淺析船舶自動識別系統(tǒng)在VTS的應(yīng)用

張躍進(jìn)

摘要：VTS系統(tǒng)逐漸融入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、AIS系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)，顯著提高了系統(tǒng)功能?；诖?，本文先簡單介紹了船舶自動識別系統(tǒng)，分析了VTS系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)研究了船舶自動識別系統(tǒng)的具體應(yīng)用。以期為AIS系統(tǒng)的研發(fā)和推廣應(yīng)用提供一定參考。

Abstract： The VTS system gradually incorporates advanced technologies， such as network technology， communication technology and AIS system， which significantly improves system functions. Based on this， this article briefly introduces the ship automatic identification system firstly， then analyzes the function and structure of the VTS system， and studies the specific application of the ship automatic identification system in detail， in order to provide a certain reference for the research and development and promotion of AIS system.

關(guān)鍵詞：航海安全;船舶自動識別系統(tǒng);VTS

Key words： navigation safety;ship automatic identification system;VTS

中圖分類號：TP391.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）11-0217-02

0? 引言

VTS（船舶交通管理服務(wù)）負(fù)責(zé)監(jiān)管航海安全，提高船舶交通管理效率，負(fù)責(zé)監(jiān)管轄區(qū)船舶運(yùn)動，指導(dǎo)船舶安全航行。在航海安全中，VTS系統(tǒng)作用巨大，隨著技術(shù)發(fā)展系統(tǒng)升級，船舶自動識別系統(tǒng)逐漸在VTS系統(tǒng)中應(yīng)用，豐富了VTS系統(tǒng)功能，為航海安全奠定了良好的基礎(chǔ)。

1? 船舶自動識別系統(tǒng)研究

1.1 系統(tǒng)產(chǎn)生背景

各國船舶主管部門和IMO組織為避免船舶碰撞，強(qiáng)制要求所有船舶配置助航設(shè)備，建立VTS報告制度等，對船舶安全航行加以管理。但船舶碰撞事故仍然經(jīng)常發(fā)生。為進(jìn)一步加強(qiáng)安全防護(hù)，不斷對助航設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，不斷融入通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)等，在諸多技術(shù)的支持下，AIS系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。在2000年IMO在導(dǎo)航安全峰會上，對船舶配備通用AIS做出了明確要求，使得AIS系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。

1.2 系統(tǒng)工作原理

AIS系統(tǒng)是一個廣泛使用的傳載工具，能夠廣播船舶位置、船舶特性以及相關(guān)信息，通過對數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，讓岸站和船舶自動定位識別臨近船舶，并對其他裝配AIS的船舶進(jìn)行跟蹤定位。AIS系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于VTS船舶報告、海事監(jiān)督以及海事搜救等領(lǐng)域內(nèi)，顯著提高了船舶航行安全。AIS系統(tǒng)主要使用SOTDMA技術(shù)及通用通訊協(xié)議，將時間間隙分成3～7幀，其他船舶系統(tǒng)可在這段時間內(nèi)進(jìn)行信息的接收和分配，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1.3 系統(tǒng)應(yīng)用功能

VTS中應(yīng)用AIS能夠幫助VTS對轄區(qū)進(jìn)行分割管理，港口可輕易辨識船舶，對船舶AIS設(shè)備接收信息。通過AIS傳播和接收信息，有助于港口監(jiān)視船舶，并對船舶進(jìn)行管理，調(diào)節(jié)管轄區(qū)域的交通流，交管中心能夠給船舶提供有價值信息，協(xié)助船舶航行。

2? 船舶交通管理系統(tǒng)概述分析

2.1 VTS系統(tǒng)組成與主要功能

在VTS系統(tǒng)中應(yīng)用AIS已經(jīng)構(gòu)成了綜合大型系統(tǒng)，不僅包括AIS系統(tǒng)，也包含信息處理系統(tǒng)、監(jiān)控、氣象、水路等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了船舶和港口之間的交流。VTS系統(tǒng)主要提供航行信息、動態(tài)信息以及靜態(tài)信息，包括船舶信息、船舶號碼、船舶位置、航速、航行狀態(tài)、危險物、預(yù)計抵達(dá)時間等。監(jiān)控單元則包含雷達(dá)、電子海圖以及閉路電視等設(shè)備。當(dāng)船舶信息傳達(dá)給VTS中心后，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)加工處理后和雷達(dá)數(shù)據(jù)合并，在電子海圖中呈現(xiàn)出來，提供給VTS中心管理人員進(jìn)行使用。氣象系統(tǒng)和水路系統(tǒng)能夠自動將數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，指導(dǎo)航海人員安全航行。

2.2 系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

船舶航入VTS水域后，收發(fā)單元則受到港口的遙控，自動轉(zhuǎn)入VTS中心要求的頻道上，采取船-岸-船的通信模式作業(yè)。收發(fā)單元可選擇海上專用頻道，完成和VTS中心通信，同時和其他船舶進(jìn)行通信。在VTS系統(tǒng)中，還需要雙工頻道解決干擾以及堵塞通訊的問題。交通密度高的VTS水域可將無線電蜂窩進(jìn)行劃分，相鄰的蜂窩使用不同工作頻道提供服務(wù)，利用轉(zhuǎn)發(fā)器延長小無線電蜂窩的工作距離。

