近海多源船舶感知數(shù)字模擬器設(shè)計

汪秉東，郭湘南

（1.武漢郵電科學(xué)研究院，湖北武漢 430074；2.武漢烽火通信科技股份有限公司，湖北武漢430074）

隨著科技發(fā)展的日新月異，近代造船技術(shù)的研發(fā)及近海船舶的設(shè)計越來越豐富，近海船舶的性能愈發(fā)強大，給近海區(qū)域的航道交通帶來了很大的壓力，導(dǎo)致海上各種安全情況多變，出現(xiàn)了越來越多的安全隱患，影響了近海船舶的后續(xù)發(fā)展。在近海船舶的研究領(lǐng)域中，雷達AIS(Automatic Identification System)數(shù)據(jù)模擬器一直是一項重要的研究，也是各大海洋公司持續(xù)關(guān)注并研發(fā)的項目，該模擬器能夠高效地模擬雷達或者AIS（船舶自動識別系統(tǒng)）的數(shù)據(jù)，能讓船員和測試人員更加直觀且簡潔地模擬海上目標數(shù)據(jù)。多源船舶模擬器還可以更好地進行近海船舶航路的規(guī)劃，提高各類船舶的航行效率，同時也能為數(shù)據(jù)目標融合的發(fā)展打下殷實的基礎(chǔ)。

AIS 是一種安裝在船舶上的無線通信導(dǎo)航避碰設(shè)備，可適用于近海的各類船舶，AIS 能夠有效完成船舶間的避碰功能，AIS 系統(tǒng)可以通過VHF 自動或定時播發(fā)，在20 海里內(nèi)實現(xiàn)各類船舶之間相互交換船舶航路和船舶相關(guān)信息的功能。AIS 信息包括MMSI（船舶海上移動通信業(yè)務(wù)標識碼）、船名、船舶類型和尺寸等。船舶雷達在航海中扮演著重要的角色，常被用于船舶的定位、避碰等相關(guān)方面，但是海上環(huán)境復(fù)雜多變，船舶雷達存在著精度不夠精細、定位程度不準確等問題，且容易受到惡劣天氣或地形的影響，導(dǎo)致無法定位船舶具體位置。文中介紹一種雷達AIS 的數(shù)字模擬器，該模擬器能夠?qū)崿F(xiàn)多源數(shù)據(jù)的模擬。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 信息感知技術(shù)

信息感知是在獲取信息的基礎(chǔ)上，通過一定手段過濾不需要的信息，得到需求信息[1]。大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)的識別是用無線的方法檢測信息，但是，這種識別方法容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)重復(fù)和數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的問題，導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)對敏感信息的獲取效率下降[2]。僅在互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)識別技術(shù)上進行修改和發(fā)展是遠遠不夠的。首先，可以設(shè)置一個過濾條件，使得接收信息變得更加安全，也可以避免冗余信息的干擾，接著通過數(shù)據(jù)融合將過濾后的信息整合起來，形成完整的有用數(shù)據(jù)[3]。

在當代互聯(lián)網(wǎng)中，數(shù)據(jù)采集基本上是一個從測量節(jié)點到接收節(jié)點采集數(shù)據(jù)的過程，通常的目標都是安全或者完整的[4]。目前互聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定性并不高，圍繞網(wǎng)絡(luò)的問題存在許多不確定性。在網(wǎng)絡(luò)上采集信息時時常獲取到不正確的信息，這通常會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，甚至還會收集到嘈雜的數(shù)據(jù)。所以應(yīng)使用數(shù)據(jù)凈化方法設(shè)置一個過濾器來過濾無效數(shù)據(jù)，增強有用數(shù)據(jù)的時效性和牢固性[5]。在信息感知方面，缺失信息和數(shù)據(jù)過濾密切相關(guān)。如果將缺少的信息視為一種特殊的數(shù)據(jù)[6]，那么可以使用數(shù)據(jù)過濾對這種特殊的數(shù)據(jù)進行過濾，使用線性插值和回歸模型從所有數(shù)據(jù)中消除缺少的數(shù)據(jù)并對其進行評估，使過濾后的信息更加完整[7]。

