文 孔 濤，姚高樂，陳廣通，駱 瑩（天津航標處，天津 300456）

一、引言

AIS系統(tǒng)是一種岸基和船載廣播式自動識別報告系統(tǒng)，在海上交通組織和保障船舶航行安全方面發(fā)揮著重要作用。由于AIS通信協(xié)議的公開透明性以及AIS系統(tǒng)自身的脆弱性，部分廠商片面逐利，加之各種不當操作，導致大量船臺技術不合規(guī)，船舶AIS動、靜態(tài)信息錯漏空情況嚴重，AIS船臺信息的低符合度給船舶協(xié)調(diào)避碰、海上交通指揮以及基于AIS的大數(shù)據(jù)分析帶來負面影響。

由于AIS技術在船-船、船-岸信息交互中的獨特優(yōu)勢，基于AIS技術的各類衍生設備應運而生，如AIS搜救發(fā)射器（AIS SART）、人員搜救信標（MOB）、AIS航標等，特別是基于AIS技術的網(wǎng)位儀利用AIS CLASS A/B報文或21號報文（專用于航標報告）播發(fā)任意設置的名稱、位置、MMSI、類型等信息，發(fā)射功率、發(fā)射頻率、通信接入方式等設備參數(shù)均由廠商隨意設置，大量占用有限的AIS時隙資源，給AIS VDL鏈路管理造成了很大困擾，不僅干擾船舶避碰操作，影響AIS數(shù)據(jù)的挖掘應用，而且對我國國際形象也造成不良影響。近年來還出現(xiàn)了通過模擬生成的欺騙性報文和錯誤AIS信息，亟需利用智能化監(jiān)管手段提升不合規(guī)信息監(jiān)測能力，為海事執(zhí)法部門提供精準高效的技術支持。

AIS動態(tài)信息符合度監(jiān)測相較于靜態(tài)信息監(jiān)測更加困難，在符合度監(jiān)測的基礎上，還需結合合理性檢測等輔助方法，技術要求復雜，也是海事監(jiān)管的難點。故本文提出了基于AIS VDL的AIS船臺動態(tài)信息符合度監(jiān)測系統(tǒng)設計方案，包括系統(tǒng)架構組成、動態(tài)信息、頻率和時隙的監(jiān)測算法規(guī)則，希望為海事執(zhí)法增加新利器，凈化海上無線電通信秩序。

二、AIS船臺動態(tài)信息符合度監(jiān)測系統(tǒng)概述及架構

（一）系統(tǒng)概述

AIS船臺在使用中根據(jù)船舶航行狀態(tài)以2S至3min的時間間隔播發(fā)船舶動態(tài)報文，A類船播發(fā)AIS 1、2、3號消息，B類船播發(fā)AIS 18、19號消息。AIS船臺動態(tài)信息符合度監(jiān)測，主要對上述消息字段根據(jù)相關標準規(guī)則進行符合度校驗，具體為實時監(jiān)測AIS船臺是否接入羅經(jīng)信號（旋轉速率、對地航向監(jiān)測）、AIS船臺定位信息是否有效（經(jīng)度、緯度、位置準確度監(jiān)測）、AIS船臺是否接入計程儀（測速）信號（對地航速監(jiān)測）、動態(tài)報文播發(fā)頻率。在符合度監(jiān)測的基礎上，還增加合理性檢測等輔助方法。此外，還配置時隙分析儀用于實時分析AIS船臺播發(fā)電文的時隙符合度。

動態(tài)信息標準符合度監(jiān)測對解析后的結構化報文數(shù)據(jù)按順序進行各項分析。設置白名單、黑名單機制處理流程[1]，根據(jù)錯誤的嚴重程度設置了高、中、低3階錯誤等級，以方便錯誤處置。

（二）系統(tǒng)架構和各模塊功能

AIS船臺動態(tài)信息符合度監(jiān)測系統(tǒng)主要由動態(tài)信息實時獲取模塊、主控模塊、內(nèi)存狀態(tài)數(shù)據(jù)維護模塊、AIS船臺是否接入羅經(jīng)模塊、AIS船臺是否接入計程儀模塊、AIS船臺定位信息是否有效模塊、AIS船臺動態(tài)電文播發(fā)頻率是否合規(guī)模塊、AIS船臺動態(tài)電文播發(fā)時隙是否合規(guī)模塊以及黑白名單維護模塊組成。系統(tǒng)架構見圖1：

