一種優(yōu)化的AIS與VTS融合算法

楊曉環(huán)

(中遠(yuǎn)海運(yùn)科技股份有限公司， 上海 200135)

0 引 言

船舶交通管理系統(tǒng)(Vessel Traffic Service，VTS)的主要功能是為其覆蓋水域內(nèi)的船舶提供信息服務(wù)、助航服務(wù)和交通組織服務(wù)，以及協(xié)助完成聯(lián)合服務(wù)和應(yīng)急服務(wù)等，對(duì)船舶的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，使重點(diǎn)船舶、重點(diǎn)區(qū)域的海事動(dòng)態(tài)監(jiān)督管理得到加強(qiáng)。船舶在VTS覆蓋區(qū)域內(nèi)航行時(shí)，VTS操作員可通過(guò)VTS設(shè)施監(jiān)視船舶的運(yùn)動(dòng)情況，改善違章、偏航狀況，預(yù)防船舶交通事故發(fā)生。

長(zhǎng)期以來(lái)，VTS主要通過(guò)交管雷達(dá)實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶動(dòng)態(tài)和水域內(nèi)的交通狀況等數(shù)據(jù)的收集，而交管雷達(dá)只能反饋雷達(dá)回?fù)軋D，存在著不能自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)、對(duì)目標(biāo)的跟蹤精度低和有視覺盲區(qū)等局限性，這是VTS發(fā)展的瓶頸。

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)主要由基站、船臺(tái)和AIS網(wǎng)絡(luò)組成，集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子信息技術(shù)和微電子集成技術(shù)等技術(shù)于一體，可用于進(jìn)行岸與船、船與岸和船與船之間的識(shí)別通信。AIS利用甚高頻(Very High Frequency，VHF)通信鏈路，既可將船舶的位置、航速和航向等信息傳遞至同區(qū)域內(nèi)的其他船舶，又可接收其他船舶的航行信息，已在海上船舶導(dǎo)航、識(shí)別和監(jiān)控等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，利用AIS進(jìn)行船舶識(shí)別、協(xié)助船舶跟蹤、簡(jiǎn)化交換信息(如減少口頭強(qiáng)制船舶報(bào)告)和提供額外信息”。

VTS通過(guò)引入AIS并進(jìn)行信號(hào)融合，使自身得到了突破性發(fā)展，不僅能獲取實(shí)時(shí)回?fù)軋D，而且能獲取船舶的靜態(tài)信息和動(dòng)態(tài)信息。目前市場(chǎng)上的VTS設(shè)備主要產(chǎn)自國(guó)外，國(guó)內(nèi)還處于優(yōu)化完善階段。

本文以東海某海事局轄區(qū)為例進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，通過(guò)對(duì)國(guó)外廠商SAAB生產(chǎn)的VTS的使用效果進(jìn)行分析，找出VTS與AIS融合存在的問題。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)去重、校準(zhǔn)、推演和建立關(guān)聯(lián)機(jī)制等數(shù)據(jù)治理算法，實(shí)現(xiàn)VTS、AIS和海事業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的融合，建立一個(gè)新的海事監(jiān)管平臺(tái)，將以往需要交管中心人工多系統(tǒng)核對(duì)關(guān)聯(lián)的工作環(huán)節(jié)簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)直接關(guān)聯(lián)輸出。

1 VTS與AIS融合存在的問題

目前我國(guó)沿海大部分港口的重要水域和長(zhǎng)江下游的重要航段都已被VTS覆蓋，VTS在減少水上交通事故、提高航運(yùn)效率和保護(hù)環(huán)境等方面發(fā)揮了重要作用。目前VTS在實(shí)際生產(chǎn)中還存在著需要不斷完善的地方。以東海某海事局轄區(qū)為例，其日均航行船舶約7 000艘次(含漁船)，日均VTS信號(hào)約1 800萬(wàn)個(gè)，日均AIS信號(hào)約2 000萬(wàn)個(gè)，數(shù)據(jù)量巨大，無(wú)法通過(guò)人工對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和使用。通過(guò)對(duì)該海域VTS的使用效果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

1) 特定場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)精度較差。

當(dāng)以雷達(dá)為主要監(jiān)控手段時(shí)，若兩船發(fā)生會(huì)遇或追越，易出現(xiàn)信號(hào)跟蹤錯(cuò)位的情況，尤其是當(dāng)兩船大小相差較大，大船將小船擋在遠(yuǎn)離VTS探頭的方向時(shí)，會(huì)出現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)被遮擋的情況，形成動(dòng)態(tài)雷達(dá)盲區(qū)，由于VTS采集的AIS靜態(tài)信息會(huì)持續(xù)10 min，因此被遮擋的小船的VTS信息會(huì)變成小船正確的AIS信息和大船對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)信息。

