崔威威，劉 碩，張秉致，曹德建

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速持續(xù)發(fā)展，長(zhǎng)江和沿海黃金水道的水面交通迅猛發(fā)展。海事監(jiān)管部門不斷完善船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、水面交通雷達(dá)等監(jiān)管設(shè)施，力圖提高船舶活動(dòng)監(jiān)管能力。[1]船舶活動(dòng)感知能力建設(shè)極大充實(shí)了目標(biāo)活動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)。如何充分利用AIS為代表的船舶活動(dòng)信息，保障水上交通安全，提高水面交通規(guī)律認(rèn)知與監(jiān)管服務(wù)能力，積極應(yīng)對(duì)潛在經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境破壞風(fēng)險(xiǎn)，是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。

作為準(zhǔn)實(shí)時(shí)、更新快的信息源，船舶AIS信息是提高水面交通監(jiān)管能力的重要依賴。[2-3]目前，針對(duì)AIS信息處理形成了一些結(jié)合局部區(qū)域地理信息的數(shù)據(jù)處理手段[4-7]，側(cè)重基于密度、流量的區(qū)域統(tǒng)計(jì)分析，以及船舶進(jìn)出港、靠泊條件下的速度分析，能夠提供目標(biāo)碰撞概率、區(qū)域熱點(diǎn)分析等數(shù)據(jù)應(yīng)用。[8-13]終端設(shè)備使用與信息采集管理體制決定了AIS信息存在大量重復(fù)、抖動(dòng)、缺失、甚至篡改偽裝。如何在低質(zhì)量數(shù)據(jù)場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)區(qū)域監(jiān)控、船舶航行狀態(tài)判別，并提供針對(duì)重要船舶與敏感區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析與預(yù)警告，尚未見到相應(yīng)的報(bào)道。

1 主要研究?jī)?nèi)容

船舶AIS信息由靜態(tài)部分和動(dòng)態(tài)部分組成。靜態(tài)信息包括移動(dòng)服務(wù)識(shí)別碼(MMSI)、國(guó)際船舶組織識(shí)別碼(IMO)、船舶呼號(hào)、船名、船長(zhǎng)、船寬、船舶類別等。動(dòng)態(tài)信息包括船舶位置、船速、航向、艏向、轉(zhuǎn)向率、航行狀態(tài)、更新時(shí)間等。由于AIS設(shè)備是大型船舶必須配備的，理論上具有單一性、精度高、更新快、準(zhǔn)實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，是船舶身份識(shí)別、行為監(jiān)控、規(guī)律統(tǒng)計(jì)的重要信息源。[14]為此，開展數(shù)據(jù)清洗、目標(biāo)編批、航行狀態(tài)評(píng)估與區(qū)域監(jiān)控技術(shù)研究，形成面向船舶個(gè)體與區(qū)域的精細(xì)行為監(jiān)控能力。

1.1 數(shù)據(jù)清洗

由于AIS工作原理、設(shè)備使用、傳輸機(jī)制存在的客觀限制，船長(zhǎng)可以關(guān)閉終端設(shè)備或者編輯靜態(tài)信息。管理部門信息系統(tǒng)內(nèi)的轉(zhuǎn)發(fā)、記錄、管理機(jī)制容易造成大量信息重復(fù)、錯(cuò)誤和缺失等數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題，必須進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗治理，提高數(shù)據(jù)處理的速度和質(zhì)量，降低計(jì)算存儲(chǔ)資源消耗。AIS數(shù)據(jù)清洗基本原則是：依據(jù)更新時(shí)間、位置、MMSI清洗重復(fù)數(shù)據(jù)，在無(wú)法獲得精確航路、河道等地理信息時(shí)給定船舶活動(dòng)的大致區(qū)域范圍并刪除野值信息。

1.2 船舶身份識(shí)別和AIS數(shù)據(jù)編批

由于靜態(tài)信息存在被修改的可能，在實(shí)際中存在大量重復(fù)的MMSI、船名，無(wú)法基于MMSI、船名、船長(zhǎng)、船寬等用靜態(tài)信息準(zhǔn)確區(qū)分船舶身份。同時(shí)，考慮到AIS更新存在的船舶動(dòng)態(tài)信息存在錯(cuò)誤的可能。為此，提出基于船舶呼號(hào)、時(shí)間和位置實(shí)現(xiàn)目標(biāo)身份識(shí)別編批的基本思路，并進(jìn)而修正船舶AIS的航速、航向等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

