【专稿】AIS船舶监控数据质量的局限性说明

导读：什么是AIS?AIS的工作原理是什么？AIS对于船舶监控的局限性如何？AIS数据存在哪些常见问题？上海国际航运研究中心信息化研究室、港航大数据研究室主任徐凯博士今日细说AIS。什么是AIS？
　　船舶智能识别系统（Automatic Identification System， AIS），是一种海上辅助助航通信系统，旨在实现船舶避碰、保障海事安全。船舶安装了AIS通信设备后，就会通过VHF (Very High Frenquency)无线电波向周围20海里内的船舶和港口定时广播船舶的船位、航向、航速等动态信息和船名、呼号、船型等静态信息。

AIS 工作原理
　　随着物联网技术的发展，AIS的应用不仅限于小范围的通讯用途，通过分布式采集技术将AIS这种局部广播式信息通过互联网汇集到一起。一方面，通过将分布在沿海和内河岸边的大量的基站接收附近的AIS数据；另一方面，通过低轨道卫星收集的海上AIS数据（见图1）。通过这两方面的数据采集，人们就可以实现对全球船舶的监控。并且AIS数据的用途也不再局限于海事应用，由于AIS其中蕴含着大量对港航业有价值的信息，通过对AIS数据的挖掘可以为港航业经营决策提供依据，实现对港航业务资源的合理配置，包括经济运行分析、海事安全分析、物流运输分析、港航决策支持等大数据应用，因此具有重要的应用价值和研究意义。



　　如图1所示，通过上述方法我们每天可以采集到大量船舶位置信息。根据2015年9月1日的船讯网数据，我们可以接收到的AIS数据广播为396311条不同的MMSI，其中包含IMO号码的静态数据为82658条，其中有船名的船舶约有281055条。



AIS对于船舶监控的局限性
AIS的原理导致的监控局限性首先，岸基AIS的覆盖范围易受影响。岸基AIS数据接收主要由分布在世界各地港口、河道、岛屿的基站采集有效信号范围内的船舶AIS广播消息得到。由于AIS技术是工作在无线电甚高频段（VHF87B和88B频道）上，在给定发射机功率的条件下，其信号有效作用范围受到VHF无线电波直线转播特性，即地球表面曲率和设备无限高度等因素的制约。 一般认为，船载AIS设备的海上有限作用范围半径为20n mile 左右，但天气因素、岛屿遮挡都有可能减小有效的监控范围。即使在有效接收范围内，若该区域船舶数量超过监控通道的上限，也会造成AIS信息缺失，特别是沿海大量渔船用的B级AIS设备，占用大量通道资源。

其次，卫星AIS监控船舶数量受到通信时隙制约，在船多的区域信号丢失难以避免。在岸基接收不到的地方，通常利用装载有AIS接收器的低轨道小卫星接受AIS信息。低轨道卫星在太空中实时接收并存载AIS所发射的信息，再转发给地面接收站，以实现全球范围内监控船舶交通，即基于低轨道小卫星技术的空间AIS系统。  船载AIS的通信机制是在VHF87B和88B频道上采用自组织时分多址技术（SOTDMA）协议，即将每分钟每个信道时间分为在时域上互不重叠的，固定长度为26.67ms的2250个时隙。一般情况下，船载AIS在其VHF作用范围内的船舶数量有限，使得在海上船载AIS之间的通信所占用的时隙总数不会超过AIS信道理论时隙数量4500个。然而，当利用低轨道小卫星检测船载AIS信号时，却决于卫星轨道高度的卫星在海面上的覆盖范围，往往远大于船载AIS的VHF作用范围，即卫星在海面上的覆盖范围会包含多个VHF作用范围。因此，AIS卫星会接收到不同SOTDMA区域但占用相同时隙的AIS信息，会使得AIS信息的时隙冲突的概率增加。或是传输路径长度的不同，使得AIS信息虽来自不容STMDA区域，但占用相邻时隙，也会造成信息的冲突。AIS时隙冲突，就会造成AIS信息的缺失，从而无法监控到相应船舶。卫星交织组成了监控的“星座”系统，而卫星采集船舶位置取决于卫星与船舶相遇的时刻，理论上系统内卫星数量越多，相遇并采集到数据的概率也会越大。

