基于北斗通信的AIS信息自適應篩選技術研究

張尚悅，王郁茗，于政國

(海軍大連艦艇學院 航海系，遼寧 大連116018)

0 引 言

隨著“經略海洋”、 “建設海洋強國”的提出，中國海軍走向深藍，遠洋航行的軍事與非軍事任務不斷增多，為保證艦船的遠洋航行保障能力，加強艦船的遠海域動態(tài)監(jiān)控變得刻不容緩。船舶自動識別系統(AIS)是一種通用高效的船舶動態(tài)監(jiān)控系統，能夠識別目標船，對目標進行跟蹤，具有接近實時跟蹤、對地穩(wěn)定性強、簡化信息交流、丟失目標可能性小等特點［1］。AIS 工作在海上VHF 頻段，同時在這頻段接收周邊船舶發(fā)出的AIS信息，遠海域存在監(jiān)控盲區(qū)，基于北斗衛(wèi)星導航系統傳輸AIS信息可以解決這一問題［2］。然而艦船在通航情況下，尤其在船舶密集海域，接收到的AIS信息量往往較大，全部通過北斗信道轉發(fā)需要大量的時間，不滿足船舶動態(tài)監(jiān)控需求。

本文研究基于北斗通信的AIS信息自適應篩選技術，通過采用距離篩選法、舷角篩選法及混合篩選法過濾處理本艦接收到的所有AIS信息，連續(xù)自主篩選影響艦船安全行駛的船舶，同時精簡船舶信息便于岸基指揮中心快速有針對性監(jiān)控本艦所在海域的船舶動態(tài)情況。

1 北斗傳輸AIS信息工作流程

圖1 基于北斗傳輸AIS信息拓撲圖Fig.1 AIS information transmission based Beidou

2 AIS信息自適應篩選技術概述

2.1 篩選技術的提出

遠洋航行的艦船基于北斗通信，發(fā)送以本艦為中心的AIS信息區(qū)域內船舶信息到岸基指揮中心，有助于岸基指揮中心在任何時候都能全面迅速地掌握區(qū)域內船舶交通狀況，對保證艦船的遠洋航行保障能力，加強艦船的遠海域動態(tài)監(jiān)控起到關鍵性作用。

然而在密集海域行駛的艦船會收到大量的AIS信息，但北斗帶寬窄、通信能力有限，一次最大可發(fā)送210 字節(jié)的信息。AIS 暗碼電文共28個字節(jié)如“1P000Oh1IT1svTP2r:43grwb0Eq4”，設本艦在一般通航條件下接收到200 條船舶，則需要發(fā)送5 600字節(jié)的信息，若全部通過北斗轉發(fā)且采用5 s 高服務頻度［3］，則共需要130 s 才能將200 條船的AIS信息發(fā)送完畢，遠遠超過行船AIS 動態(tài)信息報告的最大更新間隔t = 12 s，見表1［4］。不能滿足岸基指揮中心對船舶的實時動態(tài)監(jiān)控。而且艦船接收到的船舶不都會對本艦安全航行造成影響，對遠海域動態(tài)監(jiān)控不具有實際意義，這類船舶可間隔一段時間發(fā)送一次位置信息，無需實時更新船舶AIS信息。采用AIS信息自適應篩選技術可解決以上問題。

表1 AIS 動態(tài)信息更新間隔表Tab.1 AIS Dynamic Information Update Interval

2.2 自適應篩選技術工作流程

AIS信息自適應篩選技術包含距離篩選法、舷角篩選法及混合篩選法3 種，流程如圖2所示。采用3種篩選方法過濾處理AIS信息，減少信息量以滿足北斗通信能力，縮短通信時間使岸基指揮人員及時掌握遠海域船舶動態(tài)情況，對艦船安全行駛實時監(jiān)控。

圖2 AIS信息自適應篩選流程圖Fig.2 AIS information self-adaption filtration

3 三種篩選法的研究及仿真

3.1 距離篩選法

1)距離篩選法論述

艦船通航情況下接收到的船舶數量很大，并不是每條船舶對艦船安全航行都有影響，一般距艦船越遠的船舶對艦船航行影響越小，岸基指揮中心實時監(jiān)控此類船舶意義不大，對于距艦船較遠船舶無需北斗連續(xù)轉發(fā)。研究采取距離篩選法，在以本艦為中心的AIS信息區(qū)域基礎上，設定篩選半徑，建立圓形隨動篩選區(qū)，在艦船航行下連續(xù)自主過濾掉距本艦較遠船舶。