2) 信息推斷的能力不足。

海事部門的主要職責(zé)除了應(yīng)急搶險(xiǎn)以外，還有及時(shí)發(fā)現(xiàn)轄區(qū)內(nèi)的一些危險(xiǎn)行為或違法行為，一般存在這些行為的船舶會(huì)在某些時(shí)段關(guān)閉AIS信號(hào)廣播，避免被檢測(cè)到?，F(xiàn)有VTS對(duì)于正常開啟AIS的船舶，已經(jīng)能做到AIS與VTS信號(hào)融合，對(duì)于AIS異常關(guān)閉的船舶和突然出現(xiàn)的AIS信號(hào)，沒有提供推斷服務(wù)，易造成需應(yīng)對(duì)的危險(xiǎn)行為被忽略掉。

3) 與海事業(yè)務(wù)系統(tǒng)脫節(jié)。

目前市場(chǎng)上的VTS幾乎都是國(guó)外廠商SAAB和ATLAS生產(chǎn)的，由于存在相對(duì)壟斷的情況，幾乎沒有為使用者設(shè)置個(gè)性化功能，這就導(dǎo)致VTS無(wú)法與我國(guó)海事自有業(yè)務(wù)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，使海事業(yè)務(wù)人員不能很快地獲得想要的信息。在此情況下，需將VTS與AIS融合之后得到的信息與海事業(yè)務(wù)系統(tǒng)信息相關(guān)聯(lián)，使平臺(tái)使用者能第一時(shí)間識(shí)別船舶，同時(shí)得到船舶的靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，以及海事系統(tǒng)中的行政處罰、檢查和安全相關(guān)數(shù)據(jù)。

由此可知，要解決以上實(shí)際業(yè)務(wù)問題，必須實(shí)現(xiàn)AIS、VTS和海事業(yè)務(wù)信息的融合。

2 信息融合算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

目前市場(chǎng)上提供的VTS已初步實(shí)現(xiàn)與AIS的融合，但其采用的融合算法是不可見的黑盒子，無(wú)論是進(jìn)行VTS校驗(yàn)還是進(jìn)行推算，目的都是為雷達(dá)掃到的目標(biāo)標(biāo)注明確的船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，將融合后的靜態(tài)數(shù)據(jù)與海事業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)相融合，實(shí)現(xiàn)“一船全景”。

在VTS中，雷達(dá)的目標(biāo)數(shù)據(jù)的更新周期一般為3 s，AIS的目標(biāo)數(shù)據(jù)的更新周期為2～10 s(見表1)，也就是說(shuō)在充分考慮航速因素的基礎(chǔ)上，對(duì)于運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，VTS與 AIS同時(shí)發(fā)出一個(gè)信號(hào)之后，VTS會(huì)在第6 s發(fā)出第2個(gè)信號(hào)，在第9 s發(fā)出第3個(gè)信號(hào)，而AIS第2個(gè)信號(hào)要在第10 s才能發(fā)出，因此 VTS數(shù)據(jù)與AIS數(shù)據(jù)接收時(shí)間最大差值為9 s。常規(guī)貨船的航速在15～20 kn，一般漁船的航速為9～12 kn。對(duì)于在航船舶而言，其在9 s時(shí)間內(nèi)的航速和艏向不會(huì)發(fā)生很大變化，可近似視為勻速直線運(yùn)動(dòng)，為盡可能地兼顧第1個(gè)信號(hào)和第3個(gè)信號(hào)，在計(jì)算推算半徑時(shí)用到的時(shí)間閾值取1～9 s的中位數(shù)5 s，因此推算中的距離閾值半徑為對(duì)地航速(Speed Over Ground，SOG)乘以5 s。

表1 AIS信息推送周期

2.1 強(qiáng)化特定場(chǎng)景數(shù)據(jù)精度

2.1.1 排除飛點(diǎn)

