基于AIS VDL的AIS船臺動態信息符合度監測系統設計和實現

文 孔 濤，姚高樂，陳廣通，駱 瑩（天津航標處，天津 300456）

一、引言

AIS系統是一種岸基和船載廣播式自動識別報告系統，在海上交通組織和保障船舶航行安全方面發揮著重要作用。由于AIS通信協議的公開透明性以及AIS系統自身的脆弱性，部分廠商片面逐利，加之各種不當操作，導致大量船臺技術不合規，船舶AIS動、靜態信息錯漏空情況嚴重，AIS船臺信息的低符合度給船舶協調避碰、海上交通指揮以及基于AIS的大數據分析帶來負面影響。

由于AIS技術在船-船、船-岸信息交互中的獨特優勢，基于AIS技術的各類衍生設備應運而生，如AIS搜救發射器（AIS SART）、人員搜救信標（MOB）、AIS航標等，特別是基于AIS技術的網位儀利用AIS CLASS A/B報文或21號報文（專用于航標報告）播發任意設置的名稱、位置、MMSI、類型等信息，發射功率、發射頻率、通信接入方式等設備參數均由廠商隨意設置，大量占用有限的AIS時隙資源，給AIS VDL鏈路管理造成了很大困擾，不僅干擾船舶避碰操作，影響AIS數據的挖掘應用，而且對我國國際形象也造成不良影響。近年來還出現了通過模擬生成的欺騙性報文和錯誤AIS信息，亟需利用智能化監管手段提升不合規信息監測能力，為海事執法部門提供精準高效的技術支持。

AIS動態信息符合度監測相較于靜態信息監測更加困難，在符合度監測的基礎上，還需結合合理性檢測等輔助方法，技術要求復雜，也是海事監管的難點。故本文提出了基于AIS VDL的AIS船臺動態信息符合度監測系統設計方案，包括系統架構組成、動態信息、頻率和時隙的監測算法規則，希望為海事執法增加新利器，凈化海上無線電通信秩序。

二、AIS船臺動態信息符合度監測系統概述及架構

（一）系統概述

AIS船臺在使用中根據船舶航行狀態以2S至3min的時間間隔播發船舶動態報文，A類船播發AIS 1、2、3號消息，B類船播發AIS 18、19號消息。AIS船臺動態信息符合度監測，主要對上述消息字段根據相關標準規則進行符合度校驗，具體為實時監測AIS船臺是否接入羅經信號（旋轉速率、對地航向監測）、AIS船臺定位信息是否有效（經度、緯度、位置準確度監測）、AIS船臺是否接入計程儀（測速）信號（對地航速監測）、動態報文播發頻率。在符合度監測的基礎上，還增加合理性檢測等輔助方法。此外，還配置時隙分析儀用于實時分析AIS船臺播發電文的時隙符合度。

動態信息標準符合度監測對解析后的結構化報文數據按順序進行各項分析。設置白名單、黑名單機制處理流程[1]，根據錯誤的嚴重程度設置了高、中、低3階錯誤等級，以方便錯誤處置。

（二）系統架構和各模塊功能

AIS船臺動態信息符合度監測系統主要由動態信息實時獲取模塊、主控模塊、內存狀態數據維護模塊、AIS船臺是否接入羅經模塊、AIS船臺是否接入計程儀模塊、AIS船臺定位信息是否有效模塊、AIS船臺動態電文播發頻率是否合規模塊、AIS船臺動態電文播發時隙是否合規模塊以及黑白名單維護模塊組成。系統架構見圖1：

圖1 系統架構圖

1. 動態信息獲取模塊：負責維護kafka集群的配置，連接kafka集群，訂閱集群中AIS動態消息主題隊列，并從訂閱的kafka集群的動態信息topic中獲取kafka集群發布的數據，將獲取到的數據傳給主控模塊進行分析。

2. 主控模塊：服務包含多個符合度監測，主控模塊負責對接收到的動態數據進行調度，逐項進行監測，同時比對黑白名單，對有問題的數據輸出至MySQL數據庫。

3. 內存狀態數據維護模塊：負責連接redis內存數據庫，并維護數據船舶動態數據緩存，為業務分析模塊提供船舶動態狀態數據支撐。

4. AIS船臺是否接入羅經信號、是否接入計程儀、定位信息是否有效、動態電文播發頻率是否合規、動態電文播發時隙是否合規模塊：根據主控模塊調度，根據監測算法對報文相應字段進行標準符合度校驗，將結果返回給主控模塊統一處理。

5. 黑白名單維護模塊

黑白名單模塊通過連接redis內存數據庫，在redis中維護一個黑白名單，負責存儲經過動態符合度監測的合格以及不合格的船舶，經監測結果正常的船舶移入白名單，配置時間內不進行重復檢查，超過配置時間自動移除白名單；經監測結果異常的船舶移入黑名單，不再進行重復檢查，需要用戶手動解除黑名單。

