張躍進

摘要：VTS系統(tǒng)逐漸融入網絡技術、通信技術、AIS系統(tǒng)等先進技術，顯著提高了系統(tǒng)功能?；诖耍疚南群唵谓榻B了船舶自動識別系統(tǒng)，分析了VTS系統(tǒng)功能和結構，并詳細研究了船舶自動識別系統(tǒng)的具體應用。以期為AIS系統(tǒng)的研發(fā)和推廣應用提供一定參考。

Abstract： The VTS system gradually incorporates advanced technologies， such as network technology， communication technology and AIS system， which significantly improves system functions. Based on this， this article briefly introduces the ship automatic identification system firstly， then analyzes the function and structure of the VTS system， and studies the specific application of the ship automatic identification system in detail， in order to provide a certain reference for the research and development and promotion of AIS system.

關鍵詞：航海安全;船舶自動識別系統(tǒng);VTS

Key words： navigation safety;ship automatic identification system;VTS

中圖分類號：TP391.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）11-0217-02

0? 引言

VTS（船舶交通管理服務）負責監(jiān)管航海安全，提高船舶交通管理效率，負責監(jiān)管轄區(qū)船舶運動，指導船舶安全航行。在航海安全中，VTS系統(tǒng)作用巨大，隨著技術發(fā)展系統(tǒng)升級，船舶自動識別系統(tǒng)逐漸在VTS系統(tǒng)中應用，豐富了VTS系統(tǒng)功能，為航海安全奠定了良好的基礎。

1? 船舶自動識別系統(tǒng)研究

1.1 系統(tǒng)產生背景

各國船舶主管部門和IMO組織為避免船舶碰撞，強制要求所有船舶配置助航設備，建立VTS報告制度等，對船舶安全航行加以管理。但船舶碰撞事故仍然經常發(fā)生。為進一步加強安全防護，不斷對助航設備和系統(tǒng)進行升級改造，不斷融入通信技術、網絡技術、信息技術等，在諸多技術的支持下，AIS系統(tǒng)應運而生。在2000年IMO在導航安全峰會上，對船舶配備通用AIS做出了明確要求，使得AIS系統(tǒng)得到了廣泛應用。

1.2 系統(tǒng)工作原理

AIS系統(tǒng)是一個廣泛使用的傳載工具，能夠廣播船舶位置、船舶特性以及相關信息，通過對數據的發(fā)送和接收，讓岸站和船舶自動定位識別臨近船舶，并對其他裝配AIS的船舶進行跟蹤定位。AIS系統(tǒng)廣泛應用于VTS船舶報告、海事監(jiān)督以及海事搜救等領域內，顯著提高了船舶航行安全。AIS系統(tǒng)主要使用SOTDMA技術及通用通訊協議，將時間間隙分成3～7幀，其他船舶系統(tǒng)可在這段時間內進行信息的接收和分配，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1.3 系統(tǒng)應用功能

VTS中應用AIS能夠幫助VTS對轄區(qū)進行分割管理，港口可輕易辨識船舶，對船舶AIS設備接收信息。通過AIS傳播和接收信息，有助于港口監(jiān)視船舶，并對船舶進行管理，調節(jié)管轄區(qū)域的交通流，交管中心能夠給船舶提供有價值信息，協助船舶航行。

2? 船舶交通管理系統(tǒng)概述分析

2.1 VTS系統(tǒng)組成與主要功能

在VTS系統(tǒng)中應用AIS已經構成了綜合大型系統(tǒng)，不僅包括AIS系統(tǒng)，也包含信息處理系統(tǒng)、監(jiān)控、氣象、水路等系統(tǒng)，實現了船舶和港口之間的交流。VTS系統(tǒng)主要提供航行信息、動態(tài)信息以及靜態(tài)信息，包括船舶信息、船舶號碼、船舶位置、航速、航行狀態(tài)、危險物、預計抵達時間等。監(jiān)控單元則包含雷達、電子海圖以及閉路電視等設備。當船舶信息傳達給VTS中心后，經過數據處理系統(tǒng)加工處理后和雷達數據合并，在電子海圖中呈現出來，提供給VTS中心管理人員進行使用。氣象系統(tǒng)和水路系統(tǒng)能夠自動將數據錄入數據處理系統(tǒng)，指導航海人員安全航行。

