基于星載AIS信息的船舶模擬訓練平臺*

程 歡，趙 柯，陳 鋒，吳鈺婷，曹 波

(陸軍軍事交通學院鎮江校區 指揮系，江蘇 鎮江 212003)

0 引 言

船舶模擬訓練一般采用大型三維視景模擬訓練系統[1]，現有系統存在真實感差、成本高和人工干預程度大等問題，無法滿足海員培訓、發證和值班標準國際公約(International Convention on Standards of Training,Certification and Watchkeeping for Seafarers,STCW)對航海訓練模擬器的要求[2]，主要體現在：船舶避碰訓練中的預案加載是由導演組負責導調，在三維視景中臨時加入的機動船只，留給學員分析判斷情況的時間短；模擬船舶的計劃航線往往只應用經緯度位置信息在兩個航路點間保向保速航行，與航道中船舶的運行狀態不符，船舶會遇時應當有相應的車舵操作和信號顯示。

為提高模擬訓練器的真實感，文獻[3-4]中提出了基于船舶自動識別系統(Automatic Identification System，AIS)的船舶駕駛實時增強仿真系統，依托真實AIS數據提取航跡，建立船舶駕駛實時增強仿真系統，形成更加逼真的航行區域環境，能夠更真實地反映艦船航行時的人機互動，有助于輔助決策結果的實時性、可信性與有效性。文獻[5]提出了一種能同時展示時間、空間和速度的三維可視化模型，能夠準確地表現出橋區船舶的通航狀態。在實際情況下受地球曲率影響，AIS信號的自組織協議通信范圍為20 n mile，大多數情況下無法獲取完整軌跡，這些航跡提取系統仿真的效果便會下降。與船載AIS系統不同，當衛星接收AIS信號時[6]，高度600 km的衛星對海面的觀測區域半徑達到1 500 n mile，能夠提取實船的完整航跡和航道信息。低軌衛星搭載船舶自動識別系統，能夠在更大范圍內動態監測全球船舶航行，提高航運安全和國防安全。AIS數據中通常包含著多維度的時間屬性、空間屬性和船舶屬性等信息，然而傳統的二維軌跡可視化方法往往只展現出船舶軌跡數據的空間屬性。文獻[7]基于AIS數據提出一種船舶操縱性指數的辨識模型，通過對船舶AIS數據進行處理和解碼，運用插值法對轉向率值進行數據重構。國外將基于聯合概率數據融合(The Joint Probabilistic Data Association，JPDA)的卡爾曼濾波算法[8-10]進行優化用于海事監控和船舶進出港口交通流量監視，提出了AIS與超視距雷達的數據融合。

本文就基于星載AIS信息的船舶模擬訓練平臺構建的系統框架、關鍵技術以及系統應用的場景開展研究，主要創新點如下：引入星載AIS數據提取實船靜動態消息，經數據清洗、插值和融合后獲取完整航線信息；從AIS數據中提取位置、航向航速和轉向率等多維度信息，融入船舶操縱運動模型，結合導調員對模擬船進行操縱，為半實物航海模擬器中進行船舶避碰、復雜條件航行等課目的訓練提供支撐;提取的AIS真實數據能夠驅動二維電子海圖(Electronic Navigation Chart，ENC)顯示，生成模擬訓練三維視景；完成各類海圖數據源的集成統一的多元電子海圖調用與顯示引擎。

1 系統框架

1.1 系統組成

如圖1所示，整個系統主要由導控中心，本船航線、模擬船航線和星載AIS處理航線模塊，本船虛擬視景平臺，船舶操縱運動模型，模擬雷達軟件，電子海圖軟件和三維視景軟件構成。

1.2 模擬器架構

模擬器架構主要由星載AIS地面處理服務器、控制臺服務器、學員客戶端(電子海圖、模擬雷達、三維視景)三部分組成，如圖2所示。星載AIS處理服務器因處理數據量較大，采用主從復合式處理結構實現數據的并行處理。主從復合式結構的特點是各處理節點物理上都是對等的，通過數據總線聯接。從功能上看，處于主控地位節點只有一個，完成任務的分配和調度；處于從屬地位的節點有多個完成數據分析和處理。控制臺由本船、模擬船和虛擬船服務器組成，可執行單船訓練和編隊訓練任務。其中本船客戶端只有一臺，模擬船服務器可配置多臺客戶端設備，配合本船執行編隊訓練；虛擬船服務器可拓展多個自動化目標。

