基于北斗通信的AIS信息自适应筛选技术研究

张尚悦，王郁茗，于政国

(海军大连舰艇学院 航海系，辽宁 大连116018)

0 引 言

随着“经略海洋”、 “建设海洋强国”的提出，中国海军走向深蓝，远洋航行的军事与非军事任务不断增多，为保证舰船的远洋航行保障能力，加强舰船的远海域动态监控变得刻不容缓。船舶自动识别系统(AIS)是一种通用高效的船舶动态监控系统，能够识别目标船，对目标进行跟踪，具有接近实时跟踪、对地稳定性强、简化信息交流、丢失目标可能性小等特点［1］。AIS 工作在海上VHF 频段，同时在这频段接收周边船舶发出的AIS信息，远海域存在监控盲区，基于北斗卫星导航系统传输AIS信息可以解决这一问题［2］。然而舰船在通航情况下，尤其在船舶密集海域，接收到的AIS信息量往往较大，全部通过北斗信道转发需要大量的时间，不满足船舶动态监控需求。

本文研究基于北斗通信的AIS信息自适应筛选技术，通过采用距离筛选法、舷角筛选法及混合筛选法过滤处理本舰接收到的所有AIS信息，连续自主筛选影响舰船安全行驶的船舶，同时精简船舶信息便于岸基指挥中心快速有针对性监控本舰所在海域的船舶动态情况。

1 北斗传输AIS信息工作流程

图1 基于北斗传输AIS信息拓扑图Fig.1 AIS information transmission based Beidou

2 AIS信息自适应筛选技术概述

2.1 筛选技术的提出

远洋航行的舰船基于北斗通信，发送以本舰为中心的AIS信息区域内船舶信息到岸基指挥中心，有助于岸基指挥中心在任何时候都能全面迅速地掌握区域内船舶交通状况，对保证舰船的远洋航行保障能力，加强舰船的远海域动态监控起到关键性作用。

然而在密集海域行驶的舰船会收到大量的AIS信息，但北斗带宽窄、通信能力有限，一次最大可发送210 字节的信息。AIS 暗码电文共28个字节如“1P000Oh1IT1svTP2r:43grwb0Eq4”，设本舰在一般通航条件下接收到200 条船舶，则需要发送5 600字节的信息，若全部通过北斗转发且采用5 s 高服务频度［3］，则共需要130 s 才能将200 条船的AIS信息发送完毕，远远超过行船AIS 动态信息报告的最大更新间隔t = 12 s，见表1［4］。不能满足岸基指挥中心对船舶的实时动态监控。而且舰船接收到的船舶不都会对本舰安全航行造成影响，对远海域动态监控不具有实际意义，这类船舶可间隔一段时间发送一次位置信息，无需实时更新船舶AIS信息。采用AIS信息自适应筛选技术可解决以上问题。

表1 AIS 动态信息更新间隔表Tab.1 AIS Dynamic Information Update Interval

2.2 自适应筛选技术工作流程

AIS信息自适应筛选技术包含距离筛选法、舷角筛选法及混合筛选法3 种，流程如图2所示。采用3种筛选方法过滤处理AIS信息，减少信息量以满足北斗通信能力，缩短通信时间使岸基指挥人员及时掌握远海域船舶动态情况，对舰船安全行驶实时监控。

图2 AIS信息自适应筛选流程图Fig.2 AIS information self-adaption filtration

3 三种筛选法的研究及仿真

3.1 距离筛选法

1)距离筛选法论述

舰船通航情况下接收到的船舶数量很大，并不是每条船舶对舰船安全航行都有影响，一般距舰船越远的船舶对舰船航行影响越小，岸基指挥中心实时监控此类船舶意义不大，对于距舰船较远船舶无需北斗连续转发。研究采取距离筛选法，在以本舰为中心的AIS信息区域基础上，设定筛选半径，建立圆形随动筛选区，在舰船航行下连续自主过滤掉距本舰较远船舶。

筛选半径以最小安全会遇距离(DSPA)为基准，其值不得小于DSPA，而不同水域DSPA的设定也不相同，在航海上确定最小安全会遇距离通常做法是:船舶拥挤水域一般取DSPA为0.3～0.5 n mile，大洋航行1～2 n mile，恶劣天气或能见度不良取2 n mile以上［5］。设立筛选半径后，如果信息量未达到北斗通信能力上限可延长半径作自适应调整。自适应更新周期以随动筛选区域内船舶最小更新间隔t为准。

