一种基于多源数据融合的渔船避碰预警终端

王小春，吴寅松，骆曹飞

一种基于多源数据融合的渔船避碰预警终端

王小春1，吴寅松2，骆曹飞1

（1.中国电子科技集团公司第三十六研究所，嘉兴 314031；2.中国船级社浙江分社，宁波 315099）

通过对AIS广泛应用以后，商渔碰撞从明显下降到重新抬头的现实原因分析，针对性地提出为渔船研制装备一种基于多源数据融合的避碰预警终端的设想。对该终端的工作原理、相对完全依赖AIS的使用优势做了剖析，并针对不同情况初步探索了数据融合模型的要点。应用该类避碰预警终端，将避免完全依赖AIS预警带来的频繁无效预警及漏报警等等弊端，实现对可能发生碰撞的精确预警。

AIS 雷达 避碰 数据融合

0 引言

渔船经常占据商船的航道，在双方都疏于瞭望，发现情况紧急时又采取避碰措施不当的时候，就容易发生商船和渔船相碰撞的事故。自从AIS广泛应用以后，商渔船碰撞的事故发生率明显下降，渔船在避碰预警上主要依赖AIS设备，而雷达仅仅用作瞭望的辅助设备，甚至在一些小型渔船上都没有安装雷达[1]。AIS的应用极大促进了航行安全信息的交互，对降低商渔船碰撞事故发生发挥了重要作用。

但是近年来，商渔船碰撞的事故发生率又有抬头的趋势，其原因主要有以下几点：

1）渔民对AIS过度依赖，对可能出现的险情完全依靠AIS预警，而疏于瞭望。当AIS受到干扰或者功率下降等原因导致通信不正常时，就可能对出现的险情不能及时预警。有些渔民为了保险起见，安装不止一台AIS，使航道中的其他船舶难以认清形势。AIS对没有安装AIS的船舶或者其他障碍物无法起到避碰预警功能。

2）渔船在行进中作业，驾驶室有时无人值守，或虽有人但极度疲劳形同无人，AIS虽然对出现的险情进行了预警，但没有船员注意到。

3）网位仪的大量使用，导致商船在行进途中发现到处都是AIS信号，商船无法判断到底是网位仪还是渔船，有时认为是网位仪冒险驶过时可能与实际的渔船发生碰撞。网位仪大量使用还导致AIS的通信频道阻塞，造成船舶之间的通信不畅，影响避碰措施的采取[2]。

基于以上的现实，我们认为需要开发一款专门用于渔船避碰预警的智能化终端设备，融合雷达、AIS及内置电子海图等多源数据，对航行局面的判断都以后台软件来完成，根据不同的危险等级以声光形式对船员进行精准的报警，避免完全依赖AIS来实现避碰预警带来的一系列弊端，降低操船人员的劳动强度，同时又与全船通用报警系统关联，当驾驶室无人确认时可以及时通知处于休息室或其他位置的船员及时响应。

1 多源数据融合的智能终端

智能终端与周围设备或信号的连接关系图1。

图1 智能终端与周围设备的连接关系

智能终端具有多源数据处理和融合、显控、报警以及信号输出等功能。它综合获取导航雷达、AIS信号、船首、GPS等各个传感器信息，提取其中有效信息，对环境杂波进行滤波，并将多源信息融合完成后在内置的电子海图上进行综合显示，利用内置的船舶碰撞危险判定软件推演本船航行是否存在与海面船舶或其他障碍物的碰撞可能，若存在碰撞威胁，则采用闪烁的弹窗和警报声等形式向操船人员发出预警，如果设定时间内没有船员进行确认，则激活通用报警系统，向可能处于休息或作业的船员发出警报。还可以利用内置的电子海图设置航行碰撞高风险区域，通常为商渔船碰撞高发区域以及航行繁忙区域，包括主管当局发布的传统航道、狭窄水道、港口区域等。在安装本智能终端前，如果船舶已经配备雷达和艏向传感器，可以利用，如未配置或效能下降，则需要新增。AIS和GPS设备一般是必配，其输出信号直接连到智能终端即可。

