汪秉東，郭湘南

（1.武漢郵電科學(xué)研究院，湖北武漢 430074；2.武漢烽火通信科技股份有限公司，湖北武漢430074）

隨著科技發(fā)展的日新月異，近代造船技術(shù)的研發(fā)及近海船舶的設(shè)計(jì)越來越豐富，近海船舶的性能愈發(fā)強(qiáng)大，給近海區(qū)域的航道交通帶來了很大的壓力，導(dǎo)致海上各種安全情況多變，出現(xiàn)了越來越多的安全隱患，影響了近海船舶的后續(xù)發(fā)展。在近海船舶的研究領(lǐng)域中，雷達(dá)AIS(Automatic Identification System)數(shù)據(jù)模擬器一直是一項(xiàng)重要的研究，也是各大海洋公司持續(xù)關(guān)注并研發(fā)的項(xiàng)目，該模擬器能夠高效地模擬雷達(dá)或者AIS（船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)）的數(shù)據(jù)，能讓船員和測(cè)試人員更加直觀且簡(jiǎn)潔地模擬海上目標(biāo)數(shù)據(jù)。多源船舶模擬器還可以更好地進(jìn)行近海船舶航路的規(guī)劃，提高各類船舶的航行效率，同時(shí)也能為數(shù)據(jù)目標(biāo)融合的發(fā)展打下殷實(shí)的基礎(chǔ)。

AIS 是一種安裝在船舶上的無線通信導(dǎo)航避碰設(shè)備，可適用于近海的各類船舶，AIS 能夠有效完成船舶間的避碰功能，AIS 系統(tǒng)可以通過VHF 自動(dòng)或定時(shí)播發(fā)，在20 海里內(nèi)實(shí)現(xiàn)各類船舶之間相互交換船舶航路和船舶相關(guān)信息的功能。AIS 信息包括MMSI（船舶海上移動(dòng)通信業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)碼）、船名、船舶類型和尺寸等。船舶雷達(dá)在航海中扮演著重要的角色，常被用于船舶的定位、避碰等相關(guān)方面，但是海上環(huán)境復(fù)雜多變，船舶雷達(dá)存在著精度不夠精細(xì)、定位程度不準(zhǔn)確等問題，且容易受到惡劣天氣或地形的影響，導(dǎo)致無法定位船舶具體位置。文中介紹一種雷達(dá)AIS 的數(shù)字模擬器，該模擬器能夠?qū)崿F(xiàn)多源數(shù)據(jù)的模擬。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 信息感知技術(shù)

信息感知是在獲取信息的基礎(chǔ)上，通過一定手段過濾不需要的信息，得到需求信息[1]。大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)的識(shí)別是用無線的方法檢測(cè)信息，但是，這種識(shí)別方法容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)重復(fù)和數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的問題，導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)對(duì)敏感信息的獲取效率下降[2]。僅在互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)識(shí)別技術(shù)上進(jìn)行修改和發(fā)展是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。首先，可以設(shè)置一個(gè)過濾條件，使得接收信息變得更加安全，也可以避免冗余信息的干擾，接著通過數(shù)據(jù)融合將過濾后的信息整合起來，形成完整的有用數(shù)據(jù)[3]。

在當(dāng)代互聯(lián)網(wǎng)中，數(shù)據(jù)采集基本上是一個(gè)從測(cè)量節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的過程，通常的目標(biāo)都是安全或者完整的[4]。目前互聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定性并不高，圍繞網(wǎng)絡(luò)的問題存在許多不確定性。在網(wǎng)絡(luò)上采集信息時(shí)時(shí)常獲取到不正確的信息，這通常會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，甚至還會(huì)收集到嘈雜的數(shù)據(jù)。所以應(yīng)使用數(shù)據(jù)凈化方法設(shè)置一個(gè)過濾器來過濾無效數(shù)據(jù)，增強(qiáng)有用數(shù)據(jù)的時(shí)效性和牢固性[5]。在信息感知方面，缺失信息和數(shù)據(jù)過濾密切相關(guān)。如果將缺少的信息視為一種特殊的數(shù)據(jù)[6]，那么可以使用數(shù)據(jù)過濾對(duì)這種特殊的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，使用線性插值和回歸模型從所有數(shù)據(jù)中消除缺少的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，使過濾后的信息更加完整[7]。