采用距离筛选法在精简AIS信息量的同时，提升距本舰较近船舶优先权，将圆内船舶AIS信息传输到岸基指挥中心，使岸基指挥人员在对本舰远海域动态监控时更具有针对性与及时性。

为了考察各因素交互作用对纤维素酶活力的影响，对模型进行降维分析[11]，研究接种量、固液比、冬凌草与麸皮比两两因素之间的交互作用，其对应的响应面及等高线图如图2所示。

2)程序步骤

步骤1:从AIS 终端数据采集器中提取每条船舶的位置信息λmmsi与φmmsi(本舰位置信息为λo与φo)。根据两点距离公式算出每条船与本舰的距离Dmmsi(单位为n mile)并存储。

步骤2:依据所在海域实际状况确定AIS 圆形随动筛选区筛选半径R 大小。R 单位为n mile。

步骤3:将每艘船舶的Dmmsi与R 作比较，采集Dmmsi＜R的船舶，过滤掉扫描区域外的船舶。

步骤4:计算筛选船舶AIS信息量，与北斗通信能力比较(短报文最多240 字节)，若AIS信息量低于240 字节，则以0.1 n mile为步长延长筛选半径长度，直到筛选船舶信息量接近北斗通信能力为止(AIS信息量≤240 字节)。

3)仿真操作

舰船在渤海海峡航行，所在海域较为拥挤，以0.5 n mile为筛选半径。适当延长半径以接近北斗通信能力，计算得筛选半径为4.5 n mile。如图3所示。以本舰为中心的随动圆形扫描区内的7 条船舶被AIS信息筛选采集器采集。通过限制随动圆半径4.5 n mile，使舰船在上报AIS信息时只发送圆内的7 条船舶。这7 条船舶距舰船较近，当优先监控，通过北斗转发到岸基指挥中心，使指挥人员掌握舰船所在海域航行动态情况更加快捷、清晰明了。

图3 距离筛选法示意图Fig.3 Distance-filtered method

3.2 舷角筛选法

1)舷角筛选法论述

舰船的相对舷角是船舶远程动态监控的重要指标，目标船的相对舷角也是影响舰船安全行驶的重要因素。舷角筛选法是根据《规则》［6］中按舷角划分的互见两船间3 种会遇态势，将本舰周围划分为6个相对舷角区域，如图4所示，并在相应的局面下区分出影响舰船安全航行的船舶。由于AIS 能在电子海图上显示所有船舶可视化的航向、航线、船名等信息，解决了能见度不良无法观察周边船舶的情况，可将AIS 收到的周围船舶作为舰船可见船舶。

在图4 中，对遇态势为F 区;交叉相遇态势为A，B，E 区;追越态势为C，D 区。各区域内的来船都有可能对舰船的安全航行带来影响，通常情况下都需要对这些区域进行远程实时监控，但由于北斗通信能力有限，在发送信息时应根据具体船舶分布情况，对某个或几个区域优先监控。对于相对舷角A，B 区域的来船，本舰为让路船;对于相对舷角C，D，E 区域的来船，本舰可保速保向直航行驶，但需要时刻关注该区域内来船动态;对于F 区域两船互为让路船。

北斗AIS 终端根据相对舷角A，B，C，D，E，F区域内船舶动态情况，自适应得选取船舶分布密集、与我舰存在会遇态势的相对舷角区域，以便有针对性监控远程船舶动态情况。自适应更新周期以舷角筛选区域内船舶最小更新间隔t为准。

图4 互见中的两船会遇态势划分Fig.4 Situation division of the two ships encounter when seeing each other

2)程序步骤

步骤1:将会遇态势框架中心设在本舰所在位置(λo，φo)，舰首向与框架图中000°方向重合，同时建立以本舰为极点的极坐标系，其中极轴与舰首向重合。

步骤2:从AIS 终端数据采集器中提取每条船舶的位置信息(λmmsi，φmmsi)与航向信息(Cmmsi)，计算每条船舶在极坐标系中坐标(ρmmsi，θmmsi)并存储在A，B，C，D，E，F 六个集中。

步骤3:提取每个相对舷角区域内与本舰存在会遇情形的船舶，自适应筛选出会遇情形集中、船舶密集的区域进行监控。与本舰存在会遇情形的船舶航向需满足所在区域的航向区见表2。

