船舶网络安全态势感知方法研究综述

随着船舶信息化、智能化的发展,船舶系统遭受网络攻击的可能性日益增加。为保障船舶系统的正常运行,感知船舶网络的安全态势至关重要。归纳梳理网络安全态势感知和船舶网络安全的相关定义,明确船舶网络安全态势感知的概念;介绍中国船级社(CCS)、波罗的海国际航运协会(BIMCO)等相关海事部门发布的船舶网络风险管理指南,并从网络安全态势感知方面对其进行对比分析;从网络威胁感知和网络态势评估两个方面总结船舶网络安全态势感知的方法,归纳对比他们的优缺点;分析船舶网络安全面临的挑战,预测船舶网络安全态势感知的未来发展趋势。研究结果可对提高船舶系统网络安全防御水平、构建海事网络安全管理体系的研究提供技术参考。

基于AIS数据的船舶风险领域模型

为构建船舶风险领域及分析其特征,基于船舶自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)数据提出一种具有风险级别的船舶领域模型。首先,根据预处理后的AIS数据,获取他船相对于本船的位置。然后,采用椭圆领域边界对船舶相对位置数据进行筛选,同时获取到代表风险级别的临界点,并使用最小二乘法对其进行拟合,从而得到船舶风险领域。最后,利用老铁山水道中149 m、190 m、229 m、300 m船舶的AIS数据对所提方法进行验证,并分析船舶风险领域的特征。结果表明,该方法可以较好地反映船舶的风险级别;在同一风险级别时,不同尺度船舶间的风险领域长、短半轴与船长之比差异较小;风险级别为1的船舶领域边界接近于圆形;他船在本船周围分布的密集程度不同。本研究所提模型对航行安全保障、航行风险研究有一定的参考意义。

面向21世纪“海上丝绸之路”建设的航运人才胜任特征及培养路径

针对新时代航运业对航运人才的新需求,为培养国际化、高层次、专业性、复合型航运人才,构建“21世纪海上丝绸之路”背景下航运人才胜任特征,提出显性培养和隐性培养相结合的航运人才培养模式,以大连海事大学航海技术专业(英语班)为例,探讨该培养模式的实际运作与效果。

基于水槽实验的近岸波浪破碎计算研究

将前人波浪破碎计算及判定公式进行汇总、整理并分成3类;同时,为了对选取公式进行比较,文还将上述公式分为两类破碎波高计算模型,一类是直接计算模型;另一类是联立拍岸浪波高计算模型与破碎判据,建立的间接计算模型。在此基础上,结合实验数据,对破碎波高和破碎指标进行误差分析得出,间接计算模型中,Goda提出的破碎判据效果最好,为下一步拍岸浪精细化预报以及其区域计算模型的建立提供参考。

水上交通事故管理系统设计与实现

采用电子海图技术建立水上交通事故信息系统,已经成为海上交通管理、事故分析的一个先进有效的技术手段。根据事故数据的属性和空间特性,确定基于电子海图的水上交通事故管理系统的内容特点,设计了事故管理系统的功能结构和技术开发流程。该系统能提高海上交通管理效率,预防事故的发生,改善海上交通环境,并提供救助设备的合理配布方案。

基于负熵准则的FastICA盲多用户检测的研究

该文给出了一种基于负熵准则的FastICA盲多用户检测方法。修改了FastICA算法中的非2次函数,引入4次幂函数,把基于负熵的非高斯性测度转化为信号峰度的形式,这样降低了计算量。同时,算法充分考虑了各个用户信号的统计独立性,在下行链路干扰用户的扩频码未知情况下,把目标用户的扩频码作为训练序列,并用于初始化FastICA算法的分离向量,使用随机梯度法进行优化计算,能够获得优异的符号估计性能。对算法的计算复杂度的分析可以看出,计算量随着接收数据长度和用户数的增加而增加。通过与传统匹配滤波器,MMSE检测算法比较,表明在同步CDMA信道中,MAI较低时算法检测性能与MMSE检测器的性能接近,随着MAI增加,算法的性能明显优于MMSE算法。

