● 文 |中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所 王飛

海上安全監(jiān)管，數(shù)字科技護航
——基于海上區(qū)域安全監(jiān)管的數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)簡介

● 文 |中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所 王飛

一、引言

“誰控制了海洋，誰就控制了世界?！焙Ｑ笠呀?jīng)成為當(dāng)今人類社會賴以生存的保障，在經(jīng)濟、軍事上都有極其重要的戰(zhàn)略地位。十八大以來，黨和政府更是把打造“海洋強國”作為新時期的重要戰(zhàn)略，加強海上安全監(jiān)管既是維持我國海域安全的重要保障，也是我國堅持“獨立自主和平外交政策”的題中之義。因此，提升海上區(qū)域安全的監(jiān)管水平和服務(wù)能力對建設(shè)服務(wù)型政府和海洋強國具有重要的實踐意義[1]。

隨著我國信息化水平的不斷提升，各種海上安全監(jiān)管部門越來越多地應(yīng)用基于船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）、北斗、雷達等軌跡時空數(shù)據(jù)的服務(wù)系統(tǒng)輔助海上安全監(jiān)管，如船舶交通服務(wù)系統(tǒng)（VTS）[2]。海上信息系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用為有關(guān)部門提升海上監(jiān)管能力起到了巨大的促進作用。

然而，隨著海上態(tài)勢日趨復(fù)雜化，以及海上安全監(jiān)管的領(lǐng)域逐漸多樣化，傳統(tǒng)的海上安全監(jiān)管系統(tǒng)存在著一些問題，比如，多源時空數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)差，區(qū)域?qū)崟r事件甄別能力不高，缺乏基于大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的深度分析，監(jiān)管系統(tǒng)信息共享困難等，從而制約了新時期海上監(jiān)管能力的提高。

中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所作為“大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)國家工程實驗室”，一直致力于推動數(shù)據(jù)分析挖掘方面的科技創(chuàng)新。中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所的科研團隊經(jīng)過長期的深入研究，自主研發(fā)了“基于海上區(qū)域安全監(jiān)管的數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)”，旨在解決現(xiàn)有海上安全監(jiān)管系統(tǒng)存在的諸多問題，將既有感知優(yōu)勢、數(shù)據(jù)優(yōu)勢轉(zhuǎn)換為信息優(yōu)勢并形成科學(xué)決策。本文將對該系統(tǒng)的功能特點、性能指標以及技術(shù)亮點進行詳細介紹。該系統(tǒng)在海警、海監(jiān)、海事等眾多機構(gòu)體系中具有較高的應(yīng)用價值，未來系統(tǒng)會更加著力于海洋數(shù)據(jù)的多源融合和判斷海上目標的行為能力和行為意圖。

二、系統(tǒng)特點

1.規(guī)模數(shù)據(jù)清洗和多源實時數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

目前，海上目標接收的原始船舶軌跡數(shù)據(jù)，存在大量的重復(fù)數(shù)據(jù)、錯誤數(shù)據(jù)、野點和噪聲。同時，由于部分導(dǎo)航系統(tǒng)（如AIS）采用的是協(xié)作式信息傳輸，常常存在非法船只冒用其他船只的身份ID，造成監(jiān)管過程中對目標身份識別障礙。

針對這些現(xiàn)象，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理程序采用了對原始數(shù)據(jù)的多層次和多維度的規(guī)模清洗，實現(xiàn)對非合作目標點跡、航跡的數(shù)據(jù)逐條辨別。對于共用身份ID的船舶，把其軌跡數(shù)據(jù)通過時空平滑關(guān)系進行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)了將共用ID的多條船舶的軌跡分離，在多個維度上綜合保障了數(shù)據(jù)高質(zhì)量，幫助監(jiān)管部門正確識別目標的身份信息。

為綜合判斷海上態(tài)勢，海上監(jiān)管部門往往需要在監(jiān)控系統(tǒng)中同時接入多個數(shù)據(jù)源，如AIS、雷達、北斗等。然而，由于不同數(shù)據(jù)源的傳感設(shè)備獨立，原始數(shù)據(jù)格式不一，造成監(jiān)管人員面對過大的數(shù)據(jù)量，難以對各個數(shù)據(jù)源的信息進行綜合分析，形成決策。該系統(tǒng)通過自主研發(fā)的綜合處理程序?qū)⒉煌瑏碓吹拇皵?shù)據(jù)進行了有效關(guān)聯(lián)。

