賀超峰，徐鐵，胡勤友，葛依東

(上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306)

0 引言

目前，3種主流的海上船舶監(jiān)控形式［1］有沿海CDMA網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，海事衛(wèi)星監(jiān)控以及結(jié)合AIS的VTS監(jiān)控.沿海CDMA網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控只能在沿海有CDMA信號(hào)的地區(qū)使用，比較適合近岸運(yùn)輸船舶.海事衛(wèi)星監(jiān)控雖然不受船舶所在海區(qū)的限制，可以較好地實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)控，但海事衛(wèi)星通信費(fèi)用昂貴，不適合持續(xù)監(jiān)控.雖然AIS覆蓋的船舶范圍非常廣泛，目前全球任何500總噸以上的船舶都強(qiáng)制安裝AIS系統(tǒng)，但AIS系統(tǒng)發(fā)射的信號(hào)傳輸距離有限，存在監(jiān)控盲區(qū).當(dāng)船舶在遠(yuǎn)洋中航行時(shí)，其AIS信息往往不能被岸基AIS基站接收，從而使其失去監(jiān)控.

幾年前，美國、挪威等國家開始利用低軌衛(wèi)星接收其覆蓋范圍的船舶AIS信息，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)離陸地區(qū)域的船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控，但由于衛(wèi)星數(shù)量較少，不能連續(xù)采集同一地區(qū)的船舶AIS信息，因此獲得的船舶動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)性較差.船舶遠(yuǎn)程識(shí)別與跟蹤系統(tǒng)(LRIT)利用衛(wèi)星定位和衛(wèi)星通信技術(shù)獲取本船的位置與時(shí)間信息，并發(fā)送給船旗國所指定的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行儲(chǔ)存和處理.［2］目前，并不是所有船舶都已配備LRIT，尤其是內(nèi)貿(mào)船舶.對(duì)于沒有配備LRIT的船舶，進(jìn)入陸地AIS基站監(jiān)控盲區(qū)時(shí)就無法被監(jiān)控.此外，LRIT通信費(fèi)用昂貴，不適合連續(xù)監(jiān)控，實(shí)時(shí)性較差.

利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱北斗)轉(zhuǎn)發(fā)本船AIS信息［3］的做法對(duì)裝有北斗設(shè)備的船舶是有效的，但目前還有很多船舶沒有配備北斗設(shè)備，因此這些船舶不能得到有效監(jiān)控.本文結(jié)合AIS和北斗的優(yōu)勢(shì)，用北斗轉(zhuǎn)發(fā)本船和周圍船舶的AIS信息，使沒有配備北斗設(shè)備的船舶也能得到有效監(jiān)控，且通過北斗衛(wèi)星通信要比通過其他衛(wèi)星通信成本低，從而既可以使監(jiān)控區(qū)域覆蓋陸地AIS基站的盲區(qū)，又可以不用付出與其他衛(wèi)星通信一樣的昂貴代價(jià).另外，還在AIS數(shù)據(jù)中添加優(yōu)先權(quán)(priority)字段，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)指定船舶的搜索.

1 處理流程簡(jiǎn)介

一個(gè)時(shí)段內(nèi)本船接收到的AIS信息數(shù)據(jù)量往往較大，而北斗的短報(bào)文通信能力有限.為了有效利用北斗的短報(bào)文通信功能，有必要對(duì)接收到的AIS信息采取一系列處理措施，減少數(shù)據(jù)冗余.AIS數(shù)據(jù)冗余主要有以下幾種形式:重復(fù)數(shù)據(jù)冗余、無用數(shù)據(jù)冗余、數(shù)據(jù)表示冗余、編碼冗余等.首先通過數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)壓縮減少AIS數(shù)據(jù)冗余，然后利用北斗轉(zhuǎn)發(fā)處理過的數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)處理總流程見圖1.

2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理的主要目的是去除重復(fù)數(shù)據(jù)冗余，無用數(shù)據(jù)冗余以及數(shù)據(jù)表示冗余，主要包含如下幾個(gè)部分，見圖2.