2.2 系統(tǒng)發(fā)展現狀

船舶航入VTS水域后，收發(fā)單元則受到港口的遙控，自動轉入VTS中心要求的頻道上，采取船-岸-船的通信模式作業(yè)。收發(fā)單元可選擇海上專用頻道，完成和VTS中心通信，同時和其他船舶進行通信。在VTS系統(tǒng)中，還需要雙工頻道解決干擾以及堵塞通訊的問題。交通密度高的VTS水域可將無線電蜂窩進行劃分，相鄰的蜂窩使用不同工作頻道提供服務，利用轉發(fā)器延長小無線電蜂窩的工作距離。

目前船舶已經能夠從AIS獲取必要信息，了解潮汐氣象以及水流等情況[1]。岸站則能夠通過AIS系統(tǒng)掌握船舶動態(tài)和靜態(tài)相關信息，自動錄入靜態(tài)信息，并根據動態(tài)信息，改變航行記錄。目前沒有在VTS系統(tǒng)中安裝AIS的船舶，也可接收船舶交管系統(tǒng)雷達信息的廣播，交管中心捕捉雷達信息后，向未安裝AIS的船舶進行口播，已經安裝AIS系統(tǒng)的船舶，能夠在系統(tǒng)中觀察到未安裝AIS系統(tǒng)的船舶，選擇不同的通信方式，保證了未安裝AIS船舶的可視化，提高了航行安全。

3? 船舶自動識別系統(tǒng)在VTS的應用分析

3.1 AIS程序功能模塊的實現技術

在VTS系統(tǒng)中使用AIS系統(tǒng)十分復雜，需要使用電子海圖定位系統(tǒng)、網絡技術以及融合技術等。VTS系統(tǒng)最早使用地理水文圖像作為交通景況基礎，但這種類型的示意圖并不能滿足精確導航的需要。

第一，隨著開發(fā)電子海圖信息系統(tǒng)（ECDIS），將其作為交通景況背景，滿足VTS中心管理需要，ECDIS系統(tǒng)能夠提供精確的海圖圖像，滿足監(jiān)控船舶、對船舶導航定位的需要。在VTS系統(tǒng)中未配置ECDIS系統(tǒng)，背景只能提供岸線、導航浮標、雷達回波，應用范圍相對狹窄。ECDIS是由水道測量局發(fā)布，包含準確實時信息，協助VTS管理。

第二，使用數據融合技術，通過收集整合多元信息，準確識別目標，提供評估等功能。在VTS區(qū)域內，船舶數量較多，雷達作為探測船舶的設備。通過雷達獲取船舶位置信息，位置信息準確度可控制在10m之內。為提高數據準確度需要，還需將數據融合技術進一步融合進系統(tǒng)中[2]。目前AIS系統(tǒng)傳播數據受到操作環(huán)境以及船速的影響，雷達傳輸則通過天線實現。在VTS系統(tǒng)中，考慮到AIS系統(tǒng)數據變化的不確定性，采取雷達定位合并AIS系統(tǒng)定位，顯著提高目標位置準確性。

第三，GPS技術作為目前精準度最高的導航系統(tǒng)，應用GPS定位技術可顯著提高數據準確性。處理GPS數據主要通過單個接收機平滑處理數據，或者多個接收機差分校正處理。差分校正處理可有效消除公共誤差，包括電離層延遲等，但無法處理多徑干擾誤差。處理多徑干擾誤差，還需數據診斷或者空間時間處理方法。為了準確監(jiān)視船舶航行安全，差分衛(wèi)星導航系統(tǒng)的引用，將帶來巨大幫助，能夠在精準位置上對信號進行校正。

第四，網絡技術。在復雜的船舶自動識別系統(tǒng)中，使用網絡技術提高數據傳輸的安全性，提高數據傳輸的穩(wěn)定性和及時性，支持船舶之間通信識別等功能。

3.2 SOTDMA通信網絡性能應用

在航行期間，兩只船舶相遇，系統(tǒng)會向另一只船舶發(fā)送信息，通過共享信息可有效避免碰撞。這一應用功能需要通信協議的支持才能保證準確通信，使用SOTDMA可自行發(fā)送信息。SOTDMA信道設定多個固定時間間隔，用戶能夠具有更多選擇性，設置發(fā)送子幀。在船舶自動識別系統(tǒng)中，一幀約為1min，可均等分成2250個時間間隙。每個時間間隙約為26.67ms。一般情況下，信道傳輸速率約為9600bps，因此一個時間間隙約為256bit。船舶設定在第二時間間隙發(fā)送信息，第2只船舶將自動選擇第3個時間間隙發(fā)送信息，而第3只船舶將會在第1個時間間隙發(fā)送信息。以此保證船舶發(fā)送信息的同時，其他船舶能夠及時收到信息，分割信道能夠保證多個船舶之間的通信。

