基于AIS VDL的AIS船台动态信息符合度监测系统设计和实现

文 孔 涛，姚高乐，陈广通，骆 莹（天津航标处，天津 300456）

一、引言

AIS系统是一种岸基和船载广播式自动识别报告系统，在海上交通组织和保障船舶航行安全方面发挥着重要作用。由于AIS通信协议的公开透明性以及AIS系统自身的脆弱性，部分厂商片面逐利，加之各种不当操作，导致大量船台技术不合规，船舶AIS动、静态信息错漏空情况严重，AIS船台信息的低符合度给船舶协调避碰、海上交通指挥以及基于AIS的大数据分析带来负面影响。

由于AIS技术在船-船、船-岸信息交互中的独特优势，基于AIS技术的各类衍生设备应运而生，如AIS搜救发射器（AIS SART）、人员搜救信标（MOB）、AIS航标等，特别是基于AIS技术的网位仪利用AIS CLASS A/B报文或21号报文（专用于航标报告）播发任意设置的名称、位置、MMSI、类型等信息，发射功率、发射频率、通信接入方式等设备参数均由厂商随意设置，大量占用有限的AIS时隙资源，给AIS VDL链路管理造成了很大困扰，不仅干扰船舶避碰操作，影响AIS数据的挖掘应用，而且对我国国际形象也造成不良影响。近年来还出现了通过模拟生成的欺骗性报文和错误AIS信息，亟需利用智能化监管手段提升不合规信息监测能力，为海事执法部门提供精准高效的技术支持。

AIS动态信息符合度监测相较于静态信息监测更加困难，在符合度监测的基础上，还需结合合理性检测等辅助方法，技术要求复杂，也是海事监管的难点。故本文提出了基于AIS VDL的AIS船台动态信息符合度监测系统设计方案，包括系统架构组成、动态信息、频率和时隙的监测算法规则，希望为海事执法增加新利器，净化海上无线电通信秩序。

二、AIS船台动态信息符合度监测系统概述及架构

（一）系统概述

AIS船台在使用中根据船舶航行状态以2S至3min的时间间隔播发船舶动态报文，A类船播发AIS 1、2、3号消息，B类船播发AIS 18、19号消息。AIS船台动态信息符合度监测，主要对上述消息字段根据相关标准规则进行符合度校验，具体为实时监测AIS船台是否接入罗经信号（旋转速率、对地航向监测）、AIS船台定位信息是否有效（经度、纬度、位置准确度监测）、AIS船台是否接入计程仪（测速）信号（对地航速监测）、动态报文播发频率。在符合度监测的基础上，还增加合理性检测等辅助方法。此外，还配置时隙分析仪用于实时分析AIS船台播发电文的时隙符合度。

动态信息标准符合度监测对解析后的结构化报文数据按顺序进行各项分析。设置白名单、黑名单机制处理流程[1]，根据错误的严重程度设置了高、中、低3阶错误等级，以方便错误处置。

（二）系统架构和各模块功能

AIS船台动态信息符合度监测系统主要由动态信息实时获取模块、主控模块、内存状态数据维护模块、AIS船台是否接入罗经模块、AIS船台是否接入计程仪模块、AIS船台定位信息是否有效模块、AIS船台动态电文播发频率是否合规模块、AIS船台动态电文播发时隙是否合规模块以及黑白名单维护模块组成。系统架构见图1：

图1 系统架构图

1. 动态信息获取模块：负责维护kafka集群的配置，连接kafka集群，订阅集群中AIS动态消息主题队列，并从订阅的kafka集群的动态信息topic中获取kafka集群发布的数据，将获取到的数据传给主控模块进行分析。

2. 主控模块：服务包含多个符合度监测，主控模块负责对接收到的动态数据进行调度，逐项进行监测，同时比对黑白名单，对有问题的数据输出至MySQL数据库。

3. 内存状态数据维护模块：负责连接redis内存数据库，并维护数据船舶动态数据缓存，为业务分析模块提供船舶动态状态数据支撑。

4. AIS船台是否接入罗经信号、是否接入计程仪、定位信息是否有效、动态电文播发频率是否合规、动态电文播发时隙是否合规模块：根据主控模块调度，根据监测算法对报文相应字段进行标准符合度校验，将结果返回给主控模块统一处理。

5. 黑白名单维护模块

黑白名单模块通过连接redis内存数据库，在redis中维护一个黑白名单，负责存储经过动态符合度监测的合格以及不合格的船舶，经监测结果正常的船舶移入白名单，配置时间内不进行重复检查，超过配置时间自动移除白名单；经监测结果异常的船舶移入黑名单，不再进行重复检查，需要用户手动解除黑名单。