表2 不同相对舷角区域航向区间Tab.2 Heading range of different relative angle area

3)仿真操作

如图5所示，舰船在渤海海峡航行，在相对舷角A，C 区域均有来船，A 区域1艘来船与舰船产生会遇态势，且距离较近;C 区域船舶密集，有多艘来船，需要重点监控。采用舷角限制法监控结果如图6所示，其中A，C 区域航向不符合表2的船舶被过滤掉，此类船舶不会对我舰航行状态产生影响，无需转发至岸基指挥中心进行实时监控。此时监控5条船舶亦满足北斗通信能力要求。

图5 舰船渤海航行AIS 船舶显示图Fig.5 AIS of Bohai sea shown on figure

图6 舷角筛选法示意图Fig.6 Angle-filtered method

2.3 混合筛选法

距离筛选法与舷角筛选法可以单独使用，也可互为补充使用，舰船通航中，混合使用2 种限制法更为有效。混合筛选法是在距离筛选法的基础上加以舷角筛选船舶。其中，自适应更新周期以筛选区域内船舶最小更新间隔t为准。仿真试验如下。

舰船在渤海海峡航行，接收到182 条船舶。核心处理器采用混合筛选法自适应选取周围8 n mile距离进行筛选监控。由于此时位于舰船舰首和舰尾方向有多艘来船，对舰船航行安全造成影响，以舰船为中心建立会遇态势框架，选择F和C 区域重点监控。结果如图7所示。

图7 混合筛选法示意图Fig.7 Mix-filtered method

综上所述，AIS信息经过筛选处理，其数据量已经大大减小，然而在一片海域大量船只的情况下，仍然不能满足北斗信道容量，这样就要对AIS信息重新进行压缩编码再通过北斗打包发送。首先，由于AIS 暗码电文报头较长，将AIS信息通过北斗转发，可舍去长报头，重新设置。其次，更新AIS信息时，短时间内船舶航行信息不会发生较大变化，对于位置等信息只重复发送变化量即可，这样也大大减少AIS 数据量，节省北斗带宽，增加每次发送的船舶数量。

4 结 语

基于北斗卫星导航系统传输AIS信息，有助于岸基指挥中心增强对远海域航行船舶的动态监控，解决了AIS 广播距离有限的问题。但北斗信道容量有限，若将接收到的船舶AIS信息全部通过北斗传输，需要很长时间，使动态监控效用降低，因此本文提出采用自适应的距离筛选法、舷角筛选法及混合筛选法过滤筛选影响舰船安全行驶的船舶，减小AIS信息量，也使岸基指挥人员快速有针对性监控本舰所在海域的船舶动态情况，保障舰船的远洋航行安保能力。该项技术贴近海军及海警部队实际，为保证海军舰艇遂行远洋作战训练及非军事行动提供对舰船远海域态势的动态监控，为海警各支队的海上维权、维护航洋权益提供方法手段。

［1］鲍君忠，周尊山，徐东华，等.船载自动识别系统应用［M］.大连:大连海事大学出版社，2006:17 -18.

［2］王郁茗，张尚悦.一种远程船舶动态监控系统的研究与展望［J］.船电技术，2015，35(2):16 -20.WANG Yu-ming，ZHANG Shang-yue.Research ＆ prospect for ship long-rang dynamically monitoring system［J］.Marine Electric ＆ Electronic Engineering，2015，35(2):16-20.

［3］张尚悦，郝立杰，刘晓光，等.基于北斗信道的气象传真图传送研究［J］.航海技术，2012(1):42 -43.ZHANG Shang-yue，HAO Li-jie，LIU Xiao-guang.Research for transmission of weather fax imagine through Beidou system［J］.Marine Tecnology，2012(1):42 -43.

［4］袁安存，张淑芳.通用船载自动识别系统国际标准汇编［M］.大连:大连海事大学出版社.

［5］吴兆麟.船舶避碰与值班［M］.大连:大连海事大学出版社，2008.

［6］郑中义，吴兆麟.船舶最佳转向避碰幅度决策模型［J］.大连海事大学学报，2000，26(4):5 -8.ZHENG Zhong-yi，WU Zhao-lin.Model of ship′ s optimization magnitude of course alteration in decisionmaking for collosion avoidance［J］.Journal of Dalian Maritime University，2000，26(4):5 -8.