海上安全監(jiān)管，數(shù)字科技護航
——基于海上區(qū)域安全監(jiān)管的數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)簡介

● 文 |中國科學院計算技術研究所 王飛

海上安全監(jiān)管，數(shù)字科技護航
——基于海上區(qū)域安全監(jiān)管的數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)簡介

● 文 |中國科學院計算技術研究所 王飛

一、引言

“誰控制了海洋，誰就控制了世界。”海洋已經(jīng)成為當今人類社會賴以生存的保障，在經(jīng)濟、軍事上都有極其重要的戰(zhàn)略地位。十八大以來，黨和政府更是把打造“海洋強國”作為新時期的重要戰(zhàn)略，加強海上安全監(jiān)管既是維持我國海域安全的重要保障，也是我國堅持“獨立自主和平外交政策”的題中之義。因此，提升海上區(qū)域安全的監(jiān)管水平和服務能力對建設服務型政府和海洋強國具有重要的實踐意義[1]。

隨著我國信息化水平的不斷提升，各種海上安全監(jiān)管部門越來越多地應用基于船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）、北斗、雷達等軌跡時空數(shù)據(jù)的服務系統(tǒng)輔助海上安全監(jiān)管，如船舶交通服務系統(tǒng)（VTS）[2]。海上信息系統(tǒng)的廣泛應用為有關部門提升海上監(jiān)管能力起到了巨大的促進作用。

然而，隨著海上態(tài)勢日趨復雜化，以及海上安全監(jiān)管的領域逐漸多樣化，傳統(tǒng)的海上安全監(jiān)管系統(tǒng)存在著一些問題，比如，多源時空數(shù)據(jù)融合處理技術差，區(qū)域實時事件甄別能力不高，缺乏基于大數(shù)據(jù)基礎的深度分析，監(jiān)管系統(tǒng)信息共享困難等，從而制約了新時期海上監(jiān)管能力的提高。

中國科學院計算技術研究所作為“大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)國家工程實驗室”，一直致力于推動數(shù)據(jù)分析挖掘方面的科技創(chuàng)新。中國科學院計算技術研究所的科研團隊經(jīng)過長期的深入研究，自主研發(fā)了“基于海上區(qū)域安全監(jiān)管的數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)”，旨在解決現(xiàn)有海上安全監(jiān)管系統(tǒng)存在的諸多問題，將既有感知優(yōu)勢、數(shù)據(jù)優(yōu)勢轉換為信息優(yōu)勢并形成科學決策。本文將對該系統(tǒng)的功能特點、性能指標以及技術亮點進行詳細介紹。該系統(tǒng)在海警、海監(jiān)、海事等眾多機構體系中具有較高的應用價值，未來系統(tǒng)會更加著力于海洋數(shù)據(jù)的多源融合和判斷海上目標的行為能力和行為意圖。

二、系統(tǒng)特點

1.規(guī)模數(shù)據(jù)清洗和多源實時數(shù)據(jù)關聯(lián)

目前，海上目標接收的原始船舶軌跡數(shù)據(jù)，存在大量的重復數(shù)據(jù)、錯誤數(shù)據(jù)、野點和噪聲。同時，由于部分導航系統(tǒng)（如AIS）采用的是協(xié)作式信息傳輸，常常存在非法船只冒用其他船只的身份ID，造成監(jiān)管過程中對目標身份識別障礙。

針對這些現(xiàn)象，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理程序采用了對原始數(shù)據(jù)的多層次和多維度的規(guī)模清洗，實現(xiàn)對非合作目標點跡、航跡的數(shù)據(jù)逐條辨別。對于共用身份ID的船舶，把其軌跡數(shù)據(jù)通過時空平滑關系進行關聯(lián)，實現(xiàn)了將共用ID的多條船舶的軌跡分離，在多個維度上綜合保障了數(shù)據(jù)高質量，幫助監(jiān)管部門正確識別目標的身份信息。

為綜合判斷海上態(tài)勢，海上監(jiān)管部門往往需要在監(jiān)控系統(tǒng)中同時接入多個數(shù)據(jù)源，如AIS、雷達、北斗等。然而，由于不同數(shù)據(jù)源的傳感設備獨立，原始數(shù)據(jù)格式不一，造成監(jiān)管人員面對過大的數(shù)據(jù)量，難以對各個數(shù)據(jù)源的信息進行綜合分析，形成決策。該系統(tǒng)通過自主研發(fā)的綜合處理程序將不同來源的船舶數(shù)據(jù)進行了有效關聯(lián)。