圖2 模擬器架構圖

1.3 軟件及功能

星載AIS處理航線模塊包括混疊信號參數估計，下變頻到基帶信號，混疊信號分離、解碼存儲,AIS航跡自動生成算法[11]。星載AIS地面處理功能具有如下特點：一是任務時間較長，獲取AIS信息豐富，處理數據量較大；二是單個任務接收AIS信號的船舶信息具有地域和時間的約束，且具有一定的連續性特征功能；三是數據分布式處理功能，應對系統的計算負擔會隨港口船舶的密集程度、信號收集時間的增加而劇增。

電子海圖顯示平臺集成各類海圖數據源，形成由海圖、陸圖(地形圖)、衛星影像圖、內河圖江圖等組成的數字海圖調顯引擎。ENC軟件把接收到的本船運動信息，模擬船運動信息進行二維可視化顯示進行航行監控，把航行區域的地理環境信息發布給船舶操縱運動模型軟件進行碰撞檢測計算。為了充分發揮ENC對船舶動態監控功能，可以設置航行報警區域，錨泊時走錨報警，學員進行物標方位、距離定位計算等參數。

模擬雷達軟件，接收導控中心下發的本船位置數據和氣象海況數據生成固定目標回波、雜波，接收模擬船運動信息生成運動目標回波。模擬雷達軟件不局限于雷達的基本功能還可以仿真報警功能、雷達自動標繪功能，并能夠為雷達性能測試、航海軍事仿真以及航海培訓還原真實的情景，具有能夠達到STCW模擬器標準的雷達回波模擬圖像。

船舶模擬訓練平臺以本船虛擬視景平臺(簡稱本船視景平臺)為核心，目的是為學員營造一個相對真實的海上航行環境。航行過程中學員如果操作動態監控系統、羅經和車舵等，專家系統會給出該設備的信息提示[1]。如果出現誤操作，專家系統則會給出警告信息。

1.4 工作流程

本船視景平臺接收導控中心的航線文件，將相關信息傳輸給三維視景庫和船舶操縱運動模型數據庫、雷達和電子海圖，生成地形、本船、模擬船、天氣條件和海況條件等船舶航行信息。在船舶操縱運動模型的驅動下，學員操作本船視景平臺在三維虛擬環境中交互訓練。系統將每項具體操作所產生的數據存入數據庫供評估系統進行成績評定使用，也可在訓練后進行回放和總結經驗教訓使用。

2 關鍵技術

2.1 星載AIS數據的信息融合

訓練平臺融合船舶保障信息，具備接入星載AIS設備報告海上目標的能力，能夠將雷達、AIS等信源的實時目標航跡數據自動融合生成轄區統一的海域綜合態勢，主要涉及星載AIS數據處理、大地坐標系到墨卡托投影變換和Douglas-Peuker算法[11]。星載AIS信號處理服務器航跡提取步驟包括：AIS數據解碼、解譯和清洗；數據關聯、插值；航跡提取和數據發布。

衛星通信大多采用非合作式突發信號[6]，信源信宿的相對運動容易產生較大多普勒頻移和同道干擾等影響信號解調性能的問題。在中心頻率估計時會產生偏差，利用差分解調時基帶信號發生畸變，后續處理的過程中，一般采用循環冗余校驗來驗證解碼消息的正確性，通過校驗的AIS消息即可解譯。

數據清洗，即剔除水上移動通信業務標識碼(Maritime Mobile Service Identify，MMSI)不完整或者無意義的船舶，包括錯誤的數據(例如在時間連續的記錄中出現經緯度變化較大的異常點)和重復的數據(例如船舶停靠碼頭或者裝卸載貨物時在連續時間內經緯度幾乎不變的點)。將AIS消息清洗后存入數據庫，包含MMSI、UTC時間、緯度、經度、對地航向、對地航速和轉向率。

