)[1]，現(xiàn)有系統(tǒng)存在真實感差、成本高和人工干預程度大等問題，無法滿足海員培訓、發(fā)證和值班標準國際公約(International Convention on Standards of Training,Certification and Watchkeeping for Seafarers,STCW)對航海訓練模擬器的要求[2]，主要體現(xiàn)在：船舶避碰訓練中的預案加載是由導演組負責導調(diào)，在三維視景中臨時加入的機動船只，留給學員分析判斷情況的時間短；模擬船舶的計劃航線往往只應用經(jīng)緯度位置信息在兩個航路點間保向保速航行，與航道中船舶的運行狀態(tài)不符，船舶會遇時應當有相應的車舵操作和信號顯示。

為提高模擬訓練器的真實感，文獻[3-4]中提出了基于船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)的船舶駕駛實時增強仿真系統(tǒng)，依托真實AIS數(shù)據(jù)提取航跡，建立船舶駕駛實時增強仿真系統(tǒng)，形成更加逼真的航行區(qū)域環(huán)境，能夠更真實地反映艦船航行時的人機互動，有助于輔助決策結果的實時性、可信性與有效性。文獻[5]提出了一種能同時展示時間、空間和速度的三維可視化模型，能夠準確地表現(xiàn)出橋區(qū)船舶的通航狀態(tài)。在實際情況下受地球曲率影響，AIS信號的自組織協(xié)議通信范圍為20 n mile，大多數(shù)情況下無法獲取完整軌跡，這些航跡提取系統(tǒng)仿真的效果便會下降。與船載AIS系統(tǒng)不同，當衛(wèi)星接收AIS信號時[6]，高度600 km的衛(wèi)星對海面的觀測區(qū)域半徑達到1 500 n mile，能夠提取實船的完整航跡和航道信息。低軌衛(wèi)星搭載船舶自動識別系統(tǒng)，能夠在更大范圍內(nèi)動態(tài)監(jiān)測全球船舶航行，提高航運安全和國防安全。AIS數(shù)據(jù)中通常包含著多維度的時間屬性、空間屬性和船舶屬性等信息，然而傳統(tǒng)的二維軌跡可視化方法往往只展現(xiàn)出船舶軌跡數(shù)據(jù)的空間屬性。文獻[7]基于AIS數(shù)據(jù)提出一種船舶操縱性指數(shù)的辨識模型，通過對船舶AIS數(shù)據(jù)進行處理和解碼，運用插值法對轉(zhuǎn)向率值進行數(shù)據(jù)重構。國外將基于聯(lián)合概率數(shù)據(jù)融合(The Joint Probabilistic Data Association，JPDA)的卡爾曼濾波算法[8-10]進行優(yōu)化用于海事監(jiān)控和船舶進出港口交通流量監(jiān)視，提出了AIS與超視距雷達的數(shù)據(jù)融合。

本文就基于星載AIS信息的船舶模擬訓練平臺構建的系統(tǒng)框架、關鍵技術以及系統(tǒng)應用的場景開展研究，主要創(chuàng)新點如下：引入星載AIS數(shù)據(jù)提取實船靜動態(tài)消息，經(jīng)數(shù)據(jù)清洗、插值和融合后獲取完整航線信息；從AIS數(shù)據(jù)中提取位置、航向航速和轉(zhuǎn)向率等多維度信息，融入船舶操縱運動模型，結合導調(diào)員對模擬船進行操縱，為半實物航海模擬器中進行船舶避碰、復雜條件航行等課目的訓練提供支撐;提取的AIS真實數(shù)據(jù)能夠驅(qū)動二維電子海圖(Electronic Navigation Chart，ENC)顯示，生成模擬訓練三維視景；完成各類海圖數(shù)據(jù)源的集成統(tǒng)一的多元電子海圖調(diào)用與顯示引擎。