不同來源的船舶數(shù)據(jù)一旦經(jīng)程序判斷為是同一船舶的，系統(tǒng)將自動進行目標航跡的合并，有效降低了系統(tǒng)監(jiān)管人員的認知負擔。另外，目前普遍認為，程序上對信息的分析不能完全取代人工的分析。所以，監(jiān)管人員可以在前臺對船舶進行人工干預，提高對目標身份識別的準確性。具體而言，對于無法自動融合的原始信息，前端在經(jīng)過人工分析后，確認為同一目標的，可以人工合并為同一目標；對于自動融合但經(jīng)人工分析確認為不同目標的原始信息，可人工拆分為多個原始目標。將海上目標軌跡數(shù)據(jù)進行有效時空關聯(lián)的最終目的在于將海洋方面的感知優(yōu)勢、數(shù)據(jù)優(yōu)勢，通過時空融合轉換為信息優(yōu)勢，最終促進決策。

2.全方位、多層次的區(qū)域實時監(jiān)控

系統(tǒng)可以對全球在航的十幾萬艘船舶進行實時跟蹤監(jiān)控?？梢酝ㄟ^柵格圖或綠點圖的形式，實時展現(xiàn)全球或指定區(qū)域的整體海上態(tài)勢。通過特定的檢索條件，如ID、船名、國際海事組織（IMO）船舶識別號、呼號等，可以迅速定位至指定目標所在位置，查看其基本目標信息（靜態(tài)信息、動態(tài)信息）和檔案信息。

為便于對特殊目標的實時跟蹤，系統(tǒng)提供重點目標關注和航跡顯示功能。用戶可將疑似目標設置為重點關注對象，實時跟蹤目標動態(tài)，并且，目標隨時間移動可動態(tài)繪制航行軌跡。系統(tǒng)也允許用戶在前臺人工設置區(qū)域的范圍，統(tǒng)計區(qū)域的實時船舶數(shù)量，并進行可視化展示。

此外，為便于監(jiān)管機構及時采取措施應對突如其來的異常事件，保障區(qū)域船舶的安全，系統(tǒng)提供了對目標和區(qū)域的異常事件的實時跟蹤功能?；诤Ｑ髸r空數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以對諸如船舶駛入?yún)^(qū)域、區(qū)域船舶異常聚集、船舶通訊設備關閉、船速過快等異常事件進行實時警告提醒。監(jiān)管人員可以根據(jù)實際情況或經(jīng)驗進行人為設置各異常事件的閾值參數(shù)。對于大規(guī)模異常事件，系統(tǒng)以柵格作為單元計算相應海區(qū)的安全指數(shù)，供監(jiān)管人員參考。

3.基于大規(guī)模歷史數(shù)據(jù)的深度挖掘

在歷史數(shù)據(jù)服務方面，系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)的設計架構可以對海量的歷史數(shù)據(jù)進行存儲。系統(tǒng)可以對自定義區(qū)域的歷史船舶進出量進行多維統(tǒng)計，并進行可視化展示。同時，還可以對該區(qū)域的歷史污染物排放量進行計算和可視化展示。

深入分析監(jiān)管區(qū)域船舶的行為規(guī)律，對于科學制定監(jiān)管政策、提升服務能力具有重要意義。系統(tǒng)通過自主研發(fā)的獨特計算框架可以對全球船舶歷史軌跡進行深入挖掘分析，并渲染形成高分辨率的熱力圖，空間粒度可達1度×1度。從類型上，支持對船舶密度、交通密度、平均船速密度、AIS覆蓋密度等進行計算分析和渲染。從船種上，可以對AIS支持的各種船舶類型分別進行計算。熱力圖具有多方面的優(yōu)勢，可以為進一步分析區(qū)域和船舶的異常行為事件提供基礎，甚至可以幫助制定改善區(qū)域海洋生態(tài)環(huán)境的政策[3]。

4.多節(jié)點、多終端信息共享

目前，我國海上區(qū)域監(jiān)管部門是一個包含著不同節(jié)點的系統(tǒng)，包括總節(jié)點和下級節(jié)點。為保證不同節(jié)點之間重要信息可以實現(xiàn)共享，任一節(jié)點的數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)都可以按照特定的分發(fā)條件，向其所歸屬的整個安全監(jiān)管系統(tǒng)內的其他節(jié)點進行信息分發(fā)。分發(fā)條件包括：指定信息類型、指定區(qū)域、指定目標等。每個節(jié)點可以實時查看信息分發(fā)與信息接收的當前狀態(tài)與詳細信息。

