一種基于多源數據融合的漁船避碰預警終端

王小春，吳寅松，駱曹飛

一種基于多源數據融合的漁船避碰預警終端

王小春1，吳寅松2，駱曹飛1

（1.中國電子科技集團公司第三十六研究所，嘉興 314031；2.中國船級社浙江分社，寧波 315099）

通過對AIS廣泛應用以后，商漁碰撞從明顯下降到重新抬頭的現實原因分析，針對性地提出為漁船研制裝備一種基于多源數據融合的避碰預警終端的設想。對該終端的工作原理、相對完全依賴AIS的使用優勢做了剖析，并針對不同情況初步探索了數據融合模型的要點。應用該類避碰預警終端，將避免完全依賴AIS預警帶來的頻繁無效預警及漏報警等等弊端，實現對可能發生碰撞的精確預警。

AIS 雷達 避碰 數據融合

0 引言

漁船經常占據商船的航道，在雙方都疏于瞭望，發現情況緊急時又采取避碰措施不當的時候，就容易發生商船和漁船相碰撞的事故。自從AIS廣泛應用以后，商漁船碰撞的事故發生率明顯下降，漁船在避碰預警上主要依賴AIS設備，而雷達僅僅用作瞭望的輔助設備，甚至在一些小型漁船上都沒有安裝雷達[1]。AIS的應用極大促進了航行安全信息的交互，對降低商漁船碰撞事故發生發揮了重要作用。

但是近年來，商漁船碰撞的事故發生率又有抬頭的趨勢，其原因主要有以下幾點：

1）漁民對AIS過度依賴，對可能出現的險情完全依靠AIS預警，而疏于瞭望。當AIS受到干擾或者功率下降等原因導致通信不正常時，就可能對出現的險情不能及時預警。有些漁民為了保險起見，安裝不止一臺AIS，使航道中的其他船舶難以認清形勢。AIS對沒有安裝AIS的船舶或者其他障礙物無法起到避碰預警功能。

2）漁船在行進中作業，駕駛室有時無人值守，或雖有人但極度疲勞形同無人，AIS雖然對出現的險情進行了預警，但沒有船員注意到。

3）網位儀的大量使用，導致商船在行進途中發現到處都是AIS信號，商船無法判斷到底是網位儀還是漁船，有時認為是網位儀冒險駛過時可能與實際的漁船發生碰撞。網位儀大量使用還導致AIS的通信頻道阻塞，造成船舶之間的通信不暢，影響避碰措施的采取[2]。

基于以上的現實，我們認為需要開發一款專門用于漁船避碰預警的智能化終端設備，融合雷達、AIS及內置電子海圖等多源數據，對航行局面的判斷都以后臺軟件來完成，根據不同的危險等級以聲光形式對船員進行精準的報警，避免完全依賴AIS來實現避碰預警帶來的一系列弊端，降低操船人員的勞動強度，同時又與全船通用報警系統關聯，當駕駛室無人確認時可以及時通知處于休息室或其他位置的船員及時響應。

1 多源數據融合的智能終端

智能終端與周圍設備或信號的連接關系圖1。

圖1 智能終端與周圍設備的連接關系

智能終端具有多源數據處理和融合、顯控、報警以及信號輸出等功能。它綜合獲取導航雷達、AIS信號、船首、GPS等各個傳感器信息，提取其中有效信息，對環境雜波進行濾波，并將多源信息融合完成后在內置的電子海圖上進行綜合顯示，利用內置的船舶碰撞危險判定軟件推演本船航行是否存在與海面船舶或其他障礙物的碰撞可能，若存在碰撞威脅，則采用閃爍的彈窗和警報聲等形式向操船人員發出預警，如果設定時間內沒有船員進行確認，則激活通用報警系統，向可能處于休息或作業的船員發出警報。還可以利用內置的電子海圖設置航行碰撞高風險區域，通常為商漁船碰撞高發區域以及航行繁忙區域，包括主管當局發布的傳統航道、狹窄水道、港口區域等。在安裝本智能終端前，如果船舶已經配備雷達和艏向傳感器，可以利用，如未配置或效能下降，則需要新增。AIS和GPS設備一般是必配，其輸出信號直接連到智能終端即可。

