大量海上AIS移動基站對全球船舶監控效果的仿真及可視化

胡勤友　張蓓　楊春　鄭豪　戚玉玲

摘要：針對目前岸臺基站或衛星基站還不能對全球尤其是位于交通繁忙海域的船舶進行連續有效的監控的問題，設計一種海上船舶自動識別系統（automatic identification system，AIS）移動基站（簡稱船舶基站），仿真大量船舶基站對全球船舶的監控效果。從全球所有船舶中隨機選取部分船舶作為船舶基站進行仿真得出：在每天更新一次船位的情況下，全球船舶基站的最佳設置數是3 500，覆蓋率約為8431%;船舶基站的AIS信號監控范圍基本覆蓋全球所有有航線海域，且單片海域的覆蓋率普遍在85%以上。

關鍵詞：? 船舶監控; AIS基站; 仿真; 覆蓋率

中圖分類號：? U675.7;U697文獻標志碼：? A

Simulation and visualization of global ship monitoring effect

by a large number of offshore AIS mobile base stations

Abstract： In view of the problem that shore base stations or satellite base stations can not conduct continuous and effective monitoring on the global ships， especially ships in busy traffic sea areas， the offshore automatic identification system（AIS） mobile base stations （ship base stations， in short） are designed， and the monitoring effect of a large number of ship base stations on global ships is simulated. Some ships are randomly selected from all ships worldwide as ship base stations for simulation. It is concluded that， under the condition of ship position update once a day， the optimal setting number of the global ship base stations worldwide is 3 500， and the coverage rate is about 8431%; the AIS signal monitoring range of ship base stations basically covers all the route sea areas worldwide， and the coverage rate of single sea area is generally above 85%.

Key words： ship monitoring; AIS base station; simulation; coverage rate

引言

船舶自動識別系統（automatic identification system，AIS）是由基站和船載設備共同組成的一種新型數字助航系統和設備，可播發船舶的動態、靜態信息，是研究海上交通的重要數據來源和支撐[1]。AIS信息是從船上發射經由岸臺基站（以下簡稱岸基）或衛星基站（以下簡稱星基）接收最終傳輸至陸地數據中心的，因此，基站作為信息傳輸的重要中轉樞紐，很大程度上直接影響了AIS數據的質量，而數據的完整與否是能否客觀分析船舶態勢的關鍵[2]。現有的AIS數據接收現狀表明：岸基信號接收范圍有限且接收能力受障礙物影響[34];星基通過低軌道實現全球覆蓋[5]，雖不受障礙物影響，但由于信道有限，當部分區域發射時隙密集時，會出現AIS時隙沖突[6]，從而導致接收丟包。解決此問題的星載AIS關鍵技術目前仍在研發之中。[7]

為解決岸基和星基本身局限性所導致的AIS信息接收不完整問題，本文設計了一種基于AIS信號接收系統的海上AIS移動基站（以下簡稱船舶基站），將分布于全球主要航線上且處于運動狀態的船舶作為監測點，實現對其周圍海域船舶信息的動態性覆蓋，有效提升對AIS信號的捕獲效率，保障船與船、船與岸之間數據傳輸的及時性。

為探尋最優的船舶基站部署方案，進行多次仿真實驗，研究不同數量的船舶基站所能覆蓋的全球船舶的數量，得到船舶基站的最佳設置數。最后，對船舶基站數最佳時監測到的全球船舶的分布情況進行可視化分析。

1船舶基站簡介

船舶基站指在正常運行的船舶上安裝AIS接收器[8]，通過船載AIS設備直接捕獲本船附近的目標船的AIS信號，將信號經由海事衛星寬帶傳送至衛星接收站，進而傳送到地面數據中心。船舶基站信號收發原理示意圖如圖1所示。

船舶基站在系統和功能上具有以下特點：

（1）硬件模塊主要由AIS接收器、VSAT網絡（船舶本身均已安裝配置）和DTU傳輸單元組成[9]。軟件模塊不但支持本船船位和周邊船舶船位的采集，而且可以對采集頻率進行動態設置。這可以讓船舶根據實際情況改變數據收集頻率，盡可能減少數據冗余，提高數據傳輸效率和保證數據的質量。此外，在該系統每次斷電重啟后，采集任務會自動恢復，定期同步系統時鐘到世界協調時間（universal time coordinated， UTC），確保船位采集時間的精度。