该避碰预警终端对海面上的目标探测以雷达为主，这就避免了纯粹依靠AIS带来的一系列弊端。AIS对目标的监测依赖他船AIS设备的设置、传感器的正常工作和数据精度，静态信息可能被篡改、不准确或错误。AIS不像雷达是自主探测设备，不能显示岛屿、岸线和未装备AIS设备的导航标识，有些配有AIS设备的船舶也可能随时将设备关闭。一些小型船舶安装的B类AIS设备，发射功率低，信息更新间隔延长至30 s，特别在VHF数据链路繁忙时，CS-AIS设备会暂时自动终止船位报告发送，系统无法及时更新其信息。更有上面讲到的网位仪大量使用带来的混乱和信道阻塞问题。AIS一般通过船舶之间相对位置（顶多再加个对地速度）来判断碰撞危险，而不能像雷达这样根据探测到的船舶航迹数据结合本船的艏向和航速计算出TCPA/CPA实现精确的预警，从而避免使用AIS经常出现频繁而无用的报警[3]。

但是单单依靠雷达来作为避碰依据又是不充分的，会有目标漏失概率（存在探测盲区），也难以保证设备工作一定稳定。把雷达目标和AIS目标的相关信息进行融合，可以充分利用两者各自的优势，对目标的信息掌握更加全面，使局面判断更加精准。通过信号的比对也易于发现某个设备异常以便及时进行检修。

2 多源数据融合及处理模型

在海面障碍物多源数据融合及处理模型（以下简称模型）中，导航雷达感知数据构建基本的海面障碍物分布情况，AIS系统实现障碍物信息补充、遗漏障碍物提示等功能。

在模型中，障碍物地理位置信息是雷达数据与AIS数据相互关联的主体特征，即通过障碍物的位置信息判断雷达与AIS系统是否探测到同一障碍物。以下对于商渔船防碰撞预警系统在运行过程中可能出现的不同情况做出具体分析：

1）雷达探测的障碍物位置与AIS探测的障碍物位置基本吻合（即两类传感器探测到同一障碍物的位置信息误差值在系统既定的阈值范围内）：模型判定该障碍物为海面船舶，分别通过两类传感器获取不同的目标特征，最终演算该障碍物的运动趋势及其他特征；

2）雷达探测到某一障碍物，但该障碍物附近无AIS探测结果：根据雷达探测到障碍物外形轮廓和运动特性，判定该障碍物为海面漂浮物、岛屿、海面平台或关闭/未配置AIS的其他船舶等。对漂浮物、岛屿、海面平台等无自主运动能力障碍物，归于一般预警范畴；对具有机动特性的其他船舶，仍需根据会遇局面做出一般或紧急预警；

3）AIS存在探测结果，但在该结果附近无雷达探测数据：模型判定该障碍物为示位标、网位仪等一般海事装置，该类存在一般预警必要，但尚未达到紧急预警的程度。

3 结语

为渔船配备上述基于多源数据融合的避碰预警终端，将避免完全依赖AIS预警带来的频繁无效预警及漏报警等等弊端，实现对可能发生碰撞的精确预警。该智能终端的多源数据融合处理模型或者说关联规则的设置是否科学、合理、完整，是产品开发的关键。但从用户角度考虑，其操作界面一定要简洁，剔除冗余信息，保留感兴趣或必须关注的信息，产品的屏幕要足够大、方便观察。海上航行环境千变万化，配备这一类的智能终端是要减轻操船人员的劳动强度，帮助其及时认清航行环境，智能化地给出避碰预警，但不能完全替代值班人员的瞭望。

[1] 徐开达, 戴乾. 浙江海域商船与渔船碰撞事故特征、原因及避碰对策[J]. 浙江海洋学院学报, 2016.

[2] 杨政妮, 魏亮. 从海上交通安全管理角度浅谈渔船AIS设备智能终端发展和对策研究[J]. 中国海事, 2020.

[3] 刘彤. 航海仪器[M]. 大连海事大学出版社, 2013.

A collision avoidance warning terminal for shipping boats based on Multi-source data fusion

Wang Xiaochun1, Wu Yinsong2, Luo Caofei1

（1. 36th Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation,Jiaxing314031; 2. China Classificaton Society Zhejiang Branch, Ningbo315099)

U675

A

1003-4862（2022）03-0028-02

2021-07-13

浙江省科技厅项目（2021C01010）

王小春（1975-），男，高级工程师，主要从事海洋电子装备研发。E-mail: 69509432@qq.com