圖1 系統(tǒng)架構圖

1. 動態(tài)信息獲取模塊：負責維護kafka集群的配置，連接kafka集群，訂閱集群中AIS動態(tài)消息主題隊列，并從訂閱的kafka集群的動態(tài)信息topic中獲取kafka集群發(fā)布的數(shù)據(jù)，將獲取到的數(shù)據(jù)傳給主控模塊進行分析。

2. 主控模塊：服務包含多個符合度監(jiān)測，主控模塊負責對接收到的動態(tài)數(shù)據(jù)進行調(diào)度，逐項進行監(jiān)測，同時比對黑白名單，對有問題的數(shù)據(jù)輸出至MySQL數(shù)據(jù)庫。

3. 內(nèi)存狀態(tài)數(shù)據(jù)維護模塊：負責連接redis內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，并維護數(shù)據(jù)船舶動態(tài)數(shù)據(jù)緩存，為業(yè)務分析模塊提供船舶動態(tài)狀態(tài)數(shù)據(jù)支撐。

4. AIS船臺是否接入羅經(jīng)信號、是否接入計程儀、定位信息是否有效、動態(tài)電文播發(fā)頻率是否合規(guī)、動態(tài)電文播發(fā)時隙是否合規(guī)模塊：根據(jù)主控模塊調(diào)度，根據(jù)監(jiān)測算法對報文相應字段進行標準符合度校驗，將結果返回給主控模塊統(tǒng)一處理。

5. 黑白名單維護模塊

黑白名單模塊通過連接redis內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，在redis中維護一個黑白名單，負責存儲經(jīng)過動態(tài)符合度監(jiān)測的合格以及不合格的船舶，經(jīng)監(jiān)測結果正常的船舶移入白名單，配置時間內(nèi)不進行重復檢查，超過配置時間自動移除白名單；經(jīng)監(jiān)測結果異常的船舶移入黑名單，不再進行重復檢查，需要用戶手動解除黑名單。

三、AIS船臺動態(tài)信息符合度監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測流程和算法規(guī)則設計

（一）AIS船臺是否接入羅經(jīng)監(jiān)測流程和算法設計

1. 監(jiān)測流程和輸出結果說明

關于實時監(jiān)測AIS船臺是否接入羅經(jīng)信號，主要通過監(jiān)測AIS報文位置數(shù)據(jù)中船舶旋轉速率（ROTAIS）字段、實際航向字段是否符合規(guī)則校驗，本算法根據(jù)ITURM.1371-5標準整理ROTAIS字段、實際航向字段校驗規(guī)則算法，同時增加合理性檢測，作為提示性消息。由于B類船沒有ROTAIS數(shù)據(jù)，所以B類船只對實際航向字段進行校驗。監(jiān)測流程見圖2：

圖2 AIS船臺是否接入羅經(jīng)信號監(jiān)測流程圖

輸出結果說明如下：

（1）實際航向字段為空或默認值，錯誤等級：中；（2）ROTAIS字段為空或默認值，錯誤等級：中；（3）實際航向字段不符合規(guī)則要求，錯誤等級：中；（4）ROTAIS字段不符合規(guī)則要求，錯誤等級：中；（5）ROTAIS字段內(nèi)容不合理，錯誤等級：低。

2. 監(jiān)測算法規(guī)則

（1）空白校驗，檢驗實際航向是否為空值或默認值（511）；（2）空白校驗，A類船校驗ROTAIS是否為空值或默認值（-128）；（3）有效性校驗，A類船校驗ROTAIS是否有效，值為±127之間；（4）有效性校驗，檢驗實際航向字段的值是否有效，0-359之間。

（二）AIS船臺是否接入計程儀監(jiān)測流程和算法設計

1. 監(jiān)測流程和輸出結果說明

關于實時監(jiān)測AIS船臺是否接入計程儀（測速）信號，主要通過監(jiān)測AIS報文位置數(shù)據(jù)中SOG字段符合度的規(guī)則校驗，本算法根據(jù)ITU-RM.1371-5標準整理船舶SOG校驗規(guī)則算法，同時增加合理性檢測，作為提示性消息。監(jiān)測流程見圖3：

圖3 AIS船臺是否接入計程儀監(jiān)測流程圖

輸出結果說明如下：

（1）字段為空或默認值，錯誤等級：中；（2）字段內(nèi)容不符合規(guī)則要求，錯誤等級：中；（3）字段內(nèi)容不合理，錯誤等級：低。

2. 監(jiān)測算法規(guī)則

（1）空白校驗，SOG是否為空值或默認值（1023）；（2）有效性校驗，SOG是否在0-1022之間；（3）合理性校驗，根據(jù)船舶類型、船舶尺寸SOG合理性。

