船舶AIS数据错误检测方法

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(1.青岛远洋船员职业学院， 山东 青岛 266071； 2.上海海事大学 商船学院， 上海 201306)

船舶AIS数据错误检测方法

卫桂荣1,杨春2

(1.青岛远洋船员职业学院，山东青岛266071； 2.上海海事大学商船学院，上海201306)

船舶自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)的静态数据和航次相关信息由用户手动输入，传输层协议采用低可靠性的用户数据报协议(User Datagram Protocol,UDP)，由于AIS信息没有源时间戳等原因，导致接收到的AIS数据可能有错误。对此,依据AIS的通信原理，提出水上移动业务标识(Maritime Mobile Service Identify,MMSI)码校验、填充位和校验码综合检测、动态信息和静态信息匹配校验及异常位置点检测等数据错误检测方法，以有效降低海事管理中AIS数据的错误率。

水路运输;航海;船舶自动识别系统(AIS)数据;错误检测;数据过滤

Abstract: Several factors, including manually inputting of Automatic Identification System(AIS) static data and voyage-related data, low reliability of User Datagram Protocol (UDP) for transport layer, and lack of timestamp for AIS reports, can cause AIS data anomalies or errors. According to the communication principle of AIS, the methods for detecting errors are put forward, which covers Maritime Mobile Service Identify(MMSI) code error, AIS report padding bits and checksum error, mismatch between dynamic data and static data, and abnormal ship position in order to keep the AIS data used for maritime administration reliable.

Keywords: waterway transportation; marine navigation; AIS data; error detection; data filtering

船舶自动识别系统(Automatic Identification System，AIS)是一种集网络技术、现代通信技术、计算机技术及电子信息显示技术于一体的数字助航系统和设备，一种工作在甚高频(Very High Frequency，VHF)频段的采用自组织时分多址(Self-Organized Time Division Multiple Access，SOTDMA)等协议的广播式自动报告系统[1-2],由岸基台、船载台、转发台、助航台和机载台组成。船载台既可向他船及岸基台自动播放本船的动态信息(船位、航速、航迹向等)、静态信息(船名、目的港等)、航次信息和安全短消息等信息，也可自动接收他船及岸基台的资讯;岸基台则可依靠所获取的信息拓展海事主管机关的服务管理范围，及时掌握海域交通动态，提高海域管理效率。系统的通信协议采用开放式系统互联(Open System Interconnection，OSI)模型，包括物理层、链路层、网络层和传输层,其中:物理层实现通信信道上的原始比特流传输;链路层主要是加强物理层传输原始比特的功能，使之对网络层显现为一条无错线路;网络层实现通信网的运行控制;传输层数据的转换、分组、排序及实现与上一层接口。

随着世界船舶数量不断增加及船舶逐渐朝大型化和高速化方向发展，世界重要水道越来越拥挤，海损事故时有发生，给船舶安全航行和海洋生态环境带来了巨大威胁。AIS作为一种保障船舶安全航行、提高航运交通效率的先进工具，其广泛应用为真正实现海上交通安全的信息化管理、提高船舶航行安全、防止及控制船舶对海洋的污染提供了重要的手段。《国际海上人命安全公约》(SOLAS公约)要求所有2002年7月1日及以后建造的航行于国际航线的300总吨及以上船舶和航行于国内航线的500总吨及以上的货船和所有客船均须装配AIS设备；要求所有于2002年7月1日之前建造的国际航行船舶必须在2008年7月1日之前装配AIS设备。国际海事组织(International Maritime Organization，IMO)进一步明确规定，大中型船舶(300总吨及以上)必须安装A类AIS船台，中小型船舶安装B类AIS船台，辅助导航设施(包括无线浮标和灯塔)安装ATON AIS设备。[3-5]

AIS信息的准确性首先依赖于船舶定位系统的精度和对信息的正确输入、发送端对信息的编码和传输及接收端对信息的接收和解码。AIS是一个实时的系统，采用一种无连接的用户数据报协议(User Datagram Protocol，UDP)，具有资源消耗少、处理速度快的优点，但既不支持数据包分组、组装，也不能对数据包进行排序，即当报文发送之后无法得知其是否安全完整到达，因此UDP报文的可靠性较差，会有数据包丢失现象。此外，AIS的数据自检纠错功能较弱，同时其静态信息和航次相关信息需用户手动输入。这些系统设计和人为因素会导致接收端接收到的AIS数据不正确，并带入到海事管理系统中。[6]

