胡勤友　張蓓　楊春　鄭豪　戚玉玲

摘要：針對目前岸臺基站或衛(wèi)星基站還不能對全球尤其是位于交通繁忙海域的船舶進行連續(xù)有效的監(jiān)控的問題，設(shè)計一種海上船舶自動識別系統(tǒng)（automatic identification system，AIS）移動基站（簡稱船舶基站），仿真大量船舶基站對全球船舶的監(jiān)控效果。從全球所有船舶中隨機選取部分船舶作為船舶基站進行仿真得出：在每天更新一次船位的情況下，全球船舶基站的最佳設(shè)置數(shù)是3 500，覆蓋率約為8431%;船舶基站的AIS信號監(jiān)控范圍基本覆蓋全球所有有航線海域，且單片海域的覆蓋率普遍在85%以上。

關(guān)鍵詞：? 船舶監(jiān)控; AIS基站; 仿真; 覆蓋率

中圖分類號：? U675.7;U697文獻(xiàn)標(biāo)志碼：? A

Simulation and visualization of global ship monitoring effect

by a large number of offshore AIS mobile base stations

Abstract： In view of the problem that shore base stations or satellite base stations can not conduct continuous and effective monitoring on the global ships， especially ships in busy traffic sea areas， the offshore automatic identification system（AIS） mobile base stations （ship base stations， in short） are designed， and the monitoring effect of a large number of ship base stations on global ships is simulated. Some ships are randomly selected from all ships worldwide as ship base stations for simulation. It is concluded that， under the condition of ship position update once a day， the optimal setting number of the global ship base stations worldwide is 3 500， and the coverage rate is about 8431%; the AIS signal monitoring range of ship base stations basically covers all the route sea areas worldwide， and the coverage rate of single sea area is generally above 85%.

Key words： ship monitoring; AIS base station; simulation; coverage rate

引言

船舶自動識別系統(tǒng)（automatic identification system，AIS）是由基站和船載設(shè)備共同組成的一種新型數(shù)字助航系統(tǒng)和設(shè)備，可播發(fā)船舶的動態(tài)、靜態(tài)信息，是研究海上交通的重要數(shù)據(jù)來源和支撐[1]。AIS信息是從船上發(fā)射經(jīng)由岸臺基站（以下簡稱岸基）或衛(wèi)星基站（以下簡稱星基）接收最終傳輸至陸地數(shù)據(jù)中心的，因此，基站作為信息傳輸?shù)闹匾修D(zhuǎn)樞紐，很大程度上直接影響了AIS數(shù)據(jù)的質(zhì)量，而數(shù)據(jù)的完整與否是能否客觀分析船舶態(tài)勢的關(guān)鍵[2]?，F(xiàn)有的AIS數(shù)據(jù)接收現(xiàn)狀表明：岸基信號接收范圍有限且接收能力受障礙物影響[34];星基通過低軌道實現(xiàn)全球覆蓋[5]，雖不受障礙物影響，但由于信道有限，當(dāng)部分區(qū)域發(fā)射時隙密集時，會出現(xiàn)AIS時隙沖突[6]，從而導(dǎo)致接收丟包。解決此問題的星載AIS關(guān)鍵技術(shù)目前仍在研發(fā)之中。[7]

為解決岸基和星基本身局限性所導(dǎo)致的AIS信息接收不完整問題，本文設(shè)計了一種基于AIS信號接收系統(tǒng)的海上AIS移動基站（以下簡稱船舶基站），將分布于全球主要航線上且處于運動狀態(tài)的船舶作為監(jiān)測點，實現(xiàn)對其周圍海域船舶信息的動態(tài)性覆蓋，有效提升對AIS信號的捕獲效率，保障船與船、船與岸之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性。

為探尋最優(yōu)的船舶基站部署方案，進行多次仿真實驗，研究不同數(shù)量的船舶基站所能覆蓋的全球船舶的數(shù)量，得到船舶基站的最佳設(shè)置數(shù)。最后，對船舶基站數(shù)最佳時監(jiān)測到的全球船舶的分布情況進行可視化分析。

