基于AIS数据处理的船舶失联报警系统设计
2017-03-04王捷汪益兵王举升
王捷，汪益兵，王举升
基于AIS数据处理的船舶失联报警系统设计
王捷1,2，汪益兵2，王举升3
针对一些AIS监控系统缺乏数据自动分析报警功能的现状，利用时效性计算和校验，综合判定船舶信号的丢失状态和等级，设计船舶失联实时报警的5种方式，实现特定船舶和特定监控区域内船舶失联报警的精准和有效监控。
AIS；失联报警；目标控制；船舶监控
基于AIS数据进行船舶安全监控已普遍应用在海事安全管理和相关的港口安全管理系统中，但在系统设计中均无基于AIS数据处理的船舶失联报警功能[1]。
海事管理部门在接收区域内AIS目标信息时，由于目标船舶数量众多，则当某个关注目标船舶的信息丢失或船舶失联时，很难通过肉眼及时观察到[2]。因此，类似“东方之星”轮客船失事后不能通过AIS信息予以报警的风险始终存在。针对这一问题，需要在船舶交通安全监测的基础上设计相关程序，实现船载AIS信号消失后情况下船舶失联实时报警的需要。
1 AIS 系统的信息动态发射
根据国际海事组织(IMO)规定，总吨位300以上的船舶和所有新造客船必须安装AIS-A船台，其他小型船舶必须安装AIS-B船台。AIS-A和AIS-B(SO型)通信模式都是自组织时多分址(SOTDMA)，而AIS-B(CS型)通信模式是载波侦测时多分址(CS-TDMA)。目前，商船一般装有AIS-A船台，渔船或其他小型船舶一般装有AIS-B(SO型)或AIS-B(CS型)船台。在动态发射时间间隔(报告周期)上，AIS-A 与AIS-B系统设备主要性能参数比较见表1。
表1 AIS-A 与AIS-B系统动态发射时间间隔(报告周期)比较
注：静态消息报告频率：每6 min，或者当数据被修正。
从表1中可知，无论载有AIS-A还是AIS-B的船舶，即使船舶停泊，动态发射间隔一般也不超过3 min，而静态信息固定为6 min[3-4]。
2 船舶失联实时报警功能设计
2.1 载有AIS的船舶信号丢失的判定
AIS信息更新频率与船舶的航速和转向率有关，一般动态信息最快为2 s，最慢为3 min，静态信息固定为6 min。另外，对于AIS-A 与AIS-B系统设备，其更新频率也有所差别。
船舶信号丢失的判定是以最新船位各项数据、船舶静态信息频率为依据，通过时效性计算和校验，综合判定船舶信号的丢失状态和等级。
进行信号丢失的判别需要分成3个步骤：计算当前最新船位的有效时长、最新船舶信息时长校验、失联状态判定。
1)当前最新船位的有效时长Te计算。由于AIS-A 与AIS-B系统设备提供的数据所有差异，需使用不同的计算策略。对于使用A类设备Te为
(1)
式中：k为航行状态，航行中取值为1，停泊或抛锚为0；s为船位速度，kn；r为转向率，(°)/h；a为系数，s≤3时，取值为1，否则为0；b为系数，s≤14时，取值为1，否则为0；c为系数，14
对于使用B类设备Te为
Te=a·180+b·30+c·15+d·5
(2)
式中：a为系数，s≤2，辅助导航，取值为1，否则为0；b为系数，2
2)最新船位时长校验。
(3)
式中：Td为船位时长；Tn为当前时间；Tp为船位时间。
船舶静态信息时长校验：
(4)
式中：Ts为船舶静态信息时长；Tn为当前时间；Ti为最新船舶静态信息时间。
3)失联状态判定。AIS信号包含动态、静态2种，在进行失联状态判定时需要对这2类数据同时进行时效判定，有2种判定方式。
第一种方式是使用有效误差计算方式进行判断。首先判断船位时效，根据上述公式计算出的Te、Td以及允许的误差范围(T1：比如2倍时间)，自动判断失效状态。当Te+T1 第二种方式是使用固定阀值判定失效状态。使用上述公式计算得到的Td和Ts，与设置时间长度，比如,7 min(比2个最长信号周期多一些)，进行比较，同样有与上述一样的4种判定结果。 第一种方式比较复杂，当船舶处于变速或变向状态时，不容易判断准确，比较容易出现误报警(一方面信号可能迟于预期，另一方面信号可能出现误码，都会导致不能及时收到船舶信号)，影响效果；第二种方式更简单有效一些，误报警相对较少，但对目标丢失判定的时效性没有第一种方式好。 当处于失联状态后，再根据失联时长进行失联报警的等级确定。 2.2 船舶AIS信息失联实时报警方式 根据对配置AIS的船舶进行实时监控的需要，船舶AIS信息失联报警方式一般有以下5种方式可供选择使用。 1)区分符号显示。在海图显示区域，AIS船舶信号丢失的显示符号与正常船舶信号的符号进行区分显示。