楊曉環(huán)

(中遠海運科技股份有限公司， 上海 200135)

0 引 言

船舶交通管理系統(tǒng)(Vessel Traffic Service，VTS)的主要功能是為其覆蓋水域內的船舶提供信息服務、助航服務和交通組織服務，以及協(xié)助完成聯(lián)合服務和應急服務等，對船舶的實時動態(tài)進行監(jiān)控，使重點船舶、重點區(qū)域的海事動態(tài)監(jiān)督管理得到加強。船舶在VTS覆蓋區(qū)域內航行時，VTS操作員可通過VTS設施監(jiān)視船舶的運動情況，改善違章、偏航狀況，預防船舶交通事故發(fā)生。

長期以來，VTS主要通過交管雷達實現(xiàn)對船舶動態(tài)和水域內的交通狀況等數(shù)據(jù)的收集，而交管雷達只能反饋雷達回撥圖，存在著不能自動識別目標、對目標的跟蹤精度低和有視覺盲區(qū)等局限性，這是VTS發(fā)展的瓶頸。

船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)主要由基站、船臺和AIS網(wǎng)絡組成，集網(wǎng)絡技術、無線通信技術、計算機技術、電子信息技術和微電子集成技術等技術于一體，可用于進行岸與船、船與岸和船與船之間的識別通信。AIS利用甚高頻(Very High Frequency，VHF)通信鏈路，既可將船舶的位置、航速和航向等信息傳遞至同區(qū)域內的其他船舶，又可接收其他船舶的航行信息，已在海上船舶導航、識別和監(jiān)控等領域得到廣泛應用，利用AIS進行船舶識別、協(xié)助船舶跟蹤、簡化交換信息(如減少口頭強制船舶報告)和提供額外信息”。

VTS通過引入AIS并進行信號融合，使自身得到了突破性發(fā)展，不僅能獲取實時回撥圖，而且能獲取船舶的靜態(tài)信息和動態(tài)信息。目前市場上的VTS設備主要產自國外，國內還處于優(yōu)化完善階段。

本文以東海某海事局轄區(qū)為例進行數(shù)據(jù)采樣，通過對國外廠商SAAB生產的VTS的使用效果進行分析，找出VTS與AIS融合存在的問題。在此基礎上，通過去重、校準、推演和建立關聯(lián)機制等數(shù)據(jù)治理算法，實現(xiàn)VTS、AIS和海事業(yè)務數(shù)據(jù)的融合，建立一個新的海事監(jiān)管平臺，將以往需要交管中心人工多系統(tǒng)核對關聯(lián)的工作環(huán)節(jié)簡化，實現(xiàn)系統(tǒng)直接關聯(lián)輸出。

1 VTS與AIS融合存在的問題

目前我國沿海大部分港口的重要水域和長江下游的重要航段都已被VTS覆蓋，VTS在減少水上交通事故、提高航運效率和保護環(huán)境等方面發(fā)揮了重要作用。目前VTS在實際生產中還存在著需要不斷完善的地方。以東海某海事局轄區(qū)為例，其日均航行船舶約7 000艘次(含漁船)，日均VTS信號約1 800萬個，日均AIS信號約2 000萬個，數(shù)據(jù)量巨大，無法通過人工對數(shù)據(jù)進行分析和使用。通過對該海域VTS的使用效果進行分析，發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

1) 特定場景下的數(shù)據(jù)精度較差。

當以雷達為主要監(jiān)控手段時，若兩船發(fā)生會遇或追越，易出現(xiàn)信號跟蹤錯位的情況，尤其是當兩船大小相差較大，大船將小船擋在遠離VTS探頭的方向時，會出現(xiàn)雷達信號被遮擋的情況，形成動態(tài)雷達盲區(qū)，由于VTS采集的AIS靜態(tài)信息會持續(xù)10 min，因此被遮擋的小船的VTS信息會變成小船正確的AIS信息和大船對應的動態(tài)信息。

2) 信息推斷的能力不足。

海事部門的主要職責除了應急搶險以外，還有及時發(fā)現(xiàn)轄區(qū)內的一些危險行為或違法行為，一般存在這些行為的船舶會在某些時段關閉AIS信號廣播，避免被檢測到?，F(xiàn)有VTS對于正常開啟AIS的船舶，已經能做到AIS與VTS信號融合，對于AIS異常關閉的船舶和突然出現(xiàn)的AIS信號，沒有提供推斷服務，易造成需應對的危險行為被忽略掉。

