基于AIS 和ECDIS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用

郭興華，陳婷婷

（江蘇航運職業(yè)技術(shù)學院航海技術(shù)學院 江蘇 南通 226010）

0 引言

電子海圖廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代航海，它不僅為船舶的安全航行提供了保障，而且還提高了船舶的安全生產(chǎn)效率。 這種助航設(shè)備能實時自動繪算本船與其他物標之間的距離和相對位置。 在船舶駕駛臺上配備的電子海圖顯示信息系統(tǒng)（electronic chart display information system，ECDIS），為船舶駕駛員提供了船舶安全航行的岸線信息、航行警告、礙航物、警戒區(qū)、軍事演習區(qū)、航標、燈塔、危險物和船舶自動識別系統(tǒng)（automatic identification system，AIS）結(jié)合雷達圖像顯示的相關(guān)信息，增強了值班駕駛員的“視覺位置感”，提高了駕駛員對船舶安全航行的判定，降低了船舶航行碰撞事故發(fā)生的概率。 電子海圖系統(tǒng)具有航線設(shè)計、船位標繪跟蹤、歷史航跡重現(xiàn)、航海信息（水文、潮汐、海流、海島、港口）查詢、常用航路等，AIS 與雷達或自動雷達標繪儀（auto radar plotting aid，ARPA）同時顯示［1］。

由于AIS 能提供船舶的動態(tài)和靜態(tài)信息并不能直接地應(yīng)用于ECDIS 系統(tǒng)中進行顯示，因此，如何從船舶自動識別系統(tǒng)中提取電子海圖和船舶自動識別系統(tǒng)信息融合信息是一個關(guān)鍵問題，對于船舶自動識別系統(tǒng)中相關(guān)信息的提取，必須應(yīng)用到數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)包解碼技術(shù)，利用數(shù)據(jù)包解碼技術(shù)對船舶自動識別系統(tǒng)中涉及船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)參數(shù)和船舶航行數(shù)據(jù)信息進行研究和解碼轉(zhuǎn)換，從而將轉(zhuǎn)換過來的數(shù)據(jù)信息提供給電子海圖顯示系統(tǒng)所需格式，因此研究AIS 數(shù)據(jù)包的解碼轉(zhuǎn)換技術(shù)是一個關(guān)鍵問題，對于解碼轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)如何與電子海圖顯示系統(tǒng)融合及保障船舶安全航行有著重要的意義［2］。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 船舶交通流特征分析

船舶交通流特征參數(shù)主要包含交通流的位置、速度、方向、船舶數(shù)量和船舶間時距等，研究船舶交通流特征規(guī)律有助于掌握水上交通系統(tǒng)態(tài)勢，進行水上交通安全管理和組織，進而引導其交通流更趨于有序合理，降低水上交通事故概率和提升通航效率。 其主要研究內(nèi)容主要包括船舶交通流特征的影響因素、船舶交通流的預測、船舶交通流仿真、船舶交通流應(yīng)用、通航能力與效率等方面［3］。

目前越來越多通信導航設(shè)備和先進的傳感設(shè)備廣泛應(yīng)用于水上交通載運工具上，加上先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的革新，對船舶自動識別系統(tǒng)數(shù)據(jù)源的開發(fā)和研究變得日益廣泛起來。 主要研究內(nèi)容包括對AIS 數(shù)據(jù)進行挖掘，獲取船舶特征分布特點、搭建船舶交通實態(tài)觀測數(shù)據(jù)計算機處理系統(tǒng)、顯示船舶密度分布和船舶航跡分布［4］；基于AIS 數(shù)據(jù)的通航尺度及航道通過能力方面的評估研究等。

1.2 船舶AIS 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

AIS 數(shù)據(jù)由于其傳輸格式的特殊性，在采集應(yīng)用方面存在一定的難度，主要體現(xiàn)在以下幾個方面［5］：

（1）AIS 系統(tǒng)使用面向比特的協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，這個協(xié)議基于ISO／IEC3309 標準和高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議來定義數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)。 由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)比較復雜，一般的使用人員和海事管理人員難以直接解讀AIS 原始數(shù)據(jù)。

（2）AIS 數(shù)據(jù)更新速率快，一個海區(qū)每天收到的AIS數(shù)據(jù)量非常大，難以進行快速實時地處理和使用，寶貴的AIS 數(shù)據(jù)無法體現(xiàn)其實際價值。

（3）對船舶自動識別系統(tǒng)數(shù)據(jù)解碼不夠全面、挖掘不夠深入，無法完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計和比對分析，發(fā)現(xiàn)轄區(qū)內(nèi)的高風險區(qū)域或者高風險目標船舶，不利于海事安全管理；

（4）市場上專業(yè)的AIS 數(shù)據(jù)采集處理程序一般是基于電子海圖等系統(tǒng)平臺，運行成本較高，不利于一般海事管理人員、海事研究人員以及相關(guān)企業(yè)等展開應(yīng)用研究，限制了AIS 數(shù)據(jù)效能的充分發(fā)揮。

數(shù)據(jù)挖掘是一門交叉學科，涉及人工智能、機器學習、模式識別、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，經(jīng)過多年的發(fā)展，數(shù)據(jù)挖掘取得了豐碩的成果，逐漸形成一套自己的理論基礎(chǔ)，主要包括規(guī)則提取、模式挖掘、分類、聚類、學習等。 常見的數(shù)據(jù)挖掘和聚類分析軟件平臺有統(tǒng)計分析系統(tǒng)（statistical analysis system，SAS）、統(tǒng)計產(chǎn)品與服務(wù)解決方案（statistical product and service solutions，SPSS）等［6］。