篩選半徑以最小安全會遇距離(DSPA)為基準，其值不得小于DSPA，而不同水域DSPA的設定也不相同，在航海上確定最小安全會遇距離通常做法是:船舶擁擠水域一般取DSPA為0.3～0.5 n mile，大洋航行1～2 n mile，惡劣天氣或能見度不良取2 n mile以上［5］。設立篩選半徑后，如果信息量未達到北斗通信能力上限可延長半徑作自適應調整。自適應更新周期以隨動篩選區(qū)域內船舶最小更新間隔t為準。

采用距離篩選法在精簡AIS信息量的同時，提升距本艦較近船舶優(yōu)先權，將圓內船舶AIS信息傳輸到岸基指揮中心，使岸基指揮人員在對本艦遠海域動態(tài)監(jiān)控時更具有針對性與及時性。

為了考察各因素交互作用對纖維素酶活力的影響，對模型進行降維分析[11]，研究接種量、固液比、冬凌草與麩皮比兩兩因素之間的交互作用，其對應的響應面及等高線圖如圖2所示。

2)程序步驟

步驟1:從AIS 終端數據采集器中提取每條船舶的位置信息λmmsi與φmmsi(本艦位置信息為λo與φo)。根據兩點距離公式算出每條船與本艦的距離Dmmsi(單位為n mile)并存儲。

步驟2:依據所在海域實際狀況確定AIS 圓形隨動篩選區(qū)篩選半徑R 大小。R 單位為n mile。

步驟3:將每艘船舶的Dmmsi與R 作比較，采集Dmmsi＜R的船舶，過濾掉掃描區(qū)域外的船舶。

步驟4:計算篩選船舶AIS信息量，與北斗通信能力比較(短報文最多240 字節(jié))，若AIS信息量低于240 字節(jié)，則以0.1 n mile為步長延長篩選半徑長度，直到篩選船舶信息量接近北斗通信能力為止(AIS信息量≤240 字節(jié))。

3)仿真操作

艦船在渤海海峽航行，所在海域較為擁擠，以0.5 n mile為篩選半徑。適當延長半徑以接近北斗通信能力，計算得篩選半徑為4.5 n mile。如圖3所示。以本艦為中心的隨動圓形掃描區(qū)內的7 條船舶被AIS信息篩選采集器采集。通過限制隨動圓半徑4.5 n mile，使艦船在上報AIS信息時只發(fā)送圓內的7 條船舶。這7 條船舶距艦船較近，當優(yōu)先監(jiān)控，通過北斗轉發(fā)到岸基指揮中心，使指揮人員掌握艦船所在海域航行動態(tài)情況更加快捷、清晰明了。

圖3 距離篩選法示意圖Fig.3 Distance-filtered method

3.2 舷角篩選法

1)舷角篩選法論述

艦船的相對舷角是船舶遠程動態(tài)監(jiān)控的重要指標，目標船的相對舷角也是影響艦船安全行駛的重要因素。舷角篩選法是根據《規(guī)則》［6］中按舷角劃分的互見兩船間3 種會遇態(tài)勢，將本艦周圍劃分為6個相對舷角區(qū)域，如圖4所示，并在相應的局面下區(qū)分出影響艦船安全航行的船舶。由于AIS 能在電子海圖上顯示所有船舶可視化的航向、航線、船名等信息，解決了能見度不良無法觀察周邊船舶的情況，可將AIS 收到的周圍船舶作為艦船可見船舶。

在圖4 中，對遇態(tài)勢為F 區(qū);交叉相遇態(tài)勢為A，B，E 區(qū);追越態(tài)勢為C，D 區(qū)。各區(qū)域內的來船都有可能對艦船的安全航行帶來影響，通常情況下都需要對這些區(qū)域進行遠程實時監(jiān)控，但由于北斗通信能力有限，在發(fā)送信息時應根據具體船舶分布情況，對某個或幾個區(qū)域優(yōu)先監(jiān)控。對于相對舷角A，B 區(qū)域的來船，本艦為讓路船;對于相對舷角C，D，E 區(qū)域的來船，本艦可保速保向直航行駛，但需要時刻關注該區(qū)域內來船動態(tài);對于F 區(qū)域兩船互為讓路船。

北斗AIS 終端根據相對舷角A，B，C，D，E，F區(qū)域內船舶動態(tài)情況，自適應得選取船舶分布密集、與我艦存在會遇態(tài)勢的相對舷角區(qū)域，以便有針對性監(jiān)控遠程船舶動態(tài)情況。自適應更新周期以舷角篩選區(qū)域內船舶最小更新間隔t為準。

圖4 互見中的兩船會遇態(tài)勢劃分Fig.4 Situation division of the two ships encounter when seeing each other