1 系統(tǒng)框架

1.1 系統(tǒng)組成

如圖1所示，整個系統(tǒng)主要由導控中心，本船航線、模擬船航線和星載AIS處理航線模塊，本船虛擬視景平臺，船舶操縱運動模型，模擬雷達軟件，電子海圖軟件和三維視景軟件構成。

1.2 模擬器架構

模擬器架構主要由星載AIS地面處理服務器、控制臺服務器、學員客戶端(電子海圖、模擬雷達、三維視景)三部分組成，如圖2所示。星載AIS處理服務器因處理數(shù)據(jù)量較大，采用主從復合式處理結構實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行處理。主從復合式結構的特點是各處理節(jié)點物理上都是對等的，通過數(shù)據(jù)總線聯(lián)接。從功能上看，處于主控地位節(jié)點只有一個，完成任務的分配和調(diào)度；處于從屬地位的節(jié)點有多個完成數(shù)據(jù)分析和處理?？刂婆_由本船、模擬船和虛擬船服務器組成，可執(zhí)行單船訓練和編隊訓練任務。其中本船客戶端只有一臺，模擬船服務器可配置多臺客戶端設備，配合本船執(zhí)行編隊訓練；虛擬船服務器可拓展多個自動化目標。

圖2 模擬器架構圖

1.3 軟件及功能

星載AIS處理航線模塊包括混疊信號參數(shù)估計，下變頻到基帶信號，混疊信號分離、解碼存儲,AIS航跡自動生成算法[11]。星載AIS地面處理功能具有如下特點：一是任務時間較長，獲取AIS信息豐富，處理數(shù)據(jù)量較大；二是單個任務接收AIS信號的船舶信息具有地域和時間的約束，且具有一定的連續(xù)性特征功能；三是數(shù)據(jù)分布式處理功能，應對系統(tǒng)的計算負擔會隨港口船舶的密集程度、信號收集時間的增加而劇增。

電子海圖顯示平臺集成各類海圖數(shù)據(jù)源，形成由海圖、陸圖(地形圖)、衛(wèi)星影像圖、內(nèi)河圖江圖等組成的數(shù)字海圖調(diào)顯引擎。ENC軟件把接收到的本船運動信息，模擬船運動信息進行二維可視化顯示進行航行監(jiān)控，把航行區(qū)域的地理環(huán)境信息發(fā)布給船舶操縱運動模型軟件進行碰撞檢測計算。為了充分發(fā)揮ENC對船舶動態(tài)監(jiān)控功能，可以設置航行報警區(qū)域，錨泊時走錨報警，學員進行物標方位、距離定位計算等參數(shù)。

模擬雷達軟件，接收導控中心下發(fā)的本船位置數(shù)據(jù)和氣象海況數(shù)據(jù)生成固定目標回波、雜波，接收模擬船運動信息生成運動目標回波。模擬雷達軟件不局限于雷達的基本功能還可以仿真報警功能、雷達自動標繪功能，并能夠為雷達性能測試、航海軍事仿真以及航海培訓還原真實的情景，具有能夠達到STCW模擬器標準的雷達回波模擬圖像。

船舶模擬訓練平臺以本船虛擬視景平臺(簡稱本船視景平臺)為核心，目的是為學員營造一個相對真實的海上航行環(huán)境。航行過程中學員如果操作動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、羅經(jīng)和車舵等，專家系統(tǒng)會給出該設備的信息提示[1]。如果出現(xiàn)誤操作，專家系統(tǒng)則會給出警告信息。

1.4 工作流程

本船視景平臺接收導控中心的航線文件，將相關信息傳輸給三維視景庫和船舶操縱運動模型數(shù)據(jù)庫、雷達和電子海圖，生成地形、本船、模擬船、天氣條件和海況條件等船舶航行信息。在船舶操縱運動模型的驅(qū)動下，學員操作本船視景平臺在三維虛擬環(huán)境中交互訓練。系統(tǒng)將每項具體操作所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫供評估系統(tǒng)進行成績評定使用，也可在訓練后進行回放和總結經(jīng)驗教訓使用。