1.2 AIS雷達(dá)數(shù)據(jù)

AIS 全稱為自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，是一種新型導(dǎo)航設(shè)備，常用于海洋中船舶的航行[8]。在當(dāng)代海洋運(yùn)輸上，AIS 的任務(wù)是收集船舶運(yùn)行的特征，能夠辨別出船舶與其他物質(zhì)，對(duì)指定的船舶能夠提供航跡跟隨的輔助功能，通過大量信息的收集，在對(duì)船舶信息進(jìn)行存儲(chǔ)后，使得船舶之間能夠更加清晰地進(jìn)行信息交流，對(duì)船舶給予警示功能以便預(yù)防碰撞事件的發(fā)生[9]。AIS 可以改進(jìn)防止船舶碰撞的功能，改進(jìn)了ARPA 雷達(dá)并優(yōu)化了近海船舶交通控制系統(tǒng)的性能，增加了近海船舶的運(yùn)輸報(bào)告功能[10]。所有航線、航位點(diǎn)和船舶的編號(hào)名稱均可在ECDIS 上查看，進(jìn)而為指定船舶提供了新型且高效的通信方式，提高整體船舶的通信質(zhì)量并使近海船舶走向智慧化的時(shí)代[11]。

AIS 會(huì)從數(shù)據(jù)庫中為裝備了AIS 的船舶提供該船或者是附近船舶的相應(yīng)信息[12]，這些信息在船舶裝配AIS 后自動(dòng)上傳并分發(fā)給其他裝配了AIS 的船舶[13]，而關(guān)于船舶編號(hào)、船舶大小、船舶型號(hào)等靜態(tài)信息則會(huì)通過VHF 在以該船為中心，方圓20 海里的范圍內(nèi)進(jìn)行播報(bào)，裝配了AIS 的船舶則能收到這些信息[14]。

雷達(dá)為科研的目標(biāo)探測(cè)做出了極大的貢獻(xiàn)[15]。在地質(zhì)勘測(cè)中，雷達(dá)可以生成準(zhǔn)確的目標(biāo)類型，其深度和廣度可以達(dá)到幾十米的精度。雷達(dá)在對(duì)自然災(zāi)害的預(yù)防上也表現(xiàn)得非常出色，在土壤調(diào)研、海洋資源探查、空氣質(zhì)量等方面，雷達(dá)也表現(xiàn)出了非常大的潛力[16]。

2 推算算法的研究

航位推算算法定義了一個(gè)完整的搜索過程，該過程起始于首個(gè)數(shù)據(jù)信息的接收，依據(jù)算法的原理，再綜合該目標(biāo)數(shù)據(jù)的艏向、對(duì)地速度以及接收到下一個(gè)目標(biāo)數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，來對(duì)下個(gè)目標(biāo)的經(jīng)緯度點(diǎn)進(jìn)行模擬。當(dāng)今大部分航載系統(tǒng)分為羅經(jīng)儀和自動(dòng)舵以及里程計(jì)等部分?；趥鹘y(tǒng)的航位推算算法的準(zhǔn)確模型，使用自動(dòng)優(yōu)化方案來優(yōu)化羅經(jīng)儀和自動(dòng)舵產(chǎn)生的物理誤差，能夠從根本上提高航位推算算法的準(zhǔn)確度[17]。可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)前航點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算算法，計(jì)算指定坐標(biāo)、航向角和航向角后的下一個(gè)航點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)。首先在接收到起點(diǎn)航位點(diǎn)數(shù)據(jù)后，保存數(shù)據(jù)，當(dāng)下一個(gè)航位點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)來時(shí)，同樣進(jìn)行信息保存，再比較兩個(gè)航位點(diǎn)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，放在平面中經(jīng)計(jì)算后得到一個(gè)帶方向的矢量差，同時(shí)根據(jù)推算算法得出模擬的下一個(gè)點(diǎn)的速度以及帶方向的矢量，因?yàn)閷?shí)際環(huán)境的復(fù)雜性，兩個(gè)矢量不一定完全相同，需要通過算法進(jìn)行修正，得到正確的下一航位點(diǎn)的對(duì)地速度。由此類推，在此基礎(chǔ)上推算下一個(gè)航位點(diǎn)時(shí)，也要考慮誤差的影響，假定誤差與初始相同，在實(shí)際得到該點(diǎn)的矢量且得到推算算法模擬的矢量后，將兩者進(jìn)行計(jì)算，得到正確的航位點(diǎn)對(duì)地速度。重復(fù)該過程，即可使用推算算法得到每個(gè)航位點(diǎn)的對(duì)地速度，并且能不斷地進(jìn)行自我修正。

