淺談雷達與AIS信息融合技術(shù)在控制河段通行指揮中的應用

曾科偉

（長江重慶航道局，重慶 401147）

控制河段是指具有彎曲、狹窄、灘險等特征，通視條件差，會船避讓困難，導致船舶同一時間段內(nèi)只能單向通行的航道河段[1]。控制河段大多灘多水急，一旦上下行船舶同時進槽會讓，輕則出現(xiàn)緊迫局面影響船舶通行效率，重則引發(fā)船舶海損事故，導致控制河段斷航，造成重大的經(jīng)濟損失。為確保控制河段航道的暢通安全，船舶在通過時必須按有關(guān)規(guī)定接受通行信號臺的指揮，根據(jù)揭示信號單向、有序地通行。

隨著長江干線數(shù)字航道蘭家沱至鳊魚溪段建設工程的建成投用，初步實現(xiàn)了控制河段通行信號指揮從傳統(tǒng)被動指揮到實時監(jiān)控指揮的轉(zhuǎn)變，即擺脫了信號員先通過人工瞭望觀測和VHF電話聯(lián)系獲取上下水船舶信息和航行狀態(tài)，然后根據(jù)通行規(guī)則發(fā)出信號指令的傳統(tǒng)指揮方式，依托AIS可以遠距離實時監(jiān)控船舶位置，避免船舶不報、謊報船位，有效提高了控制河段通行效率和安全水平。但由于AIS信息受控制河段周邊山體等客觀因素和自身發(fā)送機制的影響，時常出現(xiàn)信號丟失、延時等情況，嚴重制約了通行指揮的準確性。為此，將雷達和AIS的融合信息技術(shù)應用于通行信號指揮中，可實現(xiàn)對目標船舶的自動識別，提高目標船舶的監(jiān)測和跟蹤精度，提升信號指揮工作效率和服務質(zhì)量。

1 雷達和AIS功能及特點

1.1 獲取目標信息的方式

雷達發(fā)射機通過雷達天線定時向控件發(fā)射射頻脈沖信號，并進行方位掃描，當接觸到航行中的船體后，會產(chǎn)生回波，雷達接收機收到信號后，經(jīng)過處理在雷達終端界面進行顯示。這是主動獲取目標信息的方式。

AIS（Automatic Identification System, 船舶自動識別系統(tǒng)）由基站設施和船載設備共同組成[2]，船載AIS傳感器主要包括GPS/DGPS/GNSS、陀螺羅經(jīng)、計程儀等，如圖1所示。船舶在航行過程中根據(jù)信號發(fā)送機制發(fā)送船舶動靜態(tài)信息，然后通過岸基AIS臺站接收船載AIS信息，獲取船舶狀態(tài)。這是被動獲取目標信息的方式。

圖1 船載AIS基本構(gòu)成

1.2 獲取目標信息的種類

雷達可以獲取周邊水域所有運動目標、固定目標等信息，雷達目標回波還可以在一定程度上反映目標的大小和形狀，但雷達無法獲取目標物的靜態(tài)關(guān)聯(lián)信息，如目標物名稱、類型等。

AIS信息大致可分為四類[3]：一是船舶位置、對地航向和速度、艏向、航跡等動態(tài)信息；二是船舶識別碼MMSI、噸位、船名和呼號、船長和船寬、船舶類型等靜態(tài)信息；三是船舶吃水、危貨類型、目的港等與航行有關(guān)的信息；四是航行警告等與船舶安全有關(guān)的短電文。

1.3 獲取目標信息的精度

雷達的目標數(shù)據(jù)是通過對目標自動跟蹤處理中的航跡外推、航跡相關(guān)等形成的目標航跡線計算出來的，根據(jù)回波時長隨目標距離的增加而延長，存在一定的滯后性。目標位置信息一般以雷達為坐標原點的極坐標系表示，方位線數(shù)據(jù)精度隨目標與雷達之間的距離增加而變差[3]。

AIS的目標位置、航速、航向和船首向數(shù)據(jù)來源于船載GPS和羅經(jīng)，是即時運動參數(shù)或人工輸入的船舶實際數(shù)據(jù)，精準度較高。目標位置信息一般直接采用WGS－84坐標系的經(jīng)緯度表示。但受發(fā)送機制的制約，AIS信號發(fā)送的時間間隔受目標速度、方位變化等影響。

1.4 兩者特點比較

表1 雷達與AIS信息特點比較

表1中，通過對雷達和AIS信息的功能和特點分析發(fā)現(xiàn)，兩者雖各有優(yōu)勢，但也存在一定的局限性，單獨使用均難以滿足通行信號指揮的需求。為此，我們可以將雷達和AIS信息融合起來，實現(xiàn)信息互補，達到輔助通行指揮的目的。

2 雷達和AIS的信息融合

2.1 信息融 合原理

信息融合可以廣義地概述為把來自多種傳感器的信息或數(shù)據(jù)，根據(jù)既定的規(guī)則，分析、結(jié)合為一個綜合性的情報，并在此基礎(chǔ)上為用戶提供全面、精確的信息過程[4]。在該項技術(shù)中，多傳感器系統(tǒng)是信息融合的硬件基礎(chǔ)，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[5]。