第三，在舟山渔场等B类船很多的地方，A类船的接收会受到影响。船载AIS协议分为A类和B类两种。 A类船载AIS必须遵守国际海事组织IMO的船载自动识别要求，超过300吨之国际航线商用船必须装载A类船载AIS设备。 B类实用于中小型船舶，AIS有两种协议，分别是SOTDMA（自组织时分多址）和CSTDMA（载波侦听时分多址）。B类SOTDMA型AIS和A类AIS通信协议相同，与A类AIS在同一网络下发布接收信息，不会与原AIS发生时隙冲突，但会加大原AIS的网络负担。B类CSTDMA型AIS采用先侦听后发送技术，它不断在在AIS无线电频道上倾听，当检测到没有其它台站进行数据传输时才发布消息，因其不预约时隙，且发射时隙为1而对AIS网络负载非常小。目前，我国渔船安装的B类AIS设备既有SOTDMA型，也存在CSTDMA型。　　 AIS的人为因素影响监控效果

首先，AIS是通信协议，其ID为MMSI，但是船舶的唯一ID是IMO号，这两者匹配关系常常出错。一方面，在AIS设备中MMSI输入无格式限制，因此输入不正确或随意输入MMSI的情况都是存在的；另一方面，同一条船有时会对应多个MMSI，就像一个人可能会有两个手机号码一样，虽然这种情况并不多见，但是有一些船为了躲避追踪会安装两套AIS设备在到港后切换使用。总之，由于AIS位置信息以MMSI为标识ID，一旦出错就无法将要监控的船舶与AIS信息对应，则会导致AIS信号缺失。实际航运当中，常会遇到同一时间，有两艘船舶的MMSI相同；或非常短的时间，同一MMSI号显示的经纬度相差很远的情况。

其次，即便是船舶的唯一ID号IMO号码，由于在AIS设备中需要手工输入，也有可能出错或者缺失。IMO号码有七位阿拉伯数字组成，分配给每一艘船，是船舶的永久“身份证”。一般国际航行船舶都有IMO号码，但目前有不少船舶的AIS设备中不输入(特别是 “二手船”)或随便编一个号码输入。

第三，AIS船载设备可以人为关掉。导致认为关闭的可能性很多，比如肇事逃逸、躲避海事监管、运力封存、设备故障等，在此阶段AIS信号也会中断。

第四，基站分布和建设的挑战。全球经济发展不平均，再加上政治等多方面因素，在如日本海西，中国南海，东海舟山等区域，基站建设面临比较大的挑战，即使设有基站的地方，由于数据传输依赖互联网UDP协议，网络质量也会影响基站数据的回传，在一些政治敏感区域出于军事目的存在人为干扰AIS信号接收的情况。

AIS数据的常见问题概括
　　第一，AIS数据在船舶数量密集的地方普遍较差，包括渔船密集的区域；
　　第二，AIS数据在公海上的更新频率往往达到数个小时，并且分布不均匀，这与卫星与船舶的会遇概率和报文冲突等因素有关；
　　第三，AIS数据在政治敏感海域、岛屿丰富区域、高纬度区域、基站分布不充分的区域质量都会下降；
　　第四，互联网存在通信的不稳定性，AIS基站不会一直在线，因此会出现间歇性的失连。结论

　　AIS作为一种新兴的航海仪器，其通信协议还在不断完善中，加上其本来作用只是对防止碰撞等海事安全事故发生，并非用于大范围水域的船舶监控和数据分析，因此上述局限性问题是普遍存在于各AIS数据服务商之间的共性问题。在全球范围，是依靠公约国家的海事执法手段确保执行，强制和监督能力有限，因此通常不会以AIS信息的覆盖率和更新频率来度量数据的质量。

基于目前的现状，本人推荐以以下指标来评估AIS的数据质量：
　　指标一、对岸基数据而言，AIS岸基总数和平均在线岸基数量是度量的最好指标；
　　指标二、对于卫星AIS数据而言，运行中的卫星“星座”系统小卫星数量是重要的评价指标；
　　指标三、以单位时间内动态轨迹点数量总数和静态报文MMSI总数来评价。
　　将来，随着AIS操作日趋规范化，基站网络的扩大，AIS低轨道卫星数量的增加，AIS的数据质量会越来越好，AIS在船舶运输监控上的运用将有更大空间。