(1)數(shù)據(jù)獲取.主要通過時(shí)間過濾和字段篩選減少數(shù)據(jù)量，達(dá)到減少無用數(shù)據(jù)冗余的目的.(2)數(shù)據(jù)過濾.主要進(jìn)行重復(fù)數(shù)據(jù)過濾.(3)去除數(shù)據(jù)表示冗余.通過差值法減少表示相同信息量所需要的數(shù)據(jù)量.(4)數(shù)據(jù)重組.去除數(shù)據(jù)表示冗余后，數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)發(fā)后要想恢復(fù)原樣就必須在數(shù)據(jù)中加上某些數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)頭)，將數(shù)據(jù)中相應(yīng)項(xiàng)和數(shù)據(jù)頭中相應(yīng)項(xiàng)相加才能得到原來的數(shù)據(jù).

2.1 數(shù)據(jù)獲取

本船接收到的周圍船舶AIS信息并非都有用.比如想知道某船舶目前的位置，如果數(shù)據(jù)庫中有該船當(dāng)前時(shí)刻或最近很短時(shí)間內(nèi)的AIS信息，那么該船幾個(gè)小時(shí)前的數(shù)據(jù)就會(huì)是無用數(shù)據(jù)或是之前被發(fā)送過的數(shù)據(jù).因此，有必要對(duì)AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間過濾.另外，AIS信息中包括很多字段，對(duì)于特定的應(yīng)用只需要某些特定字段，例如對(duì)于船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控而言，只需要海上移動(dòng)識(shí)別碼(mmsi)、經(jīng)度(lon)、緯度(lat)以及更新時(shí)間(updatetime，以下簡(jiǎn)稱ut)等字段.因此，還可以通過字段篩選減少數(shù)據(jù)量.這里主要研究定位字段.

定義tg為時(shí)間間隔，tp為過去某時(shí)刻，tn為現(xiàn)在時(shí)刻，則只需獲取時(shí)間區(qū)間TR=［tp，tn］內(nèi)的數(shù)據(jù)，而在tp時(shí)刻以前的數(shù)據(jù)可以近似認(rèn)為是無用數(shù)據(jù).其中

式中的tg須根據(jù)具體情況決定.例如，根據(jù)北斗轉(zhuǎn)發(fā)AIS數(shù)據(jù)的速度，使得北斗正好在某個(gè)tg時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)完所有應(yīng)發(fā)的AIS數(shù)據(jù)，這樣就能保證所有有用的AIS數(shù)據(jù)都有機(jī)會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā).

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)指定船舶的定位，船載AIS接收端在接收到的AIS數(shù)據(jù)后加上優(yōu)先級(jí)(priority)字段，使指定船舶的AIS信息能優(yōu)先被轉(zhuǎn)發(fā).

2.2 數(shù)據(jù)過濾

通過減少重復(fù)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，達(dá)到減輕北斗負(fù)擔(dān)、提高北斗有效利用率的目的.

如果某船舶(稱為A船)的AIS數(shù)據(jù)沒有更新且已通過北斗轉(zhuǎn)發(fā)或更新過，但是其經(jīng)度和緯度與該船之前的AIS信息的相應(yīng)字段的差值——經(jīng)度差(londiff)和緯度差(latdiff)分別小于經(jīng)度差閾值(londiffT)和緯度差閾值(latdiffT)，則稱該AIS數(shù)據(jù)為重復(fù)數(shù)據(jù).已經(jīng)通過北斗轉(zhuǎn)發(fā)的AIS數(shù)據(jù)顯然是重復(fù)數(shù)據(jù)，沒有必要再轉(zhuǎn)發(fā)一次.而之所以把經(jīng)度差和緯度差都小于相應(yīng)閾值的更新過的AIS信息定義為重復(fù)數(shù)據(jù)，是因?yàn)樵谶@種情況下A船基本沒移動(dòng)，其位置可近似認(rèn)為沒變化.

