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AIS船舶监控数据质量的局限性说明
发布日期:2017-3-13 作者:徐凯 阅览次数:4446
    

0.      引言

船舶智能识别系统(Automatic Identification System, AIS),是一种海上辅助助航通信系统,旨在实现船舶避碰、保障海事安全。船舶安装了AIS通信设备后,就会通过VHF (Very High Frenquency)无线电波向周围20海里内的船舶和港口定时广播船舶的船位、航向、航速等动态信息和船名、呼号、船型等静态信息。

1.       AIS 工作原理

随着物联网技术的发展,AIS的应用不仅限于小范围的通讯用途,通过分布式采集技术将AIS这种局部广播式信息通过互联网汇集到一起。一方面,通过将分布在沿海和内河岸边的大量的基站接收附近的AIS数据;另一方面,通过低轨道卫星收集的海上AIS数据(见图3-1)。通过这两方面的数据采集,人们就可以实现对全球船舶的监控。并且AIS数据的用途也不再局限于海事应用,由于AIS其中蕴含着大量对港航业有价值的信息,通过对AIS数据的挖掘可以为港航业经营决策提供依据,实现对港航业务资源的合理配置,包括经济运行分析、海事安全分析、物流运输分析、港航决策支持等大数据应用,因此具有重要的应用价值和研究意义。

 

图1 AIS数据的分布式采集网络结构示意图图1 AIS数据的分布式采集网络结构示意图

 

如图1所示,通过上述方法我们每天可以采集到大量船舶位置信息。根据2015年9月1日的船讯网数据,我们可以接收到的AIS数据广播为396311条不同的MMSI,其中包含IMO号码的静态数据为82658条,其中有船名的船舶约有281055条。
 

 

图2 根据AIS数据的全球船舶分布情况概览图图2 根据AIS数据的全球船舶分布情况概览图

 

​2.      AIS对于船舶监控的局限性

2.1 AIS的原理导致的监控局限性

首先,岸基AIS的覆盖范围易受影响。岸基AIS数据接收主要由分布在世界各地港口、河道、岛屿的基站采集有效信号范围内的船舶AIS广播消息得到。由于AIS技术是工作在无线电甚高频段(VHF87B和88B频道)上,在给定发射机功率的条件下,其信号有效作用范围受到VHF无线电波直线转播特性,即地球表面曲率和设备无限高度等因素的制约。 一般认为,船载AIS设备的海上有限作用范围半径为20n mile 左右,但天气因素、岛屿遮挡都有可能减小有效的监控范围。即使在有效接收范围内,若该区域船舶数量超过监控通道的上限,也会造成AIS信息缺失,特别是沿海大量渔船用的B级AIS设备,占用大量通道资源。上海国际航运研究中心港航大数据实验室徐凯

其次,卫星AIS监控船舶数量受到通信时隙制约,在船多的区域信号丢失难以避免。在岸基接收不到的地方,通常利用装载有AIS接收器的低轨道小卫星接受AIS信息。低轨道卫星在太空中实时接收并存载AIS所发射的信息,再转发给地面接收站,以实现全球范围内监控船舶交通,即基于低轨道小卫星技术的空间AIS系统。  船载AIS的通信机制是在VHF87B和88B频道上采用自组织时分多址技术(SOTDMA)协议,即将每分钟每个信道时间分为在时域上互不重叠的,固定长度为26.67ms的2250个时隙。一般情况下,船载AIS在其VHF作用范围内的船舶数量有限,使得在海上船载AIS之间的通信所占用的时隙总数不会超过AIS信道理论时隙数量4500个。然而,当利用低轨道小卫星检测船载AIS信号时,却决于卫星轨道高度的卫星在海面上的覆盖范围,往往远大于船载AIS的VHF作用范围,即卫星在海面上的覆盖范围会包含多个VHF作用范围。因此,AIS卫星会接收到不同SOTDMA区域但占用相同时隙的AIS信息,会使得AIS信息的时隙冲突的概率增加。或是传输路径长度的不同,使得AIS信息虽来自不容STMDA区域,但占用相邻时隙,也会造成信息的冲突。AIS时隙冲突,就会造成AIS信息的缺失,从而无法监控到相应船舶。卫星交织组成了监控的“星座”系统,而卫星采集船舶位置取决于卫星与船舶相遇的时刻,理论上系统内卫星数量越多,相遇并采集到数据的概率也会越大。

