● 文 |中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所 王飛

海上安全監(jiān)管，數(shù)字科技護(hù)航
——基于海上區(qū)域安全監(jiān)管的數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)簡介

● 文 |中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所 王飛

一、引言

“誰控制了海洋，誰就控制了世界?！焙Ｑ笠呀?jīng)成為當(dāng)今人類社會(huì)賴以生存的保障，在經(jīng)濟(jì)、軍事上都有極其重要的戰(zhàn)略地位。十八大以來，黨和政府更是把打造“海洋強(qiáng)國”作為新時(shí)期的重要戰(zhàn)略，加強(qiáng)海上安全監(jiān)管既是維持我國海域安全的重要保障，也是我國堅(jiān)持“獨(dú)立自主和平外交政策”的題中之義。因此，提升海上區(qū)域安全的監(jiān)管水平和服務(wù)能力對(duì)建設(shè)服務(wù)型政府和海洋強(qiáng)國具有重要的實(shí)踐意義[1]。

隨著我國信息化水平的不斷提升，各種海上安全監(jiān)管部門越來越多地應(yīng)用基于船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）、北斗、雷達(dá)等軌跡時(shí)空數(shù)據(jù)的服務(wù)系統(tǒng)輔助海上安全監(jiān)管，如船舶交通服務(wù)系統(tǒng)（VTS）[2]。海上信息系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用為有關(guān)部門提升海上監(jiān)管能力起到了巨大的促進(jìn)作用。

然而，隨著海上態(tài)勢(shì)日趨復(fù)雜化，以及海上安全監(jiān)管的領(lǐng)域逐漸多樣化，傳統(tǒng)的海上安全監(jiān)管系統(tǒng)存在著一些問題，比如，多源時(shí)空數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)差，區(qū)域?qū)崟r(shí)事件甄別能力不高，缺乏基于大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的深度分析，監(jiān)管系統(tǒng)信息共享困難等，從而制約了新時(shí)期海上監(jiān)管能力的提高。

中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所作為“大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)國家工程實(shí)驗(yàn)室”，一直致力于推動(dòng)數(shù)據(jù)分析挖掘方面的科技創(chuàng)新。中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所的科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過長期的深入研究，自主研發(fā)了“基于海上區(qū)域安全監(jiān)管的數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)”，旨在解決現(xiàn)有海上安全監(jiān)管系統(tǒng)存在的諸多問題，將既有感知優(yōu)勢(shì)、數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)換為信息優(yōu)勢(shì)并形成科學(xué)決策。本文將對(duì)該系統(tǒng)的功能特點(diǎn)、性能指標(biāo)以及技術(shù)亮點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)介紹。該系統(tǒng)在海警、海監(jiān)、海事等眾多機(jī)構(gòu)體系中具有較高的應(yīng)用價(jià)值，未來系統(tǒng)會(huì)更加著力于海洋數(shù)據(jù)的多源融合和判斷海上目標(biāo)的行為能力和行為意圖。

二、系統(tǒng)特點(diǎn)

1.規(guī)模數(shù)據(jù)清洗和多源實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

目前，海上目標(biāo)接收的原始船舶軌跡數(shù)據(jù)，存在大量的重復(fù)數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)、野點(diǎn)和噪聲。同時(shí)，由于部分導(dǎo)航系統(tǒng)（如AIS）采用的是協(xié)作式信息傳輸，常常存在非法船只冒用其他船只的身份ID，造成監(jiān)管過程中對(duì)目標(biāo)身份識(shí)別障礙。

針對(duì)這些現(xiàn)象，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理程序采用了對(duì)原始數(shù)據(jù)的多層次和多維度的規(guī)模清洗，實(shí)現(xiàn)對(duì)非合作目標(biāo)點(diǎn)跡、航跡的數(shù)據(jù)逐條辨別。對(duì)于共用身份ID的船舶，把其軌跡數(shù)據(jù)通過時(shí)空平滑關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了將共用ID的多條船舶的軌跡分離，在多個(gè)維度上綜合保障了數(shù)據(jù)高質(zhì)量，幫助監(jiān)管部門正確識(shí)別目標(biāo)的身份信息。