1.3 研究內(nèi)容與思路

船舶AIS 數(shù)據(jù)是反映水上交通流特征的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，構(gòu)建軟硬件系統(tǒng)對其進行采集分析，為船舶安全管理提供建議，具有重要的理論和實踐意義。

本文的主要研究內(nèi)容與思路如圖1 所示：

圖1 研究思路

船舶發(fā)送的AIS 信息包含4 種不同類型的信息，如表1 所示：

表1 船舶發(fā)送的AIS 信息

國際海事組織的性能標準規(guī)定了不同種類的數(shù)據(jù)可以進行交換，但沒有規(guī)定具體的數(shù)據(jù)傳輸速率。 表2 中的報告速率是根據(jù)當前雷達技術(shù)、連續(xù)的DGPS 定位和計時技術(shù)，以及典型高密度通航水域高峰期的交通狀態(tài)等因素制定的，以滿足VTS 和船舶報告系統(tǒng)的潛在需求。

表2 AIS 報告速率

表3 簡要說明了常用的AIS 信息：

表3 AIS 常用消息

2 船舶AIS 數(shù)據(jù)實時采集分析系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)采集軟硬件平臺搭建

（1）在實驗室搭建AIS 數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)，采集江蘇長江口附近水域船舶AIS 數(shù)據(jù)。

（2）深入研究AIS 數(shù)據(jù)格式，進行數(shù)據(jù)解析，將解析結(jié)果實時存儲進數(shù)據(jù)庫；

要獲取周圍船舶的實時動態(tài)信息，需要解析接收到的AIS 電文，并從中提取所需的信息數(shù)據(jù)。 AIS 語句的封裝語句格式為：！ （ ＄）aaeee，c-e*hh＜CR＞＜LF＞，其中與船舶監(jiān)控相關(guān)的IEC61162 新語句包括兩種：！ AIVDM 和！AIVDO，這兩種語句的格式相同。 以下是一個例句：！AIVDO， 2， 1， 1， B， 57bcDP023 ' CAQE4k ＜pOhT4rOHDpL0000000000165 h ＝286n109SRCQhS，O*26！AIVDO，2，2，1，B，h00000000000000，2* 7E。 語句結(jié)構(gòu)可以參考圖2。

圖2 例句的碼文結(jié)構(gòu)

AIS 語句的CRC 校驗方法是將'！ '到'*'之間的字符進行異或，得到的結(jié)果與'*'后面的兩位字符進行比較，如果相同則校驗通過，否則校驗失敗。 在解析AIS 語句時，第一個逗號后面的數(shù)字表示語句數(shù)，如果有多句語句，則需要組合成完整的碼文，然后將碼文解析成二進制碼。 以下是一個AIS 目標船語句的例子：“！ AIVDM，l，1，，A，15Cgah00008LOnt＞ICf’S6NTOOSU，O*3 D”。 經(jīng)過CRC校驗后，可以解析出下列二進制碼序列：

“00000100010101001110111110100111000000000000 0000000000000000001000011111011111110110111100001 1100000010100111011101010001110110001100111101001 00000000000000100011100101”

根據(jù)ITU-RM.1371-l 規(guī)則，這個二進制碼序列可以分解為不同的信息字段，其中包括信息類型、重復指示、MMSI 碼、航行狀態(tài)、轉(zhuǎn)向速率、對地航速、位置精度、經(jīng)度、緯度、對地航向、真航向和報告發(fā)出時的UTC 時間等信息。

設(shè)計步驟及效果如圖3 所示，基本步驟包括：首先基于SQL Server 設(shè)計AIS 數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫，AIS 數(shù)據(jù)各字段設(shè)計效果如圖4 所示；設(shè)計數(shù)據(jù)采集平臺，進行COM 口配置，在平臺上進行AIS 數(shù)據(jù)采集；然后把數(shù)據(jù)輸出存儲到已建立的數(shù)據(jù)庫中，供后續(xù)的進一步處理與應(yīng)用。

圖3 SQL Server 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

圖4 SQL Server 數(shù)據(jù)庫設(shè)計效果

3 結(jié)語

綜上所述，船舶AIS 數(shù)據(jù)蘊含了豐富的、海量的船舶信息，對船舶交通流特征的提取和分析研究具有重要的意義。 利用AIS 岸基接收機基本可以捕獲到附近水域的全部通航船舶的信息，為基于AIS 數(shù)據(jù)的相關(guān)研究提供了充分、可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 基于船舶AIS 信息進行研究，數(shù)據(jù)獲取方便、耗費少，且數(shù)據(jù)的準確性、可靠性可以得到保障，由此得出的結(jié)果將更具有實際的參考價值。

通過在實驗室搭建AIS 數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)，采集江蘇長江口附近水域船舶AIS 數(shù)據(jù)，利用軟件平臺進行解析存儲。 但是由于AIS 數(shù)據(jù)維度高、數(shù)據(jù)量龐大，在采集以及傳輸過程中容易存在數(shù)據(jù)錯誤或不完整等問題，因此在數(shù)據(jù)應(yīng)用之前需要進行必要的處理與修復。 然后可以依據(jù)完善后的船舶AIS 信息進行統(tǒng)計分析，獲取研究水域內(nèi)的船舶交通實況，為海事安全管理以及船舶安全導航等提供參考依據(jù)。