不同來源的船舶數(shù)據(jù)一旦經(jīng)程序判斷為是同一船舶的，系統(tǒng)將自動進行目標航跡的合并，有效降低了系統(tǒng)監(jiān)管人員的認知負擔(dān)。另外，目前普遍認為，程序上對信息的分析不能完全取代人工的分析。所以，監(jiān)管人員可以在前臺對船舶進行人工干預(yù)，提高對目標身份識別的準確性。具體而言，對于無法自動融合的原始信息，前端在經(jīng)過人工分析后，確認為同一目標的，可以人工合并為同一目標；對于自動融合但經(jīng)人工分析確認為不同目標的原始信息，可人工拆分為多個原始目標。將海上目標軌跡數(shù)據(jù)進行有效時空關(guān)聯(lián)的最終目的在于將海洋方面的感知優(yōu)勢、數(shù)據(jù)優(yōu)勢，通過時空融合轉(zhuǎn)換為信息優(yōu)勢，最終促進決策。

2.全方位、多層次的區(qū)域?qū)崟r監(jiān)控

系統(tǒng)可以對全球在航的十幾萬艘船舶進行實時跟蹤監(jiān)控?？梢酝ㄟ^柵格圖或綠點圖的形式，實時展現(xiàn)全球或指定區(qū)域的整體海上態(tài)勢。通過特定的檢索條件，如ID、船名、國際海事組織（IMO）船舶識別號、呼號等，可以迅速定位至指定目標所在位置，查看其基本目標信息（靜態(tài)信息、動態(tài)信息）和檔案信息。

為便于對特殊目標的實時跟蹤，系統(tǒng)提供重點目標關(guān)注和航跡顯示功能。用戶可將疑似目標設(shè)置為重點關(guān)注對象，實時跟蹤目標動態(tài)，并且，目標隨時間移動可動態(tài)繪制航行軌跡。系統(tǒng)也允許用戶在前臺人工設(shè)置區(qū)域的范圍，統(tǒng)計區(qū)域的實時船舶數(shù)量，并進行可視化展示。

此外，為便于監(jiān)管機構(gòu)及時采取措施應(yīng)對突如其來的異常事件，保障區(qū)域船舶的安全，系統(tǒng)提供了對目標和區(qū)域的異常事件的實時跟蹤功能。基于海洋時空數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以對諸如船舶駛?cè)雲(yún)^(qū)域、區(qū)域船舶異常聚集、船舶通訊設(shè)備關(guān)閉、船速過快等異常事件進行實時警告提醒。監(jiān)管人員可以根據(jù)實際情況或經(jīng)驗進行人為設(shè)置各異常事件的閾值參數(shù)。對于大規(guī)模異常事件，系統(tǒng)以柵格作為單元計算相應(yīng)海區(qū)的安全指數(shù)，供監(jiān)管人員參考。

3.基于大規(guī)模歷史數(shù)據(jù)的深度挖掘

在歷史數(shù)據(jù)服務(wù)方面，系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)的設(shè)計架構(gòu)可以對海量的歷史數(shù)據(jù)進行存儲。系統(tǒng)可以對自定義區(qū)域的歷史船舶進出量進行多維統(tǒng)計，并進行可視化展示。同時，還可以對該區(qū)域的歷史污染物排放量進行計算和可視化展示。

深入分析監(jiān)管區(qū)域船舶的行為規(guī)律，對于科學(xué)制定監(jiān)管政策、提升服務(wù)能力具有重要意義。系統(tǒng)通過自主研發(fā)的獨特計算框架可以對全球船舶歷史軌跡進行深入挖掘分析，并渲染形成高分辨率的熱力圖，空間粒度可達1度×1度。從類型上，支持對船舶密度、交通密度、平均船速密度、AIS覆蓋密度等進行計算分析和渲染。從船種上，可以對AIS支持的各種船舶類型分別進行計算。熱力圖具有多方面的優(yōu)勢，可以為進一步分析區(qū)域和船舶的異常行為事件提供基礎(chǔ)，甚至可以幫助制定改善區(qū)域海洋生態(tài)環(huán)境的政策[3]。

4.多節(jié)點、多終端信息共享

目前，我國海上區(qū)域監(jiān)管部門是一個包含著不同節(jié)點的系統(tǒng)，包括總節(jié)點和下級節(jié)點。為保證不同節(jié)點之間重要信息可以實現(xiàn)共享，任一節(jié)點的數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)都可以按照特定的分發(fā)條件，向其所歸屬的整個安全監(jiān)管系統(tǒng)內(nèi)的其他節(jié)點進行信息分發(fā)。分發(fā)條件包括：指定信息類型、指定區(qū)域、指定目標等。每個節(jié)點可以實時查看信息分發(fā)與信息接收的當(dāng)前狀態(tài)與詳細信息。