記A船在t時(shí)刻的AIS數(shù)據(jù)為AIS_t，且設(shè)t2=t1+Δt，其中t1為上次從數(shù)據(jù)庫中取數(shù)據(jù)的時(shí)刻，t2為當(dāng)前從數(shù)據(jù)庫中取數(shù)據(jù)的時(shí)刻，若

或

其中

則在t2時(shí)刻取到的A船的AIS數(shù)據(jù)為重復(fù)數(shù)據(jù)，故丟棄該數(shù)據(jù).

設(shè)usefullais為用于存儲(chǔ)已發(fā)送AIS信息的數(shù)據(jù)庫表，則數(shù)據(jù)過濾的流程見圖3.

圖3 數(shù)據(jù)過濾

2.3 去除數(shù)據(jù)表示冗余

篩選出的AIS信息各字段的類型見表1.

表1 AIS信息各字段類型

從表1可以看出，前4個(gè)字段所占的空間都比較大，而本船與周圍船舶之間的距離都不遠(yuǎn)，在緯度上相差1'近似于距離上相距1 n mile，經(jīng)度上略有出入，但也可以作為近似估計(jì).所以，周圍船舶與本船的經(jīng)度差和緯度差應(yīng)該很小.于是，采用差值法，用經(jīng)度差和緯度差代替經(jīng)度和緯度進(jìn)行傳輸，然后在救助指揮中心用相反的過程恢復(fù)其經(jīng)度和緯度.

另外，updatetime 的格式為 yyyy－MM－dd hh－mmss.s.注意到周圍船舶AIS的更新時(shí)間與本船AIS數(shù)據(jù)在年、月、日上更新時(shí)間絕大多數(shù)情況下相同，甚至小時(shí)也相同.如果用本船AIS數(shù)據(jù)更新時(shí)間減去周圍船舶AIS數(shù)據(jù)更新時(shí)間，其差就只包含時(shí)、分、秒、小秒，甚至連時(shí)也沒有，這樣就可大大縮短ut的長度，從而達(dá)到壓縮的效果.程序如下:

2.4 數(shù)據(jù)重組

通常，北斗轉(zhuǎn)發(fā)信息時(shí)一條北斗報(bào)文包含很多條AIS數(shù)據(jù)信息，各AIS信息之間優(yōu)先級(jí)可能不一樣，因此通過北斗轉(zhuǎn)發(fā)周圍船舶AIS信息時(shí)，需要按照某種標(biāo)準(zhǔn)判斷某AIS信息的重要性.例如，要讓基站了解本船周圍的船舶情況，離本船較近船舶的AIS信息就顯得重要些;再如，若基站指定要查找某條船(比如A船)，則A船的AIS信息就顯得格外重要.因此，數(shù)據(jù)重組的過程還應(yīng)該包括優(yōu)先級(jí)的計(jì)算，各AIS信息的排序，以及一條北斗信息所包含的AIS信息數(shù)目的設(shè)定等.

一般情況下，以距離和等待時(shí)間作為優(yōu)先級(jí)的判別因素，要想得到優(yōu)先級(jí)，就得先求出距離d.本船與A船的距離［4］見如下程序:

則優(yōu)先級(jí)取值規(guī)則程序如下:

若某數(shù)據(jù)A不滿足

則令

其中:

pTime為開始數(shù)據(jù)重組的時(shí)刻.

一般情況下，d值越小的船舶在某種程度上對(duì)本船影響越大，故其AIS數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)應(yīng)該越大;但是，如果只考慮距離因素可能導(dǎo)致饑俄現(xiàn)象，即d比較大的數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)都得不到轉(zhuǎn)發(fā)，于是又增加等待時(shí)間因子，等待的時(shí)間越長，其優(yōu)先級(jí)越大.總之，一般情況下優(yōu)先級(jí)與距離成反比，與等待時(shí)間成正比.