3) 與海事業(yè)務系統(tǒng)脫節(jié)。

目前市場上的VTS幾乎都是國外廠商SAAB和ATLAS生產的，由于存在相對壟斷的情況，幾乎沒有為使用者設置個性化功能，這就導致VTS無法與我國海事自有業(yè)務系統(tǒng)相關聯(lián)，使海事業(yè)務人員不能很快地獲得想要的信息。在此情況下，需將VTS與AIS融合之后得到的信息與海事業(yè)務系統(tǒng)信息相關聯(lián)，使平臺使用者能第一時間識別船舶，同時得到船舶的靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)，以及海事系統(tǒng)中的行政處罰、檢查和安全相關數(shù)據(jù)。

由此可知，要解決以上實際業(yè)務問題，必須實現(xiàn)AIS、VTS和海事業(yè)務信息的融合。

2 信息融合算法的設計與實現(xiàn)

目前市場上提供的VTS已初步實現(xiàn)與AIS的融合，但其采用的融合算法是不可見的黑盒子，無論是進行VTS校驗還是進行推算，目的都是為雷達掃到的目標標注明確的船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)，在此基礎上，將融合后的靜態(tài)數(shù)據(jù)與海事業(yè)務數(shù)據(jù)相融合，實現(xiàn)“一船全景”。

在VTS中，雷達的目標數(shù)據(jù)的更新周期一般為3 s，AIS的目標數(shù)據(jù)的更新周期為2～10 s(見表1)，也就是說在充分考慮航速因素的基礎上，對于運動的目標，VTS與 AIS同時發(fā)出一個信號之后，VTS會在第6 s發(fā)出第2個信號，在第9 s發(fā)出第3個信號，而AIS第2個信號要在第10 s才能發(fā)出，因此 VTS數(shù)據(jù)與AIS數(shù)據(jù)接收時間最大差值為9 s。常規(guī)貨船的航速在15～20 kn，一般漁船的航速為9～12 kn。對于在航船舶而言，其在9 s時間內的航速和艏向不會發(fā)生很大變化，可近似視為勻速直線運動，為盡可能地兼顧第1個信號和第3個信號，在計算推算半徑時用到的時間閾值取1～9 s的中位數(shù)5 s，因此推算中的距離閾值半徑為對地航速(Speed Over Ground，SOG)乘以5 s。

表1 AIS信息推送周期

2.1 強化特定場景數(shù)據(jù)精度

2.1.1 排除飛點

VTS傳過來的數(shù)據(jù)是未經處理的原始融合數(shù)據(jù)，包含大量飛點數(shù)據(jù)(見圖1)，船是在水中的，突然出現(xiàn)一個陸地上的經緯度，導致整個軌跡出現(xiàn)異常，因此平臺在收到數(shù)據(jù)時，首先識別并排除飛點?，F(xiàn)代化的超大型集裝箱船最高航速能達到30 kn，因此飛點的速度閾值定義為最高速度的2倍，即60 kn，當船舶從前置信號點的位置以60 kn的速度也無法抵達最新經緯度坐標點時，認為新收到的信號點為飛點，標記之后不顯示在常規(guī)的軌跡跟蹤中，平臺軌跡查詢中提供“顯示飛點”選項。

圖1 飛點軌跡圖

增加飛點處理邏輯之后，圖1的軌跡更新為圖2，能以合適的級數(shù)正常顯示船舶軌跡。

圖2 不含飛點軌跡圖

2.1.2 位置信息去重

對于正常開啟AIS設備的船舶而言，其通過VTS獲取的數(shù)據(jù)中已融合相應的AIS信息。

通過對接口數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，VTS已采納AIS的部分信息，只有當VTS被遮擋時才會用AIS的信息補充經緯度等信息。由此，平臺在收到VTS信號時，會直接將其與收到的AIS信號合并。由于VTS和AIS的數(shù)據(jù)量巨大(采樣區(qū)為寧波海事轄區(qū)，其VTS日均信號1 800萬個，AIS日均信號約2 000萬個)，存儲壓力巨大，但數(shù)據(jù)重復度較高，因此需對融合之后的信號進行抽稀處理。平臺80%的預警邏輯中的信號點數(shù)量閾值、時間閾值和距離閾值都是參照AIS信號頻率設定的，且在穩(wěn)定運行，因此在融合過程中，側重AIS，兼顧錨泊船的信號，當在3 min時間內同時有AIS信號點和VTS信號點時，保留AIS信號點。結合船舶航速，定時按以下規(guī)則對同一個船舶目標進行合并，并作抽稀處理：