波浪漫滩边界对波浪数值计算的影响

分别采用波浪漫滩边界、固壁边界进行波浪水槽实验的数值模拟,检验波浪漫滩对波浪数值计算的影响;然后设计了多种地形坡度的波浪数值模拟试验,分析不同地形坡度情况下波浪漫滩对波浪数值计算的影响。数值模拟结果表明,波浪漫滩对邻近区域波浪数值计算的影响在多种地形坡度下都很明显,采用波浪漫滩边界条件可有效提高波浪数值计算精度。

基于DBTCAN算法的船舶轨迹聚类与航路识别

为解决船舶轨迹聚类算法效率不高,检测精度低,丢失轨迹局部特征等问题,将具有噪声的基于密度的空间聚类(density-based spatial clustering of applications with noise,DBSCAN)算法由传统的点聚类推广为线聚类,提出一种可以直接对完整船舶轨迹进行聚类的具有噪声的基于密度的轨迹聚类(density-based trajectory clustering of applications with noise,DBTCAN)算法。该算法采用Hausdorff距离作为船舶轨迹之间的相似度度量,可以对不同长度的船舶轨迹进行聚类。针对DBTCAN算法需要人工确定输入参数的问题,提出一种参数自适应确定方法。选取渤海海域的船舶自动识别系统(automatic identification system,AIS)数据进行实验,结果表明,该算法能够在大量复杂的船舶轨迹中找到相似的轨迹并对其进行聚类,聚类结果与实际交通流情况一致。本文的研究成果可以为相关部门进行航线规划和海上交通监管提供依据。

基于信息熵的船舶轨迹自适应分段压缩算法

针对目前轨迹压缩研究仅考虑船舶位置而忽略船舶操纵特征以及目前轨迹分段研究需确定多种阈值等问题,提出一种基于信息熵的船舶轨迹自适应分段压缩算法。该算法综合考虑船舶位置、航向和速度等信息,引入信息熵作为评判轨迹特征点的指标,从船舶轨迹中提取分段关键点,进而自适应划分出多条子轨迹,再利用自顶向下时间比(top-down time ratio,TD-TR)算法分别对子轨迹进行压缩。以老铁山水域船舶交通数据为实验样本,从压缩误差、运行效率等方面对比分段前后的轨迹压缩效果。结果表明,该算法能根据船舶的航向和速度信息对船舶轨迹进行自适应分段,分段后再压缩可大幅降低各种压缩误差,提升压缩效率,特别在轨迹数据量较大情况下效果更佳。

基于交互式多模型平方根容积卡尔曼滤波的船舶轨迹跟踪

[目的]针对船舶运动状态变化复杂场景下扩展卡尔曼滤波(EKF)的误差不稳定,以及单一运动模型的表征能力受限等问题,提出一种基于交互式多模型(IMM)平方根容积卡尔曼滤波(SCKF)的船舶轨迹跟踪算法。[方法]引入SCKF,并代替EKF来执行自动识别系统(AIS)数据的轨迹跟踪;采用交互式多模型框架将恒速直线模型(CVM)、当前统计模型(CSM)和恒定转向率模型(CTM)及改进的CTM模型进行交互融合,形成3种组合模型来表征AIS轨迹的运动状态,并进行船舶轨迹跟踪实验。[结果]结果显示,对于航向、航向率和航速均发生变化的轨迹,采用组合模型1跟踪时,在轨迹6中SCKF相比EKF的位置信息的均方根误差变化幅度小,精度提高了30.06%;采用组合模型3跟踪时,相比EKF,SCKF在轨迹6中位置信息的均方根误差波动的范围最小,误差减小了60.80%,组合模型3的性能最好,但计算量也最大;对于航速不发生变化的复杂轨迹,采用组合模型2跟踪的性能接近组合模型3。[结论]所提方法能够提高AIS数据的精度并保证AIS数据误差波动的稳定性,为提高船舶运动跟踪和监测提供了可能性。

