基于多源定位數據的實時船舶監控系統設計?

黃海廣， 胡乃軍， 仇志金， 孔祥倫， 郭忠文

(1.中國海洋大學信息科學與工程學院， 山東 青島 266100； 2.溫州市海洋漁業船舶安全救助信息中心， 浙江 溫州 325000；3.青島市工商行政管理局信息中心， 山東 青島 266071； 4.中國交通通信信息中心， 北京 100011)

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基于多源定位數據的實時船舶監控系統設計?

黃海廣1,2， 胡乃軍3， 仇志金1， 孔祥倫4， 郭忠文1

(1.中國海洋大學信息科學與工程學院， 山東 青島 266100； 2.溫州市海洋漁業船舶安全救助信息中心， 浙江 溫州 325000；3.青島市工商行政管理局信息中心， 山東 青島 266071； 4.中國交通通信信息中心， 北京 100011)

船舶監控涉及多類異構數據源，互聯難度大。本文提出了一種采用多源定位數據的實時船舶監控系統(Vessel Monitoring System,VMS)設計方案，解決了多源異構數據的互聯問題。該方案通過可擴展接口采集各類船舶終端的定位數據，采用多源定位數據融合算法，實現了實時顯示船舶位置及快速回放船舶航行軌跡，并能與不同類型的船舶終端交互信息。經實際驗證，該系統有效可行，對于促進中國船舶監控物聯網發展具有重要作用。

VMS；AIS；電子海圖；多源定位數據

為了加強目標船舶的識別能力，提高航行安全，國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)對大中型船舶配備船舶自動識別系統(Automatic Identification System,AIS)設備作出了強制規定，AIS逐漸在船舶中得到廣泛應用[1]。近年來，相關管理部門在沿海架設AIS基站，用于接收船舶發送的AIS信息，在中國沿海形成了AIS監控網絡，使用近海船舶的AIS數據用于船位監控及航運交通管理[2]。北斗衛星船載終端[3]、海事衛星船載終端已經廣泛用于商船、漁船等船舶，并通過衛星網絡傳輸定位數據。定位數據用于船舶監控系統(Vessel Monitoring System,VMS)。VMS通過接收到的船舶定位數據，在GIS平臺上實時顯示船舶位置。通過定位數據庫的查詢，可以對單船、多船進行航行軌跡回放；部分VMS實現了與獨立終端通信。VMS通常采用國外產品，其界面直觀友好，準確性高，在海事、航運交通方面起到重要作用[4]。

然而，目前使用的VMS，普遍存在以下不足：

(1)由于AIS信號接收受到距離(30～60海里)限制，平臺只能接收到近海船舶AIS數據，因此只采用AIS作為數據來源的VMS只能顯示近海船舶，具有很大局限性。由于AIS數據來源于近海基站接收信息，岸站基本只能單向接收數據，無法做到與船舶通信。

(2)由于多源定位數據的異構性，在交互過程中互不兼容，VMS在可以獲取多源異構定位數據的前提下，無法做到充分地集成多源定位數據，無法最大限度的發揮已有設備效能，與其他終端通信也存在兼容性問題。如北斗衛星VMS系統，可以同時使用AIS數據與北斗衛星終端的定位數據，但不能利用更多的定位數據源，且只能與北斗衛星終端進行通信。

(3)系統中沒有實時氣象模塊，氣象預報不能與實時船位進行關聯，無法做到對海上船舶實時預警。

針對現有VMS系統存在的不足，本文提出了一個基于多源定位數據的實時船舶監控系統的設計方案，解決了多源異構數據的互聯問題。本文的貢獻如下：

(1)通過可擴展接口采集各類船舶終端的定位數據，采用多源定位數據融合算法實時顯示船舶位置，并且可以快速回放船舶航行軌跡。

(2)可以接收多種船舶終端發送的信息，也可以對特定船舶終端發送信息。

(3)可以實時同步氣象數據。海洋氣象關系到海上船舶安全，氣象數據與實時船位進行關聯，根據臺風風圈范圍對對風圈范圍內的船舶進行警告和提示。

該系統已經在全國各地的海洋、航運交通、漁政管理等領域進行了驗證，有效可行，效率高。

1 背景和相關工作

1.1 船舶監控系統

船舶監控系統(VMS)是集全球衛星定位技術(GPS)、地理信息系統(GIS)和電子海圖顯示與信息系統(ECDIS)技術、計算機通信網絡和數據庫技術于一體的綜合應用系統，由系統數據庫、電子海圖、地理信息系統、數據統計分析系統、管理信息系統、通信模塊以及計算機網絡設備組成[5-6]。