（2）因為船舶本身仍在不停地航行，所以船舶基站可以克服岸基信號接收范圍有限的缺點，所接收AIS信號范圍能夠覆蓋到船舶所及之地甚至是遠洋海域。另外，因為船舶基站上的AIS接收器與岸基的類似，傳輸帶寬大且更新頻率快，所以先通過船舶基站接收AIS信號再通過海事衛星寬帶[10]中轉AIS信號的方法，可以克服星基帶寬受限且更新頻率較慢的缺點。AIS接收器成本較低，適合大規模安裝。F113ADAF-CFF6-4D10-A660-AD1C5065D574

2船舶基站監控效果的仿真實驗

2.1仿真效果評估指標

為準確評估船舶基站的AIS信號接收效果，從24 h內全球海上所有船舶中選取n艘船作為船舶基站，計算這n個船舶基站在這24 h內分別監測到的船舶數，并以所有的船舶基站可監測到的船舶數與全球海上所有船舶數的百分比（簡稱覆蓋率）作為評估指標。覆蓋率計算方法為（1）式中：Pn表示n個船舶基站24 h內的可監測到的船舶數;Q表示24 h內全球海上所有船舶數，為定值。Kn值越大，說明船舶基站對全球船舶的監控效果越好。

2.2實驗原理

假設船舶基站的信號接收范圍是以該船舶基站為圓心的圓形區域，每個船舶基站所能接收的AIS信號范圍是固定且相同[11-12]的，并令圓的半徑r=25 n mile。以下稱裝備有AIS接收器的船舶為基站船舶，未裝備AIS接收器的船舶為非基站船舶。

將基站船舶所處位置的經度和緯度分別記為JT和WT，非基站船舶所處位置的經度和緯度分別記作JS和WS，則兩船之間的距離表示為（2）式中：R表示地球平均半徑（6 378 km）。船舶基站可監測船舶的范圍必須滿足（3）滿足此條件的非基站船舶被認定為可監測船舶。船舶基站監測船舶示意圖見圖2。

2.3實驗步驟

統計2020年1月2日這一天內監測到的全球海上所有船舶（所有數據均來自海事數據供應商上海邁利船舶科技有限公司），得到24 h內全球海上船舶數189 693艘。從中隨機選取n（0≤n≤6 000）艘船作為船舶基站，計算n個船舶基站的覆蓋率。具體步驟如下：

（1）從全球海上所有船舶中隨機抽取n艘船作為船舶基站。

（2）以船舶基站位置（用經緯度坐標表示）為圓心，以25 n mile為半徑劃定范圍;遍歷全球海上所有船舶的經緯度，統計滿足式（3）的船舶;對在同一時刻重復識別到的船舶進行去重處理，避免同一艘船同時被多個船舶基站監測到而造成重復計數。（3）重復上述步驟，共進行3組實驗，得到n個船舶基站可監測船舶數和全球海上船舶數，用式（1）計算覆蓋率。

2.4實驗結果分析

以上3組仿真實驗得到的結果見表1。全球船舶基站的覆蓋率曲線見圖3，其中：曲線是由若干個散點連接而成的折線，散點之間的橫坐標間隔為200。本文利用插值法[1316]，以05為插值間隔，在盡可能減少誤差、保持原有數據的變化趨勢的同時對上述折線進行平滑處理。從圖3中的曲線走勢可以看出，3組實驗得到的覆蓋率曲線幾乎完全重合，變化趨勢也極其相似：隨著船舶基站數的增加，覆蓋率整體上呈上升態勢;在船舶基站數n<1 000時，覆蓋率曲線較陡;在船舶基站數n>1 000時，隨著船舶基站數的增加，覆蓋率曲線上升趨勢逐步減緩;在船舶基站數超過3 500后，覆蓋率曲線開始收斂。取3組實驗中船舶基站數n=3 000和n=4 000的平均值（即n=3 500），估算覆蓋率為84.31%。由實驗結果可知：當船舶基站數較少時，增加其數量能夠有效提高覆蓋率;在船舶基站數增至2 000后，繼續增加船舶基站數時，覆蓋率的增長速度逐漸放緩;在船舶基站數增至3 000后，覆蓋率不會隨船舶基站數的繼續增加而發生明顯變化;在船舶基站數增至3 500后，覆蓋率幾乎不變。

考慮船舶基站設置數和全球船舶監控效果的費效比，計算單位船舶基站的可監測船舶數：（4）式中：Pn表示投入n個船舶基站所能監測到的船舶數。單位船舶基站可監測船舶數隨船舶基站數的變化曲線見圖4。由圖4可知，在投入4 000個船舶基站后，單位船舶基站可監測船舶數接近40艘。因此，綜合考慮覆蓋率和船舶基站投入效益，設置船舶基站最大數為4 000。此時3組實驗的平均覆蓋率為85'36%。