这在国际海事组织(IMO)关于AIS标准和电子海图系统的相关国际标准中已有规范要求。如图1中的圈中的符号，即为标准规范中AIS船舶信号丢失后的显示符号。 2)符号闪烁显示。当显示比例尺较小时，AIS船舶信号显示容易重叠，导致区分符号不容易识别。则可在海图显示区域使丢失AIS船舶信号的符号进行闪烁显示，在视觉效果上更容易进行识别。 3)报警灯闪烁提示。当丢失AIS船舶信号不在当前海图显示区域时，以上2种报警方式将无法观察到。可以通过设置信号丢失报警灯，一旦发现有AIS船舶信号丢失，报警灯即进行闪烁显示。 4)弹出窗口提示。如果不间断地有目标丢失出现，那么报警灯将处于长期闪烁，用户无法识别新的AIS船舶信号丢失。则考虑使用弹出窗口方式，提示最新出现的AIS船舶信号丢失。 5)报警声音提示。当用户没有在系统旁值守时，只使用报警灯或弹出窗口方式，用户都将无法观察到。可以通过发出报警声音进行提醒。 上述实验研究表明，实验组巨大儿、新生儿高胆红素血症等并发症发生率低于对照组，差异有统计学意义（P<0.05）。实验组新生儿低血糖、低胎龄儿、呼吸窘迫综合征等并发症发生率与对照组相比，差异无统计学意义（P＞0.05）。实验组妊娠期高血压、产程异常、产后感染以及胎膜早破等并发症发生率低于对照组，孕期体重增长少于对照组，差异有统计学意义（P<0.05）。实验组引产率、剖宫产率、早产率与对照组相比，差异无统计学意义（P＞0.05）。 上述5种报警方式可以单独或组合使用。 2.3 船舶失联报警目标的控制 如果系统针对所有目标都进行丢失判断，并当任何目标出现信号丢失时，都能够及时判定并报警，那可能由于报警的AIS船舶数量太多而影响船舶监控的效果。因此，根据海事管理部门和航运企业不同的业务需求，可以采用针对特定船舶的失联报警和针对特定监控区域内船舶的失联报警2种方式来降低报警目标数量，实现精准和有效监控。 一是针对特定船舶的失联报警，即分组监控。首先对某些特定船舶(如公司管理船舶)或某些涉及安全的特殊船舶，如危险品船、油船、高速船和客船等进行分组设定。其设计原理是将监控船舶进行分组，将关注的船舶加入到特定船舶组目录内，只对船舶组中的船舶进行信号丢失判定。船舶组可以创建多组，可进行所有组的船舶丢失监控，也可以只对指定组的船舶进行丢失监控。 二是针对特定监控区域内船舶的失联报警，即分区监控。对于特定监控区域，进入该区域的船舶将自动启动丢失监控，一旦离开该区域，则取消监控，如同自动标绘雷达对船舶自动跟踪的原理。特定监控区域可以创建多个分区，分别进行监控。 基于AIS数据的船舶失联报警系统是在船舶交通安全监测系统的基础上的进一步开发。根据AIS信息研究需要，构建AIS信息数据库[5-7]。 基于AIS数据的船舶失联报警系统监控流程见图2。 第一步。结合交通流分析的研究成果，制定有效的监控船舶组群和区域。 2)结合设置的监控区域对历史数据进行船舶的种类、速度分布的统计分析，确定监控必要性较高的船舶种类，进而进行监控船舶的分组设置。 3)依据上述的水域分区、船舶分组，形成有针对性的船舶监控组合和选区，并依据监控策略，结合实时的船舶AIS信息进行船舶位置的实时定位监控。 第二步。完成监控组群和监控区的设定后，制定失联判定的各项参数。 利用图3所示的界面进行失联判定的参数设置。 第三步。通过各种有效渠道获取船舶的实时数据，并依据对各项参数的判定，决定每艘监控船舶的失联状态和报警提醒类型。实时判定船舶失联的流程如下。 1)使用监控船舶分组和监控区域过滤监控船舶集合，剔除监控必要性相对较低的船舶，纳入监控必要性较高的船舶。 2)对监控船舶进行参数判定，确定是否进入失联报警状态。 3)对进入失联报警状态的船舶进行报警等级的判定。 最后，依据各报警船舶的等级，按照上述的各类报警提醒的设计进行相应的声音、报警灯、船舶闪烁方式进行报警提醒。 利用VS2010的C++工程环境、电子海图系统及数据文件、数据库访问技术以及AIS数据介入的各外围环境，统一构建船舶失联报警系统，系统拓扑结构见图4。 外部数据通过一系列方式记录到保存AIS历史数据的数据库和文件中，并提向监控终端提供实时的AIS数据。监控终端上运行的系统通过建立船舶交通流分析、绘制模块，并通过此模块对数据文件、数据库的读取，在后台进行交通流数据的统计分析，并将结果在监控终端的海图上绘制。电子海图上提供监控区域视图编辑和手动编辑功能，以及船舶分组的编辑功能，用以确定需要监控的船舶和区域。 