基于雷達(dá)及AIS的水上設(shè)施自動警戒與保護(hù)

馮愛國，吳煒，季本山

（南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010）

0 引言

在海上劃定指定區(qū)域，通過雷達(dá)、AIS等技術(shù)手段對意欲進(jìn)入或已闖入目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，對保障航行安全、保護(hù)重點設(shè)施、維護(hù)國家海洋權(quán)益具有十分重要的意義，“911事件”以后，SOLAS公約及ISPS規(guī)則為航行安全、反恐等提出了相應(yīng)的要求，其中，防止擅自進(jìn)入重要設(shè)施及限制區(qū)域，對擅自進(jìn)入行為進(jìn)行自動和高效的識別并快速反應(yīng)等都給相關(guān)技術(shù)以很大研究空間。

以計算機技術(shù)為核心的現(xiàn)代航海雷達(dá)集成了船位、航向、航速等基礎(chǔ)傳感器信息，通過目標(biāo)捕獲、跟蹤解算流程可以獲得目標(biāo)方位、距離、真航向與真航速等位置與運動數(shù)據(jù)，并可以實現(xiàn)雷達(dá)視頻目標(biāo)與AIS目標(biāo)數(shù)據(jù)融合，使得雷達(dá)與AIS目標(biāo)數(shù)據(jù)在船用雷達(dá)上可以一站式獲取[1-3]，促進(jìn)了基于計算機圖形學(xué)與人工智能的監(jiān)控系統(tǒng)快速發(fā)展。

所以，利用第三方測控參數(shù)引導(dǎo)，以MCU、工控計算機與智能傳感器為核心的高度自動化集成警戒系統(tǒng)具有較高的研究價值。

近年來，計算機圖形算法隨著計算機處理能力的大幅提升，在工程中應(yīng)用越來越廣泛，涉及地理信息、機械設(shè)計、虛擬現(xiàn)實等多種領(lǐng)域。STCW公約2010馬尼拉修正案履新以來，電子海圖顯示與信息系統(tǒng)強制范圍大幅拓展，為航海與海事管理、港灣工程監(jiān)控提供了更好的平臺。

1 與區(qū)域警戒相關(guān)的幾何問題

警戒區(qū)設(shè)置的基本幾何形狀一般可體現(xiàn)為直方形、圓形、橢圓形、不規(guī)則多邊形等，橢圓形不常見，故文中不作討論。圓形區(qū)域的判定算法相對簡單，方法與多邊形有所不同，直方形隸屬于多邊形，可以一并討論。

1.1 警戒區(qū)設(shè)置基本幾何元素

點、線段、射線、直線、圓、簡單凸殼多邊形、非凸殼復(fù)雜多邊形為水上平面區(qū)域設(shè)置的基本幾何元素，見圖1。

圖1 警戒區(qū)域Fig.1 Alert region

對于點，描述為：P=（xP，yP），在海圖平面內(nèi)xP用經(jīng)度（longitude）量化，為與數(shù)學(xué)計算習(xí)慣一致，設(shè)西經(jīng)為負(fù)東經(jīng)為正（-180°~+180°），yP用緯度（latitude）量化，設(shè)北緯為負(fù)南緯為正（-90°~+90°），判斷算法中與墨卡托投影緯度漸長率無關(guān)，基于電子海圖的警戒結(jié)果圖形化表達(dá)時考慮緯度漸長率。

對于直線，描述為L：Ax+By+C=0，或L：PA-PB，或 L：PA+k（PB-PA），第一種適合用解析法解決問題，便于計算機實現(xiàn)。過已知AB兩點的直線如圖1（a）。

計算機構(gòu)建直線L：Ax+By+C=0。A=yA-yB；B=xB-xA；C=xA×yB-yA×xB。

若描述為線段或射線，需對x取值范圍約束。

對于多邊形，以點描述為：S：（P1，P2，…，PN）

以邊描述為：

第二種保持了與直線描述的連續(xù)性更利于運用解析法判斷，簡單凸殼多邊形如圖1（b），其典型特點為相連封閉，區(qū)域內(nèi)任意兩點連線不與邊交。凹?xì)ざ噙呅蝿t相反如圖1（c）。若封閉多邊形的邊自交，則為復(fù)雜多邊形如圖1（d），水上警戒區(qū)域多不作此設(shè)定，不予討論。