航位推算算法的第一步是為所規(guī)劃的航跡進(jìn)行分段編號(hào)處理。假設(shè)要進(jìn)行處理的航跡中有N+1 個(gè)航位點(diǎn)，即P0,P1,P2,…,PN,如圖1 所示。

圖1 航線分段編號(hào)

1）過起始點(diǎn)P0作線段P0P1的垂直線Q0R0；

2）任意設(shè)置一個(gè)自然數(shù)i，得到Pi-1Pi和PiPi+1的夾角平分線QiRi；

3）過PN作線段PNPN-1的垂線QNPN；

4）矢量R0Q0,R1Q1,…,RNQN會(huì)把完整的航線軌跡分割成N個(gè)部分，然后將其從0 開始編號(hào)到N。

將航跡拆分成片段之后，每當(dāng)從模擬器中得到新的經(jīng)緯度輸入時(shí),首先要確認(rèn)其屬于哪個(gè)片段，從而決定后續(xù)的推算過程。如圖2 所示，假設(shè)發(fā)送消息的航位點(diǎn)為P(X,Y)。

圖2 計(jì)算船位所在航段編號(hào)

將射線QiRi繞點(diǎn)Qi順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°,作射線；再以點(diǎn)Qi為端點(diǎn)作射線QiP。如果P與間的夾角αi大于90°，則根據(jù)向量的位置特性得出·QiP＜0；如果P與間的夾角αi小于90°，則根據(jù)向量的位置特性得出·QiP＞0。所以判斷航位點(diǎn)為哪個(gè)片段的步驟：第一步將i置為1，表示對(duì)第一個(gè)航位點(diǎn)進(jìn)行初始化；第二步求兩項(xiàng)式的乘積；如果T＞0，則令i=i+1，接著繼續(xù)進(jìn)行第二步；若T＜0，則此時(shí)所得到的i值即為要得出的航位點(diǎn)編號(hào)。

航位推算算法的核心就是首先獲得一個(gè)初始點(diǎn)位，進(jìn)行判斷后，從當(dāng)前位置開始往后推算下一個(gè)航位點(diǎn)的位置，這個(gè)航線可能是其中的一部分，也可能是模擬的軌跡外的航段，若是軌跡外的航段也會(huì)迅速進(jìn)行自我修正回到正軌上，如圖3 所示。

圖3 推算航段的確定

如果首次獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷后在原定航跡上（如A點(diǎn)），那么下一步的航跡為APi；如果首次的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷后不在原定軌跡上，且其艏向與原定航跡有交點(diǎn)(如B點(diǎn))，那么下一步的航跡為；如果首次的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷后不在原地軌跡上，且其艏向與原定航跡沒有交點(diǎn)(如C點(diǎn))，那么下一步的航跡為CPi。假設(shè)當(dāng)前航位點(diǎn)的位置坐標(biāo)為（P，Q），那么有：

若令船舶當(dāng)前點(diǎn)位坐標(biāo)為(Pr,Qr)，目標(biāo)的航跡為Gr，則同一方向上的位置公式為：

令P=Pi-1+(Pi-Pi-1)·β=Pr+βsinGr，得到β=。

若β∈[0,1]，則方向線段與Pi·Pi-1有公共交點(diǎn)，則由該β值可求得該公共點(diǎn)到推算的下一個(gè)航位點(diǎn)的時(shí)間間隔為P(1-β)。將所求P值代入上述公式可反推其交點(diǎn)位置；如果β＜0 或β≥1，則方向線段與Pi·Pi-1沒有公共交點(diǎn)。

假設(shè)首個(gè)收到數(shù)據(jù)的航位點(diǎn)為P0,它和P1分別是推算算法的兩個(gè)端點(diǎn)；P2點(diǎn)應(yīng)該處在原定航跡上。假設(shè)從P0到P1的收取船舶信息間隔為β0，從P1到P2的收取船舶信息間隔為β1，前一次推算時(shí)刻為T0，此次的推算時(shí)刻為T1,由此求得兩次信息的時(shí)間差值為ΔT=T1-T0。

