在VTS系統中實現雷達信息與AIS信息融合的方法探討

摘 要：本文探討了AIS設備在VTS系統中的應用，還分析了VTS系統、AIS與雷達的作用。提出實現雷達信息與AIS信息融合的必要性，并對信息融合的基本原理與方法步驟展開說明，有效解決了不同設備中同一信息的處理差異問題。文章最后說明在信息融合過程中存在的問題，為未來的研究指明的方向。

關鍵詞：VTS系統;AIS;雷達;信息融合

AIS信息與VTS中雷達信息融合是在船上的多種傳感器有效綜合處理，得到可靠、高精度的導航數據，為船岸通信導航需求服務的背景下提出來的。在科技進步的推動下，船岸的通信設備日益增加，不僅給船舶的航行安全提供了保障，還提高了航運效率，在海洋環境保護方面也提供了有力的技術支持。但是，由于各類導航傳感器之間提供的數據精度存在差異，且如AIS、雷達等提供的信息中存在關聯和冗余，這就給數據處理與分析帶來了一定的困難，并造成了資源浪費。本文就雷達信息與AIS信息融合的必要性和方法步驟等展開論述。

1 VTS系統與AIS作用分析

1.1 VTS系統的作用

VTS（Vessel Traffic Service）是一種由雷達、AIS、CCTV、無線通訊等子系統組成的對在港灣或進出港口的船舶實施監控、協調，并給這些船舶提供航行中所需的安全信息的交通管理系統[1]。國際海事組織（IMO）對VTS的定義是：由主管機關實施的，用于增進交通安全和提高交通效率以及保護環境的服務[2]。VTS系統具有四大功能：信息服務、助航服務、交通組織服務和聯合服務。當前，在我國的沿海城市，VTS系統已經在船舶運輸管理、海事部門行政執法和保護國家海洋權益等方面發揮重要作用。

1.2 雷達系統

在VTS中，雷達系統是重要組成部分。雷達系統是船舶實時動態數據搜集和交通監視的主要工具。雷達的主要任務包括[3]：目標檢測與錄取、目標跟蹤、運動參數計算和危險局面判斷等。VTS想要對整個區域的交通狀況進行評估，就需要通過雷達系統獲得雷達圖像。通過雷達圖像，可快速直觀的判斷航道船舶密度，運動情況，進而找到存在碰撞、擱淺等危險的區域，或者海事發生后可能造成危險發展的嚴重程度等，進而確定是否需要采取必要行動措施。

1.3 AIS系統

AIS（Automatic Identification System）是船舶自動識別系統，誕生于20世紀90年代。國際海事組織對AIS系統的描述為：AIS是一種船上改善避碰效果的方法;AIS是一種不用雷達即可使VTS獲得交通狀態的方法;AIS是一種制定船舶報告計劃的方法。AIS 根據船舶的航行狀態，以一定的時間間隔不斷發送信息。這些信息主要包括靜態信息和動態信息。靜態信息包括IMO識別編碼，海上移動業務識別碼（MMSI），呼號及船名，船長，船寬，船舶類型，定位儀天線（主要是GPS）在船上的位置（離船舶距離和中心線左右距離）。動態信

息主要是船位及其精度標示和完好性狀態，世界協調時UTC 時間，真航向，對地航速，艏向，航行狀態，轉向速率等[4]。

2 AIS在VTS中的應用

目前，大多數 VTS是以雷達為基礎進行船舶數據的采集和跟蹤，而VHF話音通信是船舶的交通服務的主要方式。將AIS技術引入VTS，對VTS的船舶數據采集與跟蹤以及實施服。AIS的引入對VTS的影響包括三個方面[4]：自動船舶識別與提高船舶數據質量;擴展跟蹤范圍和改善跟蹤性能以及改善和擴展服務功能。

3 信息融合的必要性[5]

按照SOLAS 1974要求，從事國際運輸的現代化船舶至少應配備1臺電子海圖顯示與信息系統ECDIS和2臺雷達/ARPA。在雨、霧和各類船舶密集區域，船舶如果同時使用2臺雷達，由于其天線的位置和目標船舶的相對關系以及無線電波的波長不同，在ECDIS上就會出現對同一船舶的2個回波顯示，再加上AIS信息，顯示器上就會出現3個不同的船位顯示。這樣很可能會造成駕駛員對情況誤判，最終引起風險。

同一船舶的ARPA和AIS的數據來源和處理方式不同（對地運動和對水運動，歷史數據和實時數據），所以通過雷達/ARPA和AIS獲得的目標船的運動參數是不同的。

AIS 的船舶靜態信息、航行相關信息以及與安全有關的短信息與雷達信息無關，而船舶動態信息與雷達信息有關。因此，AIS 信息與雷達信息的融合主要是AIS船舶動態信息與雷達信息的融合。

4 信息融合的基本原理

信息融合是充分利用多傳感器系統的資源，通過對多傳感器系統觀測信息的合理支配和利用，把多傳感器系統在空間或時間上的冗余或互補信息依據一定的準則進行融合，以獲得被測對象的一致性解釋和描述[6]。在信息融合技術中，多傳感器系統是信息融合的硬件基礎，多源信息是信息融合的處理對象，分析和綜合處理是信息融合的核心[7]。

