基于AIS 和ECDIS 系统数据实时采集系统的构建与应用

郭兴华，陈婷婷

（江苏航运职业技术学院航海技术学院 江苏 南通 226010）

0 引言

电子海图广泛应用于现代航海，它不仅为船舶的安全航行提供了保障，而且还提高了船舶的安全生产效率。 这种助航设备能实时自动绘算本船与其他物标之间的距离和相对位置。 在船舶驾驶台上配备的电子海图显示信息系统（electronic chart display information system，ECDIS），为船舶驾驶员提供了船舶安全航行的岸线信息、航行警告、碍航物、警戒区、军事演习区、航标、灯塔、危险物和船舶自动识别系统（automatic identification system，AIS）结合雷达图像显示的相关信息，增强了值班驾驶员的“视觉位置感”，提高了驾驶员对船舶安全航行的判定，降低了船舶航行碰撞事故发生的概率。 电子海图系统具有航线设计、船位标绘跟踪、历史航迹重现、航海信息（水文、潮汐、海流、海岛、港口）查询、常用航路等，AIS 与雷达或自动雷达标绘仪（auto radar plotting aid，ARPA）同时显示［1］。

由于AIS 能提供船舶的动态和静态信息并不能直接地应用于ECDIS 系统中进行显示，因此，如何从船舶自动识别系统中提取电子海图和船舶自动识别系统信息融合信息是一个关键问题，对于船舶自动识别系统中相关信息的提取，必须应用到数据库中的数据包解码技术，利用数据包解码技术对船舶自动识别系统中涉及船舶静态数据参数和船舶航行数据信息进行研究和解码转换，从而将转换过来的数据信息提供给电子海图显示系统所需格式，因此研究AIS 数据包的解码转换技术是一个关键问题，对于解码转换的数据如何与电子海图显示系统融合及保障船舶安全航行有着重要的意义［2］。

1 国内外研究现状

1.1 船舶交通流特征分析

船舶交通流特征参数主要包含交通流的位置、速度、方向、船舶数量和船舶间时距等，研究船舶交通流特征规律有助于掌握水上交通系统态势，进行水上交通安全管理和组织，进而引导其交通流更趋于有序合理，降低水上交通事故概率和提升通航效率。 其主要研究内容主要包括船舶交通流特征的影响因素、船舶交通流的预测、船舶交通流仿真、船舶交通流应用、通航能力与效率等方面［3］。

目前越来越多通信导航设备和先进的传感设备广泛应用于水上交通载运工具上，加上先进的网络技术和大数据物联网技术的革新，对船舶自动识别系统数据源的开发和研究变得日益广泛起来。 主要研究内容包括对AIS 数据进行挖掘，获取船舶特征分布特点、搭建船舶交通实态观测数据计算机处理系统、显示船舶密度分布和船舶航迹分布［4］；基于AIS 数据的通航尺度及航道通过能力方面的评估研究等。

1.2 船舶AIS 数据挖掘技术

AIS 数据由于其传输格式的特殊性，在采集应用方面存在一定的难度，主要体现在以下几个方面［5］：

（1）AIS 系统使用面向比特的协议进行数据传输，这个协议基于ISO／IEC3309 标准和高级数据链路控制协议来定义数据包结构。 由于数据结构比较复杂，一般的使用人员和海事管理人员难以直接解读AIS 原始数据。

（2）AIS 数据更新速率快，一个海区每天收到的AIS数据量非常大，难以进行快速实时地处理和使用，宝贵的AIS 数据无法体现其实际价值。

（3）对船舶自动识别系统数据解码不够全面、挖掘不够深入，无法完成数据统计和比对分析，发现辖区内的高风险区域或者高风险目标船舶，不利于海事安全管理；

（4）市场上专业的AIS 数据采集处理程序一般是基于电子海图等系统平台，运行成本较高，不利于一般海事管理人员、海事研究人员以及相关企业等展开应用研究，限制了AIS 数据效能的充分发挥。

数据挖掘是一门交叉学科，涉及人工智能、机器学习、模式识别、数据库等技术，经过多年的发展，数据挖掘取得了丰硕的成果，逐渐形成一套自己的理论基础，主要包括规则提取、模式挖掘、分类、聚类、学习等。 常见的数据挖掘和聚类分析软件平台有统计分析系统（statistical analysis system，SAS）、统计产品与服务解决方案（statistical product and service solutions，SPSS）等［6］。