1.2 AIS雷達數(shù)據(jù)

AIS 全稱為自動識別系統(tǒng)，是一種新型導(dǎo)航設(shè)備，常用于海洋中船舶的航行[8]。在當代海洋運輸上，AIS 的任務(wù)是收集船舶運行的特征，能夠辨別出船舶與其他物質(zhì)，對指定的船舶能夠提供航跡跟隨的輔助功能，通過大量信息的收集，在對船舶信息進行存儲后，使得船舶之間能夠更加清晰地進行信息交流，對船舶給予警示功能以便預(yù)防碰撞事件的發(fā)生[9]。AIS 可以改進防止船舶碰撞的功能，改進了ARPA 雷達并優(yōu)化了近海船舶交通控制系統(tǒng)的性能，增加了近海船舶的運輸報告功能[10]。所有航線、航位點和船舶的編號名稱均可在ECDIS 上查看，進而為指定船舶提供了新型且高效的通信方式，提高整體船舶的通信質(zhì)量并使近海船舶走向智慧化的時代[11]。

AIS 會從數(shù)據(jù)庫中為裝備了AIS 的船舶提供該船或者是附近船舶的相應(yīng)信息[12]，這些信息在船舶裝配AIS 后自動上傳并分發(fā)給其他裝配了AIS 的船舶[13]，而關(guān)于船舶編號、船舶大小、船舶型號等靜態(tài)信息則會通過VHF 在以該船為中心，方圓20 海里的范圍內(nèi)進行播報，裝配了AIS 的船舶則能收到這些信息[14]。

雷達為科研的目標探測做出了極大的貢獻[15]。在地質(zhì)勘測中，雷達可以生成準確的目標類型，其深度和廣度可以達到幾十米的精度。雷達在對自然災(zāi)害的預(yù)防上也表現(xiàn)得非常出色，在土壤調(diào)研、海洋資源探查、空氣質(zhì)量等方面，雷達也表現(xiàn)出了非常大的潛力[16]。

2 推算算法的研究

航位推算算法定義了一個完整的搜索過程，該過程起始于首個數(shù)據(jù)信息的接收，依據(jù)算法的原理，再綜合該目標數(shù)據(jù)的艏向、對地速度以及接收到下一個目標數(shù)據(jù)的時間間隔，來對下個目標的經(jīng)緯度點進行模擬。當今大部分航載系統(tǒng)分為羅經(jīng)儀和自動舵以及里程計等部分。基于傳統(tǒng)的航位推算算法的準確模型，使用自動優(yōu)化方案來優(yōu)化羅經(jīng)儀和自動舵產(chǎn)生的物理誤差，能夠從根本上提高航位推算算法的準確度[17]?？梢詫崿F(xiàn)當前航點數(shù)據(jù)計算算法，計算指定坐標、航向角和航向角后的下一個航點的經(jīng)緯度坐標。首先在接收到起點航位點數(shù)據(jù)后，保存數(shù)據(jù)，當下一個航位點數(shù)據(jù)傳輸進來時，同樣進行信息保存，再比較兩個航位點的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，放在平面中經(jīng)計算后得到一個帶方向的矢量差，同時根據(jù)推算算法得出模擬的下一個點的速度以及帶方向的矢量，因為實際環(huán)境的復(fù)雜性，兩個矢量不一定完全相同，需要通過算法進行修正，得到正確的下一航位點的對地速度。由此類推，在此基礎(chǔ)上推算下一個航位點時，也要考慮誤差的影響，假定誤差與初始相同，在實際得到該點的矢量且得到推算算法模擬的矢量后，將兩者進行計算，得到正確的航位點對地速度。重復(fù)該過程，即可使用推算算法得到每個航位點的對地速度，并且能不斷地進行自我修正。

航位推算算法的第一步是為所規(guī)劃的航跡進行分段編號處理。假設(shè)要進行處理的航跡中有N+1 個航位點，即P0,P1,P2,…,PN,如圖1 所示。

圖1 航線分段編號

1）過起始點P0作線段P0P1的垂直線Q0R0；

2）任意設(shè)置一個自然數(shù)i，得到Pi-1Pi和PiPi+1的夾角平分線QiRi；

3）過PN作線段PNPN-1的垂線QNPN；

4）矢量R0Q0,R1Q1,…,RNQN會把完整的航線軌跡分割成N個部分，然后將其從0 開始編號到N。

將航跡拆分成片段之后，每當從模擬器中得到新的經(jīng)緯度輸入時,首先要確認其屬于哪個片段，從而決定后續(xù)的推算過程。如圖2 所示，假設(shè)發(fā)送消息的航位點為P(X,Y)。