2 關鍵技術

2.1 星載AIS數(shù)據(jù)的信息融合

訓練平臺融合船舶保障信息，具備接入星載AIS設備報告海上目標的能力，能夠?qū)⒗走_、AIS等信源的實時目標航跡數(shù)據(jù)自動融合生成轄區(qū)統(tǒng)一的海域綜合態(tài)勢，主要涉及星載AIS數(shù)據(jù)處理、大地坐標系到墨卡托投影變換和Douglas-Peuker算法[11]。星載AIS信號處理服務器航跡提取步驟包括：AIS數(shù)據(jù)解碼、解譯和清洗；數(shù)據(jù)關聯(lián)、插值；航跡提取和數(shù)據(jù)發(fā)布。

衛(wèi)星通信大多采用非合作式突發(fā)信號[6]，信源信宿的相對運動容易產(chǎn)生較大多普勒頻移和同道干擾等影響信號解調(diào)性能的問題。在中心頻率估計時會產(chǎn)生偏差，利用差分解調(diào)時基帶信號發(fā)生畸變，后續(xù)處理的過程中，一般采用循環(huán)冗余校驗來驗證解碼消息的正確性，通過校驗的AIS消息即可解譯。

數(shù)據(jù)清洗，即剔除水上移動通信業(yè)務標識碼(Maritime Mobile Service Identify，MMSI)不完整或者無意義的船舶，包括錯誤的數(shù)據(jù)(例如在時間連續(xù)的記錄中出現(xiàn)經(jīng)緯度變化較大的異常點)和重復的數(shù)據(jù)(例如船舶?？看a頭或者裝卸載貨物時在連續(xù)時間內(nèi)經(jīng)緯度幾乎不變的點)。將AIS消息清洗后存入數(shù)據(jù)庫，包含MMSI、UTC時間、緯度、經(jīng)度、對地航向、對地航速和轉(zhuǎn)向率。

數(shù)據(jù)關聯(lián)，即設置訓練起始點位置和船舶參數(shù)等，通過MMSI號碼可以從歷史數(shù)據(jù)庫中篩選出相關船舶的AIS航跡，使得AIS目標數(shù)據(jù)具有連續(xù)性。

數(shù)據(jù)插值，將AIS的經(jīng)緯度、航向和速度轉(zhuǎn)換成直角坐標形式后采用勻速目標運動方程卡爾曼濾波算法進行插值，在濾波算法中船舶位置量測數(shù)據(jù)有多個，需要計算每個量測與目標航跡的關聯(lián)概率，完成AIS數(shù)據(jù)與航跡信息的平滑融合。

Douglas-Peuker算法，即根據(jù)設定的閾值進行特征點的提取，循環(huán)執(zhí)行得到轉(zhuǎn)向點和初步航跡，初步航跡經(jīng)安全性檢測后生成可行航線，將壓縮后的航路點轉(zhuǎn)換成S57格式存儲。

AIS目標數(shù)據(jù)發(fā)布，即調(diào)用發(fā)布程序，將經(jīng)過上述處理的AIS目標形成的模擬船實時運動狀態(tài)信息發(fā)送給總導演監(jiān)控軟件的仿真任務控制模塊，供本船視景平臺使用。

2.2 船舶操縱運動模型

通過對AIS消息中轉(zhuǎn)向率數(shù)據(jù)的處理，實現(xiàn)船舶操縱性能指數(shù)的辨識，用于對船舶操縱性的預報和船舶未來運動軌跡的實時預測。船舶操縱運動模型應用較多的一般有MMG[7]模型和響應型模型兩種。因航道中的船舶大部分時間采用定向定速的操縱模式，船舶機動的時間較少且轉(zhuǎn)向率比較穩(wěn)定，因此船舶模擬訓練中采用響應模型建模。該模型把船舶整體看成輸入與輸出的動態(tài)響應系統(tǒng)，把操船的舵角和船舶轉(zhuǎn)向率作為輸入部分，把船舶操舵后生成的船舶操縱性指數(shù)T、K作為輸出部分，在此特性的條件下，建立AIS數(shù)據(jù)進行T、K參數(shù)辨識的曲線擬合響應模型。舵角與轉(zhuǎn)向率的差分離散關系見公式(1)：