1船舶基站簡介

船舶基站指在正常運行的船舶上安裝AIS接收器[8]，通過船載AIS設(shè)備直接捕獲本船附近的目標(biāo)船的AIS信號，將信號經(jīng)由海事衛(wèi)星寬帶傳送至衛(wèi)星接收站，進而傳送到地面數(shù)據(jù)中心。船舶基站信號收發(fā)原理示意圖如圖1所示。

船舶基站在系統(tǒng)和功能上具有以下特點：

（1）硬件模塊主要由AIS接收器、VSAT網(wǎng)絡(luò)（船舶本身均已安裝配置）和DTU傳輸單元組成[9]。軟件模塊不但支持本船船位和周邊船舶船位的采集，而且可以對采集頻率進行動態(tài)設(shè)置。這可以讓船舶根據(jù)實際情況改變數(shù)據(jù)收集頻率，盡可能減少數(shù)據(jù)冗余，提高數(shù)據(jù)傳輸效率和保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量。此外，在該系統(tǒng)每次斷電重啟后，采集任務(wù)會自動恢復(fù)，定期同步系統(tǒng)時鐘到世界協(xié)調(diào)時間（universal time coordinated， UTC），確保船位采集時間的精度。

（2）因為船舶本身仍在不停地航行，所以船舶基站可以克服岸基信號接收范圍有限的缺點，所接收AIS信號范圍能夠覆蓋到船舶所及之地甚至是遠(yuǎn)洋海域。另外，因為船舶基站上的AIS接收器與岸基的類似，傳輸帶寬大且更新頻率快，所以先通過船舶基站接收AIS信號再通過海事衛(wèi)星寬帶[10]中轉(zhuǎn)AIS信號的方法，可以克服星基帶寬受限且更新頻率較慢的缺點。AIS接收器成本較低，適合大規(guī)模安裝。F113ADAF-CFF6-4D10-A660-AD1C5065D574

2船舶基站監(jiān)控效果的仿真實驗

2.1仿真效果評估指標(biāo)

為準(zhǔn)確評估船舶基站的AIS信號接收效果，從24 h內(nèi)全球海上所有船舶中選取n艘船作為船舶基站，計算這n個船舶基站在這24 h內(nèi)分別監(jiān)測到的船舶數(shù)，并以所有的船舶基站可監(jiān)測到的船舶數(shù)與全球海上所有船舶數(shù)的百分比（簡稱覆蓋率）作為評估指標(biāo)。覆蓋率計算方法為（1）式中：Pn表示n個船舶基站24 h內(nèi)的可監(jiān)測到的船舶數(shù);Q表示24 h內(nèi)全球海上所有船舶數(shù)，為定值。Kn值越大，說明船舶基站對全球船舶的監(jiān)控效果越好。

2.2實驗原理

假設(shè)船舶基站的信號接收范圍是以該船舶基站為圓心的圓形區(qū)域，每個船舶基站所能接收的AIS信號范圍是固定且相同[11-12]的，并令圓的半徑r=25 n mile。以下稱裝備有AIS接收器的船舶為基站船舶，未裝備AIS接收器的船舶為非基站船舶。

將基站船舶所處位置的經(jīng)度和緯度分別記為JT和WT，非基站船舶所處位置的經(jīng)度和緯度分別記作JS和WS，則兩船之間的距離表示為（2）式中：R表示地球平均半徑（6 378 km）。船舶基站可監(jiān)測船舶的范圍必須滿足（3）滿足此條件的非基站船舶被認(rèn)定為可監(jiān)測船舶。船舶基站監(jiān)測船舶示意圖見圖2。

2.3實驗步驟

統(tǒng)計2020年1月2日這一天內(nèi)監(jiān)測到的全球海上所有船舶（所有數(shù)據(jù)均來自海事數(shù)據(jù)供應(yīng)商上海邁利船舶科技有限公司），得到24 h內(nèi)全球海上船舶數(shù)189 693艘。從中隨機選取n（0≤n≤6 000）艘船作為船舶基站，計算n個船舶基站的覆蓋率。具體步驟如下：