為綜合判斷海上態(tài)勢(shì)，海上監(jiān)管部門往往需要在監(jiān)控系統(tǒng)中同時(shí)接入多個(gè)數(shù)據(jù)源，如AIS、雷達(dá)、北斗等。然而，由于不同數(shù)據(jù)源的傳感設(shè)備獨(dú)立，原始數(shù)據(jù)格式不一，造成監(jiān)管人員面對(duì)過大的數(shù)據(jù)量，難以對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)源的信息進(jìn)行綜合分析，形成決策。該系統(tǒng)通過自主研發(fā)的綜合處理程序?qū)⒉煌瑏碓吹拇皵?shù)據(jù)進(jìn)行了有效關(guān)聯(lián)。

不同來源的船舶數(shù)據(jù)一旦經(jīng)程序判斷為是同一船舶的，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行目標(biāo)航跡的合并，有效降低了系統(tǒng)監(jiān)管人員的認(rèn)知負(fù)擔(dān)。另外，目前普遍認(rèn)為，程序上對(duì)信息的分析不能完全取代人工的分析。所以，監(jiān)管人員可以在前臺(tái)對(duì)船舶進(jìn)行人工干預(yù)，提高對(duì)目標(biāo)身份識(shí)別的準(zhǔn)確性。具體而言，對(duì)于無法自動(dòng)融合的原始信息，前端在經(jīng)過人工分析后，確認(rèn)為同一目標(biāo)的，可以人工合并為同一目標(biāo)；對(duì)于自動(dòng)融合但經(jīng)人工分析確認(rèn)為不同目標(biāo)的原始信息，可人工拆分為多個(gè)原始目標(biāo)。將海上目標(biāo)軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行有效時(shí)空關(guān)聯(lián)的最終目的在于將海洋方面的感知優(yōu)勢(shì)、數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，通過時(shí)空融合轉(zhuǎn)換為信息優(yōu)勢(shì)，最終促進(jìn)決策。

2.全方位、多層次的區(qū)域?qū)崟r(shí)監(jiān)控

系統(tǒng)可以對(duì)全球在航的十幾萬艘船舶進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控?？梢酝ㄟ^柵格圖或綠點(diǎn)圖的形式，實(shí)時(shí)展現(xiàn)全球或指定區(qū)域的整體海上態(tài)勢(shì)。通過特定的檢索條件，如ID、船名、國際海事組織（IMO）船舶識(shí)別號(hào)、呼號(hào)等，可以迅速定位至指定目標(biāo)所在位置，查看其基本目標(biāo)信息（靜態(tài)信息、動(dòng)態(tài)信息）和檔案信息。

為便于對(duì)特殊目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤，系統(tǒng)提供重點(diǎn)目標(biāo)關(guān)注和航跡顯示功能。用戶可將疑似目標(biāo)設(shè)置為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，實(shí)時(shí)跟蹤目標(biāo)動(dòng)態(tài)，并且，目標(biāo)隨時(shí)間移動(dòng)可動(dòng)態(tài)繪制航行軌跡。系統(tǒng)也允許用戶在前臺(tái)人工設(shè)置區(qū)域的范圍，統(tǒng)計(jì)區(qū)域的實(shí)時(shí)船舶數(shù)量，并進(jìn)行可視化展示。

