基于大數(shù)據(jù)的船舶AIS 設(shè)備智能監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

吳孝慧

（德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東德州 253000）

0 引言

AIS（Automatic Identification System，船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)）的作用主要有兩個(gè)，一是確保船舶靠岸時(shí)能夠與岸邊的基站進(jìn)行信息的溝通與交換，二是保證船舶航行過程中能夠及時(shí)與其他船舶展開信息交流。總而言之，AIS 系統(tǒng)設(shè)備對(duì)于船舶的航行、信息的交互、加強(qiáng)船舶之間的聯(lián)系均有重要的作用，是保證船舶航行安全、工作順利開展的根本。基于此，研究設(shè)計(jì)一套行之有效的船舶AIS 設(shè)備智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)我國AIS 系統(tǒng)的運(yùn)行安全、提高相關(guān)工作效率具有重要的作用。

1 大數(shù)據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

船舶安裝AIS 設(shè)備主要有兩個(gè)目的，一是方便船舶彼此能夠識(shí)別，通過獲取相關(guān)的航行動(dòng)態(tài)及操作意圖等信息，避免發(fā)生碰撞；二是便于VTS（Vessel Traffic Services，船舶交管中心）對(duì)轄區(qū)內(nèi)船舶進(jìn)行監(jiān)管，對(duì)水上交通局面作出準(zhǔn)確評(píng)估，進(jìn)而保障船舶的航行安全和秩序。因此，在船舶AIS 設(shè)備的智能檢測(cè)功能中，其主要檢測(cè)識(shí)別的范圍為人為虛擬發(fā)送的虛假船舶，具體情況有以下兩種：

（1）航速航向及船舶位置信息不匹配情況。通常情況下，AIS 設(shè)備辨識(shí)服務(wù)借助對(duì)同一船只上安裝的多個(gè)AIS 設(shè)備歷史數(shù)據(jù)分析作出識(shí)別，進(jìn)而對(duì)設(shè)備信息不同的問題進(jìn)行具體的分析。在此情況下，AIS 系統(tǒng)及時(shí)發(fā)送定位信息，并根據(jù)上一個(gè)時(shí)間段在航行速度、航行方向等信息將此次航行位置信息與電文中信息進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)二者信息不符的時(shí)候，即可判定傳播位置信息無效。

（2）接收基站位置與船舶位置不匹配的問題。當(dāng)?shù)胤紸IS 基站接收船舶發(fā)送的電文之后，地方基站會(huì)將電文在全國AIS 中心進(jìn)行集中與整合。在這樣的一個(gè)過程中就要求船只所發(fā)出的AIS 電文在基站特定范圍內(nèi)，如果超出范圍就會(huì)被認(rèn)定成位置信息無效。此外，對(duì)于在船舶上安裝多臺(tái)AIS 設(shè)備的狀況，一般情況下會(huì)出現(xiàn)以下兩個(gè)問題：一是當(dāng)兩臺(tái)設(shè)備處于間隔開啟狀態(tài)下，歷史數(shù)據(jù)會(huì)顯示出在一條軌跡中斷后另一軌跡緊接出現(xiàn)；二是當(dāng)兩臺(tái)以上的AIS 系統(tǒng)同時(shí)開啟時(shí)，兩條歷史軌跡會(huì)出現(xiàn)重合的狀況。因此可采取數(shù)據(jù)挖掘算法對(duì)AIS 數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，對(duì)以上關(guān)聯(lián)船舶軌跡進(jìn)行挖掘與呈現(xiàn)。

本文基于船舶AIS 設(shè)備實(shí)際情況，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)研究設(shè)計(jì)。系統(tǒng)以大數(shù)據(jù)平臺(tái)為依托，從系統(tǒng)總體需求出發(fā)，對(duì)系統(tǒng)總體框架及功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)船舶位置有效性辨識(shí)、數(shù)據(jù)預(yù)處理及船舶多AIS 辨識(shí)等系統(tǒng)服務(wù)。結(jié)合對(duì)實(shí)際情況的綜合考慮，本系統(tǒng)采用的大數(shù)據(jù)處理框架，須滿足高可用性、高數(shù)據(jù)吞吐量以及高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量的要求，因此該大數(shù)據(jù)平臺(tái)宜采用分布式文件系統(tǒng)HDFS，便于存儲(chǔ)海量的AIS 歷史數(shù)據(jù)且能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。采取Spark 處理框架的方式，方便針對(duì)設(shè)備中存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)作實(shí)時(shí)處理，有利于對(duì)船只運(yùn)行狀態(tài)作出及時(shí)分析。