VTS傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)是未經(jīng)處理的原始融合數(shù)據(jù)，包含大量飛點(diǎn)數(shù)據(jù)(見圖1)，船是在水中的，突然出現(xiàn)一個(gè)陸地上的經(jīng)緯度，導(dǎo)致整個(gè)軌跡出現(xiàn)異常，因此平臺(tái)在收到數(shù)據(jù)時(shí)，首先識(shí)別并排除飛點(diǎn)?，F(xiàn)代化的超大型集裝箱船最高航速能達(dá)到30 kn，因此飛點(diǎn)的速度閾值定義為最高速度的2倍，即60 kn，當(dāng)船舶從前置信號(hào)點(diǎn)的位置以60 kn的速度也無(wú)法抵達(dá)最新經(jīng)緯度坐標(biāo)點(diǎn)時(shí)，認(rèn)為新收到的信號(hào)點(diǎn)為飛點(diǎn)，標(biāo)記之后不顯示在常規(guī)的軌跡跟蹤中，平臺(tái)軌跡查詢中提供“顯示飛點(diǎn)”選項(xiàng)。

圖1 飛點(diǎn)軌跡圖

增加飛點(diǎn)處理邏輯之后，圖1的軌跡更新為圖2，能以合適的級(jí)數(shù)正常顯示船舶軌跡。

圖2 不含飛點(diǎn)軌跡圖

2.1.2 位置信息去重

對(duì)于正常開啟AIS設(shè)備的船舶而言，其通過(guò)VTS獲取的數(shù)據(jù)中已融合相應(yīng)的AIS信息。

通過(guò)對(duì)接口數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，VTS已采納AIS的部分信息，只有當(dāng)VTS被遮擋時(shí)才會(huì)用AIS的信息補(bǔ)充經(jīng)緯度等信息。由此，平臺(tái)在收到VTS信號(hào)時(shí)，會(huì)直接將其與收到的AIS信號(hào)合并。由于VTS和AIS的數(shù)據(jù)量巨大(采樣區(qū)為寧波海事轄區(qū)，其VTS日均信號(hào)1 800萬(wàn)個(gè)，AIS日均信號(hào)約2 000萬(wàn)個(gè))，存儲(chǔ)壓力巨大，但數(shù)據(jù)重復(fù)度較高，因此需對(duì)融合之后的信號(hào)進(jìn)行抽稀處理。平臺(tái)80%的預(yù)警邏輯中的信號(hào)點(diǎn)數(shù)量閾值、時(shí)間閾值和距離閾值都是參照AIS信號(hào)頻率設(shè)定的，且在穩(wěn)定運(yùn)行，因此在融合過(guò)程中，側(cè)重AIS，兼顧錨泊船的信號(hào)，當(dāng)在3 min時(shí)間內(nèi)同時(shí)有AIS信號(hào)點(diǎn)和VTS信號(hào)點(diǎn)時(shí)，保留AIS信號(hào)點(diǎn)。結(jié)合船舶航速，定時(shí)按以下規(guī)則對(duì)同一個(gè)船舶目標(biāo)進(jìn)行合并，并作抽稀處理：

1) 航速小于1 kn，每隔3 min保留1個(gè)點(diǎn)；

2) 航速為1～14 kn，每隔10 s保留1個(gè)點(diǎn)；

3) 航速大于14 kn，每隔3 s保留1個(gè)點(diǎn)。

合并之后的軌跡密度基本保持AIS的層級(jí)，VTS的經(jīng)緯度是依照船舶尺寸獲取的船舶中心點(diǎn)的經(jīng)緯度，AIS的經(jīng)緯度是按設(shè)備安裝位置選取的，二者存在一定的誤差，該處理算法忽略了AIS設(shè)備安裝位置對(duì)經(jīng)緯度的影響。

2.1.3 VTS數(shù)據(jù)校準(zhǔn)

在港區(qū)內(nèi)，船舶來(lái)往比較密集，很容易出現(xiàn)大船遮蔽小船的情形，被遮蔽的小船會(huì)從雷達(dá)監(jiān)控中消失，此時(shí)VTS接口發(fā)送的小船數(shù)據(jù)中是存在靜態(tài)數(shù)據(jù)的，但經(jīng)緯度數(shù)據(jù)變成了大船的數(shù)據(jù)。

在VTS重疊區(qū)，200 m以上的同一艘船偶爾會(huì)出現(xiàn)多條postreport ID不一樣的記錄，實(shí)地考察VTS硬件分布之后發(fā)現(xiàn)，引發(fā)該現(xiàn)象的主要原因是VTS內(nèi)部對(duì)多源信號(hào)的合并存在缺陷。

因此，需對(duì)接收的VTS數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)：假定接收的第一個(gè)完成AIS與 VTS融合的信號(hào)是正確的，每接收到1個(gè)新的信號(hào)，就進(jìn)行前后2個(gè)信號(hào)的艏向?qū)Ρ龋袛嗍欠癜l(fā)生大角度偏移，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)立閾值為90°，當(dāng)前后2個(gè)信號(hào)的艏向差值大于90°時(shí)，認(rèn)為信號(hào)發(fā)生了錯(cuò)亂。

