第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着我国经济和技术的不断发展，海洋已经成为最重要的交通要道，航运市场和船舶运输业也随之飞速发展。根据 2017 年交通运输部公布的交通运输行业发展统计公报显示，2017年全年，水路交通完成客运量 2.83 亿人，比 2016 年增长 3.9%。全国港口完成吞吐量 140.07亿吨，比 2016 年增长 6.1%。从 2013 年到 2017 年，中国港口的总吞吐量从 117.67 亿吨上涨到 140.07 亿吨。所以日益繁忙的航运贸易所造成的航运压力也越来越大，航运交通事故所造成的财产和生命的损失也越来越严重，尤其是近海交通事故，这也越来越广泛引发社会的关注[1]。因此，中国的水路交通安全是一个严峻的挑战，水路交通安全管理有着极大的压力，水路交通安全问题亟待解决。
1.1 研究背景及意义
随着我国经济和技术的不断发展，海洋已经成为最重要的交通要道，航运市场和船舶运输业也随之飞速发展。根据 2017 年交通运输部公布的交通运输行业发展统计公报显示，2017年全年，水路交通完成客运量 2.83 亿人，比 2016 年增长 3.9%。全国港口完成吞吐量 140.07亿吨，比 2016 年增长 6.1%。从 2013 年到 2017 年，中国港口的总吞吐量从 117.67 亿吨上涨到 140.07 亿吨。所以日益繁忙的航运贸易所造成的航运压力也越来越大，航运交通事故所造成的财产和生命的损失也越来越严重，尤其是近海交通事故，这也越来越广泛引发社会的关注[1]。因此，中国的水路交通安全是一个严峻的挑战，水路交通安全管理有着极大的压力，水路交通安全问题亟待解决。
............................
1.2 国内外研究现状
（1）船舶监控系统研究现状
船舶监控系统是指通过利用主流的监控技术手段，如 AIS 系统，卫星监控，沿海 CDMA监控等，对目标海域内的船舶目标进行实时监控和跟踪，并将目标位置实时更新在电子海图上的系统。
在国内，为了保证船舶的安全航行，2002 年张显库、任光、刘军等人在控制工程理论的最新成果上综合运用了计算机网络技术、电子海图技术、CAN（Controller Area Network）总线技术设计并实现了综合船舶监控系统[4]。同年，贾银山等人将 GPS 定位技术、数据处理技术、电子海图技术相结合完成了船舶监控系统[5]。2008 年，胡景峰等人利用多雷达系统和电子海图技术设计了船舶分布式监控系统，结果表明，该系统可以有效监控船舶，并将图像显示至监控中心[6]。2012 年，刘信文以 Visual C++为开发工具，将从 AIS 系统接收的 AIS 数据进行解析，存储在数据库中，使得船舶信息可以显示在电子海图上[7]。2013 年，杨述为了给胜利油田实现精细化、高效化、智能化的运营远景，设计了一个人工船舶动态监控平台系统。整套系统基于 ASP.NET 的三层 Web 程序开发模型设计，显示界面利用 ExtJS 框架，界面优美大方，整个开发工程中，为了减轻系统的开销引入了 Ajax 技术，避免整个界面的重复刷新，只对船舶位置做局部更新，提升了系统性能[8]。2015 年，胡乃军，黄海广等人将在多源定位船舶数据的基础上，设计了实时船舶监控系统，并且实现了不同类型船舶之间的信息交互，为国内船舶监控物联网的发展作出了重大贡献[9]。
（1）船舶监控系统研究现状
船舶监控系统是指通过利用主流的监控技术手段，如 AIS 系统，卫星监控，沿海 CDMA监控等，对目标海域内的船舶目标进行实时监控和跟踪，并将目标位置实时更新在电子海图上的系统。