(1)

式中：r(k)為前一時刻船舶轉(zhuǎn)向率，δ(k)為舵角，Δt是采樣周期。

總導演下發(fā)定制的航線后，將航線等間隔的分割成一系列元胞[12]，如圖3所示。船舶(X，L，V)隨機分布在長度為n的一維離散元胞鏈上，具有位置X、長度L和速度V三類屬性。通過星載AIS數(shù)據(jù)的信息融合，可以精確地判斷下一時刻這些船舶的徑向距離、速度、與本船的相對位置關系以及是否構成碰撞危險等信息，從而決定本船在當前時刻的行動。本船和模擬船在滿足安全航行的條件下實施追越，遵循相關的變道追越、逆行和駛回規(guī)則。兩船會遇時模擬船根據(jù)設定的轉(zhuǎn)向率自動的進行車舵操作，同時給出相應的音響信號、信號燈。

圖3 元胞示意圖

每個元胞的狀態(tài)可能為：沒有船舶速度為“0”，或者被一艘速度為Vi(Vi∈{1,2,…,Vmax})的船占據(jù)，其中Vmax為某類型船的最大航速，用一個時間步長內(nèi)經(jīng)過的元胞數(shù)量度量；船i占據(jù)從起始點的向左或向右(取決于航行方向)的相鄰的Li個元胞，Li∈{1,2,…,Lmax}，Lmax為航道中最大船長占據(jù)的元胞數(shù)量。

2.3 數(shù)字海圖數(shù)據(jù)源集成

海圖數(shù)據(jù)源的集成如圖4所示，集成各類數(shù)據(jù)組成統(tǒng)一的多元電子海圖調(diào)用與顯示引擎。海圖二次開發(fā)接口要求主要包括多元海圖數(shù)據(jù)解析、AIS和雷達數(shù)據(jù)融合、二維可視化表達和數(shù)據(jù)加密。數(shù)據(jù)解析模塊支持S57格式海圖、地形圖、衛(wèi)星影像和中國內(nèi)河江圖解析，具有基于AIS數(shù)據(jù)和船用導航雷達目標數(shù)據(jù)的船舶顯示、查詢、報警等功能。二維可視化包括對海圖要素隨比例尺變化的多尺度表達，圖面整潔清晰，支持白晝模式(白背景、黑背景)、黃昏模式和夜晚模式(濾光、未濾光)等情景顯示模式。多圖幅的同時顯示，保證用戶操作無需關心海圖的切換操作，支持大容量海圖圖幅。數(shù)據(jù)加密包括矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)加密。二次開發(fā)接口以Windows下標準ActiveX控件.DLL形式提供，可支持C++、C#等主流開發(fā)語言支持。

圖4 調(diào)顯引擎組成框圖

3 系統(tǒng)應用

主界面的功能需求為總導演席位、航海教室教員機席位、學員機席位、虛擬視景席位、模擬雷達席位、電子海圖席位和電子沙盤席位。導控中心的總導演統(tǒng)領全局負責導調(diào)，航海教室負責訓練文書下達，主要進行初始化環(huán)境設置、天氣條件設置、載入導調(diào)預案和添加模擬目標。

3.1 星載AIS地面處理

基于星載AIS地面處理的動態(tài)監(jiān)控設備通過獲取周邊他船船位、船舶資料、航向和航速，驅(qū)動二維電子海圖顯示和標注，如圖5所示。

圖5 AIS消息驅(qū)動電子海圖

圖5中，左下角三角形表示本船位置，模擬船經(jīng)緯度用墨卡托投影轉(zhuǎn)換后，其位置以相對于本船的方位、距離顯示。AIS服務器發(fā)布的航跡數(shù)據(jù)可用于驅(qū)動三維視景實船模型，為導控中心加載預案時本船航線、模擬船航線設置提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2 航線制定