有了priority就可以進(jìn)行排序，而采用的數(shù)據(jù)排序算法是最大堆優(yōu)先級(jí)排序法［5］.堆數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一種數(shù)組對(duì)象，它可以被視為一棵完全二叉樹，樹中每個(gè)節(jié)點(diǎn)與數(shù)組中存放該節(jié)點(diǎn)值的那個(gè)元素對(duì)應(yīng).而最大堆是這樣一種堆結(jié)構(gòu):除了根節(jié)點(diǎn)以外的每個(gè)節(jié)點(diǎn) i，有

即某個(gè)節(jié)點(diǎn)的值至多與其父節(jié)點(diǎn)的值一樣大.

假定每次都依次選取前NUM條處理好的AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)重組，則重組后的數(shù)據(jù)格式見表2，數(shù)據(jù)重組的流程見圖4.

表2 重組后的數(shù)據(jù)格式

圖4 數(shù)據(jù)重組流程

3 數(shù)據(jù)壓縮

數(shù)據(jù)預(yù)處理部分是從過濾和差值的角度減少數(shù)據(jù)量，得到的數(shù)據(jù)必須是精簡(jiǎn)的數(shù)據(jù).為了更進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)量，從壓縮算法的角度著手.目前數(shù)據(jù)壓縮的算法分為有損壓縮和無損壓縮［6－7］:無損壓縮主要有霍夫曼編碼、算術(shù)編碼、香農(nóng)－范若編碼、行程編碼(RLE編碼)、LZW編碼以及無損預(yù)測(cè)編碼等;有損壓縮主要有DPCM(Differential Pulse Code Modulation)編碼、DM(Delta Modulation)編碼、DCT變換編碼、小波變換編碼等.由于文本壓縮只能使用無損壓縮，而無損壓縮中LZW編碼的效果相對(duì)最好，但因?yàn)長ZW編碼對(duì)小數(shù)據(jù)壓縮的效果有時(shí)不穩(wěn)定，所以文本直接用java中的GZIPOutputStream和Byte－ArrayOutputStream［8］進(jìn)行壓縮.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其字符串壓縮率平均值在29%左右.

4 北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)

北斗衛(wèi)星每次轉(zhuǎn)發(fā)的字節(jié)數(shù)有限，每次發(fā)射的電文長度不超過120個(gè)漢字［9］，而經(jīng)過上述步驟后的數(shù)據(jù)較大，因此在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)要先拆分?jǐn)?shù)據(jù).為了在接收端能將數(shù)據(jù)重新組合，必須在每條拆分的數(shù)據(jù)前用序號(hào)標(biāo)志，稱之為數(shù)據(jù)報(bào)頭.格式如下:

其中:第1，2個(gè)字節(jié)表示原數(shù)據(jù)被拆分成的條數(shù);第3，4個(gè)字節(jié)表示該數(shù)據(jù)在原數(shù)據(jù)中的序列號(hào);最后兩個(gè)字節(jié)表示該原數(shù)據(jù)在所有數(shù)據(jù)中的序列號(hào).

這樣，在接收端根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)頭判斷該數(shù)據(jù)是否已經(jīng)接收完整，若接收完整就拋棄數(shù)據(jù)報(bào)頭，組裝數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行CRC校驗(yàn);若校驗(yàn)結(jié)果正確，則解壓組裝后的數(shù)據(jù)，若校驗(yàn)結(jié)果不正確，則丟棄該數(shù)據(jù).具體流程見圖5.