VMS包括船載終端與岸上監控平臺兩部分。船載終端是安裝在船舶上、具備全天候船舶定位及通信功能的設備，獲取GPS定位信息并對其進行存儲；對船舶運行狀態信息進行實時采集、存儲；把GPS定位信息、船舶運行狀態信息等以無線方式實時傳送給監控中心。監控平臺是具有船舶定位監控、海圖顯示等基本功能的應用系統中心，實時接收來自船舶動態數據采集模塊的數據；在電子地圖上顯示船舶運行軌跡；建立數據庫管理和存儲移動終端發送的信息，能重現選定終端的運行軌跡。VMS的系統結構見圖1。

圖1 VMS的系統結構Fig.1 System structure of VMS

1.2 數據來源

1.2.1 船舶定位終端 船舶定位系統的數據來源于船載終端的報位數據，主要有：國際通用的AIS設備；國內管理部門安裝北斗衛星終端、海事衛星終端等具有定位、報位的終端。

AIS是船舶自動識別系統的簡稱，配合全球定位系統(GPS)將船位、船速、改變航向率及航向等船舶動態結合船名、呼號、吃水及危險貨物等船舶靜態資料由甚高頻(Very High Frequency,VHF)頻道向附近水域船舶及岸臺廣播，使鄰近船舶及岸臺能及時掌握附近海面所有船舶之動靜態資訊，采取必要避讓行動，對船舶安全有很大幫助。AIS利用VHF的161.975和162.025MHz兩個頻段進行發射信號和接收信號。AIS設備為國際海事組織要求安裝，國際海事組織規定所有300t及以上的國際航行船舶，和500t及以上的非國際航行船舶，以及所有客船，要求配備一臺AIS。其余定位終端為國內管理部門要求安裝，目前已經安裝在全國各地185馬力以上的所有漁船、部分商船。圖2所示為一種船載AIS終端。

圖2 船載AIS終端Fig.2 Ship AIS terminal

本系統的AIS數據通過部署于沿海基站接收到的沿海30～60海里范圍內的船舶AIS廣播，通過運營商的線路，基站將原始數據存入數據中心。

中國的北斗衛星導航系統可在服務區域內隨時確定用戶所在的地理經緯度信息，并提供雙向短報文通信和精密授時服務，可成功解決偏遠地區數據通信的難題。北斗衛星導航系統將定位與通信功能相結合的特點，尤其適用于船舶的遠洋航行監控[7-8]。

國際海事衛星通信系統(INMARSAT)是移動業務衛星通信系統的一種。船載海事終端采用INMARSAT-C系統是一種低速率、雙向全球衛星移動數據通信的系統，其通信速率為1 200 bit/s，其主要的業務包括存儲轉發報文、遇險呼叫、增強型組呼、數據報告和詢呼[9]。船載海事衛星終端實現了定位和通信功能，非常適用于船舶的大范圍動態監控[10]。

本系統的船舶北斗數據來源于北斗衛星運營商，船舶海事衛星來源于中國交通通信信息中心，系統平臺通過接口方式雙向訪問北斗衛星數據、海事衛星數據，北斗衛星覆蓋范圍為亞太地區，海事衛星數據的覆蓋范圍為全球。