此外，為便于監(jiān)管機(jī)構(gòu)及時(shí)采取措施應(yīng)對(duì)突如其來的異常事件，保障區(qū)域船舶的安全，系統(tǒng)提供了對(duì)目標(biāo)和區(qū)域的異常事件的實(shí)時(shí)跟蹤功能?；诤Ｑ髸r(shí)空數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以對(duì)諸如船舶駛?cè)雲(yún)^(qū)域、區(qū)域船舶異常聚集、船舶通訊設(shè)備關(guān)閉、船速過快等異常事件進(jìn)行實(shí)時(shí)警告提醒。監(jiān)管人員可以根據(jù)實(shí)際情況或經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人為設(shè)置各異常事件的閾值參數(shù)。對(duì)于大規(guī)模異常事件，系統(tǒng)以柵格作為單元計(jì)算相應(yīng)海區(qū)的安全指數(shù)，供監(jiān)管人員參考。

3.基于大規(guī)模歷史數(shù)據(jù)的深度挖掘

在歷史數(shù)據(jù)服務(wù)方面，系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)架構(gòu)可以對(duì)海量的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。系統(tǒng)可以對(duì)自定義區(qū)域的歷史船舶進(jìn)出量進(jìn)行多維統(tǒng)計(jì)，并進(jìn)行可視化展示。同時(shí)，還可以對(duì)該區(qū)域的歷史污染物排放量進(jìn)行計(jì)算和可視化展示。

深入分析監(jiān)管區(qū)域船舶的行為規(guī)律，對(duì)于科學(xué)制定監(jiān)管政策、提升服務(wù)能力具有重要意義。系統(tǒng)通過自主研發(fā)的獨(dú)特計(jì)算框架可以對(duì)全球船舶歷史軌跡進(jìn)行深入挖掘分析，并渲染形成高分辨率的熱力圖，空間粒度可達(dá)1度×1度。從類型上，支持對(duì)船舶密度、交通密度、平均船速密度、AIS覆蓋密度等進(jìn)行計(jì)算分析和渲染。從船種上，可以對(duì)AIS支持的各種船舶類型分別進(jìn)行計(jì)算。熱力圖具有多方面的優(yōu)勢(shì)，可以為進(jìn)一步分析區(qū)域和船舶的異常行為事件提供基礎(chǔ)，甚至可以幫助制定改善區(qū)域海洋生態(tài)環(huán)境的政策[3]。

4.多節(jié)點(diǎn)、多終端信息共享

目前，我國海上區(qū)域監(jiān)管部門是一個(gè)包含著不同節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)，包括總節(jié)點(diǎn)和下級(jí)節(jié)點(diǎn)。為保證不同節(jié)點(diǎn)之間重要信息可以實(shí)現(xiàn)共享，任一節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)都可以按照特定的分發(fā)條件，向其所歸屬的整個(gè)安全監(jiān)管系統(tǒng)內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息分發(fā)。分發(fā)條件包括：指定信息類型、指定區(qū)域、指定目標(biāo)等。每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以實(shí)時(shí)查看信息分發(fā)與信息接收的當(dāng)前狀態(tài)與詳細(xì)信息。

同時(shí)，系統(tǒng)不但可以保證不同節(jié)點(diǎn)之間的信息共享，同一節(jié)點(diǎn)的不同終端也可以實(shí)現(xiàn)信息的高度共享。系統(tǒng)后臺(tái)可以在同一節(jié)點(diǎn)的不同顯示終端上實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的遠(yuǎn)程訪問。比如，用戶可以在監(jiān)管室通過二維軟件端對(duì)管轄區(qū)域的海上實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)進(jìn)行監(jiān)控，也可以在其他電腦終端使用WEB瀏覽器遠(yuǎn)程訪問該節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的海上態(tài)勢(shì)信息，做到同一節(jié)點(diǎn)內(nèi)部信息的高度共享。