（三）AIS船臺定位信息是否有效監(jiān)測流程和算法設計

1. 監(jiān)測流程和輸出結果說明

對于監(jiān)測AIS船臺定位信息是否有效，主要通過監(jiān)測AIS報文位置中船舶緯度、經(jīng)度字段符合度的規(guī)則校驗，本算法根據(jù)ITU-RM.1371-5標準整理船舶緯度、經(jīng)度校驗規(guī)則算法。監(jiān)測流程見圖4：

圖4 AIS船臺定位信息是否有效監(jiān)測流程圖

緯度、經(jīng)度字段校驗結果，錯誤類型分為以下幾種：

（1）字段為空或默認值，錯誤等級：中；（2）字段內(nèi)容不符合規(guī)則要求，錯誤等級：中。

2. 監(jiān)測算法規(guī)則

（1）空白校驗，檢驗緯度、經(jīng)度是否有為空值或默認值（經(jīng)度=181，緯度=91），經(jīng)緯度全部滿足非空才通過；（2）有效性校驗，經(jīng)度在±180之間，緯度在±90之間，經(jīng)緯度全部滿足非空才通過。

（四）AIS船臺動態(tài)電文播發(fā)頻率符合度是否合規(guī)監(jiān)測流程和算法設計

1. 監(jiān)測流程和輸出結果說明

動態(tài)電文播發(fā)頻率校驗算法負責對A、B兩類船舶播發(fā)動態(tài)位置進行監(jiān)測。A類船舶位置信息電文為1、2、3號電文，電文的播發(fā)頻率根據(jù)船舶的航行狀態(tài)以及航速航向信息發(fā)生變化；B類船舶位置信息電文為18、19號電文，電文的播發(fā)頻率根據(jù)船舶的航速信息發(fā)生變化。算法根據(jù)船舶的不同類型以及航行狀態(tài)檢測船舶在各種不同的情況下的播發(fā)頻率是否符合ITU-RM.1371-5的標準規(guī)定。監(jiān)測流程見圖5：

圖5 AIS船臺動態(tài)電文播發(fā)頻率符合度是否合規(guī)監(jiān)測流程圖

緯度、經(jīng)度字段校驗結果，錯誤類型分為以下幾種：

（1）播發(fā)頻率不合格船舶MMSI；（2）被判定為播發(fā)頻率不合格時播發(fā)頻率狀態(tài)（過快還是過慢）。

2.監(jiān)測算法規(guī)則

（1）如果船舶出現(xiàn)在黑名單數(shù)據(jù)庫中，即船舶已經(jīng)被確認為播發(fā)頻率不合格的船舶，則不再對此船舶的電文進行下一步分析；（2）判斷船舶是否出現(xiàn)在白名單中，如果是，判斷白名單中船舶插入記錄時間是否超過6個月；如果未超過6個月，不再對此船舶進行下一步分析；否則正常分析此船舶；（3）判斷船舶MMSI是否已經(jīng)存在于內(nèi)存中，如果不存在，插入新的船舶記錄，否則進行下一步船舶分析；（4）船舶分析時需要根據(jù)船舶的電文類型進行分類，首先判斷船舶類型，根據(jù)異常播發(fā)頻率間隔說明表確定船舶此次發(fā)送電文的時間與上一次發(fā)送的時間間隔是否為異常間隔：①如果時間間隔不在設置的閾值內(nèi)，將內(nèi)存記錄的異常次數(shù)+1，判斷異常次數(shù)大于等于50，則說明船舶播發(fā)頻率異常，將不合格船舶存入黑名單中；如果內(nèi)存記錄的異常次數(shù)小于50，則更新內(nèi)存中船舶數(shù)據(jù)記錄。②如果時間間隔在設置的閾值內(nèi)，將內(nèi)存記錄的異常次數(shù)-1，最少減到0為止；然后判斷船舶監(jiān)測的時間是否已經(jīng)達到一個月，即船舶在一個月以內(nèi)未出現(xiàn)播發(fā)頻率異常問題，則將船舶存入白名單內(nèi)。