同時，系統(tǒng)不但可以保證不同節(jié)點之間的信息共享，同一節(jié)點的不同終端也可以實現(xiàn)信息的高度共享。系統(tǒng)后臺可以在同一節(jié)點的不同顯示終端上實現(xiàn)對信息的遠程訪問。比如，用戶可以在監(jiān)管室通過二維軟件端對管轄區(qū)域的海上實時態(tài)勢進行監(jiān)控，也可以在其他電腦終端使用WEB瀏覽器遠程訪問該節(jié)點系統(tǒng)的海上態(tài)勢信息，做到同一節(jié)點內(nèi)部信息的高度共享。

三、系統(tǒng)技術(shù)指標

1.大數(shù)據(jù)架構(gòu)下的海量數(shù)據(jù)儲存

海上目標的數(shù)據(jù)類型多樣，既有數(shù)據(jù)量較大的歷史軌跡數(shù)據(jù)，也有需要長期保存的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和需要經(jīng)常訪問的熱點數(shù)據(jù)。比如，就目標軌跡數(shù)據(jù)而言，我國海域一個小時內(nèi)接收到北斗消息大概為幾萬條，而接收到AIS的消息數(shù)量可達到十萬條，因而對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲能力提出了挑戰(zhàn)。為了實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的合理存儲，系統(tǒng)采用了內(nèi)存數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫、分布式數(shù)據(jù)庫的分級存儲方式，實現(xiàn)了對熱點數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)迅速查詢響應(yīng)，也克服了海量歷史數(shù)據(jù)不能有效存儲的難題。

2.多源數(shù)據(jù)的并發(fā)接入

為保證多源數(shù)據(jù)的高密度接入，系統(tǒng)利用異步且事件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序框架，實時接入不同來源的船舶點跡數(shù)據(jù)，進行去重和濾除錯誤數(shù)據(jù)等預(yù)處理工作。針對大流量、高頻率的數(shù)據(jù)接入，在設(shè)計中采用了異步非阻塞、零拷貝、內(nèi)存池、自動解包等技術(shù)保證性能的實現(xiàn)。數(shù)據(jù)處理密度可達到每分鐘并發(fā)接入15萬個點跡，峰值為每分鐘120萬個點跡。

3.大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理容量

對經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)，采用特殊的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)技術(shù)對不同來源的船舶數(shù)據(jù)進行融合，可以實現(xiàn)對全球近十幾萬在線船舶數(shù)據(jù)的處理，大大提高了數(shù)據(jù)處理的容量。大量船舶目標在前臺高性能的標繪顯示與用戶體驗直接相關(guān)，因此是整個系統(tǒng)性能的重要組成部分。充分發(fā)揮圖形引擎渲染技術(shù)支持大數(shù)據(jù)的實時可視化處理的優(yōu)勢，大大提升大數(shù)據(jù)的處理能力和展現(xiàn)能力，使得更豐富的可視化樣式成為可能，在動態(tài)時空數(shù)據(jù)渲染的背景下可充分體現(xiàn)其高效性。

4.高效的數(shù)據(jù)檢索

為提升檢索效率，系統(tǒng)自主研發(fā)了海上大規(guī)模離散實體多屬性時空點數(shù)據(jù)增效引擎。該引擎對軌跡數(shù)據(jù)進行了壓縮處理，在內(nèi)存中同時保存壓縮前和壓縮后的數(shù)據(jù)。更重要的是，引擎建立了覆蓋典型近離線場景（時間相關(guān)查詢場景、空間相關(guān)查詢場景）、分區(qū)域等級（較大區(qū)域、中等區(qū)域、較小區(qū)域）時空索引，大大提高了不同時空場景下的查詢響應(yīng)時間。在小規(guī)模集群（5臺×8核CPU×16GB內(nèi)存）下，可以實現(xiàn)對不同類別時空查詢的秒級響應(yīng)。

四、應(yīng)用前景及發(fā)展方向

1.應(yīng)用前景

系統(tǒng)實現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)的并發(fā)接入和融合處理，可以對海上區(qū)域的船舶信息進行全方位、多層次的實時監(jiān)控，同時可以對大規(guī)模的數(shù)據(jù)進行存儲和分析，在海上區(qū)域安全監(jiān)管領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用價值。海上安全監(jiān)管部門（如海警、海監(jiān)等）可利用系統(tǒng)實時監(jiān)控區(qū)域的安全態(tài)勢，即時捕捉發(fā)生的異常事件，并根據(jù)異常事件的類型和時空信息迅速做出決策，以應(yīng)對突發(fā)的異常事件。比如，在發(fā)現(xiàn)某區(qū)域船舶異常聚集量過大時，可采取可行措施，疏解區(qū)域船舶，避免出現(xiàn)船只碰撞等交通事故。同時，還可以根據(jù)對大規(guī)模歷史數(shù)據(jù)的挖掘結(jié)果，分析區(qū)域船舶的活動規(guī)律，科學(xué)地制定安全監(jiān)管措施。