圖2 計算船位所在航段編號

將射線QiRi繞點Qi順時針旋轉(zhuǎn)90°,作射線；再以點Qi為端點作射線QiP。如果P與間的夾角αi大于90°，則根據(jù)向量的位置特性得出·QiP＜0；如果P與間的夾角αi小于90°，則根據(jù)向量的位置特性得出·QiP＞0。所以判斷航位點為哪個片段的步驟：第一步將i置為1，表示對第一個航位點進行初始化；第二步求兩項式的乘積；如果T＞0，則令i=i+1，接著繼續(xù)進行第二步；若T＜0，則此時所得到的i值即為要得出的航位點編號。

航位推算算法的核心就是首先獲得一個初始點位，進行判斷后，從當前位置開始往后推算下一個航位點的位置，這個航線可能是其中的一部分，也可能是模擬的軌跡外的航段，若是軌跡外的航段也會迅速進行自我修正回到正軌上，如圖3 所示。

圖3 推算航段的確定

如果首次獲取的數(shù)據(jù)進行判斷后在原定航跡上（如A點），那么下一步的航跡為APi；如果首次的數(shù)據(jù)進行判斷后不在原定軌跡上，且其艏向與原定航跡有交點(如B點)，那么下一步的航跡為；如果首次的數(shù)據(jù)進行判斷后不在原地軌跡上，且其艏向與原定航跡沒有交點(如C點)，那么下一步的航跡為CPi。假設(shè)當前航位點的位置坐標為（P，Q），那么有：

若令船舶當前點位坐標為(Pr,Qr)，目標的航跡為Gr，則同一方向上的位置公式為：

令P=Pi-1+(Pi-Pi-1)·β=Pr+βsinGr，得到β=。

若β∈[0,1]，則方向線段與Pi·Pi-1有公共交點，則由該β值可求得該公共點到推算的下一個航位點的時間間隔為P(1-β)。將所求P值代入上述公式可反推其交點位置；如果β＜0 或β≥1，則方向線段與Pi·Pi-1沒有公共交點。

假設(shè)首個收到數(shù)據(jù)的航位點為P0,它和P1分別是推算算法的兩個端點；P2點應(yīng)該處在原定航跡上。假設(shè)從P0到P1的收取船舶信息間隔為β0，從P1到P2的收取船舶信息間隔為β1，前一次推算時刻為T0，此次的推算時刻為T1,由此求得兩次信息的時間差值為ΔT=T1-T0。

1）如果ΔT≤β0，則表明此次船舶處于P0到P1的區(qū)間內(nèi),可以得到此次航位點位置P=P0+；

2）如果ΔT＞β0，則表明此次船舶處于P1到P2的區(qū)間內(nèi)或者是航跡規(guī)劃外，則有ΔT=ΔT-β0；

3）如果ΔT≤β1，則表明此次船舶處于P1到P2之間，得到；

4）如果ΔT＞β1，則表明此次船舶P處于P2之外的地方，則有ΔT=ΔT-β1；

5）再選擇P2作為下一段航位推算的航位點起點，從規(guī)劃的航跡中兩兩選擇所規(guī)劃航跡的兩個端點，對于起始點Pi、終結(jié)點Pi+1和估算的獲取時間間隔βi+1,如果ΔT＞βi+1，則令ΔT=ΔT-βi+1，接著重新進行步驟5）；

6）如果ΔT≤βi+1，則可以得到(Pi+1-Pi)。

3 模擬器的應(yīng)用

3.1 多源模擬器的理論研究

多源目標的模擬器是基于普通模擬器之上進行創(chuàng)新，首先使用隨機數(shù)算法生成模擬的多源數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過堆棧的方法進行存儲，然后將生成的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵扑闼惴ㄖ校猛扑闼惴▽崟r生成指定時間的多航路點，利用這些航路點可以得到一個完整的軌跡，航路點可以輸出到客戶端上進行數(shù)據(jù)的比較，還能夠與平臺建立聯(lián)系，將模擬的多個初始航位點展示到電子海圖上，并且隨著時間的推移，能夠?qū)崟r地模擬下一步的航路點，形成完整的航跡。多個目標的模擬可以同時進行，也可同時展示在電子海圖上，其航跡互不干擾，與實際情況下雷達探測的目標信息幾乎一致，能夠較好地實現(xiàn)模擬效果。

