摘 要：本文探討了AIS設備在VTS系統(tǒng)中的應用，還分析了VTS系統(tǒng)、AIS與雷達的作用。提出實現(xiàn)雷達信息與AIS信息融合的必要性，并對信息融合的基本原理與方法步驟展開說明，有效解決了不同設備中同一信息的處理差異問題。文章最后說明在信息融合過程中存在的問題，為未來的研究指明的方向。

關鍵詞：VTS系統(tǒng);AIS;雷達;信息融合

AIS信息與VTS中雷達信息融合是在船上的多種傳感器有效綜合處理，得到可靠、高精度的導航數(shù)據(jù)，為船岸通信導航需求服務的背景下提出來的。在科技進步的推動下，船岸的通信設備日益增加，不僅給船舶的航行安全提供了保障，還提高了航運效率，在海洋環(huán)境保護方面也提供了有力的技術支持。但是，由于各類導航傳感器之間提供的數(shù)據(jù)精度存在差異，且如AIS、雷達等提供的信息中存在關聯(lián)和冗余，這就給數(shù)據(jù)處理與分析帶來了一定的困難，并造成了資源浪費。本文就雷達信息與AIS信息融合的必要性和方法步驟等展開論述。

1 VTS系統(tǒng)與AIS作用分析

1.1 VTS系統(tǒng)的作用

VTS（Vessel Traffic Service）是一種由雷達、AIS、CCTV、無線通訊等子系統(tǒng)組成的對在港灣或進出港口的船舶實施監(jiān)控、協(xié)調，并給這些船舶提供航行中所需的安全信息的交通管理系統(tǒng)[1]。國際海事組織（IMO）對VTS的定義是：由主管機關實施的，用于增進交通安全和提高交通效率以及保護環(huán)境的服務[2]。VTS系統(tǒng)具有四大功能：信息服務、助航服務、交通組織服務和聯(lián)合服務。當前，在我國的沿海城市，VTS系統(tǒng)已經(jīng)在船舶運輸管理、海事部門行政執(zhí)法和保護國家海洋權益等方面發(fā)揮重要作用。

1.2 雷達系統(tǒng)

在VTS中，雷達系統(tǒng)是重要組成部分。雷達系統(tǒng)是船舶實時動態(tài)數(shù)據(jù)搜集和交通監(jiān)視的主要工具。雷達的主要任務包括[3]：目標檢測與錄取、目標跟蹤、運動參數(shù)計算和危險局面判斷等。VTS想要對整個區(qū)域的交通狀況進行評估，就需要通過雷達系統(tǒng)獲得雷達圖像。通過雷達圖像，可快速直觀的判斷航道船舶密度，運動情況，進而找到存在碰撞、擱淺等危險的區(qū)域，或者海事發(fā)生后可能造成危險發(fā)展的嚴重程度等，進而確定是否需要采取必要行動措施。

1.3 AIS系統(tǒng)

AIS（Automatic Identification System）是船舶自動識別系統(tǒng)，誕生于20世紀90年代。國際海事組織對AIS系統(tǒng)的描述為：AIS是一種船上改善避碰效果的方法;AIS是一種不用雷達即可使VTS獲得交通狀態(tài)的方法;AIS是一種制定船舶報告計劃的方法。AIS 根據(jù)船舶的航行狀態(tài)，以一定的時間間隔不斷發(fā)送信息。這些信息主要包括靜態(tài)信息和動態(tài)信息。靜態(tài)信息包括IMO識別編碼，海上移動業(yè)務識別碼（MMSI），呼號及船名，船長，船寬，船舶類型，定位儀天線（主要是GPS）在船上的位置（離船舶距離和中心線左右距離）。動態(tài)信