导读：什么是AIS?AIS的工作原理是什么？AIS对于船舶监控的局限性如何？AIS数据存在哪些常见问题？上海国际航运研究中心信息化研究室、港航大数据研究室主任徐凯博士今日细说AIS。什么是AIS？
　　船舶智能识别系统（Automatic Identification System， AIS），是一种海上辅助助航通信系统，旨在实现船舶避碰、保障海事安全。船舶安装了AIS通信设备后，就会通过VHF (Very High Frenquency)无线电波向周围20海里内的船舶和港口定时广播船舶的船位、航向、航速等动态信息和船名、呼号、船型等静态信息。

AIS 工作原理
　　随着物联网技术的发展，AIS的应用不仅限于小范围的通讯用途，通过分布式采集技术将AIS这种局部广播式信息通过互联网汇集到一起。一方面，通过将分布在沿海和内河岸边的大量的基站接收附近的AIS数据；另一方面，通过低轨道卫星收集的海上AIS数据（见图1）。通过这两方面的数据采集，人们就可以实现对全球船舶的监控。并且AIS数据的用途也不再局限于海事应用，由于AIS其中蕴含着大量对港航业有价值的信息，通过对AIS数据的挖掘可以为港航业经营决策提供依据，实现对港航业务资源的合理配置，包括经济运行分析、海事安全分析、物流运输分析、港航决策支持等大数据应用，因此具有重要的应用价值和研究意义。



　　如图1所示，通过上述方法我们每天可以采集到大量船舶位置信息。根据2015年9月1日的船讯网数据，我们可以接收到的AIS数据广播为396311条不同的MMSI，其中包含IMO号码的静态数据为82658条，其中有船名的船舶约有281055条。



AIS对于船舶监控的局限性
AIS的原理导致的监控局限性首先，岸基AIS的覆盖范围易受影响。岸基AIS数据接收主要由分布在世界各地港口、河道、岛屿的基站采集有效信号范围内的船舶AIS广播消息得到。由于AIS技术是工作在无线电甚高频段（VHF87B和88B频道）上，在给定发射机功率的条件下，其信号有效作用范围受到VHF无线电波直线转播特性，即地球表面曲率和设备无限高度等因素的制约。 一般认为，船载AIS设备的海上有限作用范围半径为20n mile 左右，但天气因素、岛屿遮挡都有可能减小有效的监控范围。即使在有效接收范围内，若该区域船舶数量超过监控通道的上限，也会造成AIS信息缺失，特别是沿海大量渔船用的B级AIS设备，占用大量通道资源。

其次，卫星AIS监控船舶数量受到通信时隙制约，在船多的区域信号丢失难以避免。在岸基接收不到的地方，通常利用装载有AIS接收器的低轨道小卫星接受AIS信息。低轨道卫星在太空中实时接收并存载AIS所发射的信息，再转发给地面接收站，以实现全球范围内监控船舶交通，即基于低轨道小卫星技术的空间AIS系统。  船载AIS的通信机制是在VHF87B和88B频道上采用自组织时分多址技术（SOTDMA）协议，即将每分钟每个信道时间分为在时域上互不重叠的，固定长度为26.67ms的2250个时隙。一般情况下，船载AIS在其VHF作用范围内的船舶数量有限，使得在海上船载AIS之间的通信所占用的时隙总数不会超过AIS信道理论时隙数量4500个。然而，当利用低轨道小卫星检测船载AIS信号时，却决于卫星轨道高度的卫星在海面上的覆盖范围，往往远大于船载AIS的VHF作用范围，即卫星在海面上的覆盖范围会包含多个VHF作用范围。因此，AIS卫星会接收到不同SOTDMA区域但占用相同时隙的AIS信息，会使得AIS信息的时隙冲突的概率增加。或是传输路径长度的不同，使得AIS信息虽来自不容STMDA区域，但占用相邻时隙，也会造成信息的冲突。AIS时隙冲突，就会造成AIS信息的缺失，从而无法监控到相应船舶。卫星交织组成了监控的“星座”系统，而卫星采集船舶位置取决于卫星与船舶相遇的时刻，理论上系统内卫星数量越多，相遇并采集到数据的概率也会越大。