對于圓，考慮墨卡托投影緯度漸長，可近似描述為，S：（x-xA）2+（y-yA）2sec2y=R2，P=（xA，yA）表示圓心，適用于解析法解決存在性問題。

1.2 檢測點是否位于設(shè)定區(qū)域內(nèi)的判斷算法

1.2.1 多邊形區(qū)域的檢測方法

射線法：對于檢測點Q，在平面直角坐標(biāo)系內(nèi)從Q點向下構(gòu)建射線，數(shù)學(xué)描述為L：x=a,（y＜b）。在海圖平面內(nèi)，a由經(jīng)度量化， b由緯度量化。航海學(xué)描述為從檢測目標(biāo)地理位置向南構(gòu)建一條射線。

對于凸殼多邊形，檢測點Q是否位于區(qū)域內(nèi)可由交點數(shù)確定，若Q位于區(qū)域內(nèi)，易見構(gòu)建射線與凸殼多邊形有且僅有1個交點，否則無交點或有2個交點如圖2（a）。

圖2 多邊形警戒區(qū)位置檢測示意圖Fig.2 Position detection of polygon alert region

進(jìn)一步得出非凸殼多邊形檢測點存在性判斷算法：若頂點在x軸向無回溯，交點數(shù)與判斷結(jié)論與凸殼多邊形檢測法一致如圖2（b），若頂點在x軸向有回溯如圖2（c），若Q位于區(qū)域內(nèi)，圖中可見構(gòu)建射線與多邊形有3個交點，若不在區(qū)域內(nèi)，有2或4個交點或無交點。所以，對于不自交多邊形警戒區(qū)域，若構(gòu)建射線與多邊形交點數(shù)為奇數(shù)，檢測點在區(qū)域內(nèi)，若為0或偶數(shù)，檢測點不在區(qū)域內(nèi)。

極角法：設(shè)順時針量取為“+”，若Q在內(nèi)部：∠P1QP2+ ∠P2QP3……+∠PNQP1= ±360°；若Q在外部：∠P1QP2+∠P2QP3……+∠PNQP1=0°。極角法不適合系統(tǒng)采用計算機手段對檢測點檢測判斷[4]。

1.2.2 圓形區(qū)域的檢測方法

距離法：對于圓形警戒區(qū)域，若檢測點Q在內(nèi)部，Q=（xQ，yQ），滿足（xQ-xA）2+（yQ-yA）2sec2y≤ R2，否則反之。

2 目標(biāo)雷達(dá)與AIS數(shù)據(jù)警戒區(qū)監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于雷達(dá)與AIS的目標(biāo)位置及運動參數(shù)采集

現(xiàn)代導(dǎo)航雷達(dá)具有羅經(jīng)、計程儀、DGPS、AIS多傳感器數(shù)據(jù)融合、視頻量化、目標(biāo)捕捉、α-β簡化卡爾曼濾波跟蹤、目標(biāo)運動參數(shù)解算、碰撞危險分析與報警、試操船等多個功能，能夠利用回波信息對目標(biāo)進(jìn)行精確的方位距離定位，以此為基礎(chǔ)對目標(biāo)按一定的時間步長進(jìn)行連續(xù)跟蹤，可以計算出目標(biāo)相對本船的運動參數(shù)并進(jìn)行碰撞危險分析，結(jié)合本船航向航速數(shù)據(jù)，可解算目標(biāo)真運動數(shù)據(jù)。

根據(jù)EPFS的本船船位，由下式計算目標(biāo)地理位置數(shù)據(jù)：

式中：S為目標(biāo)距離；TB為目標(biāo)方位；（Dλ，Dφ）為經(jīng)、緯度差；（λ0，φ0）為雷達(dá)位置；（λT，φT）為目標(biāo)位置。

符合IEC61162-1標(biāo)準(zhǔn)的雷達(dá)數(shù)字廣播有6種語句，其中包含雷達(dá)電子方位線、活動距標(biāo)圈及雷達(dá)操作桿光標(biāo)。雷達(dá)系統(tǒng)信息語句格式為[5]：

目標(biāo)跟蹤語句格式為：

同理，AIS串口輸出目標(biāo)船數(shù)據(jù)也滿足IEC61162協(xié)議，按照ITU-RM.1371-1協(xié)議解析獲得船舶的動靜態(tài)信息，涵蓋了信息類型、重復(fù)指示、目標(biāo)船識別碼MMSI碼、航行狀態(tài)、轉(zhuǎn)向速率、對地航速、位置精度、經(jīng)度、緯度、對地航向、真航向等。

2.2 警戒區(qū)域內(nèi)外評判流程

首先，調(diào)用有效覆蓋警戒區(qū)的一個或多個雷達(dá)，若目標(biāo)為“合作船舶”，雷達(dá)處理器同時提供AIS接口的目標(biāo)自動識別數(shù)據(jù)，并將目標(biāo)的雷達(dá)跟蹤信息和目標(biāo)的AIS信息進(jìn)行時空對準(zhǔn)，使兩種數(shù)據(jù)處在同一時域和空域上實現(xiàn)航跡關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)檢測出同一目標(biāo)的雷達(dá)和AIS關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)；若目標(biāo)為“非合作船舶”，無AIS數(shù)據(jù)，身份為“不明船舶”。

