淺談雷達(dá)與AIS信息融合技術(shù)在控制河段通行指揮中的應(yīng)用

曾科偉

（長(zhǎng)江重慶航道局，重慶 401147）

控制河段是指具有彎曲、狹窄、灘險(xiǎn)等特征，通視條件差，會(huì)船避讓困難，導(dǎo)致船舶同一時(shí)間段內(nèi)只能單向通行的航道河段[1]?？刂坪佣未蠖酁┒嗨?，一旦上下行船舶同時(shí)進(jìn)槽會(huì)讓，輕則出現(xiàn)緊迫局面影響船舶通行效率，重則引發(fā)船舶海損事故，導(dǎo)致控制河段斷航，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。為確?？刂坪佣魏降赖臅惩ò踩霸谕ㄟ^時(shí)必須按有關(guān)規(guī)定接受通行信號(hào)臺(tái)的指揮，根據(jù)揭示信號(hào)單向、有序地通行。

隨著長(zhǎng)江干線數(shù)字航道蘭家沱至鳊魚溪段建設(shè)工程的建成投用，初步實(shí)現(xiàn)了控制河段通行信號(hào)指揮從傳統(tǒng)被動(dòng)指揮到實(shí)時(shí)監(jiān)控指揮的轉(zhuǎn)變，即擺脫了信號(hào)員先通過人工瞭望觀測(cè)和VHF電話聯(lián)系獲取上下水船舶信息和航行狀態(tài)，然后根據(jù)通行規(guī)則發(fā)出信號(hào)指令的傳統(tǒng)指揮方式，依托AIS可以遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)控船舶位置，避免船舶不報(bào)、謊報(bào)船位，有效提高了控制河段通行效率和安全水平。但由于AIS信息受控制河段周邊山體等客觀因素和自身發(fā)送機(jī)制的影響，時(shí)常出現(xiàn)信號(hào)丟失、延時(shí)等情況，嚴(yán)重制約了通行指揮的準(zhǔn)確性。為此，將雷達(dá)和AIS的融合信息技術(shù)應(yīng)用于通行信號(hào)指揮中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)船舶的自動(dòng)識(shí)別，提高目標(biāo)船舶的監(jiān)測(cè)和跟蹤精度，提升信號(hào)指揮工作效率和服務(wù)質(zhì)量。

1 雷達(dá)和AIS功能及特點(diǎn)

1.1 獲取目標(biāo)信息的方式

雷達(dá)發(fā)射機(jī)通過雷達(dá)天線定時(shí)向控件發(fā)射射頻脈沖信號(hào)，并進(jìn)行方位掃描，當(dāng)接觸到航行中的船體后，會(huì)產(chǎn)生回波，雷達(dá)接收機(jī)收到信號(hào)后，經(jīng)過處理在雷達(dá)終端界面進(jìn)行顯示。這是主動(dòng)獲取目標(biāo)信息的方式。

AIS（Automatic Identification System, 船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)）由基站設(shè)施和船載設(shè)備共同組成[2]，船載AIS傳感器主要包括GPS/DGPS/GNSS、陀螺羅經(jīng)、計(jì)程儀等，如圖1所示。船舶在航行過程中根據(jù)信號(hào)發(fā)送機(jī)制發(fā)送船舶動(dòng)靜態(tài)信息，然后通過岸基AIS臺(tái)站接收船載AIS信息，獲取船舶狀態(tài)。這是被動(dòng)獲取目標(biāo)信息的方式。

圖1 船載AIS基本構(gòu)成

1.2 獲取目標(biāo)信息的種類

雷達(dá)可以獲取周邊水域所有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、固定目標(biāo)等信息，雷達(dá)目標(biāo)回波還可以在一定程度上反映目標(biāo)的大小和形狀，但雷達(dá)無法獲取目標(biāo)物的靜態(tài)關(guān)聯(lián)信息，如目標(biāo)物名稱、類型等。

AIS信息大致可分為四類[3]：一是船舶位置、對(duì)地航向和速度、艏向、航跡等動(dòng)態(tài)信息；二是船舶識(shí)別碼MMSI、噸位、船名和呼號(hào)、船長(zhǎng)和船寬、船舶類型等靜態(tài)信息；三是船舶吃水、危貨類型、目的港等與航行有關(guān)的信息；四是航行警告等與船舶安全有關(guān)的短電文。

