船舶AIS數據錯誤檢測方法

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(1.青島遠洋船員職業學院， 山東 青島 266071； 2.上海海事大學 商船學院， 上海 201306)

船舶AIS數據錯誤檢測方法

衛桂榮1,楊春2

(1.青島遠洋船員職業學院，山東青島266071； 2.上海海事大學商船學院，上海201306)

船舶自動識別系統(Automatic Identification System,AIS)的靜態數據和航次相關信息由用戶手動輸入，傳輸層協議采用低可靠性的用戶數據報協議(User Datagram Protocol,UDP)，由于AIS信息沒有源時間戳等原因，導致接收到的AIS數據可能有錯誤。對此,依據AIS的通信原理，提出水上移動業務標識(Maritime Mobile Service Identify,MMSI)碼校驗、填充位和校驗碼綜合檢測、動態信息和靜態信息匹配校驗及異常位置點檢測等數據錯誤檢測方法，以有效降低海事管理中AIS數據的錯誤率。

水路運輸;航海;船舶自動識別系統(AIS)數據;錯誤檢測;數據過濾

Abstract: Several factors, including manually inputting of Automatic Identification System(AIS) static data and voyage-related data, low reliability of User Datagram Protocol (UDP) for transport layer, and lack of timestamp for AIS reports, can cause AIS data anomalies or errors. According to the communication principle of AIS, the methods for detecting errors are put forward, which covers Maritime Mobile Service Identify(MMSI) code error, AIS report padding bits and checksum error, mismatch between dynamic data and static data, and abnormal ship position in order to keep the AIS data used for maritime administration reliable.

Keywords: waterway transportation; marine navigation; AIS data; error detection; data filtering

船舶自動識別系統(Automatic Identification System，AIS)是一種集網絡技術、現代通信技術、計算機技術及電子信息顯示技術于一體的數字助航系統和設備，一種工作在甚高頻(Very High Frequency，VHF)頻段的采用自組織時分多址(Self-Organized Time Division Multiple Access，SOTDMA)等協議的廣播式自動報告系統[1-2],由岸基臺、船載臺、轉發臺、助航臺和機載臺組成。船載臺既可向他船及岸基臺自動播放本船的動態信息(船位、航速、航跡向等)、靜態信息(船名、目的港等)、航次信息和安全短消息等信息，也可自動接收他船及岸基臺的資訊;岸基臺則可依靠所獲取的信息拓展海事主管機關的服務管理范圍，及時掌握海域交通動態，提高海域管理效率。系統的通信協議采用開放式系統互聯(Open System Interconnection，OSI)模型，包括物理層、鏈路層、網絡層和傳輸層,其中:物理層實現通信信道上的原始比特流傳輸;鏈路層主要是加強物理層傳輸原始比特的功能，使之對網絡層顯現為一條無錯線路;網絡層實現通信網的運行控制;傳輸層數據的轉換、分組、排序及實現與上一層接口。

隨著世界船舶數量不斷增加及船舶逐漸朝大型化和高速化方向發展，世界重要水道越來越擁擠，海損事故時有發生，給船舶安全航行和海洋生態環境帶來了巨大威脅。AIS作為一種保障船舶安全航行、提高航運交通效率的先進工具，其廣泛應用為真正實現海上交通安全的信息化管理、提高船舶航行安全、防止及控制船舶對海洋的污染提供了重要的手段。《國際海上人命安全公約》(SOLAS公約)要求所有2002年7月1日及以后建造的航行于國際航線的300總噸及以上船舶和航行于國內航線的500總噸及以上的貨船和所有客船均須裝配AIS設備；要求所有于2002年7月1日之前建造的國際航行船舶必須在2008年7月1日之前裝配AIS設備。國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)進一步明確規定，大中型船舶(300總噸及以上)必須安裝A類AIS船臺，中小型船舶安裝B類AIS船臺，輔助導航設施(包括無線浮標和燈塔)安裝ATON AIS設備。[3-5]

AIS信息的準確性首先依賴于船舶定位系統的精度和對信息的正確輸入、發送端對信息的編碼和傳輸及接收端對信息的接收和解碼。AIS是一個實時的系統，采用一種無連接的用戶數據報協議(User Datagram Protocol，UDP)，具有資源消耗少、處理速度快的優點，但既不支持數據包分組、組裝，也不能對數據包進行排序，即當報文發送之后無法得知其是否安全完整到達，因此UDP報文的可靠性較差，會有數據包丟失現象。此外，AIS的數據自檢糾錯功能較弱，同時其靜態信息和航次相關信息需用戶手動輸入。這些系統設計和人為因素會導致接收端接收到的AIS數據不正確，并帶入到海事管理系統中。[6]