3.2 多源模擬器的測試結(jié)果

以多源AIS 模擬器為例，在使用隨機數(shù)模擬器之前，首先啟動Collector 鏈接器，然后打開Geoview平臺，登錄后進入初始界面，接著使用隨機數(shù)模擬器，相較于單目標模擬器而言，隨機數(shù)模擬器只負責生成隨機的動態(tài)信息組，如經(jīng)緯度區(qū)間、船舶的航速區(qū)間、船舶的角度區(qū)間以及船舶的艏向區(qū)間。這些動態(tài)信息由操作人員按照模擬的需求填寫，模擬目標的個數(shù)可達到上百個，因此滿足多源目標模擬的需求。而船舶的MMSIID 等靜態(tài)信息則在隨機數(shù)模擬器啟動后隨機生成相應(yīng)的值存放在object 文件夾中。此時，操作人員應(yīng)打開導(dǎo)入數(shù)據(jù)模擬器，該模擬器使用了相對簡潔的界面，信息不再展示在模擬器上，直接連接平臺后，可在平臺上展示模擬的數(shù)據(jù)。當選擇路徑時，找到對應(yīng)根目錄下存放隨機數(shù)數(shù)據(jù)的object 文件夾，點擊啟動后，模擬器會自動同時讀取所有通過隨機數(shù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，通過鏈接器導(dǎo)入到平臺中，圖中的計時器則會在停止對平臺多目標的模擬后結(jié)束計時。當多模擬器數(shù)據(jù)傳入平臺時，Collector 接收到的數(shù)據(jù)是利用隨機模擬器模擬的十個AIS 數(shù)據(jù)，每個AIS 數(shù)據(jù)的MMSI 編號也是在數(shù)據(jù)庫隨機生成的，這十個AIS 模擬目標同時導(dǎo)入到平臺中，在平臺上進行后續(xù)航路的模擬，模擬過程中平臺上出現(xiàn)的模擬數(shù)據(jù)與隨機數(shù)模擬器中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)完全相同，表明了每個模擬目標在起始經(jīng)緯度的情況下沿著船舶艏向一直移動。模擬器所模擬的目標與雷達監(jiān)控系統(tǒng)在平臺上生成的數(shù)據(jù)形式上相同，就表示著模擬器成功連接上平臺，多目標的模擬器成功導(dǎo)入了數(shù)據(jù)。多目標的雷達模擬器也是類似的效果，隨機模擬出的目標即為雷達數(shù)據(jù)，在形式上也與平臺生成的數(shù)據(jù)保持相同。模擬的目標信息與真實情況下雷達所探測的信息，不論是在電子海圖的視圖上還是在列表所搜索的目標數(shù)據(jù)上，幾乎完全一致，由此可見模擬器在模擬AIS 信息方面上已經(jīng)非常完善，同理模擬雷達信息也是相同的效果。

多目標模擬器的特點在于可以對批量的隨機模擬數(shù)據(jù)進行后續(xù)航路的模擬，它同樣具有精確度高的優(yōu)點，可以在系統(tǒng)允許的情況下批量對數(shù)據(jù)進行模擬，且可以生成大量的后續(xù)航路點與軌跡線，這符合當今航海事業(yè)中對多源數(shù)據(jù)模擬的需求，相較于單目標的模擬器，多目標模擬器實現(xiàn)了大規(guī)模、多目標、即時性上的突破，并且具有更優(yōu)秀的穩(wěn)定性，更加兼容雷達監(jiān)控平臺。

4 結(jié)束語

文中提出一種新型基于雷達監(jiān)控平臺的多源目標模擬器，介紹了多源目標模擬器的基本原理及關(guān)鍵技術(shù)，從理論上分析了多源目標模擬器的優(yōu)缺點，運用多種方法從理論上模擬AIS 數(shù)據(jù)和雷達數(shù)據(jù)。在研究過程中，選取一個特定的目標，記錄其初始航路點的動靜態(tài)信息，觀察其航行一段時間的航跡后，將其經(jīng)緯度信息保留下來，此時通過模擬器模擬相同的初始化動靜態(tài)信息，運行后可發(fā)現(xiàn)兩者后續(xù)的航跡基本一致，可能會由于真實情況下的環(huán)境問題產(chǎn)生一定的誤差，通過航位修正后能達到95%的準確率。對于模擬器部分，在模擬數(shù)據(jù)并進行推算算法時，還可以進一步考慮實際船舶的錨、纜、拖輪、風浪、天氣對船舶運動的作用，而模擬器所采取的推算算法忽視了這些實際情況進行演算，后續(xù)可以根據(jù)實際情況完善算法的研究，使得模擬的數(shù)據(jù)能夠具有更加真實性的表現(xiàn)。