1）如果ΔT≤β0，則表明此次船舶處于P0到P1的區(qū)間內(nèi),可以得到此次航位點(diǎn)位置P=P0+；

2）如果ΔT＞β0，則表明此次船舶處于P1到P2的區(qū)間內(nèi)或者是航跡規(guī)劃外，則有ΔT=ΔT-β0；

3）如果ΔT≤β1，則表明此次船舶處于P1到P2之間，得到；

4）如果ΔT＞β1，則表明此次船舶P處于P2之外的地方，則有ΔT=ΔT-β1；

5）再選擇P2作為下一段航位推算的航位點(diǎn)起點(diǎn)，從規(guī)劃的航跡中兩兩選擇所規(guī)劃航跡的兩個(gè)端點(diǎn)，對(duì)于起始點(diǎn)Pi、終結(jié)點(diǎn)Pi+1和估算的獲取時(shí)間間隔βi+1,如果ΔT＞βi+1，則令ΔT=ΔT-βi+1，接著重新進(jìn)行步驟5）；

6）如果ΔT≤βi+1，則可以得到(Pi+1-Pi)。

3 模擬器的應(yīng)用

3.1 多源模擬器的理論研究

多源目標(biāo)的模擬器是基于普通模擬器之上進(jìn)行創(chuàng)新，首先使用隨機(jī)數(shù)算法生成模擬的多源數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過堆棧的方法進(jìn)行存儲(chǔ)，然后將生成的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵扑闼惴ㄖ校猛扑闼惴▽?shí)時(shí)生成指定時(shí)間的多航路點(diǎn)，利用這些航路點(diǎn)可以得到一個(gè)完整的軌跡，航路點(diǎn)可以輸出到客戶端上進(jìn)行數(shù)據(jù)的比較，還能夠與平臺(tái)建立聯(lián)系，將模擬的多個(gè)初始航位點(diǎn)展示到電子海圖上，并且隨著時(shí)間的推移，能夠?qū)崟r(shí)地模擬下一步的航路點(diǎn)，形成完整的航跡。多個(gè)目標(biāo)的模擬可以同時(shí)進(jìn)行，也可同時(shí)展示在電子海圖上，其航跡互不干擾，與實(shí)際情況下雷達(dá)探測(cè)的目標(biāo)信息幾乎一致，能夠較好地實(shí)現(xiàn)模擬效果。

