薛玉成

（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306）

目前，我國海洋經(jīng)濟年均增速為13.6%，占GDP比重越來越大，所以海洋安全非常重要。海上交通越來越受到人們的重視，許多學(xué)者對進港航道水域通航環(huán)境進行了分析研究。劉天喜等[1]探討了主要涉及到評價指標的選取、權(quán)重的計算和評價方法的確定，通過層次單排序法建立評價矩陣得出影響通航環(huán)境的主要因素；吳國棟等[2]通過專家調(diào)查數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析，利用層次分析法獲得各評價因素的權(quán)重，對煙臺港航道環(huán)境安全模型進行綜合評價，并給出了相關(guān)建議；劉永強[3]應(yīng)用未確知測度理論建立了深圳港西部航道水域引航安全評估模型。

雖然上述方法可行且考慮全面，但是數(shù)據(jù)項較多、數(shù)據(jù)獲取困難且計算繁瑣復(fù)雜，實用性不足。隨著AIS（船舶自動識別系統(tǒng)）技術(shù)的發(fā)展，潘家財[4]等人利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)提出了一種通過航速（航向）變化率來反應(yīng)航道通航環(huán)境的方法。

文中分析了已有航道評估方法航速（航向）變化率法在航道通航環(huán)境評估中的不足和缺陷，提出了航速（航向）權(quán)重法對航速（航向）變化率法進行了優(yōu)化，使得結(jié)果更加精確，并且對評估結(jié)果提出了一種量化指標。

1 AIS簡介及解碼

1.1 AIS簡介

AIS（Automatic Identification System），船舶自動識別系統(tǒng)，船舶的AIS報文反應(yīng)出了船舶的動態(tài)、靜態(tài)和航行安全相關(guān)的信息。AIS的語句種類分為明碼和暗碼。暗碼是以‘!’字符開始的語句，這種語句是將真實信息經(jīng)過壓縮編碼后形成的，所以要對接收到的暗碼進行解碼才能獲取有用信息。

暗碼語句的結(jié)構(gòu)如下：

!AIVDM,X,Y,Z,S,C-V*HH,〈CR〈LF＞

!：表明本語句為暗碼語句；AIVDM：標識符，指明本條語句封裝的背景信息；X：發(fā)送該信息需要的句子總數(shù)（1～9）；Y：本句的句子序號（1～9）；Z：連續(xù)信息的識別（0～9）；S：表示接收該條語句的AIS信道號（A/B）；C-C：數(shù)據(jù)段，為封裝信息，即數(shù)據(jù)部分；V：填充字段，因為封裝的字符需要是6的整數(shù)倍，若不滿足則需填充0～5個字符；HH：表示校驗字段，用以判斷該條語句在傳輸過程中是否受干擾而出錯。

1.2 AIS解碼

AIS解碼流程[5-6]為：1）校驗語句是否正確：校驗就是將‘!’和‘*’之間的所有有效字符的ASCII碼進行異或操作，將異或結(jié)果與語句中‘*’后面的兩個字符進行比較，如果相同，則語句正確，否則，語句錯誤。錯誤很可能是由于在信息傳輸過程中受外界干擾造成的。2）判斷報文消息ID（識別碼）：報文的解碼是將數(shù)據(jù)段的ASCII碼轉(zhuǎn)化成6 bit二進制，然后根據(jù)各參數(shù)所占的比特數(shù)進行解析。所有的報文的信息ID都是最前面的6 bit，也就是數(shù)據(jù)段的第一個字符。3）解碼：提取出報文的數(shù)據(jù)段，根據(jù)消息ID，調(diào)用相應(yīng)解碼程序進行解碼。對某艘船舶的AIS報文解碼信息表1所示，前兩列是船舶的一些動態(tài)信息，后兩列是船舶的一些靜態(tài)信息。

2 基于AIS的航道通航環(huán)境評估

2.1 航速（航向）變化率法

在基于AIS的航道通航環(huán)境評估方面，潘家財曾提出這樣一個理論：一片水域的通航環(huán)境好壞，可以根據(jù)歷史船舶經(jīng)過該水域時船舶的航速及航向變化率來間接的反應(yīng)。假如有一片通航環(huán)境不好（船舶擁擠等）的水域，則當一艘船舶經(jīng)過該水域時，該船舶就必須不停的通過改變航速和航向來避免與其他船舶等發(fā)生碰撞；如果是一片通航環(huán)境良好的水域，那么船舶會按照已設(shè)定的航速和航向航行，就不必不停地改變航速和航向了。所以對船舶經(jīng)過一片水域時的航速及航向變化率的研究對航道通航環(huán)境的評估具有一定參考價值。

