張尚悅，王郁茗，于政國

(海軍大連艦艇學(xué)院 航海系，遼寧 大連116018)

0 引 言

隨著“經(jīng)略海洋”、 “建設(shè)海洋強(qiáng)國”的提出，中國海軍走向深藍(lán)，遠(yuǎn)洋航行的軍事與非軍事任務(wù)不斷增多，為保證艦船的遠(yuǎn)洋航行保障能力，加強(qiáng)艦船的遠(yuǎn)海域動態(tài)監(jiān)控變得刻不容緩。船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)是一種通用高效的船舶動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠識別目標(biāo)船，對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，具有接近實(shí)時(shí)跟蹤、對地穩(wěn)定性強(qiáng)、簡化信息交流、丟失目標(biāo)可能性小等特點(diǎn)［1］。AIS 工作在海上VHF 頻段，同時(shí)在這頻段接收周邊船舶發(fā)出的AIS信息，遠(yuǎn)海域存在監(jiān)控盲區(qū)，基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(zhuǎn)發(fā)需要大量的時(shí)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(yīng)篩選技術(shù)，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(shí)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?fù)鋱DFig.1 AIS information transmission based Beidou

2 AIS信息自適應(yīng)篩選技術(shù)概述

2.1 篩選技術(shù)的提出

遠(yuǎn)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(nèi)船舶信息到岸基指揮中心，有助于岸基指揮中心在任何時(shí)候都能全面迅速地掌握區(qū)域內(nèi)船舶交通狀況，對保證艦船的遠(yuǎn)洋航行保障能力，加強(qiáng)艦船的遠(yuǎn)海域動態(tài)監(jiān)控起到關(guān)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(gè)字節(jié)如“1P000Oh1IT1svTP2r:43grwb0Eq4”，設(shè)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(zhuǎn)發(fā)且采用5 s 高服務(wù)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過行船AIS 動態(tài)信息報(bào)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(shí)時(shí)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(yuǎn)海域動態(tài)監(jiān)控不具有實(shí)際意義，這類船舶可間隔一段時(shí)間發(fā)送一次位置信息，無需實(shí)時(shí)更新船舶AIS信息。采用AIS信息自適應(yīng)篩選技術(shù)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(yīng)篩選技術(shù)工作流程

AIS信息自適應(yīng)篩選技術(shù)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(shí)間使岸基指揮人員及時(shí)掌握遠(yuǎn)海域船舶動態(tài)情況，對艦船安全行駛實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖2 AIS信息自適應(yīng)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(shù)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(yuǎn)的船舶對艦船航行影響越小，岸基指揮中心實(shí)時(shí)監(jiān)控此類船舶意義不大，對于距艦船較遠(yuǎn)船舶無需北斗連續(xù)轉(zhuǎn)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(chǔ)上，設(shè)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(yuǎn)船舶。

篩選半徑以最小安全會遇距離(DSPA)為基準(zhǔn)，其值不得小于DSPA，而不同水域DSPA的設(shè)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(shè)立篩選半徑后，如果信息量未達(dá)到北斗通信能力上限可延長半徑作自適應(yīng)調(diào)整。自適應(yīng)更新周期以隨動篩選區(qū)域內(nèi)船舶最小更新間隔t為準(zhǔn)。

采用距離篩選法在精簡AIS信息量的同時(shí)，提升距本艦較近船舶優(yōu)先權(quán)，將圓內(nèi)船舶AIS信息傳輸?shù)桨痘笓]中心，使岸基指揮人員在對本艦遠(yuǎn)海域動態(tài)監(jiān)控時(shí)更具有針對性與及時(shí)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(jìn)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(yīng)的響應(yīng)面及等高線圖如圖2所示。

2)程序步驟

步驟1:從AIS 終端數(shù)據(jù)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(jù)兩點(diǎn)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(jù)所在海域?qū)嶋H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(jì)算篩選船舶AIS信息量，與北斗通信能力比較(短報(bào)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(dāng)延長半徑以接近北斗通信能力，計(jì)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(nèi)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(bào)AIS信息時(shí)只發(fā)送圓內(nèi)的7 條船舶。這7 條船舶距艦船較近，當(dāng)優(yōu)先監(jiān)控，通過北斗轉(zhuǎn)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(yuǎn)程動態(tài)監(jiān)控的重要指標(biāo)，目標(biāo)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(jù)《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(gè)相對舷角區(qū)域，如圖4所示，并在相應(yīng)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(nèi)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(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，但由于北斗通信能力有限，在發(fā)送信息時(shí)應(yīng)根據(jù)具體船舶分布情況，對某個(gè)或幾個(gè)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(shí)刻關(guān)注該區(qū)域內(nèi)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(jù)相對舷角A，B，C，D，E，F(xiàn)區(qū)域內(nèi)船舶動態(tài)情況，自適應(yīng)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(yuǎn)程船舶動態(tài)情況。自適應(yīng)更新周期以舷角篩選區(qū)域內(nèi)船舶最小更新間隔t為準(zhǔn)。

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(shè)在本艦所在位置(λo，φo)，艦首向與框架圖中000°方向重合，同時(shí)建立以本艦為極點(diǎn)的極坐標(biāo)系，其中極軸與艦首向重合。

步驟2:從AIS 終端數(shù)據(jù)采集器中提取每條船舶的位置信息(λmmsi，φmmsi)與航向信息(Cmmsi)，計(jì)算每條船舶在極坐標(biāo)系中坐標(biāo)(ρmmsi，θmmsi)并存儲在A，B，C，D，E，F(xiàn) 六個(gè)集中。

步驟3:提取每個(gè)相對舷角區(qū)域內(nèi)與本艦存在會遇情形的船舶，自適應(yīng)篩選出會遇情形集中、船舶密集的區(qū)域進(jìn)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(chǎn)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(diǎn)監(jiān)控。采用舷角限制法監(jiān)控結(jié)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(chǎn)生影響，無需轉(zhuǎn)發(fā)至岸基指揮中心進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。此時(shí)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(dú)使用，也可互為補(bǔ)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(chǔ)上加以舷角篩選船舶。其中，自適應(yīng)更新周期以篩選區(qū)域內(nèi)船舶最小更新間隔t為準(zhǔn)。仿真試驗(yàn)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(yīng)選取周圍8 n mile距離進(jìn)行篩選監(jiān)控。由于此時(shí)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(diǎn)監(jiān)控。結(jié)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(jīng)過篩選處理，其數(shù)據(jù)量已經(jīng)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(jìn)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(bào)頭較長，將AIS信息通過北斗轉(zhuǎn)發(fā)，可舍去長報(bào)頭，重新設(shè)置。其次，更新AIS信息時(shí)，短時(shí)間內(nèi)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(fù)發(fā)送變化量即可，這樣也大大減少AIS 數(shù)據(jù)量，節(jié)省北斗帶寬，增加每次發(fā)送的船舶數(shù)量。

4 結(jié) 語

基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)傳輸AIS信息，有助于岸基指揮中心增強(qiáng)對遠(yuǎn)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(shí)間，使動態(tài)監(jiān)控效用降低，因此本文提出采用自適應(yīng)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(yuǎn)洋航行安保能力。該項(xiàng)技術(shù)貼近海軍及海警部隊(duì)實(shí)際，為保證海軍艦艇遂行遠(yuǎn)洋作戰(zhàn)訓(xùn)練及非軍事行動提供對艦船遠(yuǎn)海域態(tài)勢的動態(tài)監(jiān)控，為海警各支隊(duì)的海上維權(quán)、維護(hù)航洋權(quán)益提供方法手段。

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