针对以上情况，基于AIS的通信原理及现实使用情况，提出水上移动通信业务标识(Maritime Mobile Service Identify，MMSI)码校验、数据填充位和CRC校验码综合检测、动态数据和静态数据匹配检测及异常位置点检测等检测方法，对接收到的AIS数据进行检错和过滤。

1 MMSI码校验

AIS采用MMSI码作为移动设备的识别手段。MMSI码的前3位数是由国际组织分配给各个国家和地区的识别码,如中国大陆为412；后6位数为船舶特定识别码,如同船舶的IMO编号，可通过这6位数查到船舶所有人、经营人等相关信息。

由于MMSI码是由船舶所有人或经营人及其委托机构手动输入的，因此客观上存在输入失误和主观蓄意的投机行为，从而使MMSI码产生错误，具体表现在输入的MMSI码不存在、船舶主要信息(国籍、船名、船舶所有人等)发生变更时不能及时申请更新相应的MMSI码及MMSI码重复使用(即不同船舶使用相同的MMSI码)等3个方面。

针对以上3种常见的错误形式，采用以下方法对MMSI码进行校验和过滤：

(1)检查MMSI码是否符合规定的长度；

(2)检测MMSI码前3位是否与船旗国代码相同以判断是否有效；

(3)结合船舶资料等数据检验MMSI码是否对应有效的船舶类型。

用该方法对某海事局提供的2012年4—5月我国沿海AIS基站系统接收到的船舶AIS数据进行分析和过滤，结果见表1。

表1 MMSI码校验和过滤统计

试验结果表明,该方法可将上述错误的MMSI信息语句从AIS数据中检测出来并剔除。

2 数据填充位和CRC校验码综合检测

依据ITU-RM.1371协议中的规定对AIS报文语句各数据域进行分割，可得到语句总数、当前语句序号、电文序列识别码、AIS信道信息、封装数据、填充位和校验码。根据用户数据报协议，若封装数据的第一个字符位为1,2,3,4,9,B,F或其中的任意一个，则填充位应该为0，且封装数据字段的总字符长度必定为28个(168 bit)。根据协议和CRC校验码的计算规则，计算得到的CRC校验码应与数据自带的校验码一致。但是,在接收端接收和记录数据时由于接收设备硬件或处理软件的原因(如数据冗余较大时网络传输粘包、数据记录软件瑕疵等)，有部分接收和记录到的AIS数据不符合上述规则。对上述2012年4—5月的数据进行统计分析，数据总数为806 986 606条,其中,填充比特位错误的语句有3条,CRC校验码错误的语句有3 338条。

3 动态数据和静态数据匹配检测

按照船载AIS的安装要求，每艘船舶安装的AIS都具有唯一的MMSI码，且需正确输入船舶静态数据和航次相关数据。但是,受各种客观原因影响，有一定数量的重复使用的MMSI码存在,且在海事主管机关实际接收和分析的数据中存在一定数量的只播发船舶位置报告而不播发船舶静态数据和航次相关信息，或仅播发船舶静态数据和航次相关信息而不播发船舶位置报告等情况。对上述数据样本任意抽取1 d的数据进行统计分析,结果见表2。

表2 船舶位置报告数据与静态及航次相关数据匹配分析统计

4 异常位置点检测

通过上述规则检测过滤后的AIS数据仍有不正确的数据存在，主要原因在于位置数据存在错误和冗余数据时间同步错误。例如,接收到某艘船舶连续发来的AIS语句为：

(1)!AIVDM,1,1,,B,37lciTA0017K=CH0eJsHK43qP>`<,0*02;

(2)!AIVDM,1,1,,A,37lciTA001404@10eJjqpSI5P>`<,0*15;