異常播發(fā)頻率間隔說明如表1所示：

表1 A類船舶標準與播發(fā)頻率閾值表

表2 B類船舶標準與播發(fā)頻率閾值表

（五）AIS船臺動態(tài)電文播發(fā)時隙符合度是否合規(guī)監(jiān)測流程和算法設計

1. 監(jiān)測流程和輸出結果說明

AIS系統(tǒng)是時分的傳輸系統(tǒng)，所以它要求臺站之間要有一個精確的時間同步，并對時間進行分割。當AIS船臺工作時，會定期按照時隙規(guī)則播發(fā)動態(tài)報文，動態(tài)報文中通信狀態(tài)字段，根據(jù)類型可以解析出具體時隙使用相關的子消息。本算法根據(jù)ITU-RM.1371-5標準整理時隙相關算法，對動態(tài)報文進行分析監(jiān)測時隙符合度，主要監(jiān)測發(fā)送時隙與預約時隙符合性、預約時隙實際發(fā)送情況。由于消息特點，本算法只檢測使用自組織時分多址（SOTDMA）的1號和2號報文。監(jiān)測流程見圖6：

圖6 AIS船臺動態(tài)電文播發(fā)時隙符合度是否合規(guī)監(jiān)測流程

動態(tài)報文播發(fā)時隙校驗結果，錯誤類型分為以下幾種：

（1）播發(fā)時隙與預約時隙不符合，錯誤等級：中；

（2）船臺只預約時隙，但是不發(fā)送消息，錯誤等級：高。

2. 監(jiān)測算法規(guī)則

（1）校驗緩存數(shù)據(jù)是否存在設備時隙數(shù)據(jù)，如沒有則存入緩存時隙數(shù)據(jù)；（2）如果存在時隙數(shù)據(jù)，則判斷時隙超時字段是否為0，代表時隙預約數(shù)據(jù)；（3）如時隙超時字段為0，則判斷緩存中上一條報文時隙超時字段是否為0：①如連續(xù)多次都為時隙預約數(shù)據(jù)，則判斷為船臺只預約時隙，但是不發(fā)送消息，輸出結果b；②如只有本條為0，則根據(jù)時隙偏移計算時隙預約情況，并更新緩存，正常結束；（4）如時隙超時字段不為0，則判斷緩存是否存在時隙預約信息：①如沒有時隙預約信息，則更新緩存當前播發(fā)時隙信息，正常結束；②如存有時隙預約信息，則判斷當前報文時隙是否符合時隙預約信息，如果多次不滿足，則判斷為播發(fā)時隙與預約時隙不符合，輸出結果a[2]。

四、系統(tǒng)的實現(xiàn)

通過接入全國AIS數(shù)據(jù)庫、船舶檢驗數(shù)據(jù)庫以及船舶無線電數(shù)據(jù)庫，采用Spark與Hadoop為基礎的大數(shù)據(jù)處理平臺，基于AIS VDL的AIS船臺動態(tài)信息符合度監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對全國AIS船臺動態(tài)報文、通信頻率、通信時隙的ITU-RM.1371-5協(xié)議符合度實時監(jiān)測和大容量處理，已作為北海航海保障中心開發(fā)的AIS VDL監(jiān)測系統(tǒng)重要組成部分，在監(jiān)測“一碼多船”、不合規(guī)船臺、船臺協(xié)議不合規(guī)及船舶定位異常等方面精準可靠。據(jù)統(tǒng)計，AIS VDL系統(tǒng)2020年5月上線至2021年9月共篩查動態(tài)信息異常船舶55 212艘，其中A類船舶12 163艘，占22%，B類船舶43 049艘，占78%。在支持水上無線電秩序專項整治中成效顯著，動態(tài)信息異常船舶占比由上線之初的9.823%降至2020年11月的0.799%，降幅達92%（見圖7）?；谙到y(tǒng)處理生成的數(shù)據(jù)也持續(xù)提供給“凈海衛(wèi)士”水上無線電輔助執(zhí)法程序，為全國水上無線電秩序專項整治工作提供了可信的數(shù)據(jù)支撐。

圖7 船臺動態(tài)信息異常船舶占比

五、結語

基于AIS VDL的AIS船臺動態(tài)信息符合度監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對異常AIS船臺信息的精準甄別，優(yōu)化了AIS數(shù)據(jù)源和海上無線電通信秩序。同時，要在應用中不斷優(yōu)化該系統(tǒng)判斷算法，提高異常甄別準確率；完善對外數(shù)據(jù)服務接口，為涉海用戶接入AIS VDL數(shù)據(jù)庫提供便利；充分利用AIS VDL系統(tǒng)接入船舶檢驗數(shù)據(jù)庫和船舶無線電數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢，過濾生成高質量的純凈AIS數(shù)據(jù)源，為海事監(jiān)管和相關領域大數(shù)據(jù)分析提供更加精準的數(shù)據(jù)支撐。