針對以上情況，基于AIS的通信原理及現實使用情況，提出水上移動通信業務標識(Maritime Mobile Service Identify，MMSI)碼校驗、數據填充位和CRC校驗碼綜合檢測、動態數據和靜態數據匹配檢測及異常位置點檢測等檢測方法，對接收到的AIS數據進行檢錯和過濾。

1 MMSI碼校驗

AIS采用MMSI碼作為移動設備的識別手段。MMSI碼的前3位數是由國際組織分配給各個國家和地區的識別碼,如中國大陸為412；后6位數為船舶特定識別碼,如同船舶的IMO編號，可通過這6位數查到船舶所有人、經營人等相關信息。

由于MMSI碼是由船舶所有人或經營人及其委托機構手動輸入的，因此客觀上存在輸入失誤和主觀蓄意的投機行為，從而使MMSI碼產生錯誤，具體表現在輸入的MMSI碼不存在、船舶主要信息(國籍、船名、船舶所有人等)發生變更時不能及時申請更新相應的MMSI碼及MMSI碼重復使用(即不同船舶使用相同的MMSI碼)等3個方面。

針對以上3種常見的錯誤形式，采用以下方法對MMSI碼進行校驗和過濾：

(1)檢查MMSI碼是否符合規定的長度；

(2)檢測MMSI碼前3位是否與船旗國代碼相同以判斷是否有效；

(3)結合船舶資料等數據檢驗MMSI碼是否對應有效的船舶類型。

用該方法對某海事局提供的2012年4—5月我國沿海AIS基站系統接收到的船舶AIS數據進行分析和過濾，結果見表1。

表1 MMSI碼校驗和過濾統計

試驗結果表明,該方法可將上述錯誤的MMSI信息語句從AIS數據中檢測出來并剔除。

2 數據填充位和CRC校驗碼綜合檢測

依據ITU-RM.1371協議中的規定對AIS報文語句各數據域進行分割，可得到語句總數、當前語句序號、電文序列識別碼、AIS信道信息、封裝數據、填充位和校驗碼。根據用戶數據報協議，若封裝數據的第一個字符位為1,2,3,4,9,B,F或其中的任意一個，則填充位應該為0，且封裝數據字段的總字符長度必定為28個(168 bit)。根據協議和CRC校驗碼的計算規則，計算得到的CRC校驗碼應與數據自帶的校驗碼一致。但是,在接收端接收和記錄數據時由于接收設備硬件或處理軟件的原因(如數據冗余較大時網絡傳輸粘包、數據記錄軟件瑕疵等)，有部分接收和記錄到的AIS數據不符合上述規則。對上述2012年4—5月的數據進行統計分析，數據總數為806 986 606條,其中,填充比特位錯誤的語句有3條,CRC校驗碼錯誤的語句有3 338條。

3 動態數據和靜態數據匹配檢測

按照船載AIS的安裝要求，每艘船舶安裝的AIS都具有唯一的MMSI碼，且需正確輸入船舶靜態數據和航次相關數據。但是,受各種客觀原因影響，有一定數量的重復使用的MMSI碼存在,且在海事主管機關實際接收和分析的數據中存在一定數量的只播發船舶位置報告而不播發船舶靜態數據和航次相關信息，或僅播發船舶靜態數據和航次相關信息而不播發船舶位置報告等情況。對上述數據樣本任意抽取1 d的數據進行統計分析,結果見表2。

表2 船舶位置報告數據與靜態及航次相關數據匹配分析統計

4 異常位置點檢測

通過上述規則檢測過濾后的AIS數據仍有不正確的數據存在，主要原因在于位置數據存在錯誤和冗余數據時間同步錯誤。例如,接收到某艘船舶連續發來的AIS語句為：

(1)!AIVDM,1,1,,B,37lciTA0017K=CH0eJsHK43qP>`<,0*02;

(2)!AIVDM,1,1,,A,37lciTA001404@10eJjqpSI5P>`<,0*15;

