基于雷達及AIS的水上設施自動警戒與保護

馮愛國，吳煒，季本山

（南通航運職業技術學院，江蘇 南通 226010）

0 引言

在海上劃定指定區域，通過雷達、AIS等技術手段對意欲進入或已闖入目標進行監控，對保障航行安全、保護重點設施、維護國家海洋權益具有十分重要的意義，“911事件”以后，SOLAS公約及ISPS規則為航行安全、反恐等提出了相應的要求，其中，防止擅自進入重要設施及限制區域，對擅自進入行為進行自動和高效的識別并快速反應等都給相關技術以很大研究空間。

以計算機技術為核心的現代航海雷達集成了船位、航向、航速等基礎傳感器信息，通過目標捕獲、跟蹤解算流程可以獲得目標方位、距離、真航向與真航速等位置與運動數據，并可以實現雷達視頻目標與AIS目標數據融合，使得雷達與AIS目標數據在船用雷達上可以一站式獲取[1-3]，促進了基于計算機圖形學與人工智能的監控系統快速發展。

所以，利用第三方測控參數引導，以MCU、工控計算機與智能傳感器為核心的高度自動化集成警戒系統具有較高的研究價值。

近年來，計算機圖形算法隨著計算機處理能力的大幅提升，在工程中應用越來越廣泛，涉及地理信息、機械設計、虛擬現實等多種領域。STCW公約2010馬尼拉修正案履新以來，電子海圖顯示與信息系統強制范圍大幅拓展，為航海與海事管理、港灣工程監控提供了更好的平臺。

1 與區域警戒相關的幾何問題

警戒區設置的基本幾何形狀一般可體現為直方形、圓形、橢圓形、不規則多邊形等，橢圓形不常見，故文中不作討論。圓形區域的判定算法相對簡單，方法與多邊形有所不同，直方形隸屬于多邊形，可以一并討論。

1.1 警戒區設置基本幾何元素

點、線段、射線、直線、圓、簡單凸殼多邊形、非凸殼復雜多邊形為水上平面區域設置的基本幾何元素，見圖1。

圖1 警戒區域Fig.1 Alert region

對于點，描述為：P=（xP，yP），在海圖平面內xP用經度（longitude）量化，為與數學計算習慣一致，設西經為負東經為正（-180°~+180°），yP用緯度（latitude）量化，設北緯為負南緯為正（-90°~+90°），判斷算法中與墨卡托投影緯度漸長率無關，基于電子海圖的警戒結果圖形化表達時考慮緯度漸長率。

對于直線，描述為L：Ax+By+C=0，或L：PA-PB，或 L：PA+k（PB-PA），第一種適合用解析法解決問題，便于計算機實現。過已知AB兩點的直線如圖1（a）。

計算機構建直線L：Ax+By+C=0。A=yA-yB；B=xB-xA；C=xA×yB-yA×xB。

若描述為線段或射線，需對x取值范圍約束。

對于多邊形，以點描述為：S：（P1，P2，…，PN）

以邊描述為：

第二種保持了與直線描述的連續性更利于運用解析法判斷，簡單凸殼多邊形如圖1（b），其典型特點為相連封閉，區域內任意兩點連線不與邊交。凹殼多邊形則相反如圖1（c）。若封閉多邊形的邊自交，則為復雜多邊形如圖1（d），水上警戒區域多不作此設定，不予討論。

對于圓，考慮墨卡托投影緯度漸長，可近似描述為，S：（x-xA）2+（y-yA）2sec2y=R2，P=（xA，yA）表示圓心，適用于解析法解決存在性問題。

1.2 檢測點是否位于設定區域內的判斷算法

1.2.1 多邊形區域的檢測方法

射線法：對于檢測點Q，在平面直角坐標系內從Q點向下構建射線，數學描述為L：x=a,（y＜b）。在海圖平面內，a由經度量化， b由緯度量化。航海學描述為從檢測目標地理位置向南構建一條射線。

對于凸殼多邊形，檢測點Q是否位于區域內可由交點數確定，若Q位于區域內，易見構建射線與凸殼多邊形有且僅有1個交點，否則無交點或有2個交點如圖2（a）。

圖2 多邊形警戒區位置檢測示意圖Fig.2 Position detection of polygon alert region

進一步得出非凸殼多邊形檢測點存在性判斷算法：若頂點在x軸向無回溯，交點數與判斷結論與凸殼多邊形檢測法一致如圖2（b），若頂點在x軸向有回溯如圖2（c），若Q位于區域內，圖中可見構建射線與多邊形有3個交點，若不在區域內，有2或4個交點或無交點。所以，對于不自交多邊形警戒區域，若構建射線與多邊形交點數為奇數，檢測點在區域內，若為0或偶數，檢測點不在區域內。

極角法：設順時針量取為“+”，若Q在內部：∠P1QP2+ ∠P2QP3……+∠PNQP1= ±360°；若Q在外部：∠P1QP2+∠P2QP3……+∠PNQP1=0°。極角法不適合系統采用計算機手段對檢測點檢測判斷[4]。