此外，由于系統(tǒng)具有完備的多源數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)，以及較高的數(shù)據(jù)存儲容量、數(shù)據(jù)處理密度、數(shù)據(jù)處理容量和數(shù)據(jù)檢索速度，也可用于特定場景下的軍事情報分析任務(wù)。

2.發(fā)展方向

第一，提高對目標行為能力和行為意圖的判斷預(yù)測。

鑒于海上安全監(jiān)管的形勢日趨復(fù)雜，為保證監(jiān)管部門及人員更加便利地實施監(jiān)管行為，未來有必要增加對目標行為能力和行為意圖的判斷。比如，海上事故頻發(fā)，事故發(fā)生地點能否迅速、及時、有效地接受援助，是保障船上人員和財產(chǎn)安全的重要基礎(chǔ)。然而，由于事發(fā)地點的距離以及其他因素，搜救船隊往往不能及時到達。因此，對周邊船舶救援能力的有效評估可極大有助于事故救援，保障事故發(fā)生時有船舶迅速進行響應(yīng)。再如，海上安全監(jiān)管機構(gòu)經(jīng)常需要對重點關(guān)注目標（疑似走私船舶）進行實時跟蹤?；谀繕艘延械臍v史軌跡形成的軌跡預(yù)測，結(jié)合對其行為能力的判斷，有利于監(jiān)管人員對目標迅速做出應(yīng)對反應(yīng)。

第二，結(jié)合多類型海洋數(shù)據(jù)，全方位分析海上態(tài)勢信息。

海洋數(shù)據(jù)類型多樣，包括海洋基礎(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)、海洋遙感數(shù)據(jù)、海洋經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)等幾個大類數(shù)據(jù)[4]。結(jié)合其他海洋數(shù)據(jù)有助于綜合分析海上態(tài)勢信息，從而做出科學(xué)的決斷。計算機和信息技術(shù)的快速發(fā)展使海洋資料信息服務(wù)從單一方式向可視化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展[5]，從而為融合多源數(shù)據(jù)提供了有利條件。基于此，未來服務(wù)于海上區(qū)域安全監(jiān)管的數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)可將海洋水文、海洋氣象、海洋生物、海洋化學(xué)、海洋地形等數(shù)據(jù)與船位信息進行融合，以便于監(jiān)管部門全面分析海上區(qū)域的情況，綜合保障海上區(qū)域安全。

綜合考慮了以上兩點趨勢，中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所的科研團隊已經(jīng)展開了有關(guān)的工作，著力打造“海上大規(guī)模離散實體多屬性時空點數(shù)據(jù)增效引擎”，旨在把海上可感知的各種數(shù)據(jù)（包括海洋現(xiàn)象與海洋要素數(shù)據(jù)，以及海上目標活動數(shù)據(jù)）進行高質(zhì)量的時空融合，繼續(xù)提高數(shù)據(jù)檢索的效率，增強分析目標行為能力和行為意圖的技術(shù)支持，從而真正實現(xiàn)感知優(yōu)勢和數(shù)據(jù)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為信息優(yōu)勢，輔助決策制定。

[1] 楊立波,王旺,陳厚忠,嚴新平,王世偉.海上交通安全監(jiān)管水域風(fēng)險判斷模型[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報（交通科學(xué)與工程版），2017, 39(2):316-319.

[2] 李春光,馮嶸,余嘯野,張志瑋,孫一,邢侃.自動識別系統(tǒng)（AIS）在交通管理系統(tǒng)（VTS）中的應(yīng)用[J].天津航海, 2017(1):44-46.

[3] Lin W, Yongjun X, Qi W, Fei W, &Zhiwei X.Mapping Global Shipping Density from AIS Data[J].The Journal of Navigation, 2016,70(1):1-15.

[4] 魏紅宇, 張峰, 李四海.海洋數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用研究[J].海洋通報，2008, 27(6):82-87.

[5] 黃冬梅,張弛,杜繼鵬等.數(shù)字海洋中海量多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)集成研究[J].海洋環(huán)境科學(xué), 2012(1):111-113.