在VTS系統(tǒng)中實現(xiàn)雷達(dá)信息與AIS信息融合的方法探討

1、    在vts系統(tǒng)中實現(xiàn)雷達(dá)信息與ais信息融合的方法探討    摘 要：本文探討了ais設(shè)備在vts系統(tǒng)中的應(yīng)用，還分析了vts系統(tǒng)、ais與雷達(dá)的作用。提出實現(xiàn)雷達(dá)信息與ais信息融合的必要性，并對信息融合的基本原理與方法步驟展開說明，有效解決了不同設(shè)備中同一信息的處理差異問題。文章最后說明在信息融合過程中存在的問題，為未來的研究指明的方向。關(guān)鍵詞：vts系統(tǒng);ais;雷達(dá);信息融合ais信息與vts中雷達(dá)信息融合是在船上的多種傳感器有效綜合處理，得到可靠、高精度的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，為船岸通信導(dǎo)航需求服務(wù)的背景下提出來的。在科技進(jìn)步的推動下，船岸的通信設(shè)備

2、日益增加，不僅給船舶的航行安全提供了保障，還提高了航運效率，在海洋環(huán)境保護(hù)方面也提供了有力的技術(shù)支持。但是，由于各類導(dǎo)航傳感器之間提供的數(shù)據(jù)精度存在差異，且如ais、雷達(dá)等提供的信息中存在關(guān)聯(lián)和冗余，這就給數(shù)據(jù)處理與分析帶來了一定的困難，并造成了資源浪費。本文就雷達(dá)信息與ais信息融合的必要性和方法步驟等展開論述。1 vts系統(tǒng)與ais作用分析1.1 vts系統(tǒng)的作用vts（vessel traffic service）是一種由雷達(dá)、ais、cctv、無線通訊等子系統(tǒng)組成的對在港灣或進(jìn)出港口的船舶實施監(jiān)控、協(xié)調(diào)，并給這些船舶提供航行中所需的安全信息的交通管理系統(tǒng)1。國際海事組織（imo）對vt

3、s的定義是：由主管機(jī)關(guān)實施的，用于增進(jìn)交通安全和提高交通效率以及保護(hù)環(huán)境的服務(wù)2。vts系統(tǒng)具有四大功能：信息服務(wù)、助航服務(wù)、交通組織服務(wù)和聯(lián)合服務(wù)。當(dāng)前，在我國的沿海城市，vts系統(tǒng)已經(jīng)在船舶運輸管理、海事部門行政執(zhí)法和保護(hù)國家海洋權(quán)益等方面發(fā)揮重要作用。1.2 雷達(dá)系統(tǒng)在vts中，雷達(dá)系統(tǒng)是重要組成部分。雷達(dá)系統(tǒng)是船舶實時動態(tài)數(shù)據(jù)搜集和交通監(jiān)視的主要工具。雷達(dá)的主要任務(wù)包括3：目標(biāo)檢測與錄取、目標(biāo)跟蹤、運動參數(shù)計算和危險局面判斷等。vts想要對整個區(qū)域的交通狀況進(jìn)行評估，就需要通過雷達(dá)系統(tǒng)獲得雷達(dá)圖像。通過雷達(dá)圖像，可快速直觀的判斷航道船舶密度，運動情況，進(jìn)而找到存在碰撞、擱淺等危險的區(qū)域

4、，或者海事發(fā)生后可能造成危險發(fā)展的嚴(yán)重程度等，進(jìn)而確定是否需要采取必要行動措施。1.3 ais系統(tǒng)ais（automatic identification system）是船舶自動識別系統(tǒng)，誕生于20世紀(jì)90年代。國際海事組織對ais系統(tǒng)的描述為：ais是一種船上改善避碰效果的方法;ais是一種不用雷達(dá)即可使vts獲得交通狀態(tài)的方法;ais是一種制定船舶報告計劃的方法。ais 根據(jù)船舶的航行狀態(tài)，以一定的時間間隔不斷發(fā)送信息。這些信息主要包括靜態(tài)信息和動態(tài)信息。靜態(tài)信息包括imo識別編碼，海上移動業(yè)務(wù)識別碼（mmsi），呼號及船名，船長，船寬，船舶類型，定位儀天線（主要是gps）在船上的位置（