在国内，为了保证船舶的安全航行，2002 年张显库、任光、刘军等人在控制工程理论的最新成果上综合运用了计算机网络技术、电子海图技术、CAN（Controller Area Network）总线技术设计并实现了综合船舶监控系统[4]。同年，贾银山等人将 GPS 定位技术、数据处理技术、电子海图技术相结合完成了船舶监控系统[5]。2008 年，胡景峰等人利用多雷达系统和电子海图技术设计了船舶分布式监控系统，结果表明，该系统可以有效监控船舶，并将图像显示至监控中心[6]。2012 年，刘信文以 Visual C++为开发工具，将从 AIS 系统接收的 AIS 数据进行解析，存储在数据库中，使得船舶信息可以显示在电子海图上[7]。2013 年，杨述为了给胜利油田实现精细化、高效化、智能化的运营远景，设计了一个人工船舶动态监控平台系统。整套系统基于 ASP.NET 的三层 Web 程序开发模型设计，显示界面利用 ExtJS 框架，界面优美大方，整个开发工程中，为了减轻系统的开销引入了 Ajax 技术，避免整个界面的重复刷新，只对船舶位置做局部更新，提升了系统性能[8]。2015 年，胡乃军，黄海广等人将在多源定位船舶数据的基础上，设计了实时船舶监控系统，并且实现了不同类型船舶之间的信息交互，为国内船舶监控物联网的发展作出了重大贡献[9]。
在国外，2011 年，Vu Trong, Dinh Quoc 等人考虑到 AIS 信号的陆地接收站无法接受到地平线外的船舶，所以提出发送卫星，以星载 AIS 信号接受器来实现全球区域内的船舶监控[10]。2015 年，Miyake R，Fukuto J，Hasegawa K 等人开发出一套防碰撞算法的基于 AIS 的船舶监控导航系统[11]。2016 年，Kim T H，Yang C S 等人利用 Ka 波段通信卫星在 Socheongcho 海洋基站实现了远程船舶监控系统[12]。
........................
第二章 相关技术研究
2.1 引言
近海船舶监控系统采用多雷达组网系统和 AIS 相结合的监控方式，实时跟踪系统监控范围内的所有船舶的位置，并且将这些船舶的位置、航向、航速等信息上报给监控系统的接收端。系统将通过航迹关联算法将这些航迹信息关联处理，然后结合 ECDIS（electron-ic chart display and information system）技术将船舶目标显示在系统的终端界面上[29]。工作人员可以通过系统终端界面对船舶进行远程管控。因此近海船舶监控系统应该是一个监控和管理一体化的平台。
在近海船舶监控系统中，所有的人工管理控制操作都基于航迹关联所产生的航迹，航迹关联算法是整个系统的核心，关联算法的好快直接影响系统的整体功能，所以航迹关联算法是近海船舶监控系统的研究重点。
................................
...............................
第二章 相关技术研究
2.1 引言
近海船舶监控系统采用多雷达组网系统和 AIS 相结合的监控方式，实时跟踪系统监控范围内的所有船舶的位置，并且将这些船舶的位置、航向、航速等信息上报给监控系统的接收端。系统将通过航迹关联算法将这些航迹信息关联处理，然后结合 ECDIS（electron-ic chart display and information system）技术将船舶目标显示在系统的终端界面上[29]。工作人员可以通过系统终端界面对船舶进行远程管控。因此近海船舶监控系统应该是一个监控和管理一体化的平台。
在近海船舶监控系统中，所有的人工管理控制操作都基于航迹关联所产生的航迹，航迹关联算法是整个系统的核心，关联算法的好快直接影响系统的整体功能，所以航迹关联算法是近海船舶监控系统的研究重点。
................................