船间危险驶过持续时间模型及应用分析

[目的]危险驶过是船舶会遇时的一种特殊情况,从时间维度对其建模以评价船舶潜在碰撞风险。[方法]首先,建立船间危险驶过时间模型,并利用藤井船舶领域模型检测危险驶过场景,定义危险驶过持续时间和平均持续时间。然后,基于船舶自动识别系统(AIS)数据的时间同步处理,建立该持续时间的计算模型,再利用危险驶过持续时间来分析船舶交通安全风险的时间维度特征。最后,以渤海海域内的船舶航行安全为研究对象对所提模型进行验证。[结果]结果表明,船间危险驶过持续时间与船舶类型、尺度相关。按照船舶类型分析,油船发生船间危险驶过的平均持续时间最长(252.63 s),客船的最短(180 s);按船舶尺度分析,大型船舶的最长(272.65 s),中型船舶的最短(180 s)。[结论]所提模型可以准确计算船间危险驶过持续时间,结果可以为从时间维度研究海上交通风险提供新思路。

基于非负矩阵分解方法的海上交通特征

船载船舶自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)数据属于典型的时空数据,其所包含的船舶空间、时间和其他维度属性数据中蕴含着大量潜在特征。对海量的AIS数据进行联合聚类分析,利用时空数据间的隐含关系分析并提取出海上交通特征。对研究的数据集进行数据清洗;提取有用的船载AIS数据,对时间、空间和其他属性数据进行切片化标记;选择目标属性数据形成原始矩阵;对原始矩阵进行稀疏约束下的非负矩阵分解,获得时空数据联合聚类的结果,并结合实际进行分析。结果表明:该方法可挖掘出研究水域的船舶行为模式,分析船舶的运动规律,为水上交通安全监管和海上安全保障相关研究提供一种新思路。

焦化废水高效脱色菌株的选育与脱色条件研究

从焦化废水生物处理池的活性污泥中筛选出脱色能力较强的3株芽孢杆菌。考察了细菌处理焦化废水时,接种量、温度、pH值、处理时间和土壤液添加量等对脱色效率的影响,获得了菌株1、菌株2、菌株3脱色的最佳条件为:接种量的体积分数均为10%,温度均为35℃,pH值分别为6.0、6.0、7.0,土壤液添加量的体积分数分别为0.4%、0.3%、0.2%。在此脱色条件下,经过3d的处理,3株菌可以将焦化废水的色度由811倍分别降低到188、154、108倍,脱色率分别为76.8%、81.0%、86.7%。色度的降低符合一级动力学方程,研究结果为高色度焦化废水的深度处理提供了新的技术途径。

水下拖曳系统U型回转运动实验研究

为了更加便捷、高效地开展拖曳系统动力学研究,为水声测量技术提供准确有效的阵型位置,设计了一种小型水下拖曳系统动力学原理样机,并运用基于MapInfo软件的轨迹提取方法,在回转直径为0.50m条件下改变拖曳速度、拖缆长度,开展了拖曳系统U型回转运动实验。通过对实验数据的提取分析定义了拖缆回转弯曲参数,结果表明:当弯曲参数较大时,拖缆回转中轨迹弯曲明显,且受到拖曳速度变化影响较大;当弯曲参数较小时,拖缆回转中轨迹弯曲较弱,且受到拖曳速度变化影响较小。

基于快速独立分量分析的盲多用户检测算法

为了抵抗多址干扰的影响,充分利用了各个用户信号之间的独立性,使用负熵作为非高斯性测度,提出了一种基于快速独立分量分析的盲多用户检测算法。该算法在干扰用户的扩频码未知情况下能够获得优异的符号估计性能。通过与传统匹配滤波器、MMSE检测算法比较,实验结果表明在同步CDMA信道中,MAI较低的时算法检测性能与MMSE检测器的性能接近,随着MAI增加,算法的性能明显优于MMSE算法。

基于声纳搜索累积探测概率的平台路径优化方法

针对面向移动目标的移动搜索平台最优路径研究不足问题,提出一种基于累积搜索概率理论的移动搜索平台路径优化方法。基于传感器性能评价的重要标准之一的累积探测概率(cumulative detection probability,CDP),利用时序相关性模型,即(λ,σ)过程模型,构造单峰CDP计算公式。构建一组目标运动想定,利用贝叶斯后验概率修正目标想定轨迹概率和不同时刻下的CDP。以搜索完成时CDP最大以及CDP达到目标水平时间最短为多目标,在连续时间与连续空间中实现高效搜索,构建面向声纳搜索移动目标的路径优化模型,通过多目标遗传算法给出优化解。与随机搜索模式下的CDP结果比对可以发现,本文方法可以获得更高的CDP,比单目标优化结果所得到的搜索方案具有更高的效率。