息主要是船位及其精度標示和完好性狀態(tài)，世界協(xié)調時UTC 時間，真航向，對地航速，艏向，航行狀態(tài)，轉向速率等[4]。

2 AIS在VTS中的應用

目前，大多數(shù) VTS是以雷達為基礎進行船舶數(shù)據(jù)的采集和跟蹤，而VHF話音通信是船舶的交通服務的主要方式。將AIS技術引入VTS，對VTS的船舶數(shù)據(jù)采集與跟蹤以及實施服。AIS的引入對VTS的影響包括三個方面[4]：自動船舶識別與提高船舶數(shù)據(jù)質量;擴展跟蹤范圍和改善跟蹤性能以及改善和擴展服務功能。

3 信息融合的必要性[5]

按照SOLAS 1974要求，從事國際運輸?shù)默F(xiàn)代化船舶至少應配備1臺電子海圖顯示與信息系統(tǒng)ECDIS和2臺雷達/ARPA。在雨、霧和各類船舶密集區(qū)域，船舶如果同時使用2臺雷達，由于其天線的位置和目標船舶的相對關系以及無線電波的波長不同，在ECDIS上就會出現(xiàn)對同一船舶的2個回波顯示，再加上AIS信息，顯示器上就會出現(xiàn)3個不同的船位顯示。這樣很可能會造成駕駛員對情況誤判，最終引起風險。

同一船舶的ARPA和AIS的數(shù)據(jù)來源和處理方式不同（對地運動和對水運動，歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)），所以通過雷達/ARPA和AIS獲得的目標船的運動參數(shù)是不同的。

AIS 的船舶靜態(tài)信息、航行相關信息以及與安全有關的短信息與雷達信息無關，而船舶動態(tài)信息與雷達信息有關。因此，AIS 信息與雷達信息的融合主要是AIS船舶動態(tài)信息與雷達信息的融合。

4 信息融合的基本原理

信息融合是充分利用多傳感器系統(tǒng)的資源，通過對多傳感器系統(tǒng)觀測信息的合理支配和利用，把多傳感器系統(tǒng)在空間或時間上的冗余或互補信息依據(jù)一定的準則進行融合，以獲得被測對象的一致性解釋和描述[6]。在信息融合技術中，多傳感器系統(tǒng)是信息融合的硬件基礎，多源信息是信息融合的處理對象，分析和綜合處理是信息融合的核心[7]。

信息融合一般分為三級，從低到高依次為[8]：數(shù)據(jù)級融合、特征級融合和決策級融合，其中決策級融合是最高級的融合。信息融合的模式分為集中式融合和分布式融合[8]。

各傳感器單獨跟蹤目標，利用自己的量測做出本地判決結論，將估計結果向數(shù)據(jù)融合中心報送，數(shù)據(jù)融合中心在更高層次上集中多方面數(shù)據(jù)做出進一步的相關合成處理[9]。集中式融合傳送的數(shù)據(jù)全面，無信息丟失，最終判決結論置信度高;而分布式融合傳送的數(shù)據(jù)量少，對傳輸網(wǎng)絡的要求不嚴格，融合中心處理時間短，計算速度快、可靠性和延續(xù)性好，響應速度快。集中式融合傳送數(shù)據(jù)量大，對處理器的要求高，可靠性較低，信息處理時間較長，影響系統(tǒng)響應能力;分布式融合的跟蹤精度沒有集中式高。

5 信息融合的方法與步驟

5.1 信息融合的方法

信息融合處理方法按技術方法和組合方式可分為多種[10-11]，如表1所示。

5.2 AIS與VTS的雷達/ARPA信息融合的步驟

判別一個目標的存在，AIS的信息為即時運動參數(shù)，雷達型的ARPA的矢量圖是通過歷次雷達數(shù)據(jù)推算而得出，性質不一樣。當AIS 船位信息與雷達回波相近時兩者融合在一起，顯示一個船舶信息;相差較大時則分別顯示AIS 信息與雷達回波信息。對于后者，如何顯示目標較真實的運行狀態(tài)亦即信息融合的問題。圖1是雷達和AIS各自獲得的數(shù)據(jù)融合步驟的示意圖。