三、AIS船台动态信息符合度监测系统监测流程和算法规则设计

（一）AIS船台是否接入罗经监测流程和算法设计

1. 监测流程和输出结果说明

关于实时监测AIS船台是否接入罗经信号，主要通过监测AIS报文位置数据中船舶旋转速率（ROTAIS）字段、实际航向字段是否符合规则校验，本算法根据ITURM.1371-5标准整理ROTAIS字段、实际航向字段校验规则算法，同时增加合理性检测，作为提示性消息。由于B类船没有ROTAIS数据，所以B类船只对实际航向字段进行校验。监测流程见图2：

图2 AIS船台是否接入罗经信号监测流程图

输出结果说明如下：

（1）实际航向字段为空或默认值，错误等级：中；（2）ROTAIS字段为空或默认值，错误等级：中；（3）实际航向字段不符合规则要求，错误等级：中；（4）ROTAIS字段不符合规则要求，错误等级：中；（5）ROTAIS字段内容不合理，错误等级：低。

2. 监测算法规则

（1）空白校验，检验实际航向是否为空值或默认值（511）；（2）空白校验，A类船校验ROTAIS是否为空值或默认值（-128）；（3）有效性校验，A类船校验ROTAIS是否有效，值为±127之间；（4）有效性校验，检验实际航向字段的值是否有效，0-359之间。

（二）AIS船台是否接入计程仪监测流程和算法设计

1. 监测流程和输出结果说明

关于实时监测AIS船台是否接入计程仪（测速）信号，主要通过监测AIS报文位置数据中SOG字段符合度的规则校验，本算法根据ITU-RM.1371-5标准整理船舶SOG校验规则算法，同时增加合理性检测，作为提示性消息。监测流程见图3：

图3 AIS船台是否接入计程仪监测流程图

输出结果说明如下：

（1）字段为空或默认值，错误等级：中；（2）字段内容不符合规则要求，错误等级：中；（3）字段内容不合理，错误等级：低。

2. 监测算法规则

（1）空白校验，SOG是否为空值或默认值（1023）；（2）有效性校验，SOG是否在0-1022之间；（3）合理性校验，根据船舶类型、船舶尺寸SOG合理性。

（三）AIS船台定位信息是否有效监测流程和算法设计

1. 监测流程和输出结果说明

对于监测AIS船台定位信息是否有效，主要通过监测AIS报文位置中船舶纬度、经度字段符合度的规则校验，本算法根据ITU-RM.1371-5标准整理船舶纬度、经度校验规则算法。监测流程见图4：

图4 AIS船台定位信息是否有效监测流程图

纬度、经度字段校验结果，错误类型分为以下几种：

（1）字段为空或默认值，错误等级：中；（2）字段内容不符合规则要求，错误等级：中。

2. 监测算法规则

（1）空白校验，检验纬度、经度是否有为空值或默认值（经度=181，纬度=91），经纬度全部满足非空才通过；（2）有效性校验，经度在±180之间，纬度在±90之间，经纬度全部满足非空才通过。

（四）AIS船台动态电文播发频率符合度是否合规监测流程和算法设计

1. 监测流程和输出结果说明

动态电文播发频率校验算法负责对A、B两类船舶播发动态位置进行监测。A类船舶位置信息电文为1、2、3号电文，电文的播发频率根据船舶的航行状态以及航速航向信息发生变化；B类船舶位置信息电文为18、19号电文，电文的播发频率根据船舶的航速信息发生变化。算法根据船舶的不同类型以及航行状态检测船舶在各种不同的情况下的播发频率是否符合ITU-RM.1371-5的标准规定。监测流程见图5：