該避碰預警終端對海面上的目標探測以雷達為主，這就避免了純粹依靠AIS帶來的一系列弊端。AIS對目標的監測依賴他船AIS設備的設置、傳感器的正常工作和數據精度，靜態信息可能被篡改、不準確或錯誤。AIS不像雷達是自主探測設備，不能顯示島嶼、岸線和未裝備AIS設備的導航標識，有些配有AIS設備的船舶也可能隨時將設備關閉。一些小型船舶安裝的B類AIS設備，發射功率低，信息更新間隔延長至30 s，特別在VHF數據鏈路繁忙時，CS-AIS設備會暫時自動終止船位報告發送，系統無法及時更新其信息。更有上面講到的網位儀大量使用帶來的混亂和信道阻塞問題。AIS一般通過船舶之間相對位置（頂多再加個對地速度）來判斷碰撞危險，而不能像雷達這樣根據探測到的船舶航跡數據結合本船的艏向和航速計算出TCPA/CPA實現精確的預警，從而避免使用AIS經常出現頻繁而無用的報警[3]。

但是單單依靠雷達來作為避碰依據又是不充分的，會有目標漏失概率（存在探測盲區），也難以保證設備工作一定穩定。把雷達目標和AIS目標的相關信息進行融合，可以充分利用兩者各自的優勢，對目標的信息掌握更加全面，使局面判斷更加精準。通過信號的比對也易于發現某個設備異常以便及時進行檢修。

2 多源數據融合及處理模型

在海面障礙物多源數據融合及處理模型（以下簡稱模型）中，導航雷達感知數據構建基本的海面障礙物分布情況，AIS系統實現障礙物信息補充、遺漏障礙物提示等功能。

在模型中，障礙物地理位置信息是雷達數據與AIS數據相互關聯的主體特征，即通過障礙物的位置信息判斷雷達與AIS系統是否探測到同一障礙物。以下對于商漁船防碰撞預警系統在運行過程中可能出現的不同情況做出具體分析：

1）雷達探測的障礙物位置與AIS探測的障礙物位置基本吻合（即兩類傳感器探測到同一障礙物的位置信息誤差值在系統既定的閾值范圍內）：模型判定該障礙物為海面船舶，分別通過兩類傳感器獲取不同的目標特征，最終演算該障礙物的運動趨勢及其他特征；

2）雷達探測到某一障礙物，但該障礙物附近無AIS探測結果：根據雷達探測到障礙物外形輪廓和運動特性，判定該障礙物為海面漂浮物、島嶼、海面平臺或關閉/未配置AIS的其他船舶等。對漂浮物、島嶼、海面平臺等無自主運動能力障礙物，歸于一般預警范疇；對具有機動特性的其他船舶，仍需根據會遇局面做出一般或緊急預警；

3）AIS存在探測結果，但在該結果附近無雷達探測數據：模型判定該障礙物為示位標、網位儀等一般海事裝置，該類存在一般預警必要，但尚未達到緊急預警的程度。

3 結語

為漁船配備上述基于多源數據融合的避碰預警終端，將避免完全依賴AIS預警帶來的頻繁無效預警及漏報警等等弊端，實現對可能發生碰撞的精確預警。該智能終端的多源數據融合處理模型或者說關聯規則的設置是否科學、合理、完整，是產品開發的關鍵。但從用戶角度考慮，其操作界面一定要簡潔，剔除冗余信息，保留感興趣或必須關注的信息，產品的屏幕要足夠大、方便觀察。海上航行環境千變萬化，配備這一類的智能終端是要減輕操船人員的勞動強度，幫助其及時認清航行環境，智能化地給出避碰預警，但不能完全替代值班人員的瞭望。

[1] 徐開達, 戴乾. 浙江海域商船與漁船碰撞事故特征、原因及避碰對策[J]. 浙江海洋學院學報, 2016.

[2] 楊政妮, 魏亮. 從海上交通安全管理角度淺談漁船AIS設備智能終端發展和對策研究[J]. 中國海事, 2020.

[3] 劉彤. 航海儀器[M]. 大連海事大學出版社, 2013.

A collision avoidance warning terminal for shipping boats based on Multi-source data fusion

Wang Xiaochun1, Wu Yinsong2, Luo Caofei1

（1. 36th Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation,Jiaxing314031; 2. China Classificaton Society Zhejiang Branch, Ningbo315099)

U675

A

1003-4862（2022）03-0028-02

2021-07-13

浙江省科技廳項目（2021C01010）

王小春（1975-），男，高級工程師，主要從事海洋電子裝備研發。E-mail: 69509432@qq.com