遍歷完畢，若交點計數(shù)cntnum%2==0，則交點總數(shù)為偶數(shù)，檢測目標(biāo)不在多邊形內(nèi)；否則反之[6]。

對圓形警戒區(qū)，求檢測目標(biāo)Q：（λT，φT）與圓心距離，若小于半徑，目標(biāo)在內(nèi)部，否則反之。

2.3 警戒目標(biāo)對保護(hù)目標(biāo)危險評判

系統(tǒng)對危險目標(biāo)的態(tài)勢智能感知，主要通過對海量的船舶歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，將這些有意圖的船舶檢測出來，一般分為在監(jiān)控海域出現(xiàn)多次的船舶、滯留超時的船舶、監(jiān)控海域內(nèi)往復(fù)航行的船舶、異常機動船、對動態(tài)及靜態(tài)保護(hù)目標(biāo)構(gòu)成威脅的船舶等，重點監(jiān)測出對保護(hù)目標(biāo)構(gòu)成威脅的船舶，構(gòu)成威脅船算法如下。

已知：警戒區(qū)內(nèi)目標(biāo)地理位置 Q：（λT，φT），保護(hù)目標(biāo)地理位置 P：（λP，φP），計算出監(jiān)測目標(biāo)相對保護(hù)目標(biāo)方位、距離（B0，R0）；又已知監(jiān)控目標(biāo)對地航向、航速（CT，VT）（由雷達(dá)或雷達(dá)AIS采集），保護(hù)目標(biāo)航向、航速（CP，VP），計算警戒目標(biāo)危險系數(shù)步驟如下[7]：

1） 計算監(jiān)控目標(biāo)東西、南北向航速：d VTX=VTsin CT；d VTY=VTcos CT；

2） 同理：計算保護(hù)目標(biāo)東西、南北向航速：d VPX=VPsin CP；d VPY=VPcos CP；

3） 監(jiān)控目標(biāo)相對保護(hù)目標(biāo)航向、航速：

若 （d VX＜ 0，d VY＜ 0），C=C+360°；

4）監(jiān)控目標(biāo)至最近會遇點距離、時間：

5）最近會遇距離：

至最近會遇點所需時間描述了監(jiān)控目標(biāo)抵近保護(hù)目標(biāo)的緊迫程度，最近會遇距離描述了監(jiān)控目標(biāo)的危險程度，若小于安全閾，系統(tǒng)報警并觸發(fā)后續(xù)措施。

3 仿真驗證

利用船舶模擬器設(shè)置雷達(dá)本船和目標(biāo)船，監(jiān)控雷達(dá)位置（λR=120°7.6′，φR=30°5.1′），靜止，測目標(biāo)的初始方位距離是（B0=28.63°，R0=6.59 n mile），連續(xù)監(jiān)控得5 min目標(biāo)航行軌跡如表1。

表1 數(shù)值計算結(jié)果Table 1 Resultsof numerical calculation

編程解算結(jié)果圖形顯示表達(dá)如圖3。

設(shè)警戒區(qū)內(nèi)重點保護(hù)目標(biāo)位置（λR=120°17.6′，φR=30°5.1′），闖入目標(biāo)與保護(hù)目標(biāo)危險度圖形表達(dá)如圖4。

4 結(jié)語

提出了一種小型水面監(jiān)控系統(tǒng)，通過對目標(biāo)

圖3 實驗解算驗證Fig.3 Calculating validation by experiments

圖4 危險目標(biāo)與保護(hù)目標(biāo)運動態(tài)勢圖Fig.4 Moving situation of risk object and protected object

鼠標(biāo)處緯經(jīng)度：30°9.9′，120°18.5′位置與運動狀態(tài)的實時監(jiān)測，能探測敏感區(qū)域闖入目標(biāo)，對數(shù)據(jù)序列挖掘和再分析，可以進(jìn)一步識別異常目標(biāo)的危險性，此算法亦可實現(xiàn)攝像頭與雷達(dá)的自動聯(lián)動，目標(biāo)雷達(dá)和AIS位置點融合能實現(xiàn)目標(biāo)身份識別，使系統(tǒng)對目標(biāo)監(jiān)控更加精確。監(jiān)控系統(tǒng)與保護(hù)系統(tǒng)聯(lián)動，可實現(xiàn)對警戒域內(nèi)危險目標(biāo)的聯(lián)動攔截。