三、AIS船臺動態信息符合度監測系統監測流程和算法規則設計

（一）AIS船臺是否接入羅經監測流程和算法設計

1. 監測流程和輸出結果說明

關于實時監測AIS船臺是否接入羅經信號，主要通過監測AIS報文位置數據中船舶旋轉速率（ROTAIS）字段、實際航向字段是否符合規則校驗，本算法根據ITURM.1371-5標準整理ROTAIS字段、實際航向字段校驗規則算法，同時增加合理性檢測，作為提示性消息。由于B類船沒有ROTAIS數據，所以B類船只對實際航向字段進行校驗。監測流程見圖2：

圖2 AIS船臺是否接入羅經信號監測流程圖

輸出結果說明如下：

（1）實際航向字段為空或默認值，錯誤等級：中；（2）ROTAIS字段為空或默認值，錯誤等級：中；（3）實際航向字段不符合規則要求，錯誤等級：中；（4）ROTAIS字段不符合規則要求，錯誤等級：中；（5）ROTAIS字段內容不合理，錯誤等級：低。

2. 監測算法規則

（1）空白校驗，檢驗實際航向是否為空值或默認值（511）；（2）空白校驗，A類船校驗ROTAIS是否為空值或默認值（-128）；（3）有效性校驗，A類船校驗ROTAIS是否有效，值為±127之間；（4）有效性校驗，檢驗實際航向字段的值是否有效，0-359之間。

（二）AIS船臺是否接入計程儀監測流程和算法設計

1. 監測流程和輸出結果說明

關于實時監測AIS船臺是否接入計程儀（測速）信號，主要通過監測AIS報文位置數據中SOG字段符合度的規則校驗，本算法根據ITU-RM.1371-5標準整理船舶SOG校驗規則算法，同時增加合理性檢測，作為提示性消息。監測流程見圖3：

圖3 AIS船臺是否接入計程儀監測流程圖

輸出結果說明如下：

（1）字段為空或默認值，錯誤等級：中；（2）字段內容不符合規則要求，錯誤等級：中；（3）字段內容不合理，錯誤等級：低。

2. 監測算法規則

（1）空白校驗，SOG是否為空值或默認值（1023）；（2）有效性校驗，SOG是否在0-1022之間；（3）合理性校驗，根據船舶類型、船舶尺寸SOG合理性。

（三）AIS船臺定位信息是否有效監測流程和算法設計

1. 監測流程和輸出結果說明

對于監測AIS船臺定位信息是否有效，主要通過監測AIS報文位置中船舶緯度、經度字段符合度的規則校驗，本算法根據ITU-RM.1371-5標準整理船舶緯度、經度校驗規則算法。監測流程見圖4：

圖4 AIS船臺定位信息是否有效監測流程圖

緯度、經度字段校驗結果，錯誤類型分為以下幾種：

（1）字段為空或默認值，錯誤等級：中；（2）字段內容不符合規則要求，錯誤等級：中。

2. 監測算法規則

（1）空白校驗，檢驗緯度、經度是否有為空值或默認值（經度=181，緯度=91），經緯度全部滿足非空才通過；（2）有效性校驗，經度在±180之間，緯度在±90之間，經緯度全部滿足非空才通過。

（四）AIS船臺動態電文播發頻率符合度是否合規監測流程和算法設計

1. 監測流程和輸出結果說明

動態電文播發頻率校驗算法負責對A、B兩類船舶播發動態位置進行監測。A類船舶位置信息電文為1、2、3號電文，電文的播發頻率根據船舶的航行狀態以及航速航向信息發生變化；B類船舶位置信息電文為18、19號電文，電文的播發頻率根據船舶的航速信息發生變化。算法根據船舶的不同類型以及航行狀態檢測船舶在各種不同的情況下的播發頻率是否符合ITU-RM.1371-5的標準規定。監測流程見圖5：