信息融合的模式主要有兩種：集中式融合和分布式融合。集中式融合是指各傳感器將接收到的數(shù)據(jù)都傳到數(shù)據(jù)融合中心，在數(shù)據(jù)融合中心進行處理并做出判斷；分布式融合是指各傳感器利用自己的測量單獨做出判斷，將決策信息傳送到數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心再進行進一步的處理，如圖2所示。與集中式結(jié)構(gòu)相比，分布式結(jié)構(gòu)能以較低的費用獲得較高的可靠性和可用性，可以減少數(shù)據(jù)總路線的頻寬和數(shù)據(jù)處理的要求，同時獲得相近于集中式結(jié)構(gòu)的精度。由于雷達與AIS都有各自獨立的信息處理系統(tǒng)，因此，采用分布式結(jié)構(gòu)較為合理。

圖2 分布式信息融合系統(tǒng)

2.2 信息融合步驟

根據(jù)信息融合的分布式融合模型，結(jié)合雷達和AIS目標數(shù)據(jù)特點，建立信息融合模型。

圖3 信息融合模型

信息融合如上圖主要分為三個步驟：數(shù)據(jù)預處理（坐標變換和時間校準）、航跡關(guān)聯(lián)和航跡融合。

2.2.1 數(shù)據(jù)預處理

在數(shù)據(jù)融合過程中，由于雷達對目標的檢測時間和空間基準點與AIS系統(tǒng)不同，雷達的目標位置是通過極坐標的距離和方位來描述的，而AIS是通過船載GPS來獲取目標位置數(shù)據(jù)的，通過地理坐標的經(jīng)度與緯度來描述。因此，為實現(xiàn)二者的融合，首先需要對二者數(shù)據(jù)進行預處理，預處理的內(nèi)容包括坐標變換和時間校準。

（1）坐標變換。鑒于二者對目標位置的描述方法不同，需要將二者信息描述進行統(tǒng)一，都轉(zhuǎn)換到直角坐標系中。

（2）時間校準。雷達的掃描周期一般為15r/min-30r/min，比較固定。AIS廣播受發(fā)送機制的影響，其動態(tài)信息的發(fā)送間隔隨著船舶的狀態(tài)不同而發(fā)生變化。因此，需要將二者目標信息進行時間上的校準。常用的校準方法有三種：最鄰近規(guī)則試探法、自適應時間對準、AIS信息內(nèi)插或外推。

2.2.2 航跡關(guān)聯(lián)

雷達與AIS信息融合的關(guān)鍵之處在于目標航跡關(guān)聯(lián)，即通過信息處理來判斷二者傳輸回來的兩條目標軌跡是否為同一目標，也就是處理二者在檢測范圍內(nèi)目標重復跟蹤的問題，從某些程度上來講，也可以認為航跡關(guān)聯(lián)就是目標跟蹤信號的去干擾和去重復的過程。在周邊環(huán)境干擾較少且二者目標軌跡相距較近的條件下，實現(xiàn)航跡關(guān)聯(lián)較為簡單。但在檢測區(qū)域內(nèi)，目標物較多、目標物間距離較近、且周邊環(huán)境干擾因素較多的情況下，航跡關(guān)聯(lián)就變得相對復雜。

目前，航跡關(guān)聯(lián)算法主要歸納為兩類：一類是統(tǒng)計算法，常用的算法有加權(quán)法、統(tǒng)計雙門限法、修正法、最近鄰域法、序貫法、K近鄰域法、修正的K近鄰域法、經(jīng)典分配法和廣義分配法等；另一類是模糊算法，常用的算法有模糊經(jīng)典分配法、模糊綜合函數(shù)法、模糊雙門限法和模糊綜合決策法等。

表2 信息融合方法比較

2.2.3 航跡融合

通過航跡關(guān)聯(lián)檢驗后，可以確定同一目標的航跡，此時便可以進行目標航跡的融合處理，得到新的目標狀態(tài)。目前，常用的航跡融合算法主要為統(tǒng)計加權(quán)法，即預先設定融合加權(quán)的比重，將二者的檢測信息根據(jù)比重進行加權(quán)合并。值得一提的是，當AIS接收的信息丟失或者雷達探測數(shù)據(jù)丟失時，二者的融合跟蹤顯得更加重要，進一步提高了目標跟蹤的精度和可靠性。在實際操作過程中，二者融合的準確度主要受二者配置的傳感器精度的影響。

信息融合處理方法按技術(shù)方法和組成方式可分為多種，如表2所示：

3 結(jié)語

長江上游控制河段通航環(huán)境復雜，監(jiān)測目標種類多、數(shù)量大，環(huán)境干擾明顯，實時性和精確度要求高，如何提高通行信號指揮過程中船舶監(jiān)測的準確性和可靠性，是長期困擾長江航道工作者的一個難題。雷達和AIS在控制河段的融合應用，為今后的信號指揮智能化拓展了思路。但在雷達與AIS信息融合的實際操作中，還有許多現(xiàn)實問題，如各類算法的優(yōu)化、周邊環(huán)境干擾因素的處理、加權(quán)比重的合理分配等，需要在今后的研究工作中進一步解決。