(3)!AIVDM,1,1,,A,37lciTA0017K=Ar0eKbhHCW5PP00,0*4F。

上述3條語句均滿足數據各種規范性的要求，對其進行解析后得到的位置數據對比見表3。

表3 解析后得到的位置數據對比

在圖中對上述數據進行標繪，其分布情況見圖1。

圖1 異常位置點標繪示意

當建設的數據接收基站較密集、同一條AIS播發的數據被不同基站接收到、基站在向數據中心傳輸時，受中心節點網絡和記錄軟件等環節影響，存在冗余數據時間不同步的問題，在回放這些數據時會出現“跳點”現象(見圖2)。

a) 軌跡數據跳點1

b) 軌跡數據跳點2

通過與前后軌跡點的相對關系進行對比可知，第2條語句解析出的位置點數據明顯異常,而這種異常數據不能通過數據規范性校驗發現，只能在標繪位置時發現。對這種異常位置點檢測算法的描述如下。

定義船舶平均速度合理的上限閾值Vlimitsp，并按照以下步驟進行驗證:

(1)取待檢測點序列第1點為起始點，后續一點為終止點，計算球面間兩點間的距離Ddist，時間差dt，兩點間平均速度Vsp;

(2)判斷Vsp與平均速度閾值Vlimitsp的關系，若Vsp

(3)以上一終止點為起始點，后續一點為終止點，計算兩點間的球面距離Ddist，兩點間的時間差dt，兩點間平均速度Vsp，進入步驟(2)；

(4)起始點不變，以后續第2點為終止點，計算兩點間的球面距離和時間差及兩點間的平均速度Vsp1,若Vsp1Vlimitsp，則定義起始點為異常位置點，以起始點后續第1點為起始點，后續第2點為終止點，進入步驟(2)。

經過上述算法的校驗后，即可識別出異常位置數據。以上述示例數據為例，經過識別并剔除異常位置點后，得到船舶運動軌跡數據標繪示意見圖3。

a) 圖1中異常位置點過濾后軌跡

b) 圖2a中過濾跳點后軌跡

c) 圖2b中過濾跳點后軌跡

5 結束語

AIS已成為各類船舶的標準配置，在促進海上交通安全和海事監管方面發揮著重要的作用。這里以AIS信息處理中常見的異常和錯誤信息為研究對象分析AIS數據出現異常的原因，提出實用的數據檢測和過濾措施，可提高AIS數據處理的準確性。

AIS播發的數據中除了上述典型的包含動態位置數據的信息之外，還有一些船舶靜態信息和與航次相關的信息，這些信息需由船舶駕駛人員手動輸入，然后由AIS播發。由于缺乏關于AIS設備安裝、設置和使用的規則[7]，在實際應用中船舶靜態信息和航次相關信息也存在許多不正確的地方。然而，在處理這類信息時很難使用統一規則進行檢驗，只能通過制定規則、做好培訓等措施來盡量消除。

[1] International Telecommunications Union. Technical Characteristics for an Automatic Identification System Using Time Division Multiple Access in the VHF Maritime Mobile Band: ITU-R M.1371-4[S].2010.

[2] International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities. The Automatic Indentification System (AIS): Operational Issues (IALA Guideline No. 1028, Ed. 1.3)[S]. 2004.

[3] International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities. The Universal Automatic Identification System (AIS): Technical Issues (IALA Guidelines, Edition 1.1)[S]. 2002.

[4] International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities. The Management and Monitoring of AIS Information(IALA Guideline No. 1050)[S]. 2005.

[5] International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities. Automatic Identification System (AIS) Shore Station and Networking Aspect Relating to the AIS Service (IALA Recommendation A-124)[S].2005.

[6] NAUS K, MAKAR A, APANOWICZ J. Using AIS Data for Analyzing Ship’s Motion Intensity[C]//Proc. 7th International Symposium on Navigation,Gydnia, Poland, 2007.

[7] 陸悅銘.制定“AIS設備安裝、設置和使用規則”的建議[J]. 中國水運，2010(1):30-31.

Detection of AIS Data Error

WEIGuirong1，YANGChun2

(1. Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao 266071, China; 2. Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

1000-4653(2016)04-0011-04

U675.7

A

2016-07-29

交通運輸職業教育科研立項項目(2015A02);上海市科委地方院校能力建設項目(15590501600)

衛桂榮(1973—),男,江蘇泰州人,副教授,研究方向為航海安全與技術、航海教育。E-mail:weigr@coscoqmc.com.cn