三、系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

1.大數(shù)據(jù)架構(gòu)下的海量數(shù)據(jù)儲(chǔ)存

海上目標(biāo)的數(shù)據(jù)類型多樣，既有數(shù)據(jù)量較大的歷史軌跡數(shù)據(jù)，也有需要長期保存的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和需要經(jīng)常訪問的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)。比如，就目標(biāo)軌跡數(shù)據(jù)而言，我國海域一個(gè)小時(shí)內(nèi)接收到北斗消息大概為幾萬條，而接收到AIS的消息數(shù)量可達(dá)到十萬條，因而對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力提出了挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的合理存儲(chǔ)，系統(tǒng)采用了內(nèi)存數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫、分布式數(shù)據(jù)庫的分級(jí)存儲(chǔ)方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱點(diǎn)數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)迅速查詢響應(yīng)，也克服了海量歷史數(shù)據(jù)不能有效存儲(chǔ)的難題。

2.多源數(shù)據(jù)的并發(fā)接入

為保證多源數(shù)據(jù)的高密度接入，系統(tǒng)利用異步且事件驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序框架，實(shí)時(shí)接入不同來源的船舶點(diǎn)跡數(shù)據(jù)，進(jìn)行去重和濾除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)等預(yù)處理工作。針對(duì)大流量、高頻率的數(shù)據(jù)接入，在設(shè)計(jì)中采用了異步非阻塞、零拷貝、內(nèi)存池、自動(dòng)解包等技術(shù)保證性能的實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)處理密度可達(dá)到每分鐘并發(fā)接入15萬個(gè)點(diǎn)跡，峰值為每分鐘120萬個(gè)點(diǎn)跡。

3.大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理容量

對(duì)經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)，采用特殊的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)技術(shù)對(duì)不同來源的船舶數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全球近十幾萬在線船舶數(shù)據(jù)的處理，大大提高了數(shù)據(jù)處理的容量。大量船舶目標(biāo)在前臺(tái)高性能的標(biāo)繪顯示與用戶體驗(yàn)直接相關(guān)，因此是整個(gè)系統(tǒng)性能的重要組成部分。充分發(fā)揮圖形引擎渲染技術(shù)支持大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可視化處理的優(yōu)勢(shì)，大大提升大數(shù)據(jù)的處理能力和展現(xiàn)能力，使得更豐富的可視化樣式成為可能，在動(dòng)態(tài)時(shí)空數(shù)據(jù)渲染的背景下可充分體現(xiàn)其高效性。

4.高效的數(shù)據(jù)檢索

為提升檢索效率，系統(tǒng)自主研發(fā)了海上大規(guī)模離散實(shí)體多屬性時(shí)空點(diǎn)數(shù)據(jù)增效引擎。該引擎對(duì)軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓縮處理，在內(nèi)存中同時(shí)保存壓縮前和壓縮后的數(shù)據(jù)。更重要的是，引擎建立了覆蓋典型近離線場(chǎng)景（時(shí)間相關(guān)查詢場(chǎng)景、空間相關(guān)查詢場(chǎng)景）、分區(qū)域等級(jí)（較大區(qū)域、中等區(qū)域、較小區(qū)域）時(shí)空索引，大大提高了不同時(shí)空?qǐng)鼍跋碌牟樵冺憫?yīng)時(shí)間。在小規(guī)模集群（5臺(tái)×8核CPU×16GB內(nèi)存）下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類別時(shí)空查詢的秒級(jí)響應(yīng)。

四、應(yīng)用前景及發(fā)展方向

1.應(yīng)用前景

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)的并發(fā)接入和融合處理，可以對(duì)海上區(qū)域的船舶信息進(jìn)行全方位、多層次的實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)可以對(duì)大規(guī)模的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，在海上區(qū)域安全監(jiān)管領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。海上安全監(jiān)管部門（如海警、海監(jiān)等）可利用系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控區(qū)域的安全態(tài)勢(shì)，即時(shí)捕捉發(fā)生的異常事件，并根據(jù)異常事件的類型和時(shí)空信息迅速做出決策，以應(yīng)對(duì)突發(fā)的異常事件。比如，在發(fā)現(xiàn)某區(qū)域船舶異常聚集量過大時(shí)，可采取可行措施，疏解區(qū)域船舶，避免出現(xiàn)船只碰撞等交通事故。同時(shí)，還可以根據(jù)對(duì)大規(guī)模歷史數(shù)據(jù)的挖掘結(jié)果，分析區(qū)域船舶的活動(dòng)規(guī)律，科學(xué)地制定安全監(jiān)管措施。