5、離船舶距離和中心線左右距離）。動態(tài)信息主要是船位及其精度標(biāo)示和完好性狀態(tài)，世界協(xié)調(diào)時utc 時間，真航向，對地航速，艏向，航行狀態(tài)，轉(zhuǎn)向速率等4。2 ais在vts中的應(yīng)用目前，大多數(shù) vts是以雷達(dá)為基礎(chǔ)進(jìn)行船舶數(shù)據(jù)的采集和跟蹤，而vhf話音通信是船舶的交通服務(wù)的主要方式。將ais技術(shù)引入vts，對vts的船舶數(shù)據(jù)采集與跟蹤以及實施服。ais的引入對vts的影響包括三個方面4：自動船舶識別與提高船舶數(shù)據(jù)質(zhì)量;擴(kuò)展跟蹤范圍和改善跟蹤性能以及改善和擴(kuò)展服務(wù)功能。3 信息融合的必要性5按照solas 1974要求，從事國際運輸?shù)默F(xiàn)代化船舶至少應(yīng)配備1臺電子海圖顯示與信息系統(tǒng)ecdis和2臺雷達(dá)/a

6、rpa。在雨、霧和各類船舶密集區(qū)域，船舶如果同時使用2臺雷達(dá)，由于其天線的位置和目標(biāo)船舶的相對關(guān)系以及無線電波的波長不同，在ecdis上就會出現(xiàn)對同一船舶的2個回波顯示，再加上ais信息，顯示器上就會出現(xiàn)3個不同的船位顯示。這樣很可能會造成駕駛員對情況誤判，最終引起風(fēng)險。同一船舶的arpa和ais的數(shù)據(jù)來源和處理方式不同（對地運動和對水運動，歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)），所以通過雷達(dá)/arpa和ais獲得的目標(biāo)船的運動參數(shù)是不同的。ais 的船舶靜態(tài)信息、航行相關(guān)信息以及與安全有關(guān)的短信息與雷達(dá)信息無關(guān)，而船舶動態(tài)信息與雷達(dá)信息有關(guān)。因此，ais 信息與雷達(dá)信息的融合主要是ais船舶動態(tài)信息與雷達(dá)信息

7、的融合。4 信息融合的基本原理信息融合是充分利用多傳感器系統(tǒng)的資源，通過對多傳感器系統(tǒng)觀測信息的合理支配和利用，把多傳感器系統(tǒng)在空間或時間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)一定的準(zhǔn)則進(jìn)行融合，以獲得被測對象的一致性解釋和描述6。在信息融合技術(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7。信息融合一般分為三級，從低到高依次為8：數(shù)據(jù)級融合、特征級融合和決策級融合，其中決策級融合是最高級的融合。信息融合的模式分為集中式融合和分布式融合8。各傳感器單獨跟蹤目標(biāo)，利用自己的量測做出本地判決結(jié)論，將估計結(jié)果向數(shù)據(jù)融合中心報送，數(shù)據(jù)融合中心在更高層次上集中多方面

8、數(shù)據(jù)做出進(jìn)一步的相關(guān)合成處理9。集中式融合傳送的數(shù)據(jù)全面，無信息丟失，最終判決結(jié)論置信度高;而分布式融合傳送的數(shù)據(jù)量少，對傳輸網(wǎng)絡(luò)的要求不嚴(yán)格，融合中心處理時間短，計算速度快、可靠性和延續(xù)性好，響應(yīng)速度快。集中式融合傳送數(shù)據(jù)量大，對處理器的要求高，可靠性較低，信息處理時間較長，影響系統(tǒng)響應(yīng)能力;分布式融合的跟蹤精度沒有集中式高。5 信息融合的方法與步驟5.1 信息融合的方法信息融合處理方法按技術(shù)方法和組合方式可分為多種10-11，如表1所示。5.2 ais與vts的雷達(dá)/arpa信息融合的步驟判別一個目標(biāo)的存在，ais的信息為即時運動參數(shù)，雷達(dá)型的arpa的矢量圖是通過歷次雷達(dá)數(shù)據(jù)推算而得出，