（1）從全球海上所有船舶中隨機抽取n艘船作為船舶基站。

（2）以船舶基站位置（用經(jīng)緯度坐標(biāo)表示）為圓心，以25 n mile為半徑劃定范圍;遍歷全球海上所有船舶的經(jīng)緯度，統(tǒng)計滿足式（3）的船舶;對在同一時刻重復(fù)識別到的船舶進行去重處理，避免同一艘船同時被多個船舶基站監(jiān)測到而造成重復(fù)計數(shù)。（3）重復(fù)上述步驟，共進行3組實驗，得到n個船舶基站可監(jiān)測船舶數(shù)和全球海上船舶數(shù)，用式（1）計算覆蓋率。

2.4實驗結(jié)果分析

以上3組仿真實驗得到的結(jié)果見表1。全球船舶基站的覆蓋率曲線見圖3，其中：曲線是由若干個散點連接而成的折線，散點之間的橫坐標(biāo)間隔為200。本文利用插值法[1316]，以05為插值間隔，在盡可能減少誤差、保持原有數(shù)據(jù)的變化趨勢的同時對上述折線進行平滑處理。從圖3中的曲線走勢可以看出，3組實驗得到的覆蓋率曲線幾乎完全重合，變化趨勢也極其相似：隨著船舶基站數(shù)的增加，覆蓋率整體上呈上升態(tài)勢;在船舶基站數(shù)n<1 000時，覆蓋率曲線較陡;在船舶基站數(shù)n>1 000時，隨著船舶基站數(shù)的增加，覆蓋率曲線上升趨勢逐步減緩;在船舶基站數(shù)超過3 500后，覆蓋率曲線開始收斂。取3組實驗中船舶基站數(shù)n=3 000和n=4 000的平均值（即n=3 500），估算覆蓋率為84.31%。由實驗結(jié)果可知：當(dāng)船舶基站數(shù)較少時，增加其數(shù)量能夠有效提高覆蓋率;在船舶基站數(shù)增至2 000后，繼續(xù)增加船舶基站數(shù)時，覆蓋率的增長速度逐漸放緩;在船舶基站數(shù)增至3 000后，覆蓋率不會隨船舶基站數(shù)的繼續(xù)增加而發(fā)生明顯變化;在船舶基站數(shù)增至3 500后，覆蓋率幾乎不變。

考慮船舶基站設(shè)置數(shù)和全球船舶監(jiān)控效果的費效比，計算單位船舶基站的可監(jiān)測船舶數(shù)：（4）式中：Pn表示投入n個船舶基站所能監(jiān)測到的船舶數(shù)。單位船舶基站可監(jiān)測船舶數(shù)隨船舶基站數(shù)的變化曲線見圖4。由圖4可知，在投入4 000個船舶基站后，單位船舶基站可監(jiān)測船舶數(shù)接近40艘。因此，綜合考慮覆蓋率和船舶基站投入效益，設(shè)置船舶基站最大數(shù)為4 000。此時3組實驗的平均覆蓋率為85'36%。

3最佳AIS信號覆蓋率的可視化

對船舶基站數(shù)為最佳設(shè)置數(shù)（3 500）時的全球船舶監(jiān)控效果進行可視化，繪制AIS信號覆蓋率網(wǎng)格熱點圖，用于分析在最佳數(shù)量的船舶基站監(jiān)測下，全球船舶的空間分布特點。

3.1可視化設(shè)計

具體可視化步驟如下：

（1）借鑒GridCount算法[17]，將世界地圖網(wǎng)格化。以（0°N，0°E）為起點，以1°為間隔，把世界地圖劃分為180×360個的單元格，單元格的緯度依次記為W-90，W-89，…，W0，W1，…，W90，經(jīng)度依次記為J-179，J-178，…，J0，J1，…，J180，其中北緯、東經(jīng)為正，南緯、西經(jīng)為負(fù)。為便于表達(dá)，本文用方格表示單元格。以單元格Gi，j（i=-90，-89，…，0，1，…，90;j=-179， -178，…，0，1，…，180）為例，其具體坐標(biāo)見圖5。