此外，由于系統(tǒng)具有完備的多源數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)，以及較高的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量、數(shù)據(jù)處理密度、數(shù)據(jù)處理容量和數(shù)據(jù)檢索速度，也可用于特定場(chǎng)景下的軍事情報(bào)分析任務(wù)。

2.發(fā)展方向

第一，提高對(duì)目標(biāo)行為能力和行為意圖的判斷預(yù)測(cè)。

鑒于海上安全監(jiān)管的形勢(shì)日趨復(fù)雜，為保證監(jiān)管部門及人員更加便利地實(shí)施監(jiān)管行為，未來有必要增加對(duì)目標(biāo)行為能力和行為意圖的判斷。比如，海上事故頻發(fā)，事故發(fā)生地點(diǎn)能否迅速、及時(shí)、有效地接受援助，是保障船上人員和財(cái)產(chǎn)安全的重要基礎(chǔ)。然而，由于事發(fā)地點(diǎn)的距離以及其他因素，搜救船隊(duì)往往不能及時(shí)到達(dá)。因此，對(duì)周邊船舶救援能力的有效評(píng)估可極大有助于事故救援，保障事故發(fā)生時(shí)有船舶迅速進(jìn)行響應(yīng)。再如，海上安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)經(jīng)常需要對(duì)重點(diǎn)關(guān)注目標(biāo)（疑似走私船舶）進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。基于目標(biāo)已有的歷史軌跡形成的軌跡預(yù)測(cè)，結(jié)合對(duì)其行為能力的判斷，有利于監(jiān)管人員對(duì)目標(biāo)迅速做出應(yīng)對(duì)反應(yīng)。

第二，結(jié)合多類型海洋數(shù)據(jù)，全方位分析海上態(tài)勢(shì)信息。

海洋數(shù)據(jù)類型多樣，包括海洋基礎(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)、海洋遙感數(shù)據(jù)、海洋經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等幾個(gè)大類數(shù)據(jù)[4]。結(jié)合其他海洋數(shù)據(jù)有助于綜合分析海上態(tài)勢(shì)信息，從而做出科學(xué)的決斷。計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的快速發(fā)展使海洋資料信息服務(wù)從單一方式向可視化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展[5]，從而為融合多源數(shù)據(jù)提供了有利條件?；诖?，未來服務(wù)于海上區(qū)域安全監(jiān)管的數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)可將海洋水文、海洋氣象、海洋生物、海洋化學(xué)、海洋地形等數(shù)據(jù)與船位信息進(jìn)行融合，以便于監(jiān)管部門全面分析海上區(qū)域的情況，綜合保障海上區(qū)域安全。

綜合考慮了以上兩點(diǎn)趨勢(shì)，中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所的科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)展開了有關(guān)的工作，著力打造“海上大規(guī)模離散實(shí)體多屬性時(shí)空點(diǎn)數(shù)據(jù)增效引擎”，旨在把海上可感知的各種數(shù)據(jù)（包括海洋現(xiàn)象與海洋要素?cái)?shù)據(jù)，以及海上目標(biāo)活動(dòng)數(shù)據(jù)）進(jìn)行高質(zhì)量的時(shí)空融合，繼續(xù)提高數(shù)據(jù)檢索的效率，增強(qiáng)分析目標(biāo)行為能力和行為意圖的技術(shù)支持，從而真正實(shí)現(xiàn)感知優(yōu)勢(shì)和數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為信息優(yōu)勢(shì)，輔助決策制定。

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