图5 AIS船台动态电文播发频率符合度是否合规监测流程图

纬度、经度字段校验结果，错误类型分为以下几种：

（1）播发频率不合格船舶MMSI；（2）被判定为播发频率不合格时播发频率状态（过快还是过慢）。

2.监测算法规则

（1）如果船舶出现在黑名单数据库中，即船舶已经被确认为播发频率不合格的船舶，则不再对此船舶的电文进行下一步分析；（2）判断船舶是否出现在白名单中，如果是，判断白名单中船舶插入记录时间是否超过6个月；如果未超过6个月，不再对此船舶进行下一步分析；否则正常分析此船舶；（3）判断船舶MMSI是否已经存在于内存中，如果不存在，插入新的船舶记录，否则进行下一步船舶分析；（4）船舶分析时需要根据船舶的电文类型进行分类，首先判断船舶类型，根据异常播发频率间隔说明表确定船舶此次发送电文的时间与上一次发送的时间间隔是否为异常间隔：①如果时间间隔不在设置的阈值内，将内存记录的异常次数+1，判断异常次数大于等于50，则说明船舶播发频率异常，将不合格船舶存入黑名单中；如果内存记录的异常次数小于50，则更新内存中船舶数据记录。②如果时间间隔在设置的阈值内，将内存记录的异常次数-1，最少减到0为止；然后判断船舶监测的时间是否已经达到一个月，即船舶在一个月以内未出现播发频率异常问题，则将船舶存入白名单内。

异常播发频率间隔说明如表1所示：

表1 A类船舶标准与播发频率阈值表

表2 B类船舶标准与播发频率阈值表

（五）AIS船台动态电文播发时隙符合度是否合规监测流程和算法设计

1. 监测流程和输出结果说明

AIS系统是时分的传输系统，所以它要求台站之间要有一个精确的时间同步，并对时间进行分割。当AIS船台工作时，会定期按照时隙规则播发动态报文，动态报文中通信状态字段，根据类型可以解析出具体时隙使用相关的子消息。本算法根据ITU-RM.1371-5标准整理时隙相关算法，对动态报文进行分析监测时隙符合度，主要监测发送时隙与预约时隙符合性、预约时隙实际发送情况。由于消息特点，本算法只检测使用自组织时分多址（SOTDMA）的1号和2号报文。监测流程见图6：

图6 AIS船台动态电文播发时隙符合度是否合规监测流程

动态报文播发时隙校验结果，错误类型分为以下几种：

（1）播发时隙与预约时隙不符合，错误等级：中；

（2）船台只预约时隙，但是不发送消息，错误等级：高。

2. 监测算法规则

（1）校验缓存数据是否存在设备时隙数据，如没有则存入缓存时隙数据；（2）如果存在时隙数据，则判断时隙超时字段是否为0，代表时隙预约数据；（3）如时隙超时字段为0，则判断缓存中上一条报文时隙超时字段是否为0：①如连续多次都为时隙预约数据，则判断为船台只预约时隙，但是不发送消息，输出结果b；②如只有本条为0，则根据时隙偏移计算时隙预约情况，并更新缓存，正常结束；（4）如时隙超时字段不为0，则判断缓存是否存在时隙预约信息：①如没有时隙预约信息，则更新缓存当前播发时隙信息，正常结束；②如存有时隙预约信息，则判断当前报文时隙是否符合时隙预约信息，如果多次不满足，则判断为播发时隙与预约时隙不符合，输出结果a[2]。

四、系统的实现

通过接入全国AIS数据库、船舶检验数据库以及船舶无线电数据库，采用Spark与Hadoop为基础的大数据处理平台，基于AIS VDL的AIS船台动态信息符合度监测系统实现了对全国AIS船台动态报文、通信频率、通信时隙的ITU-RM.1371-5协议符合度实时监测和大容量处理，已作为北海航海保障中心开发的AIS VDL监测系统重要组成部分，在监测“一码多船”、不合规船台、船台协议不合规及船舶定位异常等方面精准可靠。据统计，AIS VDL系统2020年5月上线至2021年9月共筛查动态信息异常船舶55 212艘，其中A类船舶12 163艘，占22%，B类船舶43 049艘，占78%。在支持水上无线电秩序专项整治中成效显著，动态信息异常船舶占比由上线之初的9.823%降至2020年11月的0.799%，降幅达92%（见图7）。基于系统处理生成的数据也持续提供给“净海卫士”水上无线电辅助执法程序，为全国水上无线电秩序专项整治工作提供了可信的数据支撑。

图7 船台动态信息异常船舶占比

五、结语

基于AIS VDL的AIS船台动态信息符合度监测系统实现了对异常AIS船台信息的精准甄别，优化了AIS数据源和海上无线电通信秩序。同时，要在应用中不断优化该系统判断算法，提高异常甄别准确率；完善对外数据服务接口，为涉海用户接入AIS VDL数据库提供便利；充分利用AIS VDL系统接入船舶检验数据库和船舶无线电数据库的优势，过滤生成高质量的纯净AIS数据源，为海事监管和相关领域大数据分析提供更加精准的数据支撑。