3最佳AIS信號覆蓋率的可視化

對船舶基站數為最佳設置數（3 500）時的全球船舶監控效果進行可視化，繪制AIS信號覆蓋率網格熱點圖，用于分析在最佳數量的船舶基站監測下，全球船舶的空間分布特點。

3.1可視化設計

具體可視化步驟如下：

（1）借鑒GridCount算法[17]，將世界地圖網格化。以（0°N，0°E）為起點，以1°為間隔，把世界地圖劃分為180×360個的單元格，單元格的緯度依次記為W-90，W-89，…，W0，W1，…，W90，經度依次記為J-179，J-178，…，J0，J1，…，J180，其中北緯、東經為正，南緯、西經為負。為便于表達，本文用方格表示單元格。以單元格Gi，j（i=-90，-89，…，0，1，…，90;j=-179， -178，…，0，1，…，180）為例，其具體坐標見圖5。

（2）使所有的基站船舶和非基站船舶分別遍歷所有的單元格，根據點與單元格的經緯度信息將所有的監測點和被覆蓋點劃分到對應的單元格內，統計每個單元格中的船舶總數、每個單元格中的被監測船舶數、含有可監測船舶的單元格數、含有任意船舶的單元格數。以單元格G1，2為例，該單元格在經緯度坐標系下的緯度取值范圍是[1°N，2°N]，經度取值范圍是[2°E，3°E]。統計出各單元格中的船舶數，對于剛好位于單元格邊界的船舶，取左舍右，取上舍下。單元格與監測點關系圖例見圖6。根據上述單元格船舶數統計規則，圖6a中單元格1、2、3、4中的監測點數分別為1、2、1、2。

（3）統計單元格Gi，j中的監測點Qi，j和被覆蓋點

Pi，j的數量，見圖7。圖7中，單元格1、2、3、4中的監測點數依次為3、2、2、3，被覆蓋點數分別為3、3、2、2。進一步計算單位單元格的AIS信號覆蓋率，記作Ki，j。Ki，j計算公式如下：Ki，j=Pi，jQi，j+Pi，j×100%（4）計算得到圖7中單元格1、2、3、4的AIS信號覆蓋率分別為50%、60%、50%、40%。按照此方法依次計算出全球188 591個單元格的AIS信號覆蓋率。F113ADAF-CFF6-4D10-A660-AD1C5065D574

3.2可視化結果分析

依照式（4）計算出全球每個單元格的AIS信號覆蓋率大小，由小到大依次用從白→藍→綠→黃→紅的過渡色帶表示，作出AIS信號覆蓋率網格熱點圖，見圖8。

覆蓋率分布熱點圖

從圖8可以看出，3 500個船舶基站能夠很好地覆蓋全球絕大部分有航線的海域：對于因航線繁多、船舶密度較大而容易導致AIS信號擁擠的大陸沿岸海域（如亞洲東海岸、歐洲西海岸、北非沿岸、南北美的巴拿馬運河處等）和海事安全事故頻發地（如新加坡海峽等）[18]均能夠實現較好的AIS信號覆蓋，色帶等級幾乎都在紅色以上，說明船舶基站對這些海域的AIS信號覆蓋率都在90%以上;對于因遠離大陸而容易發生信號丟失的海域或AIS信息收集較為困難的的海域（如印度洋、太平洋、大西洋[19]等的中心海域，甚至是北冰洋海域等）也有較好的覆蓋效果，色帶等級大部分為紅色。

4結束語

本文證實了船舶基站的設置可以彌補岸基和星基在AIS數據收集上的不足。本文研究表明：①船舶基站設置得越多，覆蓋率越高，即所監測到的全球船舶越多。4 000個船舶基站能較好地實現費效平衡，此時覆蓋率為8536%。②設置3 500個船舶基站基本能實現對全球海域的全覆蓋，包括遠離大陸的海域和AIS信號擁擠的大陸沿岸海域，且對絕大部分海域的AIS信號覆蓋率高達85%甚至90%以上。綜上所述，船舶基站能夠為世界海事安全領域研究提供更完善的數據來源，對海上船舶數據的收集和海事方面的研究具有一定意義。

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（編輯賈裙平）

收稿日期： 20210308修回日期： 20210628

基金項目： 上海市科學技術委員會社會發展領域重大項目（18DZ1206300）

作者簡介： 胡勤友（1974—），男，安徽舒城人，教授，博士，研究方向為智能船舶與海事信息處理，（Email）qyhu@shmtu.edu.cnF113ADAF-CFF6-4D10-A660-AD1C5065D574