（2）使所有的基站船舶和非基站船舶分別遍歷所有的單元格，根據(jù)點與單元格的經(jīng)緯度信息將所有的監(jiān)測點和被覆蓋點劃分到對應(yīng)的單元格內(nèi)，統(tǒng)計每個單元格中的船舶總數(shù)、每個單元格中的被監(jiān)測船舶數(shù)、含有可監(jiān)測船舶的單元格數(shù)、含有任意船舶的單元格數(shù)。以單元格G1，2為例，該單元格在經(jīng)緯度坐標(biāo)系下的緯度取值范圍是[1°N，2°N]，經(jīng)度取值范圍是[2°E，3°E]。統(tǒng)計出各單元格中的船舶數(shù)，對于剛好位于單元格邊界的船舶，取左舍右，取上舍下。單元格與監(jiān)測點關(guān)系圖例見圖6。根據(jù)上述單元格船舶數(shù)統(tǒng)計規(guī)則，圖6a中單元格1、2、3、4中的監(jiān)測點數(shù)分別為1、2、1、2。

（3）統(tǒng)計單元格Gi，j中的監(jiān)測點Qi，j和被覆蓋點

Pi，j的數(shù)量，見圖7。圖7中，單元格1、2、3、4中的監(jiān)測點數(shù)依次為3、2、2、3，被覆蓋點數(shù)分別為3、3、2、2。進一步計算單位單元格的AIS信號覆蓋率，記作Ki，j。Ki，j計算公式如下：Ki，j=Pi，jQi，j+Pi，j×100%（4）計算得到圖7中單元格1、2、3、4的AIS信號覆蓋率分別為50%、60%、50%、40%。按照此方法依次計算出全球188 591個單元格的AIS信號覆蓋率。F113ADAF-CFF6-4D10-A660-AD1C5065D574

3.2可視化結(jié)果分析

依照式（4）計算出全球每個單元格的AIS信號覆蓋率大小，由小到大依次用從白→藍(lán)→綠→黃→紅的過渡色帶表示，作出AIS信號覆蓋率網(wǎng)格熱點圖，見圖8。

覆蓋率分布熱點圖

從圖8可以看出，3 500個船舶基站能夠很好地覆蓋全球絕大部分有航線的海域：對于因航線繁多、船舶密度較大而容易導(dǎo)致AIS信號擁擠的大陸沿岸海域（如亞洲東海岸、歐洲西海岸、北非沿岸、南北美的巴拿馬運河處等）和海事安全事故頻發(fā)地（如新加坡海峽等）[18]均能夠?qū)崿F(xiàn)較好的AIS信號覆蓋，色帶等級幾乎都在紅色以上，說明船舶基站對這些海域的AIS信號覆蓋率都在90%以上;對于因遠(yuǎn)離大陸而容易發(fā)生信號丟失的海域或AIS信息收集較為困難的的海域（如印度洋、太平洋、大西洋[19]等的中心海域，甚至是北冰洋海域等）也有較好的覆蓋效果，色帶等級大部分為紅色。

4結(jié)束語

本文證實了船舶基站的設(shè)置可以彌補岸基和星基在AIS數(shù)據(jù)收集上的不足。本文研究表明：①船舶基站設(shè)置得越多，覆蓋率越高，即所監(jiān)測到的全球船舶越多。4 000個船舶基站能較好地實現(xiàn)費效平衡，此時覆蓋率為8536%。②設(shè)置3 500個船舶基站基本能實現(xiàn)對全球海域的全覆蓋，包括遠(yuǎn)離大陸的海域和AIS信號擁擠的大陸沿岸海域，且對絕大部分海域的AIS信號覆蓋率高達(dá)85%甚至90%以上。綜上所述，船舶基站能夠為世界海事安全領(lǐng)域研究提供更完善的數(shù)據(jù)來源，對海上船舶數(shù)據(jù)的收集和海事方面的研究具有一定意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]田璐， 張敖木翰， 張翼， 等. 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]. 交通運輸研究， 2019， 5（5）： 3140. DOI： 1016503/j.cnki.20959931201905004.

[2]梅強， 吳琳， 彭澎， 等. 南海區(qū)域商船典型空間分布及貿(mào)易流向研究[J]. 地球信息科學(xué)學(xué)報， 2018， 20（5）： 632639. DOI： 1012082/dqxxkx.2018180017.