數據關聯，即設置訓練起始點位置和船舶參數等，通過MMSI號碼可以從歷史數據庫中篩選出相關船舶的AIS航跡，使得AIS目標數據具有連續性。

數據插值，將AIS的經緯度、航向和速度轉換成直角坐標形式后采用勻速目標運動方程卡爾曼濾波算法進行插值，在濾波算法中船舶位置量測數據有多個，需要計算每個量測與目標航跡的關聯概率，完成AIS數據與航跡信息的平滑融合。

Douglas-Peuker算法，即根據設定的閾值進行特征點的提取，循環執行得到轉向點和初步航跡，初步航跡經安全性檢測后生成可行航線，將壓縮后的航路點轉換成S57格式存儲。

AIS目標數據發布，即調用發布程序，將經過上述處理的AIS目標形成的模擬船實時運動狀態信息發送給總導演監控軟件的仿真任務控制模塊，供本船視景平臺使用。

2.2 船舶操縱運動模型

通過對AIS消息中轉向率數據的處理，實現船舶操縱性能指數的辨識，用于對船舶操縱性的預報和船舶未來運動軌跡的實時預測。船舶操縱運動模型應用較多的一般有MMG[7]模型和響應型模型兩種。因航道中的船舶大部分時間采用定向定速的操縱模式，船舶機動的時間較少且轉向率比較穩定，因此船舶模擬訓練中采用響應模型建模。該模型把船舶整體看成輸入與輸出的動態響應系統，把操船的舵角和船舶轉向率作為輸入部分，把船舶操舵后生成的船舶操縱性指數T、K作為輸出部分，在此特性的條件下，建立AIS數據進行T、K參數辨識的曲線擬合響應模型。舵角與轉向率的差分離散關系見公式(1)：

(1)

式中：r(k)為前一時刻船舶轉向率，δ(k)為舵角，Δt是采樣周期。

總導演下發定制的航線后，將航線等間隔的分割成一系列元胞[12]，如圖3所示。船舶(X，L，V)隨機分布在長度為n的一維離散元胞鏈上，具有位置X、長度L和速度V三類屬性。通過星載AIS數據的信息融合，可以精確地判斷下一時刻這些船舶的徑向距離、速度、與本船的相對位置關系以及是否構成碰撞危險等信息，從而決定本船在當前時刻的行動。本船和模擬船在滿足安全航行的條件下實施追越，遵循相關的變道追越、逆行和駛回規則。兩船會遇時模擬船根據設定的轉向率自動的進行車舵操作，同時給出相應的音響信號、信號燈。

圖3 元胞示意圖

每個元胞的狀態可能為：沒有船舶速度為“0”，或者被一艘速度為Vi(Vi∈{1,2,…,Vmax})的船占據，其中Vmax為某類型船的最大航速，用一個時間步長內經過的元胞數量度量；船i占據從起始點的向左或向右(取決于航行方向)的相鄰的Li個元胞，Li∈{1,2,…,Lmax}，Lmax為航道中最大船長占據的元胞數量。

2.3 數字海圖數據源集成

海圖數據源的集成如圖4所示，集成各類數據組成統一的多元電子海圖調用與顯示引擎。海圖二次開發接口要求主要包括多元海圖數據解析、AIS和雷達數據融合、二維可視化表達和數據加密。數據解析模塊支持S57格式海圖、地形圖、衛星影像和中國內河江圖解析，具有基于AIS數據和船用導航雷達目標數據的船舶顯示、查詢、報警等功能。二維可視化包括對海圖要素隨比例尺變化的多尺度表達，圖面整潔清晰，支持白晝模式(白背景、黑背景)、黃昏模式和夜晚模式(濾光、未濾光)等情景顯示模式。多圖幅的同時顯示，保證用戶操作無需關心海圖的切換操作，支持大容量海圖圖幅。數據加密包括矢量數據和柵格數據加密。二次開發接口以Windows下標準ActiveX控件.DLL形式提供，可支持C++、C#等主流開發語言支持。