9、性質(zhì)不一樣。當(dāng)ais 船位信息與雷達(dá)回波相近時兩者融合在一起，顯示一個船舶信息;相差較大時則分別顯示ais 信息與雷達(dá)回波信息。對于后者，如何顯示目標(biāo)較真實的運行狀態(tài)亦即信息融合的問題。圖1是雷達(dá)和ais各自獲得的數(shù)據(jù)融合步驟的示意圖。1）雷達(dá)獲得目標(biāo)的距離r（m）和方位（°），ais獲得目標(biāo)位置的經(jīng)度l和緯度l。2）將數(shù)據(jù)送入處理器之前，要確保兩種設(shè)備所獲得數(shù)據(jù)的時間同步。3）將雷達(dá)探測到的目標(biāo)航跡與ais 所提供的目標(biāo)航跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)，找出屬于同一個目標(biāo)的ais 目標(biāo)航跡和雷達(dá)目標(biāo)航跡。4）數(shù)據(jù)融合之前，要進(jìn)行數(shù)據(jù)的坐標(biāo)變換，兩者的數(shù)據(jù)采用同一格式。5）把航跡關(guān)聯(lián)的的目標(biāo)數(shù)據(jù)以某種算

10、法準(zhǔn)則（正態(tài)型隸屬度函數(shù)）進(jìn)行歸一化處理，實現(xiàn)兩種信息的互補(bǔ)，提高數(shù)據(jù)融合的質(zhì)量。6 信息融合中存在的問題進(jìn)行信息融合處理的重要前提是兩者信息的時間、空間統(tǒng)一，關(guān)鍵是信息的相關(guān)性判別，最終目標(biāo)是形成中心級航跡。vts 中環(huán)境復(fù)雜，目標(biāo)數(shù)量大，實時性強(qiáng)，對目標(biāo)信息融合，必須考慮各種算法的有效性、可靠性。同時，要考慮算法本身存在的系統(tǒng)誤差，以及誤差對航跡關(guān)聯(lián)與航跡融合的影響。 融合的算法大體上分兩大類：一是基于統(tǒng)計的方法，再就是基于模糊數(shù)學(xué)的方法，每一類又分很多種具體的算法。不少文獻(xiàn)對這些算法作了深入的研究與探討，同時也進(jìn)行了仿真，但是在工程實現(xiàn)還有待于進(jìn)一步的探索。必須考慮雷達(dá)和ais 的信息的

11、來源、種類以及環(huán)境對信息影響等特點，二者信息存在著冗余性和相關(guān)性，如何將信息進(jìn)行有效的相關(guān)、融合，建立共同的中心級航跡，是亟待解決的問題。7 結(jié)束語本文介紹了vts系統(tǒng)、雷達(dá)以及ais系統(tǒng)各自的作用，就將vts中雷達(dá)信息與ais信息有效融合的必要性、基本原理與方法展開論述。利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)將vts系統(tǒng)中的雷達(dá)信息與ais信息實現(xiàn)融合，有利于充分利用各自資源，改進(jìn)海事管理工作，完善監(jiān)督和服務(wù)。同時，本文所提及的方法步驟在實際應(yīng)用中具有參考意義。參考文獻(xiàn)1夏旻辰，梁建設(shè).vts在我國海事發(fā)展中的作用、存在的問題及思考j.中國水運，2017，17（7）：49-51.2戚群，于濤.船舶交通管理系統(tǒng)（v

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