2 系統設計

2.1 系統總體架構設計

本系統采用分層結構，總體架構見圖3，總體構架共分為：網絡層、數據資源層、應用支撐層、應用層4個層面。

圖3 系統總體構架圖Fig.3 Overall framework of system

(1)網絡層：網絡層是本系統所依托的、最基本的信息系統的物理支撐平臺，包括局域網、互聯網和衛星網絡。網絡拓撲見圖4。

圖4 網絡拓撲圖Fig.4 Network topology

(2)數據資源層：數據資源層包括經過本系統信息資源規劃后統一支撐各類應用服務的數據庫群。

雙向傳輸數據 在客戶端對安裝有海事衛星C站、北斗、CDMA/GPRS、短波、超短波、RFID的移動目標進行主動調取數據、發送信息等操作。

單向傳輸數據(客戶端到數據中心) 對僅安裝AIS設備的移動目標只能被動接收數據，進行顯示、統計。

(3)應用支撐層：應用支撐層包括AIS監控系統平臺與通信服務平臺。

(4)應用層：應用層主要包括船舶監控系統、臺風等信息展示。

2.2 系統結構

2.2.1 子系統劃分 本系統子系統劃分為表1所示，分為船載子系統、通信子系統、VMS子系統、信息管理子系統、監控子系統、數據庫子系統。

表1 子系統劃分表

2.2.2 平臺主要功能 平臺主要功能其主要功能包括：船位監控、短消息通信、緊急報警、區域越界報警、進出港智能管理、漁船分組管理、軌跡回放、電子海圖操作、信息發布、信息查詢、統計，船舶檔案管理、系統管理等。

2.2.3 子系統功能描述 系統功能需求和子系統之間的對應關系以及各子系統的程序模塊的功能分配見表2。

表2 子系統功能對照表

2.3 數據庫設計

2.3.1 數據庫設計 本系統選用Oracle數據庫，版本為11g。

系統數據庫分為系統管理表和船舶動態數據庫表，系統管理數據庫主要為系統用戶表、用戶權限表、通信服務商管理表；船舶動態數據庫表主要由船舶歷史位置信息和最后一次船位表組成，船舶動態數據庫表描述見表3：

表3 動態數據庫表描述

2.3.2 數據庫容量估算 船舶定位數據是海量的數據，以浙江省AIS數據為例：20個AIS接收基站：單站單信道2min 4 500時隙，由于傳輸的數據是自定義標準數據結構，每包大小按照100字節計算，信道負載按照50%計算。單個AIS基站每秒數據=4 500/2×2×0.5×100/60=3 750字節；單個AIS基站每天數據=4 500/2×2×0.5×100×60×24=324 000 000字節=309 MB；單個AIS基站每月數據=單站每天數據×30=9 270 MB=9 GB。20個站的數據則每月數據是9×20=180 GB，20個站每年數據是180×12=2 160 GB。

2.3.3 海量數據查詢優化

(1)AIS數據存儲策略：本文以記錄行數最大的AIS定位數據相關表。AIS分為動態信息和靜態信息，動態信息分為:AIS動態消息表包含軌跡ID、MAC、GPS時間、接收時間、經度、緯度、船艏向、速度、狀態、消息、類型、高度、消息ID字段，本系統為減少數據庫容量、增加查詢速度，經緯度轉換為數字型，時間采用UTC時間：

(2)經緯度計算方式:平臺顯示的經緯度格式如下：度數+分數(帶小數點)，轉換方式：(度數×60+分數)×10 000，用number格式存儲。如：29°44.941′N，換算(29×60+44.941)×10 000=17 849 410。

(3)時間計算方式：采用UTC時間，即自1970-01-01 T 00:00:00以來的秒數，用number格式存儲。

(4)回放數據操作：平臺查詢最多的操作是單船軌跡查詢和多船區域軌跡回放，所涉及到的操作是查詢AISDYNAMICLOG和TRACKS兩張表，時間跨度通常低于6h。實測AISDYNAMICLOG表存儲了約2a的數據，表大小為5.9×109行，查詢非常緩慢。在不可以改變表結構的前提下，本系統采用Oracle分區表保存數據，分區方式為每天一個分區，為保證系統運行的穩定、高效，最多保存24個月的歷史數據。通過分區索引，對超大表或超大索引的SQL查詢和DML無需進行任何修改即可訪問這些分區表和分區索引。定義了分區后，DDL語句就只訪問和操縱單個分區，而不是整個表或索引，顯著縮短操作處理時間，能顯著縮短的原因是這些操作僅限于分區級(在個體的分區上)，而非表級(在整個表上)，通常的查詢只需要訪問分區的一個子集即可完成，從而避免了訪問整個表，極大提高查詢響應性能。