圖5 AIS船臺動態電文播發頻率符合度是否合規監測流程圖

緯度、經度字段校驗結果，錯誤類型分為以下幾種：

（1）播發頻率不合格船舶MMSI；（2）被判定為播發頻率不合格時播發頻率狀態（過快還是過慢）。

2.監測算法規則

（1）如果船舶出現在黑名單數據庫中，即船舶已經被確認為播發頻率不合格的船舶，則不再對此船舶的電文進行下一步分析；（2）判斷船舶是否出現在白名單中，如果是，判斷白名單中船舶插入記錄時間是否超過6個月；如果未超過6個月，不再對此船舶進行下一步分析；否則正常分析此船舶；（3）判斷船舶MMSI是否已經存在于內存中，如果不存在，插入新的船舶記錄，否則進行下一步船舶分析；（4）船舶分析時需要根據船舶的電文類型進行分類，首先判斷船舶類型，根據異常播發頻率間隔說明表確定船舶此次發送電文的時間與上一次發送的時間間隔是否為異常間隔：①如果時間間隔不在設置的閾值內，將內存記錄的異常次數+1，判斷異常次數大于等于50，則說明船舶播發頻率異常，將不合格船舶存入黑名單中；如果內存記錄的異常次數小于50，則更新內存中船舶數據記錄。②如果時間間隔在設置的閾值內，將內存記錄的異常次數-1，最少減到0為止；然后判斷船舶監測的時間是否已經達到一個月，即船舶在一個月以內未出現播發頻率異常問題，則將船舶存入白名單內。

異常播發頻率間隔說明如表1所示：

表1 A類船舶標準與播發頻率閾值表

表2 B類船舶標準與播發頻率閾值表

（五）AIS船臺動態電文播發時隙符合度是否合規監測流程和算法設計

1. 監測流程和輸出結果說明

AIS系統是時分的傳輸系統，所以它要求臺站之間要有一個精確的時間同步，并對時間進行分割。當AIS船臺工作時，會定期按照時隙規則播發動態報文，動態報文中通信狀態字段，根據類型可以解析出具體時隙使用相關的子消息。本算法根據ITU-RM.1371-5標準整理時隙相關算法，對動態報文進行分析監測時隙符合度，主要監測發送時隙與預約時隙符合性、預約時隙實際發送情況。由于消息特點，本算法只檢測使用自組織時分多址（SOTDMA）的1號和2號報文。監測流程見圖6：

圖6 AIS船臺動態電文播發時隙符合度是否合規監測流程

動態報文播發時隙校驗結果，錯誤類型分為以下幾種：

（1）播發時隙與預約時隙不符合，錯誤等級：中；

（2）船臺只預約時隙，但是不發送消息，錯誤等級：高。

2. 監測算法規則

（1）校驗緩存數據是否存在設備時隙數據，如沒有則存入緩存時隙數據；（2）如果存在時隙數據，則判斷時隙超時字段是否為0，代表時隙預約數據；（3）如時隙超時字段為0，則判斷緩存中上一條報文時隙超時字段是否為0：①如連續多次都為時隙預約數據，則判斷為船臺只預約時隙，但是不發送消息，輸出結果b；②如只有本條為0，則根據時隙偏移計算時隙預約情況，并更新緩存，正常結束；（4）如時隙超時字段不為0，則判斷緩存是否存在時隙預約信息：①如沒有時隙預約信息，則更新緩存當前播發時隙信息，正常結束；②如存有時隙預約信息，則判斷當前報文時隙是否符合時隙預約信息，如果多次不滿足，則判斷為播發時隙與預約時隙不符合，輸出結果a[2]。

四、系統的實現

通過接入全國AIS數據庫、船舶檢驗數據庫以及船舶無線電數據庫，采用Spark與Hadoop為基礎的大數據處理平臺，基于AIS VDL的AIS船臺動態信息符合度監測系統實現了對全國AIS船臺動態報文、通信頻率、通信時隙的ITU-RM.1371-5協議符合度實時監測和大容量處理，已作為北海航海保障中心開發的AIS VDL監測系統重要組成部分，在監測“一碼多船”、不合規船臺、船臺協議不合規及船舶定位異常等方面精準可靠。據統計，AIS VDL系統2020年5月上線至2021年9月共篩查動態信息異常船舶55 212艘，其中A類船舶12 163艘，占22%，B類船舶43 049艘，占78%。在支持水上無線電秩序專項整治中成效顯著，動態信息異常船舶占比由上線之初的9.823%降至2020年11月的0.799%，降幅達92%（見圖7）?；谙到y處理生成的數據也持續提供給“凈海衛士”水上無線電輔助執法程序，為全國水上無線電秩序專項整治工作提供了可信的數據支撐。

圖7 船臺動態信息異常船舶占比

五、結語

基于AIS VDL的AIS船臺動態信息符合度監測系統實現了對異常AIS船臺信息的精準甄別，優化了AIS數據源和海上無線電通信秩序。同時，要在應用中不斷優化該系統判斷算法，提高異常甄別準確率；完善對外數據服務接口，為涉海用戶接入AIS VDL數據庫提供便利；充分利用AIS VDL系統接入船舶檢驗數據庫和船舶無線電數據庫的優勢，過濾生成高質量的純凈AIS數據源，為海事監管和相關領域大數據分析提供更加精準的數據支撐。