同時，系統(tǒng)不但可以保證不同節(jié)點之間的信息共享，同一節(jié)點的不同終端也可以實現(xiàn)信息的高度共享。系統(tǒng)后臺可以在同一節(jié)點的不同顯示終端上實現(xiàn)對信息的遠程訪問。比如，用戶可以在監(jiān)管室通過二維軟件端對管轄區(qū)域的海上實時態(tài)勢進行監(jiān)控，也可以在其他電腦終端使用WEB瀏覽器遠程訪問該節(jié)點系統(tǒng)的海上態(tài)勢信息，做到同一節(jié)點內部信息的高度共享。

三、系統(tǒng)技術指標

1.大數(shù)據(jù)架構下的海量數(shù)據(jù)儲存

海上目標的數(shù)據(jù)類型多樣，既有數(shù)據(jù)量較大的歷史軌跡數(shù)據(jù)，也有需要長期保存的結構化數(shù)據(jù)和需要經(jīng)常訪問的熱點數(shù)據(jù)。比如，就目標軌跡數(shù)據(jù)而言，我國海域一個小時內接收到北斗消息大概為幾萬條，而接收到AIS的消息數(shù)量可達到十萬條，因而對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲能力提出了挑戰(zhàn)。為了實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的合理存儲，系統(tǒng)采用了內存數(shù)據(jù)庫、關系數(shù)據(jù)庫、分布式數(shù)據(jù)庫的分級存儲方式，實現(xiàn)了對熱點數(shù)據(jù)和結構化數(shù)據(jù)迅速查詢響應，也克服了海量歷史數(shù)據(jù)不能有效存儲的難題。

2.多源數(shù)據(jù)的并發(fā)接入

為保證多源數(shù)據(jù)的高密度接入，系統(tǒng)利用異步且事件驅動的網(wǎng)絡應用程序框架，實時接入不同來源的船舶點跡數(shù)據(jù)，進行去重和濾除錯誤數(shù)據(jù)等預處理工作。針對大流量、高頻率的數(shù)據(jù)接入，在設計中采用了異步非阻塞、零拷貝、內存池、自動解包等技術保證性能的實現(xiàn)。數(shù)據(jù)處理密度可達到每分鐘并發(fā)接入15萬個點跡，峰值為每分鐘120萬個點跡。

3.大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理容量

對經(jīng)過預處理的數(shù)據(jù)，采用特殊的數(shù)據(jù)關聯(lián)技術對不同來源的船舶數(shù)據(jù)進行融合，可以實現(xiàn)對全球近十幾萬在線船舶數(shù)據(jù)的處理，大大提高了數(shù)據(jù)處理的容量。大量船舶目標在前臺高性能的標繪顯示與用戶體驗直接相關，因此是整個系統(tǒng)性能的重要組成部分。充分發(fā)揮圖形引擎渲染技術支持大數(shù)據(jù)的實時可視化處理的優(yōu)勢，大大提升大數(shù)據(jù)的處理能力和展現(xiàn)能力，使得更豐富的可視化樣式成為可能，在動態(tài)時空數(shù)據(jù)渲染的背景下可充分體現(xiàn)其高效性。

4.高效的數(shù)據(jù)檢索

為提升檢索效率，系統(tǒng)自主研發(fā)了海上大規(guī)模離散實體多屬性時空點數(shù)據(jù)增效引擎。該引擎對軌跡數(shù)據(jù)進行了壓縮處理，在內存中同時保存壓縮前和壓縮后的數(shù)據(jù)。更重要的是，引擎建立了覆蓋典型近離線場景（時間相關查詢場景、空間相關查詢場景）、分區(qū)域等級（較大區(qū)域、中等區(qū)域、較小區(qū)域）時空索引，大大提高了不同時空場景下的查詢響應時間。在小規(guī)模集群（5臺×8核CPU×16GB內存）下，可以實現(xiàn)對不同類別時空查詢的秒級響應。

