多源异构海上遇险报文的融合处理技术

The Fusion Processing Technology for Multi Source Heterogeneous Maritime Distress Messages

摘要: 本研究针对海上应急救援岸基通信系统中多源异构海上遇险报文传输处理存在的协议差异、链路复杂性和数据安全性问题，提出一种融合处理技术。该技术通过构建标准化协议映射函数、分层网络拓扑约束和冗余备份机制，实现异构通信协议的统一处理与高效融合。核心算法采用加权求和策略，结合通信手段的优先级、可达性、信号强度等多维度评估模型，动态选择最优传输路径。应用表明，系统实现了险情报文的自动汇聚、智能路由与优先级排序，显著提高险情信息的处理效率，提升了复杂分布场景下的系统可控性与数据安全性。研究结果为多手段遇险报警系统的融合升级提供了技术支撑。

Abstract: Aiming at the issues of protocol differences, link complexity, and data security in the transmission and processing of multi-source heterogeneous maritime distress messages within shore-based communication systems for maritime distress and rescue, this paper presents a novel fusion processing technology. This technology integrates standardized protocol mapping functions, hierarchical network topology constraints, and redundant backup mechanisms to achieve unified and efficient processing of heterogeneous communication protocols. The core algorithm employs a weighted summation strategy, combined with a multi-dimensional evaluation model integrating the priority, reachability, and signal strength of communication means, to dynamically select optimal transmission paths. Application results show that the system realizes automatic aggregation, intelligent routing, and priority sorting of distress messages, significantly improving the processing efficiency of distress information and enhancing system controllability and data security in complex spatially distributed scenarios. This study provides technical support for the integration and upgrading of multi-means distress rescue and alarm systems.

1. 引言

随着海洋产业的蓬勃发展，海上船舶、飞机和人员活动的数量和密度持续攀升，当今面临着比以往任何时候都可能大的海上风险事件，例如海上船舶故障失事、危化品泄露、爆炸燃烧、倾覆落水等海上事故险情[1]，它密切关系到生命和财产的安全。

在海上应急救援系统中，岸基通信设备全时、全天候开设险情通信通道，接收海上遇险对象的遇险呼叫报文，以便遇险信息能被及时、准确地传达给救援中心，从而提高救援效率和成功率[2]。遇险对象在紧急情况下会通过超短波DSC (Digital Selective Calling数字选择性呼叫)、超短波DSC、北斗卫星、UHF (Ultra High Frequency超高频)战术卫星和天通卫星等多种手段发出遇险报文[3]。

本文针对海上应急救援岸基通信系统中多源异构海上遇险报文传输处理存在的协议差异、链路复杂性和数据安全性问题，提出一种融合处理技术。该技术实现异构通信协议的统一处理与高效融合，显著提升了险情信息的处理效率。

2. 海上遇险救生国内外发展现状

为最大限度保障海上人命和财产的安全，国际海事组织在国际海上安全公约的框架下，一直致力于海上遇险救生通信的改善和发展。GMDSS (Global Maritime Distress and Safety System, 全球海上遇险与安全系统)系统于1999年在全世界各航运国家全面启用，具备遇险报警、搜救协调通信、救助现场通信、定位、海上安全信息播发、常规公众业务通信和驾驶台对驾驶台通信等七大功能[4]。中国、美国、英国、韩国、日本、西班牙等均依托GMDSS建有自己的遇险救生通信系统。我国分别在大连、秦皇岛、天津、青岛、连云港、宁波、上海、福州、厦门、广州、海口等地建设了超短波海岸电台，在上海等地建设了短波数字选择性呼叫海岸电台，在大连、上海、福州、广州、三亚等地建设了大中型航行电传海岸电台，在北京建设了海事卫星地球站。在救生示位领域，我国自主研制的北斗应急无线电示位标，通过北斗RDSS通信卫星向报警处理中心平台发射带位置协议的短报文求救信号[5]。

