船舶AIS設備智能監(jiān)測技術研究

信建章，王 尼，李春立，王 平

（1.駐湛江地區(qū)軍事代表室，廣東 湛江 524005；2.山東省海洋儀器儀表科技中心有限公司，山東 青島 266071；3.山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001）

引言

隨著我國國民經(jīng)濟的不斷增強，國內(nèi)和國際之間的經(jīng)濟貿(mào)易交流越來越頻繁。海運作為海上運輸?shù)闹饕绞剑笆侵饕倪\輸工具，通過AIS系統(tǒng)，可以與航行中的其他船舶之間進行信息交流，船舶靠岸時也可以與岸邊的基站進行信息的交互。船舶AIS系統(tǒng)能夠保障船舶的航行安全，減少船舶之間發(fā)生海上交通事故，有利于加強船舶之間的交通管理，增強船舶與船舶之間、船舶與基站之間的信息交互。

1 船舶AIS設備檢測系統(tǒng)總體設計

船舶AIS設備監(jiān)測系統(tǒng)主要功能是包括船舶之間數(shù)據(jù)信息的獲取、船舶的自動識別以及相關的人機交互功能的實現(xiàn)。數(shù)據(jù)信息的獲取主要是指系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地接收來自系統(tǒng)中的原始信息，并能夠?qū)?shù)據(jù)按照安裝順序存儲到管理系統(tǒng)中。船舶的自動辨別功能主要是對船舶位置信息進行識別，對船舶安裝的多個AIS設備發(fā)出的信號進行判斷，辨別其信息的準確性。在系統(tǒng)進行甄別信息的同時，記錄相關位置及結果，并存儲到數(shù)據(jù)庫中。人機交互功能是為了在人機交互界面上實時顯示監(jiān)測到的船舶狀態(tài)，實現(xiàn)操作人員在顯示器上能夠看到周圍的海域環(huán)境。整個系統(tǒng)的總體架構圖如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)獲取服務的設計

數(shù)據(jù)獲取服務的設計是為了實現(xiàn)船舶AIS數(shù)據(jù)的接收和解析校驗的，在系統(tǒng)的工作過程中，各個監(jiān)測會對AIS數(shù)據(jù)進行多次應用，為了保證系統(tǒng)的工作效率，將數(shù)據(jù)存儲到Kafka緩存中。原始數(shù)據(jù)可采用兩種不同的處理方式進行數(shù)據(jù)存儲：一種是采用原始沒有經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)進行存儲，為后續(xù)的船舶有效性辨別提供數(shù)據(jù)的輸入。另一種是原始數(shù)據(jù)進行語句的核驗、組包等操作，將信息進行過濾，并且能夠按照相關的標準進行原始電文的解析，解析成為系統(tǒng)能夠識別的明文，按照明文的數(shù)據(jù)類型，對數(shù)據(jù)進行分類處理并儲存，繼而為船舶設備的監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支持。

數(shù)據(jù)獲取服務主要由以下幾個模塊組成：

1）主控制模塊，主要是為了完成數(shù)據(jù)之間的交換、信息的協(xié)調(diào)調(diào)配，對其他模塊進行初始化。

2）原始數(shù)據(jù)接收模塊，主要是為了接收主控制模塊的配置信息，與Kafka之間進行相互信息連接，并將獲取到的信息傳遞到數(shù)據(jù)校驗辨析模塊。

3）數(shù)據(jù)校驗解析模塊，是將收集到的AIS的數(shù)據(jù)進行辯別和解析，能夠通過校驗的就被解譯成明文，通不過的就被存儲到MySQL中。

4）數(shù)據(jù)分類輸出模塊，將收集到的來自通過校驗的數(shù)據(jù)明文按照其分類進行處理，分別存入到不同的數(shù)據(jù)主題緩存中。

數(shù)據(jù)獲取服務的工作流程：首先進行配置文件的初始化，在Kafka中的原始數(shù)據(jù)按照其順序進行原始數(shù)據(jù)的接收，并存儲到分布式系統(tǒng)HDFS中，同時對數(shù)據(jù)進行校驗，校驗不通過的原始數(shù)據(jù)被視為異常數(shù)據(jù)，將其存儲到MySQL中，校驗通過的數(shù)據(jù)進行下一步的電文解析。電文解析后的數(shù)據(jù)主要分為三類：靜態(tài)電文、動態(tài)電文和其他電文。分類完成后進行相關隊列的分類，這就能夠為船舶AIS提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