采用公式（1）來獲取船舶的航速及航向變化率。

航速（航向）變化率=相鄰時間航速（航向）差值/相鄰時間間隔…… （1）

公式（1）中的航速（航向）值和相鄰時間間隔來自于對接收到的船舶的AIS報文的解碼所得。本文選擇了2012年7月17日航行在上海市浦東新區(qū)和長興島之間航道的船舶“SHANGHAI SUPEREXPRES”的數(shù)據(jù)進行了研究，由解碼后數(shù)據(jù)繪制出圖1船舶平面航跡圖和圖2船舶航跡在Google Earth上顯示的航跡實況圖。

圖1 船舶平面航跡圖Fig. 1 Planar track map

對該艘船舶的AIS報文解碼后進行數(shù)據(jù)挖掘處理分析的結(jié)果進行可視化顯示如圖3所示。圖3中的（a）圖是船舶的航跡圖及航速變化率和航向變化率隨航跡的變化情況；（b）圖表示船舶的航向（COG）在二維圖中隨航跡的變化，其中航跡選經(jīng)度表示；（c）圖表示船舶的航速（SOG）在二維圖中隨航跡的變化，航跡也選經(jīng)度表示。由圖3中（a）圖可知船舶在其整個航行區(qū)間內(nèi)其航速和航向變化率都有不同程度的變化，由（b）圖和（c）圖可以定位航向和航速變化較明顯的航行區(qū)域，當船舶航行在121.625°E—121.725°E區(qū)間內(nèi)其航速和航向都有較明顯的變化。而根據(jù)圖1船舶平面航跡圖可知，船舶大概在121.67°E—121.70°E區(qū)間航行時較明顯地改變了航線，由此可知，航速（航向）變化率法的評估精確度不理想。

2.2 航速（航向）權(quán)重法

2.2.1 定性評估

前面介紹的航速（航向）變化率法具有一定的合理性，但是評估結(jié)果是由航速變化率和航向變化率兩個變化量共同影響的，此方法將兩個變化量分開單獨考慮，可能是導(dǎo)致評估精確度不理想的原因。

文中提出了一個對其進行優(yōu)化改進的方法：航速（航向）權(quán)重法。航速（航向）權(quán)重法對航速變化率和航向變化率這兩個變化量進行了簡化，選擇了新參數(shù)航速變化量和航向變化量，并將新的參數(shù)進行了綜合考慮得到一個航速航向總變化量df，并且分別給航速變化量和航向變化量分配權(quán)重，利用總變化量隨船舶航跡的改變情況來評估航道通航環(huán)境。根據(jù)經(jīng)驗，當船舶遇到緊急交通擁擠時，多數(shù)情況下主要是實行改變航向，輔助于改變航速來保證船舶自身的航行安全，所以航向變化量的權(quán)重（β）要比航速變化量的權(quán)重（α）要大。df的值由公式（2）確定。df=相鄰時間航速變化量(dsog)2a+相時間航向變化量

圖2 船舶航跡實況圖Fig. 2 The ship track live diagram

圖3 航速（航向）權(quán)重法Fig. 3 Speed ( heading ) weight method

圖4 航速（航向）權(quán)重法Fig. 4 Speed ( heading ) weight method

圖5 預(yù)測問題水域與實際問題水域的6種相對關(guān)系Fig. 5 Six kinds of relative relationship between the predicted and actual problem waters

根據(jù)經(jīng)驗，航速變化率權(quán)重α=0.4，航向變化率權(quán)重β=0.6。

實驗結(jié)果如圖4所示。圖4中的df=dsog2*α+dcog2*β為由航速變化量（dsog）和航向變化量（dcog）構(gòu)成的總變化量。圖4中的（a）圖很明顯的顯示出當船舶航行在121.65°E—121.70°E區(qū)間時航速航向總變化量df有十分明顯的變化，由（b）和（c）圖可以精確的定位通航環(huán)境問題水域為121.68°E—121.70°E，31.33°N—31.345°N區(qū)間。航速（航向）權(quán)重法綜合考慮了兩個變化量對結(jié)果的影響，比航速（航向）變化率法評估精確度更高。