目前船舶已經(jīng)能夠從AIS獲取必要信息，了解潮汐氣象以及水流等情況[1]。岸站則能夠通過AIS系統(tǒng)掌握船舶動態(tài)和靜態(tài)相關(guān)信息，自動錄入靜態(tài)信息，并根據(jù)動態(tài)信息，改變航行記錄。目前沒有在VTS系統(tǒng)中安裝AIS的船舶，也可接收船舶交管系統(tǒng)雷達(dá)信息的廣播，交管中心捕捉雷達(dá)信息后，向未安裝AIS的船舶進(jìn)行口播，已經(jīng)安裝AIS系統(tǒng)的船舶，能夠在系統(tǒng)中觀察到未安裝AIS系統(tǒng)的船舶，選擇不同的通信方式，保證了未安裝AIS船舶的可視化，提高了航行安全。

3? 船舶自動識別系統(tǒng)在VTS的應(yīng)用分析

3.1 AIS程序功能模塊的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

在VTS系統(tǒng)中使用AIS系統(tǒng)十分復(fù)雜，需要使用電子海圖定位系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及融合技術(shù)等。VTS系統(tǒng)最早使用地理水文圖像作為交通景況基礎(chǔ)，但這種類型的示意圖并不能滿足精確導(dǎo)航的需要。

第一，隨著開發(fā)電子海圖信息系統(tǒng)（ECDIS），將其作為交通景況背景，滿足VTS中心管理需要，ECDIS系統(tǒng)能夠提供精確的海圖圖像，滿足監(jiān)控船舶、對船舶導(dǎo)航定位的需要。在VTS系統(tǒng)中未配置ECDIS系統(tǒng)，背景只能提供岸線、導(dǎo)航浮標(biāo)、雷達(dá)回波，應(yīng)用范圍相對狹窄。ECDIS是由水道測量局發(fā)布，包含準(zhǔn)確實(shí)時信息，協(xié)助VTS管理。

第二，使用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，通過收集整合多元信息，準(zhǔn)確識別目標(biāo)，提供評估等功能。在VTS區(qū)域內(nèi)，船舶數(shù)量較多，雷達(dá)作為探測船舶的設(shè)備。通過雷達(dá)獲取船舶位置信息，位置信息準(zhǔn)確度可控制在10m之內(nèi)。為提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度需要，還需將數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)一步融合進(jìn)系統(tǒng)中[2]。目前AIS系統(tǒng)傳播數(shù)據(jù)受到操作環(huán)境以及船速的影響，雷達(dá)傳輸則通過天線實(shí)現(xiàn)。在VTS系統(tǒng)中，考慮到AIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)變化的不確定性，采取雷達(dá)定位合并AIS系統(tǒng)定位，顯著提高目標(biāo)位置準(zhǔn)確性。

第三，GPS技術(shù)作為目前精準(zhǔn)度最高的導(dǎo)航系統(tǒng)，應(yīng)用GPS定位技術(shù)可顯著提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。處理GPS數(shù)據(jù)主要通過單個接收機(jī)平滑處理數(shù)據(jù)，或者多個接收機(jī)差分校正處理。差分校正處理可有效消除公共誤差，包括電離層延遲等，但無法處理多徑干擾誤差。處理多徑干擾誤差，還需數(shù)據(jù)診斷或者空間時間處理方法。為了準(zhǔn)確監(jiān)視船舶航行安全，差分衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的引用，將帶來巨大幫助，能夠在精準(zhǔn)位置上對信號進(jìn)行校正。

第四，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在復(fù)雜的船舶自動識別系統(tǒng)中，使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，提高?shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和及時性，支持船舶之間通信識別等功能。

3.2 SOTDMA通信網(wǎng)絡(luò)性能應(yīng)用

在航行期間，兩只船舶相遇，系統(tǒng)會向另一只船舶發(fā)送信息，通過共享信息可有效避免碰撞。這一應(yīng)用功能需要通信協(xié)議的支持才能保證準(zhǔn)確通信，使用SOTDMA可自行發(fā)送信息。SOTDMA信道設(shè)定多個固定時間間隔，用戶能夠具有更多選擇性，設(shè)置發(fā)送子幀。在船舶自動識別系統(tǒng)中，一幀約為1min，可均等分成2250個時間間隙。每個時間間隙約為26.67ms。一般情況下，信道傳輸速率約為9600bps，因此一個時間間隙約為256bit。船舶設(shè)定在第二時間間隙發(fā)送信息，第2只船舶將自動選擇第3個時間間隙發(fā)送信息，而第3只船舶將會在第1個時間間隙發(fā)送信息。以此保證船舶發(fā)送信息的同時，其他船舶能夠及時收到信息，分割信道能夠保證多個船舶之間的通信。