1.2.2 圓形區域的檢測方法

距離法：對于圓形警戒區域，若檢測點Q在內部，Q=（xQ，yQ），滿足（xQ-xA）2+（yQ-yA）2sec2y≤ R2，否則反之。

2 目標雷達與AIS數據警戒區監測關鍵技術

2.1 基于雷達與AIS的目標位置及運動參數采集

現代導航雷達具有羅經、計程儀、DGPS、AIS多傳感器數據融合、視頻量化、目標捕捉、α-β簡化卡爾曼濾波跟蹤、目標運動參數解算、碰撞危險分析與報警、試操船等多個功能，能夠利用回波信息對目標進行精確的方位距離定位，以此為基礎對目標按一定的時間步長進行連續跟蹤，可以計算出目標相對本船的運動參數并進行碰撞危險分析，結合本船航向航速數據，可解算目標真運動數據。

根據EPFS的本船船位，由下式計算目標地理位置數據：

式中：S為目標距離；TB為目標方位；（Dλ，Dφ）為經、緯度差；（λ0，φ0）為雷達位置；（λT，φT）為目標位置。

符合IEC61162-1標準的雷達數字廣播有6種語句，其中包含雷達電子方位線、活動距標圈及雷達操作桿光標。雷達系統信息語句格式為[5]：

目標跟蹤語句格式為：

同理，AIS串口輸出目標船數據也滿足IEC61162協議，按照ITU-RM.1371-1協議解析獲得船舶的動靜態信息，涵蓋了信息類型、重復指示、目標船識別碼MMSI碼、航行狀態、轉向速率、對地航速、位置精度、經度、緯度、對地航向、真航向等。

2.2 警戒區域內外評判流程

首先，調用有效覆蓋警戒區的一個或多個雷達，若目標為“合作船舶”，雷達處理器同時提供AIS接口的目標自動識別數據，并將目標的雷達跟蹤信息和目標的AIS信息進行時空對準，使兩種數據處在同一時域和空域上實現航跡關聯，關聯檢測出同一目標的雷達和AIS關聯數據；若目標為“非合作船舶”，無AIS數據，身份為“不明船舶”。

遍歷完畢，若交點計數cntnum%2==0，則交點總數為偶數，檢測目標不在多邊形內；否則反之[6]。

對圓形警戒區，求檢測目標Q：（λT，φT）與圓心距離，若小于半徑，目標在內部，否則反之。

2.3 警戒目標對保護目標危險評判

系統對危險目標的態勢智能感知，主要通過對海量的船舶歷史數據進行分析和挖掘，將這些有意圖的船舶檢測出來，一般分為在監控海域出現多次的船舶、滯留超時的船舶、監控海域內往復航行的船舶、異常機動船、對動態及靜態保護目標構成威脅的船舶等，重點監測出對保護目標構成威脅的船舶，構成威脅船算法如下。

已知：警戒區內目標地理位置 Q：（λT，φT），保護目標地理位置 P：（λP，φP），計算出監測目標相對保護目標方位、距離（B0，R0）；又已知監控目標對地航向、航速（CT，VT）（由雷達或雷達AIS采集），保護目標航向、航速（CP，VP），計算警戒目標危險系數步驟如下[7]：

1） 計算監控目標東西、南北向航速：d VTX=VTsin CT；d VTY=VTcos CT；

2） 同理：計算保護目標東西、南北向航速：d VPX=VPsin CP；d VPY=VPcos CP；

3） 監控目標相對保護目標航向、航速：

若 （d VX＜ 0，d VY＜ 0），C=C+360°；

4）監控目標至最近會遇點距離、時間：

5）最近會遇距離：

至最近會遇點所需時間描述了監控目標抵近保護目標的緊迫程度，最近會遇距離描述了監控目標的危險程度，若小于安全閾，系統報警并觸發后續措施。

3 仿真驗證

利用船舶模擬器設置雷達本船和目標船，監控雷達位置（λR=120°7.6′，φR=30°5.1′），靜止，測目標的初始方位距離是（B0=28.63°，R0=6.59 n mile），連續監控得5 min目標航行軌跡如表1。

表1 數值計算結果Table 1 Resultsof numerical calculation

編程解算結果圖形顯示表達如圖3。

設警戒區內重點保護目標位置（λR=120°17.6′，φR=30°5.1′），闖入目標與保護目標危險度圖形表達如圖4。

4 結語

提出了一種小型水面監控系統，通過對目標

圖3 實驗解算驗證Fig.3 Calculating validation by experiments

圖4 危險目標與保護目標運動態勢圖Fig.4 Moving situation of risk object and protected object

鼠標處緯經度：30°9.9′，120°18.5′位置與運動狀態的實時監測，能探測敏感區域闖入目標，對數據序列挖掘和再分析，可以進一步識別異常目標的危險性，此算法亦可實現攝像頭與雷達的自動聯動，目標雷達和AIS位置點融合能實現目標身份識別，使系統對目標監控更加精確。監控系統與保護系統聯動，可實現對警戒域內危險目標的聯動攔截。