2 AIS 設(shè)備智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能及總體設(shè)計(jì)

AIS 設(shè)備智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能主要有AIS 數(shù)據(jù)獲取、動(dòng)靜態(tài)信息監(jiān)測(cè)、有效性辨識(shí)功能以及系統(tǒng)人機(jī)交互等。由于AIS 設(shè)備在船舶及岸臺(tái)獲取附近船舶動(dòng)靜態(tài)信息中具有重要作用，因此AIS 數(shù)據(jù)的獲取尤為重要。該功能指的是，接收系統(tǒng)當(dāng)中的原始電文數(shù)據(jù)，同時(shí)作出預(yù)處理，并在解析后將其存儲(chǔ)至Kafka 的各個(gè)主題隊(duì)列中，詳細(xì)內(nèi)容包含原始數(shù)據(jù)接收、原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)校驗(yàn)解析以及數(shù)據(jù)分類輸出等。另外，為了保證辨識(shí)系統(tǒng)準(zhǔn)確性和有效性，需要在船舶上安裝多個(gè)AIS 設(shè)備，以有效識(shí)別傳播位置相關(guān)信息。此外，系統(tǒng)人機(jī)交互功能主要用于用戶界面展示，方便實(shí)時(shí)獲取有問題船舶信息。

系統(tǒng)的總體邏輯架構(gòu)如圖1 所示，船舶AIS 設(shè)備智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用Kafka 消息中間件獲取全國數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)中緩存的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，隨后借助掛載于系統(tǒng)當(dāng)中的Kafka，通過開展位置信息有效性辨識(shí)服務(wù)，隨后將數(shù)據(jù)輸入到結(jié)果數(shù)據(jù)庫中，經(jīng)過篩選后再進(jìn)入對(duì)外數(shù)據(jù)庫，最終借助人機(jī)交互界面進(jìn)行對(duì)外展示。

圖1 船舶AIS 設(shè)備智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

智能系統(tǒng)依托大數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)AIS 數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存及預(yù)處理，經(jīng)過預(yù)處理過后，進(jìn)行其他船舶監(jiān)測(cè)服務(wù)及船舶位置信息有效性辨識(shí)服務(wù)系統(tǒng)，該過程借助獲取大數(shù)據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)的方式，對(duì)所需船舶AIS 數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的處理。隨后結(jié)果存儲(chǔ)至結(jié)果數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，并將相關(guān)數(shù)據(jù)信息備份至對(duì)外數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，以方便用戶通過人機(jī)交互界面查詢使用。與此同時(shí)，讀寫分離方式也緩解了數(shù)據(jù)庫的壓力。

3 系統(tǒng)模塊功能的實(shí)現(xiàn)

從現(xiàn)實(shí)出發(fā)，AIS 作為通信導(dǎo)航系統(tǒng)，系統(tǒng)性能會(huì)與鏈路負(fù)載等多個(gè)因素直接相關(guān)。同時(shí)，部分國產(chǎn)AIS 船臺(tái)時(shí)隙分配時(shí)，存在布設(shè)偽基站、違反規(guī)范、濫用網(wǎng)位儀占用時(shí)隙等問題，使得AIS 信號(hào)出現(xiàn)異常，也有一小部分船舶故意使用或輸入錯(cuò)誤的AIS 靜態(tài)信息，以達(dá)到逃避海事監(jiān)管的非法目的。這些行為嚴(yán)重阻礙安全通航環(huán)境，因此需要通過系統(tǒng)邏輯算法對(duì)船舶進(jìn)行辨識(shí)，對(duì)AIS 電文準(zhǔn)確性及真實(shí)性進(jìn)行保障，進(jìn)而為海事管理機(jī)構(gòu)監(jiān)管提供有力支撐。本文提出如下4 點(diǎn)設(shè)計(jì)建議，以保障系統(tǒng)模塊功能實(shí)現(xiàn)。

3.1 數(shù)據(jù)獲取服務(wù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在數(shù)據(jù)獲取服務(wù)實(shí)現(xiàn)過程中，由于系統(tǒng)中的各個(gè)監(jiān)測(cè)服務(wù)會(huì)對(duì)多次調(diào)用AIS 服務(wù)，因此為保證系統(tǒng)的效率性，避免重復(fù)性操作的發(fā)生，會(huì)將存儲(chǔ)于Kafka 中的原始數(shù)據(jù)作如下處理：對(duì)于未經(jīng)處理原始電文存儲(chǔ)至HDFS 中，為船舶有效性辨識(shí)提供數(shù)據(jù)支持；對(duì)原始數(shù)據(jù)副本進(jìn)行語句校驗(yàn)、組包及過濾等，對(duì)原始報(bào)文作出解析，并將其組裝成字符串，對(duì)AIS 設(shè)備分析監(jiān)測(cè)服務(wù)形成數(shù)據(jù)支撐。另外數(shù)據(jù)獲取服務(wù)大多采用多數(shù)情況下線程開展，并就多條數(shù)據(jù)作并行處理和分布式部署。