3 船舶多AIS設備識別服務設計

船舶多AIS設備識別服務首先需要建立黑白名單數(shù)據(jù)庫以及相關的配置文件，在系統(tǒng)開始時，將設備的配置文件初始化，初始化完成后接收來自Kafka中的動態(tài)數(shù)據(jù)，并與黑白名單數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行對比校驗、分析，若是分析過的數(shù)據(jù)就結束程序，若是沒有進行分析的，就需要傳入到系統(tǒng)內(nèi)存中，對符合要求的傳入到船舶的Spark集群中，進行保存存儲，這就實現(xiàn)了對多AIS設備的辨識識別，其架構圖如圖2所示。該系統(tǒng)中的主控制模塊利用多個AIS設備進行辨識服務，讀取原始的配置信息，對其進行初始化處理，實現(xiàn)各個模塊之間數(shù)據(jù)信息的調(diào)配工作。動態(tài)數(shù)據(jù)獲取模塊是對Kafks集群中的信息進行收集，并進行動態(tài)分類，將信息處理成為能夠在本系統(tǒng)中顯示的數(shù)據(jù)信息，通過動態(tài)獲取船舶的硬件參數(shù)、航行參數(shù)以及相關信息的發(fā)送時間，并將信息傳遞至主控模塊進行分析。黑白名單校驗模塊負責對數(shù)據(jù)庫中的相關信息進行維護，查詢接收到的船舶信息是否在數(shù)據(jù)庫中，并且能夠定期對白名單中的超時信息進行消除。在動態(tài)數(shù)據(jù)獲取模塊接收到船舶信息時，將信息在黑白名單中進行對比。內(nèi)存數(shù)據(jù)維護模塊是對動態(tài)數(shù)據(jù)獲取模塊接收到的信息進行對比，當數(shù)據(jù)庫中不存在時，將該信息進行數(shù)據(jù)添加，當接受的信息數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的信息不符時，通過判斷其數(shù)據(jù)的接收時間，對數(shù)據(jù)庫進行內(nèi)存數(shù)據(jù)的更新操作。

4 實驗測試

在實際測試過程中依據(jù)特定的場景、船舶位置與基站位置間的距離進行判定，并通過統(tǒng)計來判斷船舶的分布情況。在實際測試中，設定在0～50 n mile是正常軌跡，在51～200 n mile設定為疑似軌跡，在200 n mile以上認定為異常。通過一段時間的測試后，發(fā)現(xiàn)當船舶的正常軌跡所占比例超過三者之和的60%時，就會被認為是正常船舶。當出現(xiàn)疑似軌跡和異常軌跡之和超過總數(shù)的60%時，就會被認定為是非正常的船舶，并且當其中的異常船舶數(shù)量超過疑似軌跡和異常軌跡兩者之和的60%時，就會被認為是異常船舶，反之則被認為是疑似船舶。該測試結果說明該系統(tǒng)能夠滿足對船舶AIS設備進行監(jiān)控識別的服務要求。

5 結語

為了規(guī)范船舶AIS設備，采用船舶AIS設備智能檢測系統(tǒng)解決AIS設備的管理問題，利用AIS的數(shù)據(jù)信息對船舶的基本信息和船舶的位置真實性進行評測，分析其數(shù)據(jù)的異常行為，提出了船舶AIS監(jiān)測系統(tǒng)，通過對船舶AIS設備智能檢測系統(tǒng)進行總體的結構設計，根據(jù)實際要求,設計了必備的船舶AIS數(shù)據(jù)信息獲取、信息有效性辨識以及人機交互功能。經(jīng)過系統(tǒng)測試，監(jiān)測系統(tǒng)具有著較好的可靠性，并且能夠滿足相關的服務要求。該系統(tǒng)對船舶AIS系統(tǒng)進行規(guī)范化管理，在實際應用中實現(xiàn)了安全、穩(wěn)定運行，具有著非常重要的現(xiàn)實意義。