圖4 調顯引擎組成框圖

3 系統應用

主界面的功能需求為總導演席位、航海教室教員機席位、學員機席位、虛擬視景席位、模擬雷達席位、電子海圖席位和電子沙盤席位。導控中心的總導演統領全局負責導調，航海教室負責訓練文書下達，主要進行初始化環境設置、天氣條件設置、載入導調預案和添加模擬目標。

3.1 星載AIS地面處理

基于星載AIS地面處理的動態監控設備通過獲取周邊他船船位、船舶資料、航向和航速，驅動二維電子海圖顯示和標注，如圖5所示。

圖5 AIS消息驅動電子海圖

圖5中，左下角三角形表示本船位置，模擬船經緯度用墨卡托投影轉換后，其位置以相對于本船的方位、距離顯示。AIS服務器發布的航跡數據可用于驅動三維視景實船模型，為導控中心加載預案時本船航線、模擬船航線設置提供數據支撐。

3.2 航線制定

(1)總導演打開預案

在屏幕上顯示本船航線及模擬船目標，如圖6所示。在訓練過程中本船應當按照航線航行，實施方法見3.3節。

圖6 航線制定

(2)模擬船機動

在訓練準備階段由導演組下發模擬船航線，訓練過程中模擬船按照既定航線進行保向保速航行，當模擬船與本船的運動態勢形成對遇、追越或者正橫前后會遇時，模擬船的航向、航速狀態應當作出相應調整；危險解除時模擬船自動及時恢復到原航向航線繼續保向保速航行。

3.3 本船操縱運動模型

本船航行有三種方式實施方法，如圖7所示。

圖7 船舶操縱運動模型

(1)按車舵操控航行。選擇航海教室功能中的“按車舵操控航行”，點擊“顯示車舵窗口”，即可通過車舵控制航速和舵角。

(2)按定向定速航行。選擇航海教室功能中的“按定向定速航行”，彈出“模擬船屬性”窗口，設置初始航向、初始航速，即可進行定向定速航行。

(3)按計劃航線航行。選擇航海教室功能中的“按計劃航線航行”，彈出模擬船屬性窗口，設置“起始航路點”，即可直線航行到該航路點后，按計劃航線航行。

3.4 模擬雷達軟件

雷達顯示屏幕和標記如圖8所示。雷達顯示屏幕共分為回波區、操作區和信息顯示區三個區域。回波區包含回波、真北方向、方位刻度和船首方向。操作區包含:量程調整、放大、偏心；方位、距離測量；增益、海浪、雨雪抑制，鼠標位置顯示；錄取、報警區設置。信息顯示區包含:本船位置、航向、航速；錄取目標信息(方位、距離、速度、航向)。

圖8 雷達顯示屏幕和標記

3.5 電子海圖

ENC包含一些基本的海圖瀏覽操作，如放大、縮小、移動、重置和分層顯示等，如圖9所示。

圖9 電子海圖操作

3.6 三維視景

本船三維視景如圖10所示，主要用于配合電子海圖和紙質海圖進行識標、選標，其中CB是當前黃線所對應的羅方位。

圖10 本船三維視景

4 結束語

本文構建了基于星載AIS信息的三維虛擬船舶的駕駛員模擬訓練平臺，提取真實船舶實時數據驅動二維電子海圖顯示，構建三維虛擬視景，既可以開展船舶駕駛員的船舶操縱避碰、靠離碼頭、物標定位、雷達操作和電子海圖操作等課目的訓練，發揮模擬器訓練獨特的優勢，也能夠適當地開展復雜條件下航行(霧中航行、夜間航行)、狹水道航行和編隊運動等條件設置較為苛刻課目的訓練。

平臺采用基于AIS雙向航道的船舶交通流模型，對模擬訓練中的船舶態勢進行分析，得出有無碰撞危險的判斷。本船和模擬船在滿足安全航行的條件下實施追越，遵循相關的變道追越、逆行和駛回規則。兩船會遇時，模擬船根據設定的轉向率自動的進行車舵操作，同時給出相應的信號燈；危險解除時模擬船只及時地恢復原航向航速。如何通過與本船同類型的AIS模擬船運動信息來驗證本船的船舶操縱性指數將是后續研究的重要內容。