(5)查詢速度測試：在相同硬件配置條件下，通過測試數據庫，先測試未建立分區表的查詢速度，再對數據庫建立分區表，實測通過監控平臺查詢6h約10 000平方海里的所有船的軌跡(見圖5)。

建立分區的情況下，平均時間為8.51s，未建立分區的情況下，平均時間為28.54 s。測試結果如圖6。

圖5 區域查詢測試Fig.5 Range query test

圖6 區域查詢測試結果Fig.6 Test result of range query

3 多源數據的處理

3.1 平臺數據來源

本系統所采用的數據來源于船載終端的報位數據。該數據分為兩類：AIS數據，這類數據遵循國際標準，因此可以接收到任何國籍的船舶的AIS數據；其他定位數據，指國內的管理部門安裝在船舶上的終端所發送的定位數據，這類數據僅相關管理部門有權限訪問。

3.1.1 AIS數據 本系統將AIS數據分為系統外AIS數據(主要是經過基站覆蓋海域的商船)和系統內AIS數據(管理部門安裝的)，AIS是采用國際通用標準方式傳輸，因此兩類數據都可以接收，AIS數據采用IEC61161[1]通用格式單向傳輸，即：只能從基站到數據中心。AIS數據包含靜態數據和動態數據，靜態數據包含：船名、呼號、MMSI、IMO、船長、船寬、船舶類型、船舶狀態，吃水，目的地、ETA等；AIS動態數據包括船舶的包含經度、緯度、船艏向、航跡向、航速等。

3.1.2 其他定位數據 其他定位數據指安裝了管理部門指定的終端船舶數據，主要為：北斗衛星終端數據、海事衛星終端數據、CDMA終端數據等，這些數據通過衛星、運營商網絡等，存儲在通信應用提供者的數據庫，通信服務商提供TCP服務，系統中心以客戶機方式訪問通信服務商。

3.2 多源數據交換接口

終端定位數據分為靜態和動態兩部分，信息交換接口采用WebService方式提供統一的數據接口。

系統靜態信息交換接口包含系統中心對外發布靜態信息接口以及中心獲取外部靜態信息接口。靜態靜態信息交換接口適用對象為系統平臺以及通信應用服務提供者。

動態信息交換接口用與接收通信應用服務發送的船舶動態信息，同時用于系統平臺向船舶定位終端發送指令。動態信息交換接口采用TCP自定義協議實現數據接口。通信服務商提供服務所在IP以及端口、用戶名密碼等必須數據。

終端定位數據的傳輸方式為雙向傳輸：通信服務商把獲取到的終端靜態和動態信息可以通過接口，服務端接推送給客戶端的數據包含位置數據、信息數據、命令回執。

服務端向客戶端推送數據后，判斷客戶端以同樣序列號發送的回執。

服務端推送數據時，如在服務端與客戶端保持連接狀態下超過20 s未收到客戶端發送的回執，服務端在客戶端連接狀態下重新發送該推送數據，最多3次。

客戶端網絡異常超過30 min仍未連接的數據，服務端保存30 min內的數據緩存通過WebService給客戶端下載恢復數據。

對于服務端出現異常情況，服務端數據能提供WebService供客戶端下載恢復數據。

3.3 多源數據定位算法

AIS終端的報位間隔與北斗衛星終端等其他終端不一致，其報位間隔[1]與船舶航行速度密切相關，報位間隔見表5。

表5 AIS報位間隔

Note： ①Speed or status；②Reporting interval of AIS ship update time；③Ship update time

船載其他終端的報位間隔服務頻度的設置受到終端自身的用戶等級限制(一般為5 s～10 min之間),即終端所設置的服務頻度不能超過其用戶等級所規定的范圍，其報位間隔與船舶航行速度無關。

以北斗衛星終端為例，其報位間隔受到運營商限制，最短間隔為60 s報位一次；船載CDMA終端30 s報位一次。

由此可見，船舶在航行的一個時間段中，數據中心可以收到同一船舶的多個定位數據，采用多源數據融合的算法可以有效利用這些定位數據，從而提高系統顯示船舶實時位置的準確性。