1) 航速小于1 kn，每隔3 min保留1個點；

2) 航速為1～14 kn，每隔10 s保留1個點；

3) 航速大于14 kn，每隔3 s保留1個點。

合并之后的軌跡密度基本保持AIS的層級，VTS的經緯度是依照船舶尺寸獲取的船舶中心點的經緯度，AIS的經緯度是按設備安裝位置選取的，二者存在一定的誤差，該處理算法忽略了AIS設備安裝位置對經緯度的影響。

2.1.3 VTS數(shù)據(jù)校準

在港區(qū)內，船舶來往比較密集，很容易出現(xiàn)大船遮蔽小船的情形，被遮蔽的小船會從雷達監(jiān)控中消失，此時VTS接口發(fā)送的小船數(shù)據(jù)中是存在靜態(tài)數(shù)據(jù)的，但經緯度數(shù)據(jù)變成了大船的數(shù)據(jù)。

在VTS重疊區(qū)，200 m以上的同一艘船偶爾會出現(xiàn)多條postreport ID不一樣的記錄，實地考察VTS硬件分布之后發(fā)現(xiàn)，引發(fā)該現(xiàn)象的主要原因是VTS內部對多源信號的合并存在缺陷。

因此，需對接收的VTS數(shù)據(jù)進行校驗：假定接收的第一個完成AIS與 VTS融合的信號是正確的，每接收到1個新的信號，就進行前后2個信號的艏向對比，判斷是否發(fā)生大角度偏移，根據(jù)經驗設立閾值為90°，當前后2個信號的艏向差值大于90°時，認為信號發(fā)生了錯亂。

同時，還需判斷前后2個信號匹配的靜態(tài)信息中的船長差值，若發(fā)生變化，則認為船舶間發(fā)生了遮蔽錯亂。對于發(fā)生錯亂的，自動繼承前一個信號對應的AIS信號，包括相關的船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)和軌跡信息。

此外，定時對redis中的數(shù)據(jù)進行掃描，不考慮postreport ID，當同一個水上移動通信業(yè)務標識碼(Maritime Mobile Service Identify，MMSI)存在多條數(shù)據(jù)時，只保存最新的一條，將其他數(shù)據(jù)刪除。

2.2 VTS推算

2.2.1 靜態(tài)信息丟失VTS

對于自進入VTS覆蓋區(qū)開始就沒開啟過AIS設備的船舶來說，從技術上看無法獲得相應的船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)，這種場景不在本文討論的范圍內，本文僅討論VTS覆蓋范圍內，航行途中關閉AIS的情況。

若收到的VTS信號無靜態(tài)信息，說明該目標船關閉了AIS設備，此時需向前推算關聯(lián)AIS靜態(tài)信息，進行持續(xù)關聯(lián)，并生成相關預警。

1) 識別無靜態(tài)信息。

若報文中只包含PosReport信息，沒有StaticData和Voyage信息，則此類信息缺少靜態(tài)信息：

2) 推算前置信號點。

由于PosReport的ID只有4位，因此暫時不考慮根據(jù)ID進行唯一性信息跟蹤。對于已建立平臺AIS信息與 VTS信息關聯(lián)關系的船舶，當VTS中的AIS信號丟失時，直接進行標識，不影響平臺對VTS中船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)的匹配。無論是哪臺設備接收到的AIS信息，都來源于船端通過VHF廣播的差分全球定位系統(tǒng)(Differential Global Positioning System，DGPS)數(shù)據(jù)。因此，當VTS中的AIS信息時，平臺的AIS信號會同步消失，此時需通過算法匹配到鄰近的前置信號點，獲取船舶靜態(tài)信息。

VTS的信號頻率為3 s，因此以SOG計算5 s的距離，以COG反向一個角度為90°的扇形，落在這個扇形中的VTS點認為是原信號點的前置信號，若在扇形范圍內存在多個信號點，則計算每個信號點到扇形中心線的垂直距離，取垂直距離最短的信號點作為前置信號點。