2)程序步驟

步驟1:將會遇態(tài)勢框架中心設在本艦所在位置(λo，φo)，艦首向與框架圖中000°方向重合，同時建立以本艦為極點的極坐標系，其中極軸與艦首向重合。

步驟2:從AIS 終端數據采集器中提取每條船舶的位置信息(λmmsi，φmmsi)與航向信息(Cmmsi)，計算每條船舶在極坐標系中坐標(ρmmsi，θmmsi)并存儲在A，B，C，D，E，F 六個集中。

步驟3:提取每個相對舷角區(qū)域內與本艦存在會遇情形的船舶，自適應篩選出會遇情形集中、船舶密集的區(qū)域進行監(jiān)控。與本艦存在會遇情形的船舶航向需滿足所在區(qū)域的航向區(qū)見表2。

表2 不同相對舷角區(qū)域航向區(qū)間Tab.2 Heading range of different relative angle area

3)仿真操作

如圖5所示，艦船在渤海海峽航行，在相對舷角A，C 區(qū)域均有來船，A 區(qū)域1艘來船與艦船產生會遇態(tài)勢，且距離較近;C 區(qū)域船舶密集，有多艘來船，需要重點監(jiān)控。采用舷角限制法監(jiān)控結果如圖6所示，其中A，C 區(qū)域航向不符合表2的船舶被過濾掉，此類船舶不會對我艦航行狀態(tài)產生影響，無需轉發(fā)至岸基指揮中心進行實時監(jiān)控。此時監(jiān)控5條船舶亦滿足北斗通信能力要求。

圖5 艦船渤海航行AIS 船舶顯示圖Fig.5 AIS of Bohai sea shown on figure

圖6 舷角篩選法示意圖Fig.6 Angle-filtered method

2.3 混合篩選法

距離篩選法與舷角篩選法可以單獨使用，也可互為補充使用，艦船通航中，混合使用2 種限制法更為有效?；旌虾Y選法是在距離篩選法的基礎上加以舷角篩選船舶。其中，自適應更新周期以篩選區(qū)域內船舶最小更新間隔t為準。仿真試驗如下。

艦船在渤海海峽航行，接收到182 條船舶。核心處理器采用混合篩選法自適應選取周圍8 n mile距離進行篩選監(jiān)控。由于此時位于艦船艦首和艦尾方向有多艘來船，對艦船航行安全造成影響，以艦船為中心建立會遇態(tài)勢框架，選擇F和C 區(qū)域重點監(jiān)控。結果如圖7所示。

圖7 混合篩選法示意圖Fig.7 Mix-filtered method

綜上所述，AIS信息經過篩選處理，其數據量已經大大減小，然而在一片海域大量船只的情況下，仍然不能滿足北斗信道容量，這樣就要對AIS信息重新進行壓縮編碼再通過北斗打包發(fā)送。首先，由于AIS 暗碼電文報頭較長，將AIS信息通過北斗轉發(fā)，可舍去長報頭，重新設置。其次，更新AIS信息時，短時間內船舶航行信息不會發(fā)生較大變化，對于位置等信息只重復發(fā)送變化量即可，這樣也大大減少AIS 數據量，節(jié)省北斗帶寬，增加每次發(fā)送的船舶數量。

4 結 語

基于北斗衛(wèi)星導航系統傳輸AIS信息，有助于岸基指揮中心增強對遠海域航行船舶的動態(tài)監(jiān)控，解決了AIS 廣播距離有限的問題。但北斗信道容量有限，若將接收到的船舶AIS信息全部通過北斗傳輸，需要很長時間，使動態(tài)監(jiān)控效用降低，因此本文提出采用自適應的距離篩選法、舷角篩選法及混合篩選法過濾篩選影響艦船安全行駛的船舶，減小AIS信息量，也使岸基指揮人員快速有針對性監(jiān)控本艦所在海域的船舶動態(tài)情況，保障艦船的遠洋航行安保能力。該項技術貼近海軍及海警部隊實際，為保證海軍艦艇遂行遠洋作戰(zhàn)訓練及非軍事行動提供對艦船遠海域態(tài)勢的動態(tài)監(jiān)控，為海警各支隊的海上維權、維護航洋權益提供方法手段。

［1］鮑君忠，周尊山，徐東華，等.船載自動識別系統應用［M］.大連:大連海事大學出版社，2006:17 -18.

［2］王郁茗，張尚悅.一種遠程船舶動態(tài)監(jiān)控系統的研究與展望［J］.船電技術，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］張尚悅，郝立杰，劉曉光，等.基于北斗信道的氣象傳真圖傳送研究［J］.航海技術，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，張淑芳.通用船載自動識別系統國際標準匯編［M］.大連:大連海事大學出版社.

［5］吳兆麟.船舶避碰與值班［M］.大連:大連海事大學出版社，2008.

［6］鄭中義，吳兆麟.船舶最佳轉向避碰幅度決策模型［J］.大連海事大學學報，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.