圖5 北斗發(fā)送與接收

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖6顯示字符串壓縮率和總壓縮率.由圖可知字符串壓縮率在20% ～40%之間，其平均值約為29%;其總壓縮率的平均值約為2.9%，總壓縮率的取值落在1%～6%之間，與字符串壓縮率相比，其壓縮效果更明顯.總壓縮率由數(shù)據(jù)預(yù)處理和字符串壓縮兩部分組成.數(shù)據(jù)預(yù)處理過濾掉很多無用數(shù)據(jù)、重復(fù)數(shù)據(jù)以及表示冗余數(shù)據(jù)，大大減少數(shù)據(jù)量.隨著間隔tg取值的不同，重復(fù)數(shù)據(jù)量也會(huì)有所不同，因此數(shù)據(jù)預(yù)處理效果的好壞與tg的選擇有關(guān).如果tg過小，則重復(fù)數(shù)據(jù)過多，這樣雖然總壓縮率提高，但是系統(tǒng)做了很多無用功;如果tg過大，則某些數(shù)據(jù)有可能永遠(yuǎn)都得不到發(fā)送.因此，在實(shí)踐中要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整tg的值.

圖6 壓縮率

6 應(yīng)用實(shí)例

6.1 對(duì)遇險(xiǎn)船舶的救助

若A船在某處遇險(xiǎn)，其通過衛(wèi)星發(fā)出遇險(xiǎn)信號(hào)，岸上指揮中心根據(jù)A船位置以及其周圍船舶的情況指揮救助.若A船恰巧在陸上AIS基站的監(jiān)控盲區(qū)，則岸上指揮中心就不能掌握A船的實(shí)時(shí)信息，不利于救助.此時(shí)，若A船上配備有本文研究系統(tǒng)，則可以通過北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)本船的AIS信息，同時(shí)也轉(zhuǎn)發(fā)周圍船舶的AIS信息以便岸上指揮中心了解A船位置及其周圍船舶的分布情況，使岸上指揮中心能更好地指揮救助;若A船沒有配備本文研究系統(tǒng)，但其周圍有船舶能接受到A船的 AIS信息，并配備有本文研究系統(tǒng)，則岸上指揮中心同樣能了解A船的位置和其周圍船舶分布情況.結(jié)果見圖7.

圖7 對(duì)遇險(xiǎn)船舶的救助

6.2 指定船舶監(jiān)控

當(dāng)基站需要知道A船的位置時(shí)，可以通過北斗發(fā)送一條命令，系統(tǒng)接到命令后，在船載AIS終端接收到A船AIS數(shù)據(jù)時(shí)，直接在該AIS數(shù)據(jù)后添加priority字段并令其值為MaxPriority，則系統(tǒng)會(huì)優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)，從而達(dá)到指定船舶監(jiān)控的功能.

7 結(jié)束語

針對(duì)陸上AIS基站存在監(jiān)控盲區(qū)這一缺陷，通過集成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和AIS系統(tǒng)，在合理利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的短報(bào)文通信前提下，有效增大AIS數(shù)據(jù)采集范圍，使船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控范圍覆蓋陸地AIS基站的監(jiān)控盲區(qū).與傳統(tǒng)船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控技術(shù)相比具有如下特點(diǎn):

(1)船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控范圍擴(kuò)展到陸地AIS基站的監(jiān)控盲區(qū);(2)實(shí)現(xiàn)指定船舶監(jiān)控功能;(3)可以用作海上移動(dòng)AIS中轉(zhuǎn)站，實(shí)現(xiàn)對(duì)處于陸地AIS基站盲區(qū)且未配備北斗系統(tǒng)船舶的監(jiān)控;(4)有效壓縮AIS數(shù)據(jù)，降低北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)傳達(dá)相同信息所需轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量.

陸地AIS基站盲區(qū)的船舶AIS數(shù)據(jù)采集也可以通過其他衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，但通過北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本相對(duì)較低.北斗帶寬有限，因此采用一系列措施降低船舶AIS數(shù)據(jù)的傳輸數(shù)據(jù)量.

程序中的時(shí)間間隔tg對(duì)性能影響較大，因此選擇合適的tg很重要，目前在實(shí)踐中主要通過人工選擇來調(diào)節(jié)tg的值.在接下來的工作中，將進(jìn)一步研究如何實(shí)現(xiàn)tg的智能調(diào)節(jié).

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