同時(shí)，還需判斷前后2個(gè)信號(hào)匹配的靜態(tài)信息中的船長(zhǎng)差值，若發(fā)生變化，則認(rèn)為船舶間發(fā)生了遮蔽錯(cuò)亂。對(duì)于發(fā)生錯(cuò)亂的，自動(dòng)繼承前一個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)的AIS信號(hào)，包括相關(guān)的船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)和軌跡信息。

此外，定時(shí)對(duì)redis中的數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，不考慮postreport ID，當(dāng)同一個(gè)水上移動(dòng)通信業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)碼(Maritime Mobile Service Identify，MMSI)存在多條數(shù)據(jù)時(shí)，只保存最新的一條，將其他數(shù)據(jù)刪除。

2.2 VTS推算

2.2.1 靜態(tài)信息丟失VTS

對(duì)于自進(jìn)入VTS覆蓋區(qū)開始就沒開啟過(guò)AIS設(shè)備的船舶來(lái)說(shuō)，從技術(shù)上看無(wú)法獲得相應(yīng)的船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)，這種場(chǎng)景不在本文討論的范圍內(nèi)，本文僅討論VTS覆蓋范圍內(nèi)，航行途中關(guān)閉AIS的情況。

若收到的VTS信號(hào)無(wú)靜態(tài)信息，說(shuō)明該目標(biāo)船關(guān)閉了AIS設(shè)備，此時(shí)需向前推算關(guān)聯(lián)AIS靜態(tài)信息，進(jìn)行持續(xù)關(guān)聯(lián)，并生成相關(guān)預(yù)警。

1) 識(shí)別無(wú)靜態(tài)信息。

若報(bào)文中只包含PosReport信息，沒有StaticData和Voyage信息，則此類信息缺少靜態(tài)信息：

2) 推算前置信號(hào)點(diǎn)。

由于PosReport的ID只有4位，因此暫時(shí)不考慮根據(jù)ID進(jìn)行唯一性信息跟蹤。對(duì)于已建立平臺(tái)AIS信息與 VTS信息關(guān)聯(lián)關(guān)系的船舶，當(dāng)VTS中的AIS信號(hào)丟失時(shí)，直接進(jìn)行標(biāo)識(shí)，不影響平臺(tái)對(duì)VTS中船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)的匹配。無(wú)論是哪臺(tái)設(shè)備接收到的AIS信息，都來(lái)源于船端通過(guò)VHF廣播的差分全球定位系統(tǒng)(Differential Global Positioning System，DGPS)數(shù)據(jù)。因此，當(dāng)VTS中的AIS信息時(shí)，平臺(tái)的AIS信號(hào)會(huì)同步消失，此時(shí)需通過(guò)算法匹配到鄰近的前置信號(hào)點(diǎn)，獲取船舶靜態(tài)信息。

VTS的信號(hào)頻率為3 s，因此以SOG計(jì)算5 s的距離，以COG反向一個(gè)角度為90°的扇形，落在這個(gè)扇形中的VTS點(diǎn)認(rèn)為是原信號(hào)點(diǎn)的前置信號(hào)，若在扇形范圍內(nèi)存在多個(gè)信號(hào)點(diǎn)，則計(jì)算每個(gè)信號(hào)點(diǎn)到扇形中心線的垂直距離，取垂直距離最短的信號(hào)點(diǎn)作為前置信號(hào)點(diǎn)。

若持續(xù)10 min沒有AIS信號(hào)進(jìn)來(lái)，無(wú)論是否有VTS信號(hào)，平臺(tái)都將生成AIS異常關(guān)閉報(bào)警。

2.2.2 VTS信號(hào)消失

VTS本身是通過(guò)雷達(dá)不間斷掃描監(jiān)控的，當(dāng)船舶進(jìn)入狹水道或被更大的船舶遮蔽時(shí)，會(huì)形成VTS盲區(qū)，對(duì)于有持續(xù)AIS信號(hào)的船舶而言，VTS已進(jìn)行信息融合，會(huì)持續(xù)提供融合后的數(shù)據(jù)，若 AIS信號(hào)也消失，則平臺(tái)會(huì)丟失對(duì)該船的持續(xù)跟蹤，直到AIS信號(hào)或VTS信號(hào)再次出現(xiàn)。