3.2 多源模擬器的測(cè)試結(jié)果

以多源AIS 模擬器為例，在使用隨機(jī)數(shù)模擬器之前，首先啟動(dòng)Collector 鏈接器，然后打開Geoview平臺(tái)，登錄后進(jìn)入初始界面，接著使用隨機(jī)數(shù)模擬器，相較于單目標(biāo)模擬器而言，隨機(jī)數(shù)模擬器只負(fù)責(zé)生成隨機(jī)的動(dòng)態(tài)信息組，如經(jīng)緯度區(qū)間、船舶的航速區(qū)間、船舶的角度區(qū)間以及船舶的艏向區(qū)間。這些動(dòng)態(tài)信息由操作人員按照模擬的需求填寫，模擬目標(biāo)的個(gè)數(shù)可達(dá)到上百個(gè)，因此滿足多源目標(biāo)模擬的需求。而船舶的MMSIID 等靜態(tài)信息則在隨機(jī)數(shù)模擬器啟動(dòng)后隨機(jī)生成相應(yīng)的值存放在object 文件夾中。此時(shí)，操作人員應(yīng)打開導(dǎo)入數(shù)據(jù)模擬器，該模擬器使用了相對(duì)簡(jiǎn)潔的界面，信息不再展示在模擬器上，直接連接平臺(tái)后，可在平臺(tái)上展示模擬的數(shù)據(jù)。當(dāng)選擇路徑時(shí)，找到對(duì)應(yīng)根目錄下存放隨機(jī)數(shù)數(shù)據(jù)的object 文件夾，點(diǎn)擊啟動(dòng)后，模擬器會(huì)自動(dòng)同時(shí)讀取所有通過隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，通過鏈接器導(dǎo)入到平臺(tái)中，圖中的計(jì)時(shí)器則會(huì)在停止對(duì)平臺(tái)多目標(biāo)的模擬后結(jié)束計(jì)時(shí)。當(dāng)多模擬器數(shù)據(jù)傳入平臺(tái)時(shí)，Collector 接收到的數(shù)據(jù)是利用隨機(jī)模擬器模擬的十個(gè)AIS 數(shù)據(jù)，每個(gè)AIS 數(shù)據(jù)的MMSI 編號(hào)也是在數(shù)據(jù)庫隨機(jī)生成的，這十個(gè)AIS 模擬目標(biāo)同時(shí)導(dǎo)入到平臺(tái)中，在平臺(tái)上進(jìn)行后續(xù)航路的模擬，模擬過程中平臺(tái)上出現(xiàn)的模擬數(shù)據(jù)與隨機(jī)數(shù)模擬器中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)完全相同，表明了每個(gè)模擬目標(biāo)在起始經(jīng)緯度的情況下沿著船舶艏向一直移動(dòng)。模擬器所模擬的目標(biāo)與雷達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)在平臺(tái)上生成的數(shù)據(jù)形式上相同，就表示著模擬器成功連接上平臺(tái)，多目標(biāo)的模擬器成功導(dǎo)入了數(shù)據(jù)。多目標(biāo)的雷達(dá)模擬器也是類似的效果，隨機(jī)模擬出的目標(biāo)即為雷達(dá)數(shù)據(jù)，在形式上也與平臺(tái)生成的數(shù)據(jù)保持相同。模擬的目標(biāo)信息與真實(shí)情況下雷達(dá)所探測(cè)的信息，不論是在電子海圖的視圖上還是在列表所搜索的目標(biāo)數(shù)據(jù)上，幾乎完全一致，由此可見模擬器在模擬AIS 信息方面上已經(jīng)非常完善，同理模擬雷達(dá)信息也是相同的效果。

多目標(biāo)模擬器的特點(diǎn)在于可以對(duì)批量的隨機(jī)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)航路的模擬，它同樣具有精確度高的優(yōu)點(diǎn)，可以在系統(tǒng)允許的情況下批量對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，且可以生成大量的后續(xù)航路點(diǎn)與軌跡線，這符合當(dāng)今航海事業(yè)中對(duì)多源數(shù)據(jù)模擬的需求，相較于單目標(biāo)的模擬器，多目標(biāo)模擬器實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模、多目標(biāo)、即時(shí)性上的突破，并且具有更優(yōu)秀的穩(wěn)定性，更加兼容雷達(dá)監(jiān)控平臺(tái)。

4 結(jié)束語

文中提出一種新型基于雷達(dá)監(jiān)控平臺(tái)的多源目標(biāo)模擬器，介紹了多源目標(biāo)模擬器的基本原理及關(guān)鍵技術(shù)，從理論上分析了多源目標(biāo)模擬器的優(yōu)缺點(diǎn)，運(yùn)用多種方法從理論上模擬AIS 數(shù)據(jù)和雷達(dá)數(shù)據(jù)。在研究過程中，選取一個(gè)特定的目標(biāo)，記錄其初始航路點(diǎn)的動(dòng)靜態(tài)信息，觀察其航行一段時(shí)間的航跡后，將其經(jīng)緯度信息保留下來，此時(shí)通過模擬器模擬相同的初始化動(dòng)靜態(tài)信息，運(yùn)行后可發(fā)現(xiàn)兩者后續(xù)的航跡基本一致，可能會(huì)由于真實(shí)情況下的環(huán)境問題產(chǎn)生一定的誤差，通過航位修正后能達(dá)到95%的準(zhǔn)確率。對(duì)于模擬器部分，在模擬數(shù)據(jù)并進(jìn)行推算算法時(shí)，還可以進(jìn)一步考慮實(shí)際船舶的錨、纜、拖輪、風(fēng)浪、天氣對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的作用，而模擬器所采取的推算算法忽視了這些實(shí)際情況進(jìn)行演算，后續(xù)可以根據(jù)實(shí)際情況完善算法的研究，使得模擬的數(shù)據(jù)能夠具有更加真實(shí)性的表現(xiàn)。