王小春，吳寅松，駱曹飛

一種基于多源數(shù)據(jù)融合的漁船避碰預(yù)警終端

王小春1，吳寅松2，駱曹飛1

（1.中國電子科技集團(tuán)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(yīng)用以后，商漁碰撞從明顯下降到重新抬頭的現(xiàn)實(shí)原因分析，針對性地提出為漁船研制裝備一種基于多源數(shù)據(jù)融合的避碰預(yù)警終端的設(shè)想。對該終端的工作原理、相對完全依賴AIS的使用優(yōu)勢做了剖析，并針對不同情況初步探索了數(shù)據(jù)融合模型的要點(diǎn)。應(yīng)用該類避碰預(yù)警終端，將避免完全依賴AIS預(yù)警帶來的頻繁無效預(yù)警及漏報(bào)警等等弊端，實(shí)現(xiàn)對可能發(fā)生碰撞的精確預(yù)警。

AIS 雷達(dá) 避碰 數(shù)據(jù)融合

0 引言

漁船經(jīng)常占據(jù)商船的航道，在雙方都疏于瞭望，發(fā)現(xiàn)情況緊急時又采取避碰措施不當(dāng)?shù)臅r候，就容易發(fā)生商船和漁船相碰撞的事故。自從AIS廣泛應(yīng)用以后，商漁船碰撞的事故發(fā)生率明顯下降，漁船在避碰預(yù)警上主要依賴AIS設(shè)備，而雷達(dá)僅僅用作瞭望的輔助設(shè)備，甚至在一些小型漁船上都沒有安裝雷達(dá)[1]。AIS的應(yīng)用極大促進(jìn)了航行安全信息的交互，對降低商漁船碰撞事故發(fā)生發(fā)揮了重要作用。

但是近年來，商漁船碰撞的事故發(fā)生率又有抬頭的趨勢，其原因主要有以下幾點(diǎn)：

1）漁民對AIS過度依賴，對可能出現(xiàn)的險(xiǎn)情完全依靠AIS預(yù)警，而疏于瞭望。當(dāng)AIS受到干擾或者功率下降等原因?qū)е峦ㄐ挪徽r，就可能對出現(xiàn)的險(xiǎn)情不能及時預(yù)警。有些漁民為了保險(xiǎn)起見，安裝不止一臺AIS，使航道中的其他船舶難以認(rèn)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(yù)警功能。

2）漁船在行進(jìn)中作業(yè)，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(xiàn)的險(xiǎn)情進(jìn)行了預(yù)警，但沒有船員注意到。

3）網(wǎng)位儀的大量使用，導(dǎo)致商船在行進(jìn)途中發(fā)現(xiàn)到處都是AIS信號，商船無法判斷到底是網(wǎng)位儀還是漁船，有時認(rèn)為是網(wǎng)位儀冒險(xiǎn)駛過時可能與實(shí)際的漁船發(fā)生碰撞。網(wǎng)位儀大量使用還導(dǎo)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(xiàn)實(shí)，我們認(rèn)為需要開發(fā)一款專門用于漁船避碰預(yù)警的智能化終端設(shè)備，融合雷達(dá)、AIS及內(nèi)置電子海圖等多源數(shù)據(jù)，對航行局面的判斷都以后臺軟件來完成，根據(jù)不同的危險(xiǎn)等級以聲光形式對船員進(jìn)行精準(zhǔn)的報(bào)警，避免完全依賴AIS來實(shí)現(xiàn)避碰預(yù)警帶來的一系列弊端，降低操船人員的勞動強(qiáng)度，同時又與全船通用報(bào)警系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，當(dāng)駕駛室無人確認(rèn)時可以及時通知處于休息室或其他位置的船員及時響應(yīng)。