2.3 與海事業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融合

在完成VTS與AIS的融合之后，即得到每個(gè)VTS信號(hào)對(duì)應(yīng)的MMSI、IMO(International Maritime Organization)編號(hào)和船舶英文名稱。在海事業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，國(guó)內(nèi)船舶以初次登記號(hào)作為唯一性標(biāo)識(shí)，國(guó)外船舶必須先對(duì)船名、IMO和MMSI進(jìn)行綜合比對(duì)，再進(jìn)行定位，有時(shí)甚至要參考船長(zhǎng)參數(shù)。為此，必須建立平臺(tái)自有船舶庫(kù)，并對(duì)進(jìn)入其中的數(shù)據(jù)和案例進(jìn)行規(guī)則清洗，最終形成可提供快速定位功能的適用于國(guó)內(nèi)外船舶的船舶庫(kù)。船舶庫(kù)的信息包括MMSI、中文船名、英文船名、IMO編號(hào)、初次登記號(hào)、船長(zhǎng)、船舶類型(AIS)、船旗國(guó)、AIS更新日期和是否最新，以英文船名為主關(guān)鍵字。

先根據(jù)海事業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行初始化積累，再根據(jù)AIS靜態(tài)信息進(jìn)行更新。平臺(tái)整體運(yùn)行以MMSI為唯一關(guān)鍵字，通過(guò)平臺(tái)船舶基礎(chǔ)庫(kù)，可同時(shí)關(guān)聯(lián)海事業(yè)務(wù)中的歷史行為數(shù)據(jù)和最新動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

3 實(shí)際應(yīng)用效果

通過(guò)應(yīng)用上述算法，平臺(tái)存儲(chǔ)壓力得到了緩解，船舶運(yùn)行軌跡更加平緩，最主要的成效體現(xiàn)在VTS校驗(yàn)和VTS推算上。下面通過(guò)具體實(shí)例檢驗(yàn)該算法的應(yīng)用效果。

船舶A在2021年12月17日22:57關(guān)閉了AIS設(shè)備，在轄區(qū)內(nèi)進(jìn)行高風(fēng)險(xiǎn)操作，通過(guò)VTS推演，成功將掃描到的船舶信號(hào)關(guān)聯(lián)到了確定的船上，并生成了預(yù)警信息，幫助海事執(zhí)法人員在趕往事發(fā)地制止高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)的同時(shí)，掌握該船過(guò)往經(jīng)歷，并及時(shí)聯(lián)系船舶所屬公司，該船的軌跡示意圖見圖3。

圖3 高風(fēng)險(xiǎn)行為船舶軌跡示意圖

船舶B在2022年1月10日10：39關(guān)閉了AIS，關(guān)閉狀態(tài)持續(xù)10 min之后，平臺(tái)進(jìn)行了預(yù)警，通過(guò)根據(jù)VTS推演出來(lái)該船后續(xù)航行軌跡之后，及時(shí)通知相關(guān)海事處進(jìn)行就近攔截，詢問原因并排除問題后予以放行。圖4為異常關(guān)閉AIS船舶軌跡示意圖。

圖4 異常關(guān)閉AIS船舶軌跡示意圖

4 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)前的VTS已實(shí)現(xiàn)與AIS的數(shù)據(jù)融合，通過(guò)采用本文所述數(shù)據(jù)融合算法進(jìn)行處理，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了VTS信號(hào)與海事業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的融合，在完成平臺(tái)建設(shè)之后，能為海事執(zhí)法提供精準(zhǔn)快速的數(shù)據(jù)支撐。本文在研究過(guò)程中充分考慮了實(shí)際業(yè)務(wù)中的場(chǎng)景，并最終應(yīng)用到了實(shí)際業(yè)務(wù)中。雖然該算法的有效性在實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證，但還沒有對(duì)無(wú)人機(jī)等設(shè)備的視頻信號(hào)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，并進(jìn)行更全面的融合。

另外，監(jiān)控技術(shù)也在不斷進(jìn)步，在IMO海上安全委員會(huì)(Maritime Safety Committee，MSC)第103次會(huì)議上，甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)(VHF Data Exchange System，VDES)技術(shù)已獲得共識(shí)，將被列入《國(guó)際海上人命安全公約》(International Convention for Safety of Life at Sea，SOLAS)中，分別在2022年1月和2023年1月討論確定將VDES納入SOLAS實(shí)施決議，并在2023年的MSC大會(huì)上通過(guò)強(qiáng)制安裝決議。以此為基礎(chǔ)，未來(lái)全球履約船舶將安裝VDES設(shè)備。屆時(shí)，海上船舶安全監(jiān)控將進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代。