首先按照時(shí)間對(duì)MMSI相同的AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，其次計(jì)算相鄰AIS的時(shí)間差、距離和速度。指定船舶目標(biāo)最高速度為30 m/s。如果前后兩個(gè)AIS之間的速度大于閾值，則認(rèn)為出現(xiàn)了兩個(gè)目標(biāo)。同時(shí)，考慮到AIS數(shù)據(jù)抖動(dòng)，計(jì)算e(1)到s(1)+1、s(2)、s(2)+1之間的速度并修正編批結(jié)果。船舶AIS目標(biāo)身份識(shí)別基本原理和編批流程見圖1和圖2所示。

圖 1 AIS初步編批原理

為快速計(jì)算船舶AIS數(shù)據(jù)之間的距離，簡(jiǎn)單采用標(biāo)準(zhǔn)球體作為理想地球模型，從而降低計(jì)算復(fù)雜度。理論分析和實(shí)際處理表明，這樣簡(jiǎn)化處理不影響低速船舶目標(biāo)的速度計(jì)算經(jīng)度，以及身份識(shí)別和編批結(jié)果。

圖 2 船舶AIS目標(biāo)識(shí)別和編批過(guò)程

假設(shè)兩個(gè)A、B坐標(biāo)分別是(Lat1,Lon1)和(Lat2,Lon2)，其中A為中心點(diǎn)。按照下式計(jì)算B相對(duì)于A的距離dis：

Lati=90-Lati,i=1,2

c=sin(Lat1)*sin(Lat2)*cos(Lon1-Lon2)+

cos(Lat1)*cos(Lat2)

dis=R*acos(c)

其中，R=(6 378.14+5 253.755)/2≈6 316 km，是地球半徑的近似值。最終得到目標(biāo)由A到B的航向cour與航速velo：

cos(c)=cos(90-Lat2)*cos(90-Lat1)+sin(90-Lat2)*sin(90-Lat1)*cos(Lon2-Lon1)

sin(c)=sqrt(1-(cos(c))2)

cour=arcsin(sin(90-Lat2)*sin(Lon2-lon1)/sin(c))

velo=dis/Δt

需要注意的是，如果B點(diǎn)在A的第1象限則不對(duì)角度cour進(jìn)行修正，如果在第2象限則cour=360+cour，如果在第3、4象限則cour=180-cour。

1.3 基于信息熵的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)評(píng)估

在理想條件的運(yùn)動(dòng)中，目標(biāo)的航速、航向不會(huì)發(fā)生較為頻繁或者劇烈的變化。船舶目標(biāo)一旦出現(xiàn)劇烈、連續(xù)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化，可能是航行條件變化、船舶狀況異常、主觀意圖造成船舶操縱駕駛非線性變化。這種變化往往意味著潛在監(jiān)管風(fēng)險(xiǎn)。處于異常狀態(tài)的大型客貨運(yùn)船舶目標(biāo)是特別需要管理部門相關(guān)人員重點(diǎn)關(guān)注的。本文借助信息熵方法評(píng)估在最近的一段時(shí)間內(nèi)(或者全部航程)目標(biāo)的航速、航向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化情況。

信息熵在計(jì)算過(guò)程首先對(duì)數(shù)據(jù)序列x={x1,x2,…,xn}進(jìn)行去量綱，并可根據(jù)數(shù)據(jù)的不同屬性提供成本型、效益型和適中型去量綱公式：

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化的航行狀態(tài)評(píng)估，可記錄每個(gè)目標(biāo)最近5 min內(nèi)的目標(biāo)速度和航行，進(jìn)而得到此5 min內(nèi)的速度、航向差分，以完成航行狀態(tài)評(píng)估。在離線情況下，可以對(duì)AIS目標(biāo)的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。為防止xi=0，對(duì)上述xi公式進(jìn)行修正處理，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算得到熵值e：

其中，k=1/(lnN)，N是數(shù)組的x長(zhǎng)度。

1.4 基于格子的船舶活動(dòng)監(jiān)控與目標(biāo)伴隨識(shí)別

按照網(wǎng)格進(jìn)行區(qū)域劃分、統(tǒng)計(jì)是實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)區(qū)域監(jiān)控的重要手段。為降低計(jì)算資源消耗，基于AIS信息動(dòng)態(tài)生成統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格。仍然取R=6 316 km作為地球標(biāo)準(zhǔn)球體模型的半徑，并選取500 m作為格子的延伸，從而換算得到緯度延伸ExtLat=0.0045°。記在不同緯度的經(jīng)度延伸、格子坐標(biāo)分別是ExtLat、IdxLat、IdxLon，其計(jì)算公式如下：