若持續(xù)10 min沒有AIS信號進來，無論是否有VTS信號，平臺都將生成AIS異常關閉報警。

2.2.2 VTS信號消失

VTS本身是通過雷達不間斷掃描監(jiān)控的，當船舶進入狹水道或被更大的船舶遮蔽時，會形成VTS盲區(qū)，對于有持續(xù)AIS信號的船舶而言，VTS已進行信息融合，會持續(xù)提供融合后的數(shù)據(jù)，若 AIS信號也消失，則平臺會丟失對該船的持續(xù)跟蹤，直到AIS信號或VTS信號再次出現(xiàn)。

2.3 與海事業(yè)務數(shù)據(jù)融合

在完成VTS與AIS的融合之后，即得到每個VTS信號對應的MMSI、IMO(International Maritime Organization)編號和船舶英文名稱。在海事業(yè)務系統(tǒng)中，國內船舶以初次登記號作為唯一性標識，國外船舶必須先對船名、IMO和MMSI進行綜合比對，再進行定位，有時甚至要參考船長參數(shù)。為此，必須建立平臺自有船舶庫，并對進入其中的數(shù)據(jù)和案例進行規(guī)則清洗，最終形成可提供快速定位功能的適用于國內外船舶的船舶庫。船舶庫的信息包括MMSI、中文船名、英文船名、IMO編號、初次登記號、船長、船舶類型(AIS)、船旗國、AIS更新日期和是否最新，以英文船名為主關鍵字。

先根據(jù)海事業(yè)務系統(tǒng)進行初始化積累，再根據(jù)AIS靜態(tài)信息進行更新。平臺整體運行以MMSI為唯一關鍵字，通過平臺船舶基礎庫，可同時關聯(lián)海事業(yè)務中的歷史行為數(shù)據(jù)和最新動態(tài)數(shù)據(jù)。

3 實際應用效果

通過應用上述算法，平臺存儲壓力得到了緩解，船舶運行軌跡更加平緩，最主要的成效體現(xiàn)在VTS校驗和VTS推算上。下面通過具體實例檢驗該算法的應用效果。

船舶A在2021年12月17日22:57關閉了AIS設備，在轄區(qū)內進行高風險操作，通過VTS推演，成功將掃描到的船舶信號關聯(lián)到了確定的船上，并生成了預警信息，幫助海事執(zhí)法人員在趕往事發(fā)地制止高風險作業(yè)的同時，掌握該船過往經歷，并及時聯(lián)系船舶所屬公司，該船的軌跡示意圖見圖3。

圖3 高風險行為船舶軌跡示意圖

船舶B在2022年1月10日10：39關閉了AIS，關閉狀態(tài)持續(xù)10 min之后，平臺進行了預警，通過根據(jù)VTS推演出來該船后續(xù)航行軌跡之后，及時通知相關海事處進行就近攔截，詢問原因并排除問題后予以放行。圖4為異常關閉AIS船舶軌跡示意圖。

圖4 異常關閉AIS船舶軌跡示意圖

4 結 語

當前的VTS已實現(xiàn)與AIS的數(shù)據(jù)融合，通過采用本文所述數(shù)據(jù)融合算法進行處理，進一步實現(xiàn)了VTS信號與海事業(yè)務數(shù)據(jù)的融合，在完成平臺建設之后，能為海事執(zhí)法提供精準快速的數(shù)據(jù)支撐。本文在研究過程中充分考慮了實際業(yè)務中的場景，并最終應用到了實際業(yè)務中。雖然該算法的有效性在實際應用中得到了驗證，但還沒有對無人機等設備的視頻信號進行結構化處理，并進行更全面的融合。

另外，監(jiān)控技術也在不斷進步，在IMO海上安全委員會(Maritime Safety Committee，MSC)第103次會議上，甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)(VHF Data Exchange System，VDES)技術已獲得共識，將被列入《國際海上人命安全公約》(International Convention for Safety of Life at Sea，SOLAS)中，分別在2022年1月和2023年1月討論確定將VDES納入SOLAS實施決議，并在2023年的MSC大會上通過強制安裝決議。以此為基礎，未來全球履約船舶將安裝VDES設備。屆時，海上船舶安全監(jiān)控將進入一個全新的時代。