(3)!AIVDM,1,1,,A,37lciTA0017K=Ar0eKbhHCW5PP00,0*4F。

上述3条语句均满足数据各种规范性的要求，对其进行解析后得到的位置数据对比见表3。

表3 解析后得到的位置数据对比

在图中对上述数据进行标绘，其分布情况见图1。

图1 异常位置点标绘示意

当建设的数据接收基站较密集、同一条AIS播发的数据被不同基站接收到、基站在向数据中心传输时，受中心节点网络和记录软件等环节影响，存在冗余数据时间不同步的问题，在回放这些数据时会出现“跳点”现象(见图2)。

a) 轨迹数据跳点1

b) 轨迹数据跳点2

通过与前后轨迹点的相对关系进行对比可知，第2条语句解析出的位置点数据明显异常,而这种异常数据不能通过数据规范性校验发现，只能在标绘位置时发现。对这种异常位置点检测算法的描述如下。

定义船舶平均速度合理的上限阈值Vlimitsp，并按照以下步骤进行验证:

(1)取待检测点序列第1点为起始点，后续一点为终止点，计算球面间两点间的距离Ddist，时间差dt，两点间平均速度Vsp;

(2)判断Vsp与平均速度阈值Vlimitsp的关系，若Vsp

(3)以上一终止点为起始点，后续一点为终止点，计算两点间的球面距离Ddist，两点间的时间差dt，两点间平均速度Vsp，进入步骤(2)；

(4)起始点不变，以后续第2点为终止点，计算两点间的球面距离和时间差及两点间的平均速度Vsp1,若Vsp1Vlimitsp，则定义起始点为异常位置点，以起始点后续第1点为起始点，后续第2点为终止点，进入步骤(2)。

经过上述算法的校验后，即可识别出异常位置数据。以上述示例数据为例，经过识别并剔除异常位置点后，得到船舶运动轨迹数据标绘示意见图3。

a) 图1中异常位置点过滤后轨迹

b) 图2a中过滤跳点后轨迹

c) 图2b中过滤跳点后轨迹

5 结束语

AIS已成为各类船舶的标准配置，在促进海上交通安全和海事监管方面发挥着重要的作用。这里以AIS信息处理中常见的异常和错误信息为研究对象分析AIS数据出现异常的原因，提出实用的数据检测和过滤措施，可提高AIS数据处理的准确性。

AIS播发的数据中除了上述典型的包含动态位置数据的信息之外，还有一些船舶静态信息和与航次相关的信息，这些信息需由船舶驾驶人员手动输入，然后由AIS播发。由于缺乏关于AIS设备安装、设置和使用的规则[7]，在实际应用中船舶静态信息和航次相关信息也存在许多不正确的地方。然而，在处理这类信息时很难使用统一规则进行检验，只能通过制定规则、做好培训等措施来尽量消除。

[1] International Telecommunications Union. Technical Characteristics for an Automatic Identification System Using Time Division Multiple Access in the VHF Maritime Mobile Band: ITU-R M.1371-4[S].2010.

[2] International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities. The Automatic Indentification System (AIS): Operational Issues (IALA Guideline No. 1028, Ed. 1.3)[S]. 2004.

[3] International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities. The Universal Automatic Identification System (AIS): Technical Issues (IALA Guidelines, Edition 1.1)[S]. 2002.

[4] International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities. The Management and Monitoring of AIS Information(IALA Guideline No. 1050)[S]. 2005.

[5] International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities. Automatic Identification System (AIS) Shore Station and Networking Aspect Relating to the AIS Service (IALA Recommendation A-124)[S].2005.

[6] NAUS K, MAKAR A, APANOWICZ J. Using AIS Data for Analyzing Ship’s Motion Intensity[C]//Proc. 7th International Symposium on Navigation,Gydnia, Poland, 2007.

[7] 陆悦铭.制定“AIS设备安装、设置和使用规则”的建议[J]. 中国水运，2010(1):30-31.

Detection of AIS Data Error

WEIGuirong1，YANGChun2

(1. Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao 266071, China; 2. Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

1000-4653(2016)04-0011-04

U675.7

A

2016-07-29

交通运输职业教育科研立项项目(2015A02);上海市科委地方院校能力建设项目(15590501600)

卫桂荣(1973—),男,江苏泰州人,副教授,研究方向为航海安全与技术、航海教育。E-mail:weigr@coscoqmc.com.cn