2.2.2 量化指標

預(yù)測問題水域和實際問題水域的相對關(guān)系有圖5中6種關(guān)系。其中，pl為預(yù)測問題水域的長度，L為實際問題水域的長度，r0為pl與L的交集，r1為預(yù)測冗余段（r1=pl-r0）。由圖知，情況(a)和(b)的預(yù)測完全無效，情況(c)、(d)、(e)和F是有效的。我們引入預(yù)測完整度和預(yù)測冗余度兩個量化公式來量化其準確性程度，預(yù)測完整度越大、預(yù)測冗余度越小說明預(yù)測結(jié)果的準確性越高。公式如式（3）和式（4）。

pl的確定依賴于評估算法；L的確定引入了方差理論和波動說，根據(jù)船舶的航向的均值求出航向的一次波動，由于一次波動求出的L與船舶的航跡相比較并不是很理想，所以引入了二次波動，由其一次波動的均值求出其二次波動，由二次波動求出的L經(jīng)實驗證明，效果是很好的。表2和圖6列出了航速（航向）變化率法的航速變化率（psog）、航向變化率（psog）與航速（航向）權(quán)重法中的總變化量（df）的預(yù)測結(jié)果。

圖6中，pl_psog是由航速變化率預(yù)測的問題水域，即圖中兩個上三角之間的航跡區(qū)間，pl_pcog是由航向變化率預(yù)測的問題水域，即圖中兩個加號之間的航跡區(qū)間，pl_df是航速（航向）權(quán)重法預(yù)測的問題水域，即圖中兩個圓圈之間的航跡區(qū)間，L是實際的問題水域，即圖中兩個星號之間的航跡區(qū)間。由表2和圖6知，航速（航向）變化率法預(yù)測結(jié)果的完整度很高，但是其冗余度也很高；航速（航向）權(quán)重法預(yù)測結(jié)果極大的降低了預(yù)測冗余度，同時又具有很高的完整度，所以預(yù)測結(jié)果非常理想。

表2 預(yù)測結(jié)果的表格比較Tab.2 Table comparison of the prediction results

圖6 預(yù)測結(jié)果的圖比較Fig. 6 Map comparison of the prediction results

3 結(jié)束語

文中對AIS作了簡單的介紹，文章第二部分在基于解碼出的AIS數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析了基于AIS的現(xiàn)有航道通航環(huán)境評估方法航速（航向）變化率法的缺陷，對其進行優(yōu)化，提出了評估效果更好的航速（航向）權(quán)重法。同時文中提出了評估結(jié)果的量化指標，使得實驗結(jié)果具有更高的客觀性和科學(xué)性。本文提出的航速（航向）權(quán)重法的實驗結(jié)果雖然較航向（航速）變化率法的實驗結(jié)果有更高的精度，但是理論依據(jù)不充分，有待進一步完善。量化指標中的實際問題水域的長度L的提出僅是從船舶的航向變化來反應(yīng)船舶航行狀況，此研究有待進一步深入。

[1]劉天喜,黃秋贏.對影響沿海海域主航道通航環(huán)境因素的評估[J].航海工程, 2011 (4):23-25.

LIU Tian-xi, HUANG Qiu-ying.Research on comprehensive assessment of navigational environment of the fairway in sea areas[J]. Marine Engineering, 2011(4):23-25.

[2]吳國棟,姚 煙臺港航道通航環(huán)境模糊綜合評估[J].中國水運,2011,11(1):8-9.

WU Guo-dong,YAO Kun.Navigation environment fuzzy assessment in Yantai port[J].China Water Transport, 2011,11(1):8-9.

[3]劉永強.深圳港西部航道水域引航安全評估[J].中國水運,2011,11(6):13-15.

LIU Yong-qiang. Safety assessment in west channel of Shenzhen port[J]. China Water Transport, 2011,11(6):13-15.

[4]潘家財,邵哲平,姜青山.數(shù)據(jù)挖掘在海上交通特征分析中的應(yīng)用研究[J].中國航海.2010,33(2):60-62.

PAN Jia-cai, SHAO Zhe-ping,JIANG Qing-shan. Application of data mining technology in analysis of marine traffic characteristics[J].Navigation of China,2010,33(2):60-62.

[5]黃麗卿, 胡穩(wěn)才,邵哲平.AIS輸出數(shù)據(jù)包的解包技術(shù)研究[J]. 集美大學(xué)學(xué)報,2005,10(1):37-41.

HUANG Li-qing,HU Wen-cai,SHAO Zhe-ping. Study on techniques of decoding output data packages from AIS[J]. Journal of Jimei University,2005,10(1):37-41.

[6]莫紅飛,張勇.AIS數(shù)據(jù)解碼分析[J].計算機光盤軟件及應(yīng)用,2012(6): 60-61.

MO Hong-fei,ZHANG Yong.Decoding and anlysis of AIS data[J].Computer CD Software and Application,2012(6):60-61.