[3]趙顯峰， 房延軍， 王辰. 內(nèi)河船舶自動識別系統(tǒng)通信覆蓋盲區(qū)技術(shù)解決方案研究[J]. 信息通信， 2014（4）： 2931.

[4]初秀民， 劉潼， 馬楓， 等. 山區(qū)航道AIS信號場強分布特性[J]. 交通運輸工程學(xué)報， 2014（6）： 117126. DOI： 103969/j.issn.16711637201406015.

[5]賀超峰， 徐鐵， 胡勤友， 等. 應(yīng)用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的船舶AIS數(shù)據(jù)采集[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報， 2013， 34（1）： 59. DOI： 103969/j.issn.16729498201301002.

[6]陳贊， 陸文斌， 方詩峰， 等. 星載AIS信號接收機解時隙沖突研究[J]. 微型機與應(yīng)用， 2017， 36（17）： 6567. DOI： 1019358/j.issn.16747720201717019.

[7]潘寶鳳， 梁先明. 星載AIS接收系統(tǒng)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 電訊技術(shù)， 2011， 51（5）： 15. DOI： 103969/j.issn.1001893x.201105001.

[8]陳奇. 星載AIS信號接收技術(shù)的研究[D]. 南京： 南京理工大學(xué)， 2017.

[9]楊仁慶， 楊清森， 孫振龍， 等. VSAT衛(wèi)星便攜站的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 數(shù)字通信世界， 2019（11）： 34， 15. DOI： 103969/j.issn.16727274201911002.

[10]林菡. 寬帶海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)的基本特點及應(yīng)用[J]. 中國新通信， 2019， 21（23）： 18.

[11]劉暢. 船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 大連： 大連海事大學(xué)， 2013.

[12]LAPINSKI A L S， ISENOR A W. Estimating reception coverage characteristics of AIS[J]. The Journal of Navigation， 2011， 64（1）： 609623. DOI： 101017/S0373463311000282.

[13]李峰， 汪杰君， 熊顯名， 等. 基于三次樣條插值法的干涉儀反射鏡面型值誤差分析[J].儀器儀表用戶， 2020， 27（4）： 1822. DOI： 103969/j.issn.16711041202004006.

[14]HAMMOND T R， PETERS D J. Estimating AIS coverage from received transmissions[J]. The Journal of Navigation， 2012， 65（3）： 409425. DOI： 101017/S0373463312000057.

[15]PETERS D J， HAMMOND T R. Interpolation between AIS reports： probabilistic inferences over vessel path space[J]. The Journal of Navigation， 2011， 64（4）： 595607. DOI： 101017/S0373463311000208.

[16]HU Q Y， GAI F J， YANG C， et al. An algorithm for interpolating ship motion vectors[J]. TrasNav： International Journal on Marine Navigation and Safety of Sea Transportation， 2014， 8（1）： 3540. DOI： 1012716/1001080104.

[17]向哲， 胡勤友， 施朝健. 一種計算AIS基站信號覆蓋率的方法[J]. 桂林理工大學(xué)學(xué)報， 2016， 36（4）： 844848. DOI： 103969/j.issn.16749057201604033.

[18]ZHANG L Y， MENG Q， FWA T F. Big AIS data based spatialtemporal analyses of ship traffic in Singapore port waters[J]. Transportation Research Part E， 2019： 287304. DOI： 101016/j.tre.201707011.

[19]LAPINSKI A L S， ISENOR A W. Mapping AIS coverage for trusted surveillance[C]∥Unmanned/Unattended Sensors and Sensor Networks VII. SPIE， 2010： 237244. DOI： 101117/12864698.

（編輯賈裙平）

收稿日期： 20210308修回日期： 20210628

基金項目： 上海市科學(xué)技術(shù)委員會社會發(fā)展領(lǐng)域重大項目（18DZ1206300）

作者簡介： 胡勤友（1974—），男，安徽舒城人，教授，博士，研究方向為智能船舶與海事信息處理，（Email）qyhu@shmtu.edu.cnF113ADAF-CFF6-4D10-A660-AD1C5065D574