改进ViBe算法及其在运动船舶目标检测中的应用

为了抑制ViBe算法在海面动态背景视频下“鬼影”区域对船舶运动目标检测的影响,提高监控视频中船舶运动目标识别的准确率,提出一种改进的ViBe算法。首先,背景模型用连续帧初始化,以减少“鬼影”的影响;然后,使用自适应阈值和闪烁级别来减少海面杂波,同时采用像素点对比消除“鬼影”,提取运动目标前景,获取完整的运动目标区域。最后,对输入视频进行高斯金字塔多尺度分解,并采用改进的ViBe算法检测低分辨率视频中的移动船舶,完整提取了海上移动船舶。实验结果表明,所改进的算法消除了“鬼影”区域,减少了海面杂波的干扰,检测率为92.5%,单帧视频图像检测时间控制在97 ms以内,可准确、快速地检测和提取海面船舶运动目标。

人工鱼群算法的避碰路径规划决策支持

为了能够在海上交通出现复杂局面时及时提供预警,并给出碰撞决策,从而有效减轻值班人员的工作负担、保证船舶航行安全,结合国际海上避碰规则和船舶安全领域相关知识,以本船避让过程中前进的距离为目标函数,采用遗传算法和人工鱼群算法规划船舶避碰路径,提供最优的避让转向时机、安全避让角度、复航时间和复航角度。通过计算机仿真实验计算对遇、追越和交叉3种会遇态势下的避碰路径参数,并在ECDIS上进行动态显示。结果表明,所得避碰路径参数符合实际情况,规划的路径既安全又经济。运用该算法可有效优化避碰航路,并能给出最优的避碰决策参数。

基于单向距离的谱聚类船舶运动模式辨识

利用海事大数据辨识船舶运动模式,能够发现高级别情景意识,提高海事监管技术的效率。提出了一种基于单向距离的谱聚类船舶运动模式辨识方法,充分利用单向距离抗干扰特点,构建了基于单向距离的轨迹相似性度量,得到了轨迹相似度矩阵;以无监督学习方式采用谱聚类算法学习轨迹的空间分布,获取船舶的正常运动模式;以琼州海峡实测AIS数据为样本,研究了进入海口秀英港的船舶运动模式,并分别统计了各模式内及模式之间的距离,获取的4种船舶运动模式与实际相符。实验结果表明:该方法聚类精度高,可以适用于沿海港口、狭水道和船舶交通复杂的区域的船舶运动模式辨识。

高级氧化组合工艺协同净化微污染水的示范生产实验

为考察催化氧化-UV/H_2O_2-生物活性炭(BAC)高级氧化组合联用工艺在实际生产中对微污染水源水的的处理效能,在淮南某水厂示范工程对微污染淮河水进行了生产实验.结果表明,催化臭氧氧化-BAC组合联用工艺对水中的UV_(254)、DOC、氨氮、CODMn及THMFP均有较好的去除效果,且不会带来溴酸盐的问题.催化臭氧氧化工艺对UV_(254)、DOC、CODMn的平均去除率分别为21.8%、8.1%、10.8%.BAC对氨氮有很好的去除效果,最高去除率可达61%;对DOC和COD_(Mn)的平均去除率分别为10.4%和15.3%.催化臭氧氧化接触池对THMFP的平均去除率为34.9%,最高去除率可达53.2%.UV/H_2O_2在示范性生产实验中,对进一步提高有机物的去除能力有限;在实际生产设计中,考虑UV分解剩余臭氧的效用建议采用:催化臭氧氧化-UV-BAC-砂滤是确保饮用水出水安全可靠的高级氧化工艺必要的组合工艺模式.研究结果可为各自来水厂处理低温低浊水、提高出厂水水质以及自来水厂整体工艺的提升改造提供借鉴和参考.