四、應用前景及發(fā)展方向

1.應用前景

系統(tǒng)實現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)的并發(fā)接入和融合處理，可以對海上區(qū)域的船舶信息進行全方位、多層次的實時監(jiān)控，同時可以對大規(guī)模的數(shù)據(jù)進行存儲和分析，在海上區(qū)域安全監(jiān)管領域中具有廣泛的應用價值。海上安全監(jiān)管部門（如海警、海監(jiān)等）可利用系統(tǒng)實時監(jiān)控區(qū)域的安全態(tài)勢，即時捕捉發(fā)生的異常事件，并根據(jù)異常事件的類型和時空信息迅速做出決策，以應對突發(fā)的異常事件。比如，在發(fā)現(xiàn)某區(qū)域船舶異常聚集量過大時，可采取可行措施，疏解區(qū)域船舶，避免出現(xiàn)船只碰撞等交通事故。同時，還可以根據(jù)對大規(guī)模歷史數(shù)據(jù)的挖掘結果，分析區(qū)域船舶的活動規(guī)律，科學地制定安全監(jiān)管措施。

此外，由于系統(tǒng)具有完備的多源數(shù)據(jù)融合處理技術，以及較高的數(shù)據(jù)存儲容量、數(shù)據(jù)處理密度、數(shù)據(jù)處理容量和數(shù)據(jù)檢索速度，也可用于特定場景下的軍事情報分析任務。

2.發(fā)展方向

第一，提高對目標行為能力和行為意圖的判斷預測。

鑒于海上安全監(jiān)管的形勢日趨復雜，為保證監(jiān)管部門及人員更加便利地實施監(jiān)管行為，未來有必要增加對目標行為能力和行為意圖的判斷。比如，海上事故頻發(fā)，事故發(fā)生地點能否迅速、及時、有效地接受援助，是保障船上人員和財產安全的重要基礎。然而，由于事發(fā)地點的距離以及其他因素，搜救船隊往往不能及時到達。因此，對周邊船舶救援能力的有效評估可極大有助于事故救援，保障事故發(fā)生時有船舶迅速進行響應。再如，海上安全監(jiān)管機構經(jīng)常需要對重點關注目標（疑似走私船舶）進行實時跟蹤?；谀繕艘延械臍v史軌跡形成的軌跡預測，結合對其行為能力的判斷，有利于監(jiān)管人員對目標迅速做出應對反應。

第二，結合多類型海洋數(shù)據(jù)，全方位分析海上態(tài)勢信息。

海洋數(shù)據(jù)類型多樣，包括海洋基礎環(huán)境數(shù)據(jù)、海洋遙感數(shù)據(jù)、海洋經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)等幾個大類數(shù)據(jù)[4]。結合其他海洋數(shù)據(jù)有助于綜合分析海上態(tài)勢信息，從而做出科學的決斷。計算機和信息技術的快速發(fā)展使海洋資料信息服務從單一方式向可視化、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展[5]，從而為融合多源數(shù)據(jù)提供了有利條件?；诖耍磥矸沼诤Ｉ蠀^(qū)域安全監(jiān)管的數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)可將海洋水文、海洋氣象、海洋生物、海洋化學、海洋地形等數(shù)據(jù)與船位信息進行融合，以便于監(jiān)管部門全面分析海上區(qū)域的情況，綜合保障海上區(qū)域安全。

綜合考慮了以上兩點趨勢，中國科學院計算技術研究所的科研團隊已經(jīng)展開了有關的工作，著力打造“海上大規(guī)模離散實體多屬性時空點數(shù)據(jù)增效引擎”，旨在把海上可感知的各種數(shù)據(jù)（包括海洋現(xiàn)象與海洋要素數(shù)據(jù)，以及海上目標活動數(shù)據(jù)）進行高質量的時空融合，繼續(xù)提高數(shù)據(jù)檢索的效率，增強分析目標行為能力和行為意圖的技術支持，從而真正實現(xiàn)感知優(yōu)勢和數(shù)據(jù)優(yōu)勢轉化為信息優(yōu)勢，輔助決策制定。

[1] 楊立波,王旺,陳厚忠,嚴新平,王世偉.海上交通安全監(jiān)管水域風險判斷模型[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2017, 39(2):316-319.

[2] 李春光,馮嶸,余嘯野,張志瑋,孫一,邢侃.自動識別系統(tǒng)（AIS）在交通管理系統(tǒng)（VTS）中的應用[J].天津航海, 2017(1):44-46.

[3] Lin W, Yongjun X, Qi W, Fei W, &Zhiwei X.Mapping Global Shipping Density from AIS Data[J].The Journal of Navigation, 2016,70(1):1-15.

[4] 魏紅宇, 張峰, 李四海.海洋數(shù)據(jù)挖掘技術應用研究[J].海洋通報，2008, 27(6):82-87.

[5] 黃冬梅,張弛,杜繼鵬等.數(shù)字海洋中海量多源異構空間數(shù)據(jù)集成研究[J].海洋環(huán)境科學, 2012(1):111-113.