国内海上应急救援信息通信体系经多年建设，特别是“十三五”、“十四五”期间快速发展，基本形成了“岸海一体、上下贯通”的应急救援通信保障体系，初步具备了以卫星为主，短波、超短波为辅的多手段平台应急报警，岸基实时接收的保障能力，可为快速组织救援工作提供支撑[6]。

海上遇险救生报文传输处理包括报文的接收、加密、存储、备份、转发、丢弃等一系列操作，以确保数据能够在网络中正确、高效、安全地传输。

国内海上遇险救生通信系统取得了一定成就，但目前在报文传输处理过程中仍存在如下问题：

一是遇险救生通信设备种类多，通信协议存在差异化，尚未统一标准，处理流程多样化，增加了软件对报文类型和信息的甄别难度；

二是岸基值守点位多、分布范围广、通信链路复杂，统一管理难；

三是遇险信息作为特殊情况下可追溯的重要数据，存在数据安全性、可靠性保障难题。

本文针对以上问题进行了研究，提出了多源异构海上遇险报文的融合处理关键技术。

3. 多源异构海上遇险报文的融合处理技术

3.1. 核心算法

多源异构海上遇险报文的融合处理技术，汇聚多种报知端发送的差异化通信协议报文，通过分层网络拓扑与冗余备份处理，对异构险情信息进行标准化融合处理，实现险情信息的高效融合、可靠传输与安全冗余备份的目标。

多源异构海上遇险报文融合处理技术的公式表达如下。

其中：

${ℱ}_{\text{fusion}}$ ：多源信息融合函数，输出统一处理后的遇险信息流。

${\mathcal{D}}_{\text{multi}}$ ：多源异构遇险数据集合，包含短波、超短波、卫星等通信链路的原始报文数据。

$w_i$ ：第$i$ 类通信协议的归一化权重，为协议差异性对融合结果的影响。

：第$i$ 类通信协议的标准化映射函数，解决协议不统一问题。

${\mathcal{N}}_i\left({\mathcal{S}}_i\right)$ ：第$i$ 类通信链路的网络拓扑函数，${\mathcal{S}}_i$ 为站点状态，${\mathcal{T}}_{\text{hierarchy}}$ 为分层网络拓扑约束。

$\lambda$ ：冗余备份系数，即冗余备份策略的强度。

${ℛ}_{\text{backup}}\left({\mathcal{D}}_{\text{multi}}\right)$ ：冗余备份函数，对${\mathcal{D}}_{\text{multi}}$ 进行多副本存储或跨节点分发。

${ℳ}_{\text{security}}$ ：数据安全约束函数，包含加密算法$ℰ$ 、访问控制策略$\mathcal{A}$ 及完整性校验$\mathscr{H}$ 。

多源数据融合通过加权求和，将异构协议数据${\mathcal{D}}_{\text{multi}}$ 映射到统一标准，解决协议不统一和链路复杂性问题；${\mathcal{N}}_i\left({\mathcal{S}}_i\right)\in {\mathcal{T}}_{\text{hierarchy}}$ 约束信息在分层拓扑中传递；$\lambda \cdot {ℛ}_{\text{backup}}$ 确保数据可靠性，通过跨节点存储或分发抵御单点故障；${ℱ}_{\text{fusion}}\in {ℳ}_{\text{security}}$ 强制融合结果满足加密、访问控制和完整性要求，保障数据安全性。

公式通过权重分配、协议映射、拓扑约束和冗余机制，共同组成了多源信息融合技术的核心逻辑。通过算法驱动，实现险情信息的自动汇聚、智能路由与优先级排序，以期显著缩短应急响应时间，支撑多手段遇险报警系统的融合升级，为岸基值守平台提供高可靠、低延时的应急通信保障能力。