1.3 研究内容与思路

船舶AIS 数据是反映水上交通流特征的重要数据基础，构建软硬件系统对其进行采集分析，为船舶安全管理提供建议，具有重要的理论和实践意义。

本文的主要研究内容与思路如图1 所示：

图1 研究思路

船舶发送的AIS 信息包含4 种不同类型的信息，如表1 所示：

表1 船舶发送的AIS 信息

国际海事组织的性能标准规定了不同种类的数据可以进行交换，但没有规定具体的数据传输速率。 表2 中的报告速率是根据当前雷达技术、连续的DGPS 定位和计时技术，以及典型高密度通航水域高峰期的交通状态等因素制定的，以满足VTS 和船舶报告系统的潜在需求。

表2 AIS 报告速率

表3 简要说明了常用的AIS 信息：

表3 AIS 常用消息

2 船舶AIS 数据实时采集分析系统构建与应用

2.1 数据采集软硬件平台搭建

（1）在实验室搭建AIS 数据采集硬件系统，采集江苏长江口附近水域船舶AIS 数据。

（2）深入研究AIS 数据格式，进行数据解析，将解析结果实时存储进数据库；

要获取周围船舶的实时动态信息，需要解析接收到的AIS 电文，并从中提取所需的信息数据。 AIS 语句的封装语句格式为：！ （ ＄）aaeee，c-e*hh＜CR＞＜LF＞，其中与船舶监控相关的IEC61162 新语句包括两种：！ AIVDM 和！AIVDO，这两种语句的格式相同。 以下是一个例句：！AIVDO， 2， 1， 1， B， 57bcDP023 ' CAQE4k ＜pOhT4rOHDpL0000000000165 h ＝286n109SRCQhS，O*26！AIVDO，2，2，1，B，h00000000000000，2* 7E。 语句结构可以参考图2。

图2 例句的码文结构

AIS 语句的CRC 校验方法是将'！ '到'*'之间的字符进行异或，得到的结果与'*'后面的两位字符进行比较，如果相同则校验通过，否则校验失败。 在解析AIS 语句时，第一个逗号后面的数字表示语句数，如果有多句语句，则需要组合成完整的码文，然后将码文解析成二进制码。 以下是一个AIS 目标船语句的例子：“！ AIVDM，l，1，，A，15Cgah00008LOnt＞ICf’S6NTOOSU，O*3 D”。 经过CRC校验后，可以解析出下列二进制码序列：

“00000100010101001110111110100111000000000000 0000000000000000001000011111011111110110111100001 1100000010100111011101010001110110001100111101001 00000000000000100011100101”

根据ITU-RM.1371-l 规则，这个二进制码序列可以分解为不同的信息字段，其中包括信息类型、重复指示、MMSI 码、航行状态、转向速率、对地航速、位置精度、经度、纬度、对地航向、真航向和报告发出时的UTC 时间等信息。

设计步骤及效果如图3 所示，基本步骤包括：首先基于SQL Server 设计AIS 数据存储数据库，AIS 数据各字段设计效果如图4 所示；设计数据采集平台，进行COM 口配置，在平台上进行AIS 数据采集；然后把数据输出存储到已建立的数据库中，供后续的进一步处理与应用。

图3 SQL Server 数据库设计

图4 SQL Server 数据库设计效果

3 结语

综上所述，船舶AIS 数据蕴含了丰富的、海量的船舶信息，对船舶交通流特征的提取和分析研究具有重要的意义。 利用AIS 岸基接收机基本可以捕获到附近水域的全部通航船舶的信息，为基于AIS 数据的相关研究提供了充分、可靠的数据基础。 基于船舶AIS 信息进行研究，数据获取方便、耗费少，且数据的准确性、可靠性可以得到保障，由此得出的结果将更具有实际的参考价值。

通过在实验室搭建AIS 数据采集硬件系统，采集江苏长江口附近水域船舶AIS 数据，利用软件平台进行解析存储。 但是由于AIS 数据维度高、数据量庞大，在采集以及传输过程中容易存在数据错误或不完整等问题，因此在数据应用之前需要进行必要的处理与修复。 然后可以依据完善后的船舶AIS 信息进行统计分析，获取研究水域内的船舶交通实况，为海事安全管理以及船舶安全导航等提供参考依据。