本系統采用的多源定位算法的思想如下：

新定位算法Algorithm1NewTrackAlgorithm1：INPUT：AISDYNAMICLOG，(ii)TRACKS，(iii)MMSI//AISDYNAMICLOG：船舶的AIS報位信息；TRACKS：船舶的其他終端報位信息；MMSI：船舶的水上移動通信業務標識碼2：OUTPUT：NewTrack //船舶的最新位置3：forAISDYNAMICLOG．MMSI=MMSIandLASTTRACK．MMSI=MMSI //船舶的報位信息中的MMSI匹配4：ifAISDYNAMICLOG．LATITUDE<54000000andAISDYNAMICLOG．LATITUDE>-54000000andAISDYNAMICLOG．LONGITUDE<108000000andAISDYNAMICLOG．LONGITUDE<108000000then//定位數據進行篩選，剔除殘缺不全的數據，LATITUDE為緯度，范圍[-90°，90°]，轉換方式：(度數?60+分數)?10000，即緯度范圍為[-54000000，54000000]，LONGITUDE為經度，范圍[0，180°]，即[0，108000000°]5：updateAISDYNAMIC//?更新該船舶最新的AIS位置信息6：ifTRACKS．LATITUDE<54000000andTRACKS．LATITUDE>-54000000andTRACKSLONGITUDE<108000000andTRACKS．LONGITUDE<108000000then//定位數據進行篩選，剔除殘缺不全的數據7：updateLASTTRACK//更新該船舶最新的其他終端報位信息8：ifAISDYNAMIC．DRRCVTIME>=LASTTRACK．RECEIVE＿TIME9：Newtrack=AISDYNAMIC10：Else11：Newtrack=LASTTRACK//比較最后一次報位時間，取最近的報位時間的位置信息12：endfor

算法的思想如下：

獲取某一船舶最新的AIS報位信息，進行合法性校驗，通過校驗和篩選后，更新該船的最新AIS定位數據到AISDYNAMIC表。

獲取某一船舶的其他終端最新報位信息，通過校驗和篩選后，更新該船的最新定位數據到LASTTRACK表。

根據該船舶水上移動通信業務標識碼(MMSI)，查詢AISDYNAMIC表和LASTTRACK表，比較同一船舶的定位數據接收時間，從兩張表中選取與上一次定位數據獲取時間最相近的數據，作為該船舶最新的位置信息，更新到Newtrack表。

定位平臺顯示的船舶完整位置信息為船舶基本信息加上最新的位置信息，其中船舶基本信息來源于管理部門的船舶資料數據庫，船舶的最新的位置信息為Newtrack表。

4 標準電子海圖引擎

船舶監控平臺的海圖部分采用了國際標準電子海圖引擎，引擎主要功能包括電子海圖數據導入，海圖瀏覽(包括放大、縮小，鼠標滾輪操作、拉框放大)，海圖顯示控制(基本、標準、全部和自定義圖層顯示，白天、夜間、黃昏3種模式)和海圖數據拾取。

4.1 電子海圖引擎技術簡介

本系統的電子海圖引擎通過開發符合國際標準(S-57數據交換標準和S-52海圖顯示標準)[11]的電子海圖引擎，為監控平臺提供統一的海圖服務。標準電子海圖實例見圖7。

圖7 標準電子海圖Fig.7 Standard electronic chart

海圖引擎共分4個模塊：標準S-57海圖讀取和轉換、按照S-52標準顯示海圖、海圖瀏覽和信息顯示控制以及海圖引擎封裝。

標準S-57海圖讀取和轉換模塊實現將標準ENC數據轉換為SENC數據，以方便海圖數據快速讀取、檢索和更新。海圖讀取和轉換完畢，將根據IHO S-52標準和顯示庫定義的各類不同物標的顯示規則對視口內的物標進行渲染。由于顯示庫定義的規則為文本規則，需要對每條規則進行數字化并組織優化。每次渲染，從海圖文件中提取一條記錄，匹配顯示規則，根據匹配規則的內容，決定不同物標在當前比例尺下是否繪制，以及如果繪制其繪制的顏色、圖符標志、文本信息內容等。