3.2. 算法基础依赖

遇险报文要转发到遇险对象的归属单位，首先要解决基础依赖问题。这些基础依赖包括单位的层级关系、各单位的通信手段以及船只的归属属性等。

首先建立单位的层级关系，见图1。

Figure 1. Hierarchical relationship diagram at the unit level

图1. 单位层次关系图

单位的层级关系以树形结构组织，一个单位最多只有一个上级单位。

其次，建设基础信息库，记录遇险对象身份标识、名称、船只类别、归属单位、通信手段等附加信息(可采用集中或分布式部署)。这样，当船只遇险时，便能通过身份标识在基础信息库中查找其名称、归属单位等，进而进一步实现遇险报文的自动转发。

最后，要建立各单位间联络的有线和无线的网络结构，并将各单位的通信手段等信记录到基础信息库。

通过建立基础信息库，记录遇险对象的归属关系、及单位间的层级关系以及通信手段等信息，解决了报文自动转发的基础依赖问题。

3.3. 协议的标准化映射

针对通信协议存在差异化、标准不统一的问题，为每种通信手段的协议报文定义一个适配器，建立协议字段与中间通用遇险数据模型字段的映射关系(语义映射表)。协议适配器的作用是解析遇险报文，提取报文中的关键字段，通过语义映射表，转换成中间通用遇险数据模型，并对缺省值进行合理的补全。

协议标准映射过程见图2。

Figure 2. Protocol standard mapping process

图2. 协议标准映射过程

遇险数据通用模型见表1。

Table 1. General model of distress data

表1. 遇险数据通用模型

域的分类	域名称	说明
头部域	险情信息的唯一标识	全局唯一标识符，用于区分不同报文，防止重复处理
	源通信通道	接收该报文的原始通信手段“HF/UHF/VHF/BD/TT/etc”
	报文优先级	遇险等级：遇险、紧急、安全
定位域	经度	遇险坐标的地理经度
	纬度	遇险坐标的地理纬度
	海拔高度	遇险坐标的海拔高度
标识域	遇险对象标识	标识遇险对象识别码
	设备识别码	终端设备唯一标识
事件域	遇险性质	原始遇险事件的类别
	严重程度	事件严重等级：高、中、低
	遇险发生时间	遇险实际发生时间
	事件描述	自由文本补充描述
目标域	目标接收方	目标接收方标识
扩展域	扩展字段	预留字段，支持动态添加自定义属性，确保模型可扩展

根据转发的目标通信手段，调用已定义的相应手段的适配器，通过语义映射表，将中间通用遇险数据模型转换为相对应通信手段的遇险报文协议，最终通过相应的通信设备完成报文转发。

3.4. 报文跨模态自动转发

报文跨模态自动转发技术的核心设计思想是：首先获取中间通用遇险数据模型，并识别报文中的转发目标；然后通过查询基础信息库，获取转发目标相关数据，综合转发目标及自身实时各通信手段数据，计算各通信手段评分并进行排序，自动选取最优通信方式；最后调用对应的通信手段适配器转换为相应通信手段协议报文，通过相应通信手段完成报文转发。

(1) 多维度评估模型

通信链路的自动选择可以通过构建一个多维度评估函数，结合通信手段的优先级、可达性、通断状态和信号强度等参数，形成可扩展的决策模型。

定义每个通信手段$i$ 的综合评分函数$S_i$ ，通过加权组合多个评估维度，选择评分最高的手段。公式如下：

$S_i={\displaystyle \sum }_{k=1}^n{w}_k\cdot f_k\left(i\right)$

其中：

$S_i$ ：通信手段$i$ 的综合评分。

$w_k$ ：第$k$ 个评估维度的权重(满足$\sum w_k=1$ )。

$f_k\left(i\right)$ ：第$k$ 个评估维度对手段$i$ 的评分函数。

(2) 评估维度

评估维度由通信手段优先级、通信距离可达性、网络通断状态、信号强度四方面组成。

a) 通信手段优先级

根据预设的通信手段优先级分配权重，各类通信手段的权重取值参考如下。

有线网络：$P_{\text{wired}}=0.4$ ；

北斗/天通卫星：$P_{\text{satellite}}=0.3$ ；

短波：$P_{\text{hf}}=0.2$ ；

超短波：$P_{\text{vhf}}=0.1$ 。

评分函数：

$f_1\left(i\right)=\{\begin{array}{ll}1\hfill & 若手段i的优先级高于其他候选手段\hfill \\ 0\hfill & 否则\hfill \end{array}$