1）雷達獲得目標的距離R（m）和方位（°），AIS獲得目標位置的經(jīng)度L和緯度l。

2）將數(shù)據(jù)送入處理器之前，要確保兩種設備所獲得數(shù)據(jù)的時間同步。

3）將雷達探測到的目標航跡與AIS 所提供的目標航跡進行關聯(lián)，找出屬于同一個目標的AIS 目標航跡和雷達目標航跡。

4）數(shù)據(jù)融合之前，要進行數(shù)據(jù)的坐標變換，兩者的數(shù)據(jù)采用同一格式。

5）把航跡關聯(lián)的的目標數(shù)據(jù)以某種算法準則（正態(tài)型隸屬度函數(shù)）進行歸一化處理，實現(xiàn)兩種信息的互補，提高數(shù)據(jù)融合的質量。

6 信息融合中存在的問題

進行信息融合處理的重要前提是兩者信息的時間、空間統(tǒng)一，關鍵是信息的相關性判別，最終目標是形成中心級航跡。VTS 中環(huán)境復雜，目標數(shù)量大，實時性強，對目標信息融合，必須考慮各種算法的有效性、可靠性。同時，要考慮算法本身存在的系統(tǒng)誤差，以及誤差對航跡關聯(lián)與航跡融合的影響。 融合的算法大體上分兩大類：一是基于統(tǒng)計的方法，再就是基于模糊數(shù)學的方法，每一類又分很多種具體的算法。不少文獻對這些算法作了深入的研究與探討，同時也進行了仿真，但是在工程實現(xiàn)還有待于進一步的探索。必須考慮雷達和AIS 的信息的來源、種類以及環(huán)境對信息影響等特點，二者信息存在著冗余性和相關性，如何將信息進行有效的相關、融合，建立共同的中心級航跡，是亟待解決的問題。

7 結束語

本文介紹了VTS系統(tǒng)、雷達以及AIS系統(tǒng)各自的作用，就將VTS中雷達信息與AIS信息有效融合的必要性、基本原理與方法展開論述。利用現(xiàn)代科學技術將VTS系統(tǒng)中的雷達信息與AIS信息實現(xiàn)融合，有利于充分利用各自資源，改進海事管理工作，完善監(jiān)督和服務。同時，本文所提及的方法步驟在實際應用中具有參考意義。

參考文獻

[1]夏旻辰，梁建設.VTS在我國海事發(fā)展中的作用、存在的問題及思考[J].中國水運，2017，17（7）：49-51.

[2]戚群，于濤.船舶交通管理系統(tǒng)（VTS）發(fā)展概況[J].中國無線電，2013，（04）：36-38.

[3]黃健偉，陸悅銘，李義斌.AIS時代VTS面臨的新課題[J].上海海事大學學報，2007，28（03）：19-23.

[4]李春光，馮嶸，余嘯野，等.自動識別系統(tǒng)（AIS）在交通管理系統(tǒng)（VTS）中的應用[J].天津航海，2017（01）：44-46.

[5]劉傳潤，鮑君忠.AIS與VTS的雷達/ARPA信息融合的研究與實現(xiàn)[J].航海技術，2007（02）：37-39.

[6]趙麗寧，趙德鵬，谷偉.AIS與現(xiàn)代航海技術的關系及對未來航海的影響[J].大連海事大學學報，2002（04）：46-50.

[7]胡業(yè)勇.VTS中船舶識別與跟蹤新方法的研究[D].大連：大連海事大學，2001.

[8]張杏谷，鄭佳春.船載導航儀器信息融合的研究[J].儀器儀表學報，2005，26（3）：306-308.

[9]賈海辭，孔凡村.船載自動識別系統(tǒng)（AIS）在船舶避碰系統(tǒng)中的應用研究[J].上海海運學院學報，2002（02）：18-21.

[10]何友，王國宏，彭應寧，等.多傳感器信息融合及應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.

[11]劉同時，夏祖勛.數(shù)據(jù)融合技術及應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，1998.

作者簡介

陳鵬（1965-），漢，湖北省黃梅縣，高級工程師，本科，研究方向：海洋測繪。