利用海图系统提供的失联报警监控设置窗口进行参数设置，电子海图系统通过网络实时接入AIS信息，依据船舶分组和监控区域的设定自动进行监控船舶的过滤；随后，以设置的报警监控参数进行失联状态和等级的判定；最后，依据监控的结果在海图上使用特殊符号、报警灯、弹出窗口以及报警声音进行船舶失联报警。见图5。 为清晰标注失联船舶的等级，使用不同的符号、颜色以及提醒方式来进行失联报警。 基于AIS数据处理对船舶失联进行监控和报警的技术核心就是AIS信息数据的挖掘和分析处理，系统利用VS2010的C++工程环境、电子海图系统及数据文件、数据库访问技术以及AIS数据介入的各外围环境，统一构建船舶失联报警系统，并通过可选择的5种方式予以报警实现。本系统是在基于AIS信息的船舶实时个性化安全监控模式等研究的基础上进一步深入研究的成果，通过对船舶AIS信号丢失后的报警及显示方法进行研究和设计，实现了对载有AIS设备的船舶进行精准和有效的监控，保证船舶和人命财产的安全。 系统的设计将为增强AIS管理系统功能和提高交通海事监管能力提供技术手段。因此，系统的应用推广将是今后工作的主要方向。 [1] 王捷，汪益兵.基于AIS信息的船舶实时个性化安全监控模式[J] .中国航海，2015(4)：83-86. [2] 殷宇波.长江海事局AIS系统应用分析[J] .中国水运，2013，13(9)：62-63，217. [3] 王玉春.全球船载自动识别系统_AIS_的安装及检验[J].天津航海，2009(3)： 52-55. [4] 徐建德.船载AIS终端的技术标准与注意事项[J] .航海，2011(1)：76-78. [5] 纪贤标，邵哲平，潘家财，等.AIS信息分布式采集系统的开发及关键技术[J].上海海事大学学报，2007，28(1)：28-31. [6] 邵哲平，孙腾达，潘家财，等.基于ECDIS和AIS的船舶综合信息服务系统的开发[J] .中国航海，2007(2)：30-33. [7] 汪益兵，聂建涛.基于嵌入式技术的船岸一体化管理平台设计与开发[J].上海海事大学学报，2013，34(4)：23-26，66. (1.上海海事大学 交通运输学院，上海 201306；2.浙江国际海运职业技术学院，浙江 舟山 316021；3.大连陆海科技股份有限公司，辽宁 大连 116023) Design of Ship Lost Contact Alarm System Based on AIS Data Processing WANG Jie1,2, WANG Yi-bing2, WANG Ju-sheng3 (1.College of Transport & Communications, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China;2.Zhejiang International Maritime College, Zhoushan Zhejiang 316021, China;3.Dalian LandSea Maritech Co., Ltd., Dalian Liaoning 116023, China) For some AIS monitoring system are short of data automatic analysis alarm function at present, the technology of timeliness calculation and test were used to judge the status and rank of the ships’ signal loss comprehensively. Five real-time alarm methods for lost vessels were designed to realize accurate and effective monitoring for specific vessels and lost vessels at specific monitoring area. AIS; lost contact alarm; target control; ship monitoring 10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.042 2016-06-21 浙江省交通运输厅科技项目(2012W14) 王捷(1963—)，男，博士，教授研究方向:交通运输规划与管理、航海技术 U675.7 A 1671-7953(2017)01-0173-05 修回日期：2016-07-193 报警流程
4 系统设计
5 结论