第三，在舟山渔场等B类船很多的地方，A类船的接收会受到影响。船载AIS协议分为A类和B类两种。 A类船载AIS必须遵守国际海事组织IMO的船载自动识别要求，超过300吨之国际航线商用船必须装载A类船载AIS设备。 B类实用于中小型船舶，AIS有两种协议，分别是SOTDMA（自组织时分多址）和CSTDMA（载波侦听时分多址）。B类SOTDMA型AIS和A类AIS通信协议相同，与A类AIS在同一网络下发布接收信息，不会与原AIS发生时隙冲突，但会加大原AIS的网络负担。B类CSTDMA型AIS采用先侦听后发送技术，它不断在在AIS无线电频道上倾听，当检测到没有其它台站进行数据传输时才发布消息，因其不预约时隙，且发射时隙为1而对AIS网络负载非常小。目前，我国渔船安装的B类AIS设备既有SOTDMA型，也存在CSTDMA型。　　 AIS的人为因素影响监控效果

首先，AIS是通信协议，其ID为MMSI，但是船舶的唯一ID是IMO号，这两者匹配关系常常出错。一方面，在AIS设备中MMSI输入无格式限制，因此输入不正确或随意输入MMSI的情况都是存在的；另一方面，同一条船有时会对应多个MMSI，就像一个人可能会有两个手机号码一样，虽然这种情况并不多见，但是有一些船为了躲避追踪会安装两套AIS设备在到港后切换使用。总之，由于AIS位置信息以MMSI为标识ID，一旦出错就无法将要监控的船舶与AIS信息对应，则会导致AIS信号缺失。实际航运当中，常会遇到同一时间，有两艘船舶的MMSI相同；或非常短的时间，同一MMSI号显示的经纬度相差很远的情况。

其次，即便是船舶的唯一ID号IMO号码，由于在AIS设备中需要手工输入，也有可能出错或者缺失。IMO号码有七位阿拉伯数字组成，分配给每一艘船，是船舶的永久“身份证”。一般国际航行船舶都有IMO号码，但目前有不少船舶的AIS设备中不输入(特别是 “二手船”)或随便编一个号码输入。

第三，AIS船载设备可以人为关掉。导致认为关闭的可能性很多，比如肇事逃逸、躲避海事监管、运力封存、设备故障等，在此阶段AIS信号也会中断。

第四，基站分布和建设的挑战。全球经济发展不平均，再加上政治等多方面因素，在如日本海西，中国南海，东海舟山等区域，基站建设面临比较大的挑战，即使设有基站的地方，由于数据传输依赖互联网UDP协议，网络质量也会影响基站数据的回传，在一些政治敏感区域出于军事目的存在人为干扰AIS信号接收的情况。

AIS数据的常见问题概括
　　第一，AIS数据在船舶数量密集的地方普遍较差，包括渔船密集的区域；
　　第二，AIS数据在公海上的更新频率往往达到数个小时，并且分布不均匀，这与卫星与船舶的会遇概率和报文冲突等因素有关；
　　第三，AIS数据在政治敏感海域、岛屿丰富区域、高纬度区域、基站分布不充分的区域质量都会下降；
　　第四，互联网存在通信的不稳定性，AIS基站不会一直在线，因此会出现间歇性的失连。结论

　　AIS作为一种新兴的航海仪器，其通信协议还在不断完善中，加上其本来作用只是对防止碰撞等海事安全事故发生，并非用于大范围水域的船舶监控和数据分析，因此上述局限性问题是普遍存在于各AIS数据服务商之间的共性问题。在全球范围，是依靠公约国家的海事执法手段确保执行，强制和监督能力有限，因此通常不会以AIS信息的覆盖率和更新频率来度量数据的质量。

基于目前的现状，本人推荐以以下指标来评估AIS的数据质量：
　　指标一、对岸基数据而言，AIS岸基总数和平均在线岸基数量是度量的最好指标；
　　指标二、对于卫星AIS数据而言，运行中的卫星“星座”系统小卫星数量是重要的评价指标；
　　指标三、以单位时间内动态轨迹点数量总数和静态报文MMSI总数来评价。
　　将来，随着AIS操作日趋规范化，基站网络的扩大，AIS低轨道卫星数量的增加，AIS的数据质量会越来越好，AIS在船舶运输监控上的运用将有更大空间。