1.3 獲取目標(biāo)信息的精度

雷達(dá)的目標(biāo)數(shù)據(jù)是通過對(duì)目標(biāo)自動(dòng)跟蹤處理中的航跡外推、航跡相關(guān)等形成的目標(biāo)航跡線計(jì)算出來的，根據(jù)回波時(shí)長(zhǎng)隨目標(biāo)距離的增加而延長(zhǎng)，存在一定的滯后性。目標(biāo)位置信息一般以雷達(dá)為坐標(biāo)原點(diǎn)的極坐標(biāo)系表示，方位線數(shù)據(jù)精度隨目標(biāo)與雷達(dá)之間的距離增加而變差[3]。

AIS的目標(biāo)位置、航速、航向和船首向數(shù)據(jù)來源于船載GPS和羅經(jīng)，是即時(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)或人工輸入的船舶實(shí)際數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)度較高。目標(biāo)位置信息一般直接采用WGS－84坐標(biāo)系的經(jīng)緯度表示。但受發(fā)送機(jī)制的制約，AIS信號(hào)發(fā)送的時(shí)間間隔受目標(biāo)速度、方位變化等影響。

1.4 兩者特點(diǎn)比較

表1 雷達(dá)與AIS信息特點(diǎn)比較

表1中，通過對(duì)雷達(dá)和AIS信息的功能和特點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn)，兩者雖各有優(yōu)勢(shì)，但也存在一定的局限性，單獨(dú)使用均難以滿足通行信號(hào)指揮的需求。為此，我們可以將雷達(dá)和AIS信息融合起來，實(shí)現(xiàn)信息互補(bǔ)，達(dá)到輔助通行指揮的目的。

2 雷達(dá)和AIS的信息融合

2.1 信息融 合原理

信息融合可以廣義地概述為把來自多種傳感器的信息或數(shù)據(jù)，根據(jù)既定的規(guī)則，分析、結(jié)合為一個(gè)綜合性的情報(bào)，并在此基礎(chǔ)上為用戶提供全面、精確的信息過程[4]。在該項(xiàng)技術(shù)中，多傳感器系統(tǒng)是信息融合的硬件基礎(chǔ)，多源信息是信息融合的處理對(duì)象，分析和綜合處理是信息融合的核心[5]。

信息融合的模式主要有兩種：集中式融合和分布式融合。集中式融合是指各傳感器將接收到的數(shù)據(jù)都傳到數(shù)據(jù)融合中心，在數(shù)據(jù)融合中心進(jìn)行處理并做出判斷；分布式融合是指各傳感器利用自己的測(cè)量單獨(dú)做出判斷，將決策信息傳送到數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心再進(jìn)行進(jìn)一步的處理，如圖2所示。與集中式結(jié)構(gòu)相比，分布式結(jié)構(gòu)能以較低的費(fèi)用獲得較高的可靠性和可用性，可以減少數(shù)據(jù)總路線的頻寬和數(shù)據(jù)處理的要求，同時(shí)獲得相近于集中式結(jié)構(gòu)的精度。由于雷達(dá)與AIS都有各自獨(dú)立的信息處理系統(tǒng)，因此，采用分布式結(jié)構(gòu)較為合理。

圖2 分布式信息融合系統(tǒng)

2.2 信息融合步驟

根據(jù)信息融合的分布式融合模型，結(jié)合雷達(dá)和AIS目標(biāo)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，建立信息融合模型。

圖3 信息融合模型

信息融合如上圖主要分為三個(gè)步驟：數(shù)據(jù)預(yù)處理（坐標(biāo)變換和時(shí)間校準(zhǔn)）、航跡關(guān)聯(lián)和航跡融合。

2.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在數(shù)據(jù)融合過程中，由于雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)時(shí)間和空間基準(zhǔn)點(diǎn)與AIS系統(tǒng)不同，雷達(dá)的目標(biāo)位置是通過極坐標(biāo)的距離和方位來描述的，而AIS是通過船載GPS來獲取目標(biāo)位置數(shù)據(jù)的，通過地理坐標(biāo)的經(jīng)度與緯度來描述。因此，為實(shí)現(xiàn)二者的融合，首先需要對(duì)二者數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理的內(nèi)容包括坐標(biāo)變換和時(shí)間校準(zhǔn)。