SOTDMA通信協議是為了保障船舶之間的高質量通信，不需要經過基站的集合管理。因此選擇間隙至關重要，需要申請發(fā)送間隙，確定間隙大小，確定4個備選時間間隙后，可規(guī)避兩只船舶使用同一時間間隙發(fā)送信息的情況[3]。在4個備選時間間隙中選擇其中一個進行傳輸數據，若被其他船舶占用還需要刪除該選項。航行船舶數量對應著移動臺數量，VTS要加強對船舶的管理，船舶自動識別系統(tǒng)中使用SOTDMA通信，有效提高了通信的有效性。但每只船舶使用不同發(fā)送周期，選擇的時間間隙大小不同，SOTDMA通信系統(tǒng)信道只能提供225艘船舶使用。

3.3 DBSCAN聚類算法初步識別船舶工作區(qū)

DBSCAN是一種空間聚類算法，通過樣本分布密集程度假定類別，也就是在樣本附近一定存在同種類樣本，將密集相連的樣本劃分為不同種類，得到聚類類別結果。這一算法通過密度定義，具有良好的抗噪音效果，能夠對形狀不同大小不同的簇進行處理。在船舶作業(yè)區(qū)域中，由于船舶形狀和大小存在很大差異，使用DBSCAN算法能夠對船舶工作區(qū)域進行初步識別。在VTS中，使用DBSCAN算法可按照樣本密集程度，對樣本進行初步分區(qū)處理，快速簡便的完成區(qū)域劃分工作，實現了樣本的初步處理。

3.4 施工區(qū)域干擾點識別

一般情況下，船舶施工區(qū)域較大，施工軌跡相對混亂，受到干擾點的影響，很難清晰辨別軌跡圖干擾點。干擾點主要分成離群點和密集點兩種，離群點主要是指和施工密集區(qū)域遠離，通過孤立點形式表現。密集點是由于船舶隨時更換施工作業(yè)曲線，造成一定區(qū)域內密集分散，特征為停止施工。在分析施工特點時要將干擾點去除，局部異常因子使用識別密度異常的算法，可準確識別干擾點，LOF算法主要用于識別離群點。將個別點密度和臨近點進行對比，如果個別點密度明顯低于臨近點，即有一個LOF值>1，那么該點處于稀疏區(qū)域[4]。相比于鄰近區(qū)域，該點屬于異常值，在LOF密度圖中能夠準確識別出LOF值>1的鄰近點。在施工區(qū)域中孤立點，LOF值可超過10，使用LOF算法對離群點進行識別，發(fā)現離群點并未處于作業(yè)狀態(tài)，發(fā)現其存在快速航行至施工區(qū)域的軌跡。

為了能夠更加清晰地呈現出施工軌跡，需要將船舶切換工作線軌跡去除掉，減少對施工軌跡特征的干擾。船舶在切換軌跡時，會呈現出長線條軌跡。當兩個臨近點之間距離超過49.6m占95%以上，那么可以認定兩個臨近點之間的距離超過49.6m，可認定船舶正在更換工作線。在施工軌跡圖中去除干擾路線，還需參考船舶工作線的特點，如挖泥船施工軌跡呈現出鋸齒狀，表現出線性特點，以周期性特點作業(yè)，結合這兩個特點，可準確識別干擾點。

4? 總結

綜上所述，在VTS系統(tǒng)中應用AIS具有突出效果，借助于AIS程序功能模塊、SOTDMA通信網絡性能應、DBSCAN聚類算法、施工區(qū)域干擾點識別，進一步提高了船舶航海安全，輔助VTS中心，加強船舶交通管理。

參考文獻：

[1]張翼，曹劍東.船舶AIS大數據資源管理及分析應用架構設計[J].交通運輸研究，2019，5（05）：31-40.

[2]戴文伯，魯嘉俊.基于自動識別系統(tǒng)大數據的船舶施工軌跡識別與預測[J].水運工程，2019（12）：119-122，126.

[3]華旭奮，趙勇.船舶自動識別系統(tǒng)中視覺跟蹤控制研究[J].艦船科學技術，2019，41（10）：43-45.

[4]朱永健.船舶自動識別系統(tǒng)對船舶救助的影響[J].水上消防，2019（03）：23-25.