IdxLat=floor(lati/ExtLat),i=1,2,3,…,n
ExtLon=500/(R*cos(IdxLat*ExtLat)*2*Pi/360)
IdxLon=floor(loni/ExtLon)

根據(jù)航跡的AIS信息計(jì)算得到所在的格子后可以動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)格子內(nèi)目標(biāo)的進(jìn)入和駛出時(shí)間、平均航速和航向，以及航速航向產(chǎn)生的熵值，從而完成格子內(nèi)目標(biāo)數(shù)量統(tǒng)計(jì)、運(yùn)動(dòng)情況評(píng)估和船舶伴隨識(shí)別。此處認(rèn)為，如果兩個(gè)目標(biāo)在同一個(gè)網(wǎng)格內(nèi)出現(xiàn)時(shí)間差不超過(guò)5 min且在不少于10個(gè)格子出現(xiàn)，則認(rèn)為兩船存在伴隨情況。在完成伴隨目標(biāo)處理后，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)船舶編隊(duì)航行判斷，數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。伴隨是傳遞的，即如[Obja,Objb]、[Objb,Objc]是伴隨目標(biāo)對(duì)，則[Obja,Objb,Objc]是一個(gè)伴隨群。

圖3 格子生成與目標(biāo)伴隨識(shí)別

2 仿 真

此針對(duì)南京海事局轄區(qū)長(zhǎng)江段2018年6月29日一天的離線AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行分析驗(yàn)證，提供如表1所示幾類分析結(jié)果。

表1 分析結(jié)果

通過(guò)預(yù)處理、編批處理，一共獲得9 592個(gè)目標(biāo)，其空間分布與編批目標(biāo)數(shù)隨時(shí)間變化如圖4所示。

圖4 船舶AIS信息分布空間及編批目標(biāo)數(shù)隨小時(shí)變化

由圖4可知，每小時(shí)存在的目標(biāo)數(shù)不小于2 300個(gè)。如果不進(jìn)行對(duì)目標(biāo)的行為特征進(jìn)行精細(xì)化處理和分析，就難以實(shí)現(xiàn)船舶與區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控。

在獲得目標(biāo)編批信息后，采用信息熵方法評(píng)估由目標(biāo)航向、航速變化產(chǎn)生的熵值。圖5給出熵值最大的2個(gè)目標(biāo)的軌跡圖及其速度、航向變化。

由圖5可知，2個(gè)目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)中存在大量機(jī)動(dòng)變向，而這些機(jī)動(dòng)目標(biāo)正是需要管理者重點(diǎn)關(guān)注的。

根據(jù)網(wǎng)格劃分結(jié)果，統(tǒng)計(jì)活動(dòng)目標(biāo)最多的9個(gè)船舶密集區(qū)域，如圖6所示。

圖5 基于信息熵方法識(shí)別得到的高機(jī)動(dòng)目標(biāo)軌跡及其速度、航向變化

圖6 船舶目標(biāo)密集區(qū)域與航行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)

最后借助網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)獲得伴隨最長(zhǎng)的1對(duì)目標(biāo)。該伴隨編隊(duì)在早上8點(diǎn)鐘左右出現(xiàn)在長(zhǎng)江海事局轄區(qū)西部，下午5點(diǎn)鐘駛出長(zhǎng)江海事局轄區(qū)，如圖7所示。

圖7 一對(duì)伴隨船舶目標(biāo)軌跡圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提到的方法可以實(shí)現(xiàn)船舶AIS目標(biāo)編批處理，利用信息熵方法識(shí)別高機(jī)動(dòng)目標(biāo)，并結(jié)合劃分網(wǎng)格劃分結(jié)果得到目標(biāo)密集區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以提高伴隨目標(biāo)、機(jī)動(dòng)目標(biāo)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的精細(xì)管理。不足之處在于，網(wǎng)格化分是按照大約500 m的距離根據(jù)AIS信息到中心點(diǎn)的位置計(jì)算得到的。這種網(wǎng)格化分方法沒(méi)有考慮航道、港口等地理信息，存在網(wǎng)格劃分不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那闆r，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果和對(duì)AIS地理空間分布特征的直觀認(rèn)知有一定的區(qū)別。因此，需要進(jìn)一步完善網(wǎng)格化分和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理方法。