2.2 近海船舶监控系统
当前在船舶监控系统中应用得较为广泛的监控技术主要有多雷达组网系统，AIS，卫星监控，近海闭路电视视频监控，甚高频通信等。雷达向一个特定方向发送无线电信号，并扫描周围海域，雷达接收器负责接收信号行进过程中遇到物体反射的无线信号，最后得到目标的相关信息，多雷达组网系统将各个雷达的信息结合起来，获得更大更准确的监控范围，同时提高了船舶目标的更新频率，使目标信息更具实时性[30]。AIS 由岸上基站和船载设备共同构成，目前的每一条民用船舶上都有 AIS 报文的发送装置，船载 AIS 设备通过 GPS 获取船舶的位置信息，民船可以通过这种装置发送运动状态信息和静态信息给 AIS 基站。卫星监控系统通过卫星接受船舶发送出的 GPS 信号得到船舶的位置信息，完成监控。闭路电视监控系统是根据摄像机视频拍摄所获取到的现场画面，直接观测得到船舶目标的位置、航速、航向以及航行状态等信息，从而完成对目标的监控。甚高频通信系统是指船舶之间，船舶和岸上基站之间利用 VHF（Very High Frequency）用频段进行无线电通信，获取到船舶的位置信息、身份信息等，是建立在语音通信上的监控。综合比较这些监控技术，它们都各有优缺点，适用于不同的监控场景和需求。
当前在船舶监控系统中应用得较为广泛的监控技术主要有多雷达组网系统，AIS，卫星监控，近海闭路电视视频监控，甚高频通信等。雷达向一个特定方向发送无线电信号，并扫描周围海域，雷达接收器负责接收信号行进过程中遇到物体反射的无线信号，最后得到目标的相关信息，多雷达组网系统将各个雷达的信息结合起来，获得更大更准确的监控范围，同时提高了船舶目标的更新频率，使目标信息更具实时性[30]。AIS 由岸上基站和船载设备共同构成，目前的每一条民用船舶上都有 AIS 报文的发送装置，船载 AIS 设备通过 GPS 获取船舶的位置信息，民船可以通过这种装置发送运动状态信息和静态信息给 AIS 基站。卫星监控系统通过卫星接受船舶发送出的 GPS 信号得到船舶的位置信息，完成监控。闭路电视监控系统是根据摄像机视频拍摄所获取到的现场画面，直接观测得到船舶目标的位置、航速、航向以及航行状态等信息，从而完成对目标的监控。甚高频通信系统是指船舶之间，船舶和岸上基站之间利用 VHF（Very High Frequency）用频段进行无线电通信，获取到船舶的位置信息、身份信息等，是建立在语音通信上的监控。综合比较这些监控技术，它们都各有优缺点，适用于不同的监控场景和需求。
...............................
3.1 引言 .................................. 16
3.2 数据预处理 ..................................... 16
第四章 近海船舶监控原型系统设计与实现 ................................. 38
4.1 引言 .......................... 38
4.2 系统功能设计实现 .............................. 39
第五章 总结与展望 ................................. 52
5.1 本文工作总结 ................................... 52
5.2 本文工作展望 .................................. 52
第四章 近海船舶监控原型系统设计与实现
4.1 引言
本文所设计的船舶监控系统主要应用于船舶的近海监控，能够将沿海海域内的多个雷达传感器设备提供的信息以及 AIS 提供的信息进行有效关联，并将关联后的航迹信息融合输出，全面的进行展现，为港口码头等工作人员提供实时、完整、综合的情报信息，为沿海海域内船舶航行安全提供保障。
系统在监控技术上选择多雷达组网和 AIS 相结合的方式。雷达组网系统负责将雷达报文解析成航迹信息发送给航迹融合模块和终端显示模块，AIS 管理中心收到 AIS 信息后也将 AIS信息发送到航迹融合模块和终端显示模块。系统通过融合模块将不同雷达源的航迹相关联，并且和相关的 AIS 航迹关联，成功关联后生成完整的系统航迹再发送给终端显示模块。显示模块完成航迹的显示和控制操作功能。系统的整体功能模块和航迹源的关系如图 4.1 所示。
........................
4.1 引言
本文所设计的船舶监控系统主要应用于船舶的近海监控，能够将沿海海域内的多个雷达传感器设备提供的信息以及 AIS 提供的信息进行有效关联，并将关联后的航迹信息融合输出，全面的进行展现，为港口码头等工作人员提供实时、完整、综合的情报信息，为沿海海域内船舶航行安全提供保障。
系统在监控技术上选择多雷达组网和 AIS 相结合的方式。雷达组网系统负责将雷达报文解析成航迹信息发送给航迹融合模块和终端显示模块，AIS 管理中心收到 AIS 信息后也将 AIS信息发送到航迹融合模块和终端显示模块。系统通过融合模块将不同雷达源的航迹相关联，并且和相关的 AIS 航迹关联，成功关联后生成完整的系统航迹再发送给终端显示模块。显示模块完成航迹的显示和控制操作功能。系统的整体功能模块和航迹源的关系如图 4.1 所示。
........................