(1)總導演打開預案

在屏幕上顯示本船航線及模擬船目標，如圖6所示。在訓練過程中本船應當按照航線航行，實施方法見3.3節(jié)。

圖6 航線制定

(2)模擬船機動

在訓練準備階段由導演組下發(fā)模擬船航線，訓練過程中模擬船按照既定航線進行保向保速航行，當模擬船與本船的運動態(tài)勢形成對遇、追越或者正橫前后會遇時，模擬船的航向、航速狀態(tài)應當作出相應調(diào)整；危險解除時模擬船自動及時恢復到原航向航線繼續(xù)保向保速航行。

3.3 本船操縱運動模型

本船航行有三種方式實施方法，如圖7所示。

圖7 船舶操縱運動模型

(1)按車舵操控航行。選擇航海教室功能中的“按車舵操控航行”，點擊“顯示車舵窗口”，即可通過車舵控制航速和舵角。

(2)按定向定速航行。選擇航海教室功能中的“按定向定速航行”，彈出“模擬船屬性”窗口，設置初始航向、初始航速，即可進行定向定速航行。

(3)按計劃航線航行。選擇航海教室功能中的“按計劃航線航行”，彈出模擬船屬性窗口，設置“起始航路點”，即可直線航行到該航路點后，按計劃航線航行。

3.4 模擬雷達軟件

雷達顯示屏幕和標記如圖8所示。雷達顯示屏幕共分為回波區(qū)、操作區(qū)和信息顯示區(qū)三個區(qū)域?；夭▍^(qū)包含回波、真北方向、方位刻度和船首方向。操作區(qū)包含:量程調(diào)整、放大、偏心；方位、距離測量；增益、海浪、雨雪抑制，鼠標位置顯示；錄取、報警區(qū)設置。信息顯示區(qū)包含:本船位置、航向、航速；錄取目標信息(方位、距離、速度、航向)。

圖8 雷達顯示屏幕和標記

3.5 電子海圖

ENC包含一些基本的海圖瀏覽操作，如放大、縮小、移動、重置和分層顯示等，如圖9所示。

圖9 電子海圖操作

3.6 三維視景

本船三維視景如圖10所示，主要用于配合電子海圖和紙質(zhì)海圖進行識標、選標，其中CB是當前黃線所對應的羅方位。

圖10 本船三維視景

4 結束語

本文構建了基于星載AIS信息的三維虛擬船舶的駕駛員模擬訓練平臺，提取真實船舶實時數(shù)據(jù)驅(qū)動二維電子海圖顯示，構建三維虛擬視景，既可以開展船舶駕駛員的船舶操縱避碰、靠離碼頭、物標定位、雷達操作和電子海圖操作等課目的訓練，發(fā)揮模擬器訓練獨特的優(yōu)勢，也能夠適當?shù)亻_展復雜條件下航行(霧中航行、夜間航行)、狹水道航行和編隊運動等條件設置較為苛刻課目的訓練。

平臺采用基于AIS雙向航道的船舶交通流模型，對模擬訓練中的船舶態(tài)勢進行分析，得出有無碰撞危險的判斷。本船和模擬船在滿足安全航行的條件下實施追越，遵循相關的變道追越、逆行和駛回規(guī)則。兩船會遇時，模擬船根據(jù)設定的轉(zhuǎn)向率自動的進行車舵操作，同時給出相應的信號燈；危險解除時模擬船只及時地恢復原航向航速。如何通過與本船同類型的AIS模擬船運動信息來驗證本船的船舶操縱性指數(shù)將是后續(xù)研究的重要內(nèi)容。