（1）坐標(biāo)變換。鑒于二者對(duì)目標(biāo)位置的描述方法不同，需要將二者信息描述進(jìn)行統(tǒng)一，都轉(zhuǎn)換到直角坐標(biāo)系中。

（2）時(shí)間校準(zhǔn)。雷達(dá)的掃描周期一般為15r/min-30r/min，比較固定。AIS廣播受發(fā)送機(jī)制的影響，其動(dòng)態(tài)信息的發(fā)送間隔隨著船舶的狀態(tài)不同而發(fā)生變化。因此，需要將二者目標(biāo)信息進(jìn)行時(shí)間上的校準(zhǔn)。常用的校準(zhǔn)方法有三種：最鄰近規(guī)則試探法、自適應(yīng)時(shí)間對(duì)準(zhǔn)、AIS信息內(nèi)插或外推。

2.2.2 航跡關(guān)聯(lián)

雷達(dá)與AIS信息融合的關(guān)鍵之處在于目標(biāo)航跡關(guān)聯(lián)，即通過信息處理來判斷二者傳輸回來的兩條目標(biāo)軌跡是否為同一目標(biāo)，也就是處理二者在檢測(cè)范圍內(nèi)目標(biāo)重復(fù)跟蹤的問題，從某些程度上來講，也可以認(rèn)為航跡關(guān)聯(lián)就是目標(biāo)跟蹤信號(hào)的去干擾和去重復(fù)的過程。在周邊環(huán)境干擾較少且二者目標(biāo)軌跡相距較近的條件下，實(shí)現(xiàn)航跡關(guān)聯(lián)較為簡(jiǎn)單。但在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，目標(biāo)物較多、目標(biāo)物間距離較近、且周邊環(huán)境干擾因素較多的情況下，航跡關(guān)聯(lián)就變得相對(duì)復(fù)雜。

目前，航跡關(guān)聯(lián)算法主要?dú)w納為兩類：一類是統(tǒng)計(jì)算法，常用的算法有加權(quán)法、統(tǒng)計(jì)雙門限法、修正法、最近鄰域法、序貫法、K近鄰域法、修正的K近鄰域法、經(jīng)典分配法和廣義分配法等；另一類是模糊算法，常用的算法有模糊經(jīng)典分配法、模糊綜合函數(shù)法、模糊雙門限法和模糊綜合決策法等。

表2 信息融合方法比較

2.2.3 航跡融合

通過航跡關(guān)聯(lián)檢驗(yàn)后，可以確定同一目標(biāo)的航跡，此時(shí)便可以進(jìn)行目標(biāo)航跡的融合處理，得到新的目標(biāo)狀態(tài)。目前，常用的航跡融合算法主要為統(tǒng)計(jì)加權(quán)法，即預(yù)先設(shè)定融合加權(quán)的比重，將二者的檢測(cè)信息根據(jù)比重進(jìn)行加權(quán)合并。值得一提的是，當(dāng)AIS接收的信息丟失或者雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)丟失時(shí)，二者的融合跟蹤顯得更加重要，進(jìn)一步提高了目標(biāo)跟蹤的精度和可靠性。在實(shí)際操作過程中，二者融合的準(zhǔn)確度主要受二者配置的傳感器精度的影響。

信息融合處理方法按技術(shù)方法和組成方式可分為多種，如表2所示：

3 結(jié)語

長(zhǎng)江上游控制河段通航環(huán)境復(fù)雜，監(jiān)測(cè)目標(biāo)種類多、數(shù)量大，環(huán)境干擾明顯，實(shí)時(shí)性和精確度要求高，如何提高通行信號(hào)指揮過程中船舶監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性，是長(zhǎng)期困擾長(zhǎng)江航道工作者的一個(gè)難題。雷達(dá)和AIS在控制河段的融合應(yīng)用，為今后的信號(hào)指揮智能化拓展了思路。但在雷達(dá)與AIS信息融合的實(shí)際操作中，還有許多現(xiàn)實(shí)問題，如各類算法的優(yōu)化、周邊環(huán)境干擾因素的處理、加權(quán)比重的合理分配等，需要在今后的研究工作中進(jìn)一步解決。