第五章 总结与展望
5.1 本文工作总结
本文是在阅读了国内外大量关于航迹关联算法的文献的基础上提出了一种基于区域划分的航迹关联算法。并参考了大量主流的船舶监控软件系统，设计实现了近海船舶原型系统，并将算法完成应用实现。具体工作如下。
5.1 本文工作总结
本文是在阅读了国内外大量关于航迹关联算法的文献的基础上提出了一种基于区域划分的航迹关联算法。并参考了大量主流的船舶监控软件系统，设计实现了近海船舶原型系统，并将算法完成应用实现。具体工作如下。
（1）在软件模块架构上利用消息队列将各个功能模块相解耦，将数据预处理，坐标转换和区域划分放到了数据解析模块，减轻了航迹关联融合的计算量。在航迹融合模块，采用了基于区域划分的航迹关联算法，并且改良了传统 KNN 算法的关联方式，进一步加快了航迹关联的速度。并将算法的关联融合结果通过消息队列发送给其他模块。实验仿真证明相对于采用传统 KNN 的双门限模糊综合航迹关联算法计算速度也有明显提升，在关联准确率上也有略微提升。
（2）对于和 AIS 的关联，本文所设计的算法在数据预处理时，对 AIS 航迹采用线性外推和内插法相结合的方式，将 AIS 航迹进行时空统一，使得 AIS 航迹在航迹关联上可以当做雷达航迹一样处理。航迹融合上，系统航迹只融合 AIS 的静态以及航迹相关信息，使得系统航迹信息更全面。在雷达校正上，利用 AIS 提供的位置信息作为位置真值，利用与其关联的雷达航迹参照 AIS 真值计算出该雷达在径向距离和角度上的偏差，用于误差校正。
（3）针对电子围栏功能，也用消息队列和航迹融合模块进行解耦。并设计了一个可以实时根据围栏最新状态进行电子围栏识别的算法，针对每一种类型的围栏算法都有不同的识别方法。当航迹穿入或者穿出围栏上，算法会发现这种情况，并提供报警信息。
（4）最后利用 electron 框架完成了系统的客户端，并且利用 NodeJS 编写了 Web 后台服务器。客户端可以成功加载电子海图并显示，此外雷达发送的航迹、AIS 航迹以及融合产生的系统航迹都可以及时地显示在海图上。而且不同类型的航迹在海图上都有明显的区分，可以更好的为运营管理提供保障。
参考文献(略)
（2）对于和 AIS 的关联，本文所设计的算法在数据预处理时，对 AIS 航迹采用线性外推和内插法相结合的方式，将 AIS 航迹进行时空统一，使得 AIS 航迹在航迹关联上可以当做雷达航迹一样处理。航迹融合上，系统航迹只融合 AIS 的静态以及航迹相关信息，使得系统航迹信息更全面。在雷达校正上，利用 AIS 提供的位置信息作为位置真值，利用与其关联的雷达航迹参照 AIS 真值计算出该雷达在径向距离和角度上的偏差，用于误差校正。
（3）针对电子围栏功能，也用消息队列和航迹融合模块进行解耦。并设计了一个可以实时根据围栏最新状态进行电子围栏识别的算法，针对每一种类型的围栏算法都有不同的识别方法。当航迹穿入或者穿出围栏上，算法会发现这种情况，并提供报警信息。
（4）最后利用 electron 框架完成了系统的客户端，并且利用 NodeJS 编写了 Web 后台服务器。客户端可以成功加载电子海图并显示，此外雷达发送的航迹、AIS 航迹以及融合产生的系统航迹都可以及时地显示在海图上。而且不同类型的航迹在海图上都有明显的区分，可以更好的为运营管理提供保障。
参考文献(略)