經測試，本系統的電子海圖引擎每百次操作平均響應時間：<2s；ENC到SENC數據轉換無損失；顯示符合S-52標準。海圖管理見圖8。

圖8 海圖管理Fig.8 Electric chart management

5 系統實例

本系統在應急救援、事故調查、防臺避災等方面發揮了重要的作用。

(1)應急救援：漁船在航行過程中一旦遇險，可以通過北斗(海事)衛星終端一鍵發送求救信號，指揮中心馬上可以收到求救信號，獲取漁船信息、遇險經緯度，組織救援。漁船生產海域一般遠離大陸，按照現有救援船舶的航行速度，往往要幾個小時才能到達出事海域，通過系統平臺，指揮中心可以查詢出事海域相關漁船，群發協助信息給相關海域，先行救援，救援船舶同時開赴出事海域，這樣節省了寶貴的救援時間。區域搜索實例見圖9。

圖9 區域搜索Fig.9 Area search

(2)事故分析：海上船舶碰撞事故多發，以漁船為例，多次出現船舶失聯現象，船舶失聯，很可能是船舶出了事故沉沒，絕大部分沉沒事故是商船碰撞的結果，通過本系統平臺，區域回放涉事海域的船舶軌跡，分析涉事海域通過的船舶與事故船舶碰撞的可能性，通過這種技術，多次鎖定肇事船舶，通過海警、海事部門及時攔截嫌疑商船，組織調查，破獲多起碰撞逃逸案件。

(3)防臺避災：每年5～10月為我國東南沿海的臺風季節，臺風來臨時，沿海船舶需要回港避風，系統的氣象災害自動預警功能自動同步氣象數據，包含臺風編號、風力大小、臺風眼位置、移動速度、風圈大小，以臺風眼為中心，在平臺上生成警戒區，在平臺內生成七級風圈和十級風圈，對風圈范圍內的船舶進行提示根據警戒區的經緯度范圍，一旦系統內的船舶出現在警戒區，根據平臺數據庫中的船舶最后一次經緯度，自動匹配是否在風圈影響范圍內，系統可以自動發送警報給警戒區內船舶，并同時提醒平臺操作人員，操作人員可以對警戒區內的船舶進一步作出指令。

6 結語

本文提出了一種基于多源定位數據的實時船舶監控系統設計，采用通用的交換接口，充分將現有船舶多源定位數據集成，最大限度的發揮已有設備效能，并具有氣象災害自動預警功能，對于促進中國船舶監控物聯網發展具有重要作用。目前已經成功應用于全國的海洋、航運交通、漁政管理主管部門，保障了海洋漁業船舶生產安全，滿足了主管部門在綜合管理、應急救援和防臺救災的需要，并有效提高政府主管部門的安全監管能力。

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[11] International Maritime Organization. Performance Standards for Electronic Chart Display and Information System (ECDIS)[S]. London: IMO, 1994.

責任編輯 陳呈超

Design of Real Time Vessel Monitoring System Based on Multi Source Data

HUANG Hai-Guang1, 2, HU Nai-Jun3, QIU Zhi-Jin1, KONG Xiang-Lun4, GUO Zhong-Wen1

(1.College of Information Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.Wenzhou Ocean and Fishery Vessel Safety Rescue Information Center, Wenzhou 325000, China, 3.Information Center, Administration for Industry and Commerce of Qingdao, Qingdao 266071, China, 4.China Transport Telcommunications&Information Center, Beijing 10010, China)

The vessel monitoring system’s interconnection is difficult due to various data sources. This paper provides a design pattern of a real-time Vessel Monitoring System(VMS) based on multi-source positioning data. The system can not collect the positioning data of all kinds of vessels by scalable interfaces, but also display real-time position by using multi-source positioning data fusion algorithm. Based on the algorithm, the system can realize the functions of playbacking navigation trace fast and communicating with different kinds of vessels. The actual practice proved that the system is effective and feasible, and it plays an important role in promoting China's development of vessel monitoring network.

VMS； AIS； electric chart； multi-source positioning data

國家自然科學基金項目(61379127;61170258);海洋公益性行業科研專項(201105034-10);溫州市科技計劃項目(G20100196)資助

2014-05-10；

2015-01-20

黃海廣(1978-)，男，高級工程師，博士生。E-mail: haiguang2000@qq.com

TP311

A

1672-5174(2015)09-122-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20140228