3.2 多AIS 設(shè)備識(shí)別服務(wù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

針對(duì)同一艘船舶上裝有多臺(tái)不同AIS 設(shè)備，主要采取以下兩種方式：①船舶裝有兩臺(tái)AIS 設(shè)備，一般先開啟一臺(tái)設(shè)備、在關(guān)閉該設(shè)備后再開啟另一臺(tái)設(shè)備，這樣先前設(shè)備產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)會(huì)在一條船舶軌跡中斷過后，另一臺(tái)設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)歷史規(guī)矩會(huì)安全按照上一個(gè)歷史數(shù)據(jù)航行，并且接續(xù)的軌跡在之前不會(huì)存在軌跡；②同一船舶裝有兩臺(tái)或以上AIS 設(shè)備，并設(shè)備處于同時(shí)開啟狀態(tài)，歷史數(shù)據(jù)為一條船舶軌跡與附近多條船舶軌跡相同。

3.3 船舶定位信息有效性辨識(shí)服務(wù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為保障功能實(shí)現(xiàn)，首先需要搭建相應(yīng)的服務(wù)框架，隨后對(duì)船舶航跡與推算位置、船舶位置與發(fā)送基站位置兩種情況下不匹配的情況進(jìn)行分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)上述功能。具體來看，包含的模塊有主控模塊、內(nèi)存數(shù)據(jù)維護(hù)模塊、集群任務(wù)管理模塊、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)獲取模塊、黑白名單校驗(yàn)?zāi)K、基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的船舶位置有效性辨識(shí)模塊以及基于歷史數(shù)據(jù)的船舶位置有效性辨識(shí)模塊等。

3.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

MySQL 作為一種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，具有體積小、速度快等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)隨著MySQL 的不斷成熟，其也被用于大規(guī)模網(wǎng)站和應(yīng)用當(dāng)中。另外，MySQL 作為一款開放源碼軟件，總體的擁有成本更低且便于對(duì)數(shù)據(jù)查詢，因此使用MySQL 搭建數(shù)據(jù)庫。MMSI 碼、船名等靜態(tài)信息，則是在設(shè)備安裝完畢后、以船舶國籍證書的資料等作為依據(jù)輸入AIS 設(shè)備中。

4 船舶AIS 設(shè)備智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在具體的測(cè)試中，將特定的場(chǎng)景、基站和船舶的位置之間的間距作為判定的標(biāo)準(zhǔn)，并以此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)船舶的分布狀況進(jìn)行具體的判定。在測(cè)試過程中，撐場(chǎng)軌跡的范圍為0～50 nmile（1 nmile=1.852 km），疑似軌跡為51～200 nmile，大于200 nmile（370.4 km）則為異常軌跡。在測(cè)試進(jìn)行一段時(shí)間之后，如果船舶正常軌跡占比大于60%，則被判定為正常行駛軌跡。當(dāng)疑似軌跡和異常軌跡占比超過60%時(shí)，則被判定為異常船舶軌跡，而當(dāng)異常船舶數(shù)量超過疑似軌跡和異常軌跡之和60%的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判定異常船舶，相反則為疑似船舶。這樣的測(cè)試結(jié)果，能夠認(rèn)定該AIS 系統(tǒng)能夠有效滿足船舶AIS 設(shè)備監(jiān)控識(shí)別的服務(wù)要求。

5 結(jié)束語

通過對(duì)基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)的船舶AIS 設(shè)備智能監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究得出，依托大數(shù)據(jù)平臺(tái)，船舶AIS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)量有百萬級(jí)之多，這使得系統(tǒng)可擴(kuò)展性及容錯(cuò)性得到大幅提升。測(cè)試還發(fā)現(xiàn)，船舶AIS 智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還能夠采取機(jī)器學(xué)習(xí)等多種先進(jìn)方法，進(jìn)一步分析船舶行為，從而更為準(zhǔn)確高效地對(duì)異常船舶做好監(jiān)測(cè)識(shí)別。