b) 通信距离可达性

判断实际距离$d_i$ 是否在手段$i$ 的最大有效距离$D_{\text{max},i}$ 内。评分函数：

$f_2\left(i\right)=\{\begin{array}{ll}1\hfill & d_i\le D_{\text{max},i}\hfill \\ \text{max}\left(0,1-\frac{d_i-D_{\text{max},i}}{D_{\text{buffer},i}}\right)\hfill & D_{\text{max},i}<d_i\le D_{\text{max},i}+D_{\text{buffer},i}\hfill \\ 0\hfill & 否则\hfill \end{array}$

$D_{\text{buffer},i}$ ：允许的缓冲距离。

c) 网络通断状态

根据链路实时状态评分：

$f_3\left(i\right)=\{\begin{array}{ll}1\hfill & 链路可用\hfill \\ 0\hfill & 链路不可用\hfill \end{array}$

d) 信号强度

将测得的信号强度$s_i$ 映射到归一化区间[0,1]：

$f_4\left(i\right)=\frac{s_i-s_{\text{min},i}}{s_{\text{max},i}-s_{\text{min},i}}\left(若s_i\ge s_{\text{min},i}\right)$

$s_{\text{min},i}$ ：手段$i$ 的最低可用信号阈值。

(3) 最终决策规则

选择评分最高的通信手段$i^{\text{*}}$ ：

$i^{\text{*}}=\text{arg}\underset{i}{\text{max}}\left(S_i\right)$

如果识别中间通用遇险数据模型中“报文优先级”字段为“遇险”及“紧急”，则同时选择前两名进行冗余发送，提升可靠性。若存在平分情况，可按优先级或随机选择。

3.5. 报文的冗余备份

遇险信息作为特殊情况下可追溯的重要数据，需要采取冗余备份策略并加密存储保证其安全性。

原始报文除了在本地进行加密备份存储外，还需要自动逐级上报至上级服务器进行备份存储，加密算法采用AES算法，该算法适用于数据量小但安全性高的场合[7]。

4. 应用结果与分析

4.1. 实验环境与数据基础

为确保验证结果的客观性与有效性，实验采用“同场景、同规模、差异化技术部署”的对照方案，具体实验条件如下。

试验组配置：具备多源异构海上遇险报文融合处理技术的模拟岸基系统（含岸基值守中心及下属节点），接入手段包括短波DSC、超短波DSC、北斗卫星、天通卫星、UHF战术卫星。