SOTDMA通信協(xié)議是為了保障船舶之間的高質(zhì)量通信，不需要經(jīng)過基站的集合管理。因此選擇間隙至關(guān)重要，需要申請發(fā)送間隙，確定間隙大小，確定4個備選時間間隙后，可規(guī)避兩只船舶使用同一時間間隙發(fā)送信息的情況[3]。在4個備選時間間隙中選擇其中一個進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，若被其他船舶占用還需要刪除該選項(xiàng)。航行船舶數(shù)量對應(yīng)著移動臺數(shù)量，VTS要加強(qiáng)對船舶的管理，船舶自動識別系統(tǒng)中使用SOTDMA通信，有效提高了通信的有效性。但每只船舶使用不同發(fā)送周期，選擇的時間間隙大小不同，SOTDMA通信系統(tǒng)信道只能提供225艘船舶使用。

3.3 DBSCAN聚類算法初步識別船舶工作區(qū)

DBSCAN是一種空間聚類算法，通過樣本分布密集程度假定類別，也就是在樣本附近一定存在同種類樣本，將密集相連的樣本劃分為不同種類，得到聚類類別結(jié)果。這一算法通過密度定義，具有良好的抗噪音效果，能夠?qū)π螤畈煌笮〔煌拇剡M(jìn)行處理。在船舶作業(yè)區(qū)域中，由于船舶形狀和大小存在很大差異，使用DBSCAN算法能夠?qū)Υ肮ぷ鲄^(qū)域進(jìn)行初步識別。在VTS中，使用DBSCAN算法可按照樣本密集程度，對樣本進(jìn)行初步分區(qū)處理，快速簡便的完成區(qū)域劃分工作，實(shí)現(xiàn)了樣本的初步處理。

3.4 施工區(qū)域干擾點(diǎn)識別

一般情況下，船舶施工區(qū)域較大，施工軌跡相對混亂，受到干擾點(diǎn)的影響，很難清晰辨別軌跡圖干擾點(diǎn)。干擾點(diǎn)主要分成離群點(diǎn)和密集點(diǎn)兩種，離群點(diǎn)主要是指和施工密集區(qū)域遠(yuǎn)離，通過孤立點(diǎn)形式表現(xiàn)。密集點(diǎn)是由于船舶隨時更換施工作業(yè)曲線，造成一定區(qū)域內(nèi)密集分散，特征為停止施工。在分析施工特點(diǎn)時要將干擾點(diǎn)去除，局部異常因子使用識別密度異常的算法，可準(zhǔn)確識別干擾點(diǎn)，LOF算法主要用于識別離群點(diǎn)。將個別點(diǎn)密度和臨近點(diǎn)進(jìn)行對比，如果個別點(diǎn)密度明顯低于臨近點(diǎn)，即有一個LOF值>1，那么該點(diǎn)處于稀疏區(qū)域[4]。相比于鄰近區(qū)域，該點(diǎn)屬于異常值，在LOF密度圖中能夠準(zhǔn)確識別出LOF值>1的鄰近點(diǎn)。在施工區(qū)域中孤立點(diǎn)，LOF值可超過10，使用LOF算法對離群點(diǎn)進(jìn)行識別，發(fā)現(xiàn)離群點(diǎn)并未處于作業(yè)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)其存在快速航行至施工區(qū)域的軌跡。

為了能夠更加清晰地呈現(xiàn)出施工軌跡，需要將船舶切換工作線軌跡去除掉，減少對施工軌跡特征的干擾。船舶在切換軌跡時，會呈現(xiàn)出長線條軌跡。當(dāng)兩個臨近點(diǎn)之間距離超過49.6m占95%以上，那么可以認(rèn)定兩個臨近點(diǎn)之間的距離超過49.6m，可認(rèn)定船舶正在更換工作線。在施工軌跡圖中去除干擾路線，還需參考船舶工作線的特點(diǎn)，如挖泥船施工軌跡呈現(xiàn)出鋸齒狀，表現(xiàn)出線性特點(diǎn)，以周期性特點(diǎn)作業(yè)，結(jié)合這兩個特點(diǎn)，可準(zhǔn)確識別干擾點(diǎn)。

4? 總結(jié)

綜上所述，在VTS系統(tǒng)中應(yīng)用AIS具有突出效果，借助于AIS程序功能模塊、SOTDMA通信網(wǎng)絡(luò)性能應(yīng)、DBSCAN聚類算法、施工區(qū)域干擾點(diǎn)識別，進(jìn)一步提高了船舶航海安全，輔助VTS中心，加強(qiáng)船舶交通管理。

參考文獻(xiàn)：

[1]張翼，曹劍東.船舶AIS大數(shù)據(jù)資源管理及分析應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計[J].交通運(yùn)輸研究，2019，5（05）：31-40.

[2]戴文伯，魯嘉俊.基于自動識別系統(tǒng)大數(shù)據(jù)的船舶施工軌跡識別與預(yù)測[J].水運(yùn)工程，2019（12）：119-122，126.

[3]華旭奮，趙勇.船舶自動識別系統(tǒng)中視覺跟蹤控制研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2019，41（10）：43-45.

[4]朱永健.船舶自動識別系統(tǒng)對船舶救助的影響[J].水上消防，2019（03）：23-25.