1 多源數(shù)據(jù)融合的智能終端

智能終端與周圍設(shè)備或信號的連接關(guān)系圖1。

圖1 智能終端與周圍設(shè)備的連接關(guān)系

智能終端具有多源數(shù)據(jù)處理和融合、顯控、報(bào)警以及信號輸出等功能。它綜合獲取導(dǎo)航雷達(dá)、AIS信號、船首、GPS等各個傳感器信息，提取其中有效信息，對環(huán)境雜波進(jìn)行濾波，并將多源信息融合完成后在內(nèi)置的電子海圖上進(jìn)行綜合顯示，利用內(nèi)置的船舶碰撞危險(xiǎn)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(bào)聲等形式向操船人員發(fā)出預(yù)警，如果設(shè)定時間內(nèi)沒有船員進(jìn)行確認(rèn)，則激活通用報(bào)警系統(tǒng)，向可能處于休息或作業(yè)的船員發(fā)出警報(bào)。還可以利用內(nèi)置的電子海圖設(shè)置航行碰撞高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，通常為商漁船碰撞高發(fā)區(qū)域以及航行繁忙區(qū)域，包括主管當(dāng)局發(fā)布的傳統(tǒng)航道、狹窄水道、港口區(qū)域等。在安裝本智能終端前，如果船舶已經(jīng)配備雷達(dá)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(shè)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(yù)警終端對海面上的目標(biāo)探測以雷達(dá)為主，這就避免了純粹依靠AIS帶來的一系列弊端。AIS對目標(biāo)的監(jiān)測依賴他船AIS設(shè)備的設(shè)置、傳感器的正常工作和數(shù)據(jù)精度，靜態(tài)信息可能被篡改、不準(zhǔn)確或錯誤。AIS不像雷達(dá)是自主探測設(shè)備，不能顯示島嶼、岸線和未裝備AIS設(shè)備的導(dǎo)航標(biāo)識，有些配有AIS設(shè)備的船舶也可能隨時將設(shè)備關(guān)閉。一些小型船舶安裝的B類AIS設(shè)備，發(fā)射功率低，信息更新間隔延長至30 s，特別在VHF數(shù)據(jù)鏈路繁忙時，CS-AIS設(shè)備會暫時自動終止船位報(bào)告發(fā)送，系統(tǒng)無法及時更新其信息。更有上面講到的網(wǎng)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(xiǎn)，而不能像雷達(dá)這樣根據(jù)探測到的船舶航跡數(shù)據(jù)結(jié)合本船的艏向和航速計(jì)算出TCPA/CPA實(shí)現(xiàn)精確的預(yù)警，從而避免使用AIS經(jīng)常出現(xiàn)頻繁而無用的報(bào)警[3]。

但是單單依靠雷達(dá)來作為避碰依據(jù)又是不充分的，會有目標(biāo)漏失概率（存在探測盲區(qū)），也難以保證設(shè)備工作一定穩(wěn)定。把雷達(dá)目標(biāo)和AIS目標(biāo)的相關(guān)信息進(jìn)行融合，可以充分利用兩者各自的優(yōu)勢，對目標(biāo)的信息掌握更加全面，使局面判斷更加精準(zhǔn)。通過信號的比對也易于發(fā)現(xiàn)某個設(shè)備異常以便及時進(jìn)行檢修。

2 多源數(shù)據(jù)融合及處理模型

在海面障礙物多源數(shù)據(jù)融合及處理模型（以下簡稱模型）中，導(dǎo)航雷達(dá)感知數(shù)據(jù)構(gòu)建基本的海面障礙物分布情況，AIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)障礙物信息補(bǔ)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(dá)數(shù)據(jù)與AIS數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)的主體特征，即通過障礙物的位置信息判斷雷達(dá)與AIS系統(tǒng)是否探測到同一障礙物。以下對于商漁船防碰撞預(yù)警系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的不同情況做出具體分析：

1）雷達(dá)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(tǒng)既定的閾值范圍內(nèi)）：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(biāo)特征，最終演算該障礙物的運(yùn)動趨勢及其他特征；

2）雷達(dá)探測到某一障礙物，但該障礙物附近無AIS探測結(jié)果：根據(jù)雷達(dá)探測到障礙物外形輪廓和運(yùn)動特性，判定該障礙物為海面漂浮物、島嶼、海面平臺或關(guān)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(yùn)動能力障礙物，歸于一般預(yù)警范疇；對具有機(jī)動特性的其他船舶，仍需根據(jù)會遇局面做出一般或緊急預(yù)警；

3）AIS存在探測結(jié)果，但在該結(jié)果附近無雷達(dá)探測數(shù)據(jù)：模型判定該障礙物為示位標(biāo)、網(wǎng)位儀等一般海事裝置，該類存在一般預(yù)警必要，但尚未達(dá)到緊急預(yù)警的程度。

3 結(jié)語

為漁船配備上述基于多源數(shù)據(jù)融合的避碰預(yù)警終端，將避免完全依賴AIS預(yù)警帶來的頻繁無效預(yù)警及漏報(bào)警等等弊端，實(shí)現(xiàn)對可能發(fā)生碰撞的精確預(yù)警。該智能終端的多源數(shù)據(jù)融合處理模型或者說關(guān)聯(lián)規(guī)則的設(shè)置是否科學(xué)、合理、完整，是產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)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(guān)注的信息，產(chǎn)品的屏幕要足夠大、方便觀察。海上航行環(huán)境千變?nèi)f化，配備這一類的智能終端是要減輕操船人員的勞動強(qiáng)度，幫助其及時認(rèn)清航行環(huán)境，智能化地給出避碰預(yù)警，但不能完全替代值班人員的瞭望。

[1] 徐開達(dá), 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(xué)院學(xué)報(bào), 2016.

[2] 楊政妮, 魏亮. 從海上交通安全管理角度淺談漁船AIS設(shè)備智能終端發(fā)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(xué)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(xiàng)目（2021C01010）

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