第三,在舟山渔场等B类船很多的地方,A类船的接收会受到影响。船载AIS协议分为A类和B类两种。 A类船载AIS必须遵守国际海事组织IMO的船载自动识别要求,超过300吨之国际航线商用船必须装载A类船载AIS设备。 B类实用于中小型船舶,AIS有两种协议,分别是SOTDMA(自组织时分多址)和CSTDMA(载波侦听时分多址)。B类SOTDMA型AIS和A类AIS通信协议相同,与A类AIS在同一网络下发布接收信息,不会与原AIS发生时隙冲突,但会加大原AIS的网络负担。B类CSTDMA型AIS采用先侦听后发送技术,它不断在在AIS无线电频道上倾听,当检测到没有其它台站进行数据传输时才发布消息,因其不预约时隙,且发射时隙为1而对AIS网络负载非常小。目前,我国渔船安装的B类AIS设备既有SOTDMA型,也存在CSTDMA型。

2.2 AIS的人为因素影响监控效果

首先,AIS是通信协议,其ID为MMSI,但是船舶的唯一ID是IMO号,这两者匹配关系常常出错。一方面,在AIS设备中MMSI输入无格式限制,因此输入不正确或随意输入MMSI的情况都是存在的;另一方面,同一条船有时会对应多个MMSI,就像一个人可能会有两个手机号码一样,虽然这种情况并不多见,但是有一些船为了躲避追踪会安装两套AIS设备在到港后切换使用。总之,由于AIS位置信息以MMSI为标识ID,一旦出错就无法将要监控的船舶与AIS信息对应,则会导致AIS信号缺失。实际航运当中,常会遇到同一时间,有两艘船舶的MMSI相同;或非常短的时间,同一MMSI号显示的经纬度相差很远的情况。

其次,即便是船舶的唯一ID号IMO号码,由于在AIS设备中需要手工输入,也有可能出错或者缺失。IMO号码有七位阿拉伯数字组成,分配给每一艘船,是船舶的永久“身份证”。一般国际航行船舶都有IMO号码,但目前有不少船舶的AIS设备中不输入(特别是 “二手船”)或随便编一个号码输入。

第三,AIS船载设备可以人为关掉。导致认为关闭的可能性很多,比如肇事逃逸、躲避海事监管、运力封存、设备故障等,在此阶段AIS信号也会中断。

第四,基站分布和建设的挑战。全球经济发展不平均,再加上政治等多方面因素,在如日本海西,中国南海,东海舟山等区域,基站建设面临比较大的挑战,即使设有基站的地方,由于数据传输依赖互联网UDP协议,网络质量也会影响基站数据的回传,在一些政治敏感区域出于军事目的存在人为干扰AIS信号接收的情况。

2.3 AIS数据的常见问题概括

第一,AIS数据在船舶数量密集的地方普遍较差,包括渔船密集的区域;

第二,AIS数据在公海上的更新频率往往达到数个小时,并且分布不均匀,这与卫星与船舶的会遇概率和报文冲突等因素有关;

第三,AIS数据在政治敏感海域、岛屿丰富区域、高纬度区域、基站分布不充分的区域质量都会下降;

第四,互联网存在通信的不稳定性,AIS基站不会一直在线,因此会出现间歇性的失连。

3.       结论

AIS作为一种新兴的航海仪器,其通信协议还在不断完善中,加上其本来作用只是对防止碰撞等海事安全事故发生,并非用于大范围水域的船舶监控和数据分析,因此上述局限性问题是普遍存在于各AIS数据服务商之间的共性问题。在全球范围,是依靠公约国家的海事执法手段确保执行,强制和监督能力有限,因此通常不会以AIS信息的覆盖率和更新频率来度量数据的质量。基于目前的现状,本人推荐以以下指标来评估AIS的数据质量:

指标一、对岸基数据而言,AIS岸基总数和平均在线岸基数量是度量的最好指标;

指标二、对于卫星AIS数据而言,运行中的卫星“星座”系统小卫星数量是重要的评价指标;

指标三、以单位时间内动态轨迹点数量总数和静态报文MMSI总数来评价。

将来,随着AIS操作日趋规范化,基站网络的扩大,AIS低轨道卫星数量的增加,AIS的数据质量会越来越好,AIS在船舶运输监控上的运用将有更大空间。

(作者:上海国际航运研究中心港航大数据实验室徐凯

 
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