对照组配置：同期未部署该技术的模拟岸基系统(含岸基值守中心和下属节点)，接入手段与试验组一致，采用传统岸基值守的处理模式。

实验数据来源：数据采集周期为2024年8月1日~2025年1月31日，共6个月，数据类型包括：

1) 日常训练数据：模拟不同海域、不同险情等级的报文；

2) 系统运行数据：两类系统的链路状态日志、数据存储日志等；

3) 报文处理日志：两类系统的报文处理日志。

4.2. 核心指标对比与深度解读

实验从协议适配能力、处理效率、数据可靠性、转发能力、故障恢复能力5个维度展开对比，结果见表2。

Table 2. Comparison table of core indications

表2. 核心指标对比表

评估指标	试验组 部署本技术	对照组 传统系统	提升幅度	指标解读与技术关联
异构报文 适配成功率	98.7%	无此功能	-	接收报文后，成功转换为通用模型的比例接近100%，1.3%失败源于弱信号下的CRC循环校验错误。
报文平均 处理时延	3.3s	无最优链路选择功能	-	3.3s包含“报文接收→通用模型转换→最优链路选择→送达归属单位”全流程，体现多维度评估算法的高效性。
数据丢失率	0.3%	4.7%	降低93.6%	低丢失率得益于分层网络拓扑约束 + AES加密冗余备份，0.3%丢失为极端情况下的通信链路中断断导致，对照组4.7%丢失主要源于单节点故障。
冗余备份 恢复时间	28s	无冗余机制	-	28s为主节点故障后，启用备份节点接管的时间。传统系统无冗余，节点故障后恢复需人工介入。
跨模态转发成功率	97.2%	无跨模态转发 功能	-	97.2%为跨通信手段转发时(如北斗→超短波)，成功送达目标接收方的比例，2.8%失败源于目标节点配置的通信手段较少且临时不可用。

4.3. 典型场景验证与案例分析

为进一步验证技术在实际救援场景中的价值，选取3类典型应用场景进行专项分析，具体如下：

(1) 远海北斗报文处理场景

a) 场景描述：某船在远海区域发生险情，通过北斗卫星发送遇险报文，需转发至其归属单位。

b) 技术表现：试验组3.1 s内完成北斗报文通用模型转换，通过多维度评估，选择有线转发，到信息送达；对照组无跨模态转发能力，需接收北斗报文后人工电话通知，耗时超15分钟。

c) 价值体现：技术将远海险情信息传递时延从“分钟级”压缩至“秒级”，为救援争取关键时间。

(2) 近海多链路并发场景

a) 场景描述：某船在近海发生险情，同时通过短波DSC、超短波DSC、北斗发送3条遇险报文。

b) 技术表现：试验组通过协议适配模块，3.4 s内完成3条报文的通用模型融合、去重后自动优选有线链路转发至属地；对照组需人工识别3条报文关联性，并人工电话通知，耗时超20分钟，且存在重复处理风险。

c) 价值体现：解决多链路并发报文的冗余处理问题，提升近海险情处理的效率与准确性。

(3) 系统节点故障场景

a) 场景描述：岸基站点因系统故障导致主节点宕机，此时有1条遇险报文需处理。

b) 技术表现：试验组通过分层网络拓扑约束，自动将报文切换至备节点处理，同时触发冗余备份恢复，25 s内完成服务切换，数据无丢失；对照组主节点宕机后报文直接丢失，数据丢失率100%。

价值体现：验证冗余备份机制对节点故障的容错能力，保障系统全时可用性。

4.4. 应用效果总结

综合实验数据与场景验证结果，本研究提出的多源异构海上遇险报文融合处理技术，实现了三大核心突破：

1) 技术层面，通过协议标准化映射、多维度链路评估、冗余备份机制，解决了传统系统“协议不兼容、链路难管理、数据不安全”的痛点，实现异构报文的“自动适配、智能转发、安全存储”。

2) 效率层面，报文处理时延从传统系统的分钟级降至秒级，显著提升险情信息处理效率。

3) 应用层面，在远海、近海、节点故障等典型场景中，有效缩短险情信息传递时间，提升系统容错能力，为海上遇险救生“快速响应、精准救援”提供技术支撑。

目前，该技术已在岸基系统上线部署并常态化运行。该技术解决了不同通信手段、通信报文之间的信息壁垒问题，实现了系统全链路的打通，保证了险情信息传输的高效性、稳定性和可靠性。

5. 总结

本研究提出的多源异构海上遇险报文融合处理技术，通过标准化协议映射、分层网络拓扑约束及冗余备份机制，有效解决了异构通信协议兼容性差、链路复杂性和数据安全性不足的问题。通过实际应用，验证了其高效性与可靠性，显著提升了险情信息的处理效率，为海上遇险救生系统的智能化升级提供了关键技术支撑。