信息融合一般分為三級，從低到高依次為[8]：數據級融合、特征級融合和決策級融合，其中決策級融合是最高級的融合。信息融合的模式分為集中式融合和分布式融合[8]。

各傳感器單獨跟蹤目標，利用自己的量測做出本地判決結論，將估計結果向數據融合中心報送，數據融合中心在更高層次上集中多方面數據做出進一步的相關合成處理[9]。集中式融合傳送的數據全面，無信息丟失，最終判決結論置信度高;而分布式融合傳送的數據量少，對傳輸網絡的要求不嚴格，融合中心處理時間短，計算速度快、可靠性和延續性好，響應速度快。集中式融合傳送數據量大，對處理器的要求高，可靠性較低，信息處理時間較長，影響系統響應能力;分布式融合的跟蹤精度沒有集中式高。

5 信息融合的方法與步驟

5.1 信息融合的方法

信息融合處理方法按技術方法和組合方式可分為多種[10-11]，如表1所示。

5.2 AIS與VTS的雷達/ARPA信息融合的步驟

判別一個目標的存在，AIS的信息為即時運動參數，雷達型的ARPA的矢量圖是通過歷次雷達數據推算而得出，性質不一樣。當AIS 船位信息與雷達回波相近時兩者融合在一起，顯示一個船舶信息;相差較大時則分別顯示AIS 信息與雷達回波信息。對于后者，如何顯示目標較真實的運行狀態亦即信息融合的問題。圖1是雷達和AIS各自獲得的數據融合步驟的示意圖。

1）雷達獲得目標的距離R（m）和方位（°），AIS獲得目標位置的經度L和緯度l。

2）將數據送入處理器之前，要確保兩種設備所獲得數據的時間同步。

3）將雷達探測到的目標航跡與AIS 所提供的目標航跡進行關聯，找出屬于同一個目標的AIS 目標航跡和雷達目標航跡。

4）數據融合之前，要進行數據的坐標變換，兩者的數據采用同一格式。

5）把航跡關聯的的目標數據以某種算法準則（正態型隸屬度函數）進行歸一化處理，實現兩種信息的互補，提高數據融合的質量。

6 信息融合中存在的問題

進行信息融合處理的重要前提是兩者信息的時間、空間統一，關鍵是信息的相關性判別，最終目標是形成中心級航跡。VTS 中環境復雜，目標數量大，實時性強，對目標信息融合，必須考慮各種算法的有效性、可靠性。同時，要考慮算法本身存在的系統誤差，以及誤差對航跡關聯與航跡融合的影響。 融合的算法大體上分兩大類：一是基于統計的方法，再就是基于模糊數學的方法，每一類又分很多種具體的算法。不少文獻對這些算法作了深入的研究與探討，同時也進行了仿真，但是在工程實現還有待于進一步的探索。必須考慮雷達和AIS 的信息的來源、種類以及環境對信息影響等特點，二者信息存在著冗余性和相關性，如何將信息進行有效的相關、融合，建立共同的中心級航跡，是亟待解決的問題。

7 結束語

本文介紹了VTS系統、雷達以及AIS系統各自的作用，就將VTS中雷達信息與AIS信息有效融合的必要性、基本原理與方法展開論述。利用現代科學技術將VTS系統中的雷達信息與AIS信息實現融合，有利于充分利用各自資源，改進海事管理工作，完善監督和服務。同時，本文所提及的方法步驟在實際應用中具有參考意義。

參考文獻

[1]夏旻辰，梁建設.VTS在我國海事發展中的作用、存在的問題及思考[J].中國水運，2017，17（7）：49-51.

[2]戚群，于濤.船舶交通管理系統（VTS）發展概況[J].中國無線電，2013，（04）：36-38.

[3]黃健偉，陸悅銘，李義斌.AIS時代VTS面臨的新課題[J].上海海事大學學報，2007，28（03）：19-23.

[4]李春光，馮嶸，余嘯野，等.自動識別系統（AIS）在交通管理系統（VTS）中的應用[J].天津航海，2017（01）：44-46.

[5]劉傳潤，鮑君忠.AIS與VTS的雷達/ARPA信息融合的研究與實現[J].航海技術，2007（02）：37-39.

[6]趙麗寧，趙德鵬，谷偉.AIS與現代航海技術的關系及對未來航海的影響[J].大連海事大學學報，2002（04）：46-50.

[7]胡業勇.VTS中船舶識別與跟蹤新方法的研究[D].大連：大連海事大學，2001.

[8]張杏谷，鄭佳春.船載導航儀器信息融合的研究[J].儀器儀表學報，2005，26（3）：306-308.

[9]賈海辭，孔凡村.船載自動識別系統（AIS）在船舶避碰系統中的應用研究[J].上海海運學院學報，2002（02）：18-21.

[10]何友，王國宏，彭應寧，等.多傳感器信息融合及應用[M].北京：電子工業出版社，2000.

[11]劉同時，夏祖勛.數據融合技術及應用[M].北京：國防工業出版社，1998.

作者簡介

陳鵬（1965-），漢，湖北省黃梅縣，高級工程師，本科，研究方向：海洋測繪。