時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)在護(hù)航行動(dòng)輔助決策中的應(yīng)用研究*

彭一航 包 磊 孫悅林

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)在護(hù)航行動(dòng)輔助決策中的應(yīng)用研究*

彭一航 包 磊 孫悅林

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

為了更加有效地利用大量傳感器搜集的海量水面船只數(shù)據(jù),提高護(hù)航行動(dòng)的執(zhí)行效率,分析了各類(lèi)水面船只的時(shí)空行為特征,利用時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)提供的時(shí)空量算、時(shí)空聚集、時(shí)空拓?fù)洳樵?xún)等手段對(duì)可疑海盜船、護(hù)航盲區(qū)、危險(xiǎn)商船進(jìn)行了查詢(xún)實(shí)驗(yàn),效果顯示可以利用時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)未知船只進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,為護(hù)航行動(dòng)提供了新的輔助決策支持手段。

時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù); 時(shí)空查詢(xún); 輔助決策系統(tǒng)

ClassNumberTP311

1 引言

索馬里海盜對(duì)國(guó)際社會(huì)產(chǎn)生了極大的危害,是一個(gè)復(fù)雜的國(guó)際問(wèn)題[1～3]。目前,在亞丁灣參與護(hù)航的各國(guó)海軍有30多艘現(xiàn)代化的驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦。然而對(duì)于整個(gè)亞丁灣海域,美國(guó)海軍預(yù)計(jì),僅僅確保亞丁灣一條航道的暢通就至少需要61艘軍艦,而按照目前多國(guó)軍艦數(shù)量,會(huì)給海盜留下了巨大的“活動(dòng)空間”[3]。另一方面,索馬里海盜在與各國(guó)軍艦“過(guò)招”中,不斷提高自身偽裝能力,混跡于大量漁船中難以發(fā)現(xiàn)。同時(shí)海盜找到了新的活動(dòng)區(qū)域,利用各國(guó)軍艦護(hù)航區(qū)的接合部進(jìn)行作案。

如何更高效地利用各國(guó)投入的現(xiàn)有軍艦,在不增加兵力的情況下對(duì)索馬里海域進(jìn)行全天候的有效護(hù)航,成為各國(guó)面對(duì)廣闊海域的首要問(wèn)題。如何利用各種傳感器捕獲到的海量數(shù)據(jù),進(jìn)行更有效的分析成為關(guān)鍵問(wèn)題。

本文通過(guò)對(duì)各類(lèi)水面船只的時(shí)空行為進(jìn)行分析和建模,找出各類(lèi)船只的時(shí)空行為差異。然后通過(guò)現(xiàn)有時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)空量算、時(shí)空聚集、時(shí)空拓?fù)洳樵?xún)等手段對(duì)海量船只信息進(jìn)行分析,如可疑海盜群體的分析,護(hù)航盲區(qū)的分析,軍艦護(hù)航效率的分析等。

2 水面船只時(shí)空行為分析

主要對(duì)漁船和海盜船進(jìn)行時(shí)空行為分析,其原因是海量數(shù)據(jù)中軍艦和各國(guó)商船的信息都是已知的,且對(duì)于海量的未知身份的漁船,數(shù)量規(guī)模很小。但分析軍艦和商船的時(shí)空行為也是很有必要的,因?yàn)闈O船和海盜船(尤其是海盜船)的行為都會(huì)隨著軍艦和商船的行動(dòng)發(fā)生變化。

下文首先對(duì)船只作為單獨(dú)個(gè)體的時(shí)空行為進(jìn)行研究,然后對(duì)各類(lèi)船只的相互聯(lián)系及相應(yīng)的時(shí)空行為變化進(jìn)行分析。

2.1 個(gè)體船只時(shí)空行為分析

先將各類(lèi)船只看作是相互無(wú)聯(lián)系的時(shí)空個(gè)體,對(duì)各類(lèi)船只的時(shí)空行為進(jìn)行分析,如漁船、海盜船、商船等的個(gè)體時(shí)空行為特征如圖1所示。在亞丁灣海域,商船和軍艦具有明顯的標(biāo)識(shí),很容易辨別。但是研究它們的時(shí)空行為有利于海盜船的挖掘。個(gè)體船只所表現(xiàn)的時(shí)空行為與其從事的工作密切相關(guān)。軍艦往往在推薦的航道及周邊做往復(fù)巡查;而商船一般情況下會(huì)徑直通過(guò)航道,并向目的地航行。漁船成群結(jié)隊(duì)的進(jìn)行有規(guī)律的捕魚(yú),多數(shù)時(shí)間處于漂泊的作業(yè)狀態(tài)。海盜船試圖把自己裝扮成漁船的樣子,但為了尋找作案目標(biāo)會(huì)更多的進(jìn)行偵查,其活動(dòng)區(qū)域也集中在航道附近。

圖1分析了漁船、海盜船和商船的個(gè)體時(shí)空行為。海盜船混雜于漁船之中,所以我們將其歸為一個(gè)大類(lèi)進(jìn)行分析。漁船多從海港起航,白天沿岸作業(yè),船藝良好,航速較慢,航跡規(guī)律。海盜船多從海灘起航,日夜偽裝作業(yè),船藝不佳,航速變化快,航跡無(wú)規(guī)律。商船只會(huì)停靠主要港口,燃料充足,按航線航行,船藝良好,船速固定。

圖1 各類(lèi)船只個(gè)體時(shí)空行為分析圖

2.2 船只相互間時(shí)空行為分析

為了更好的利用時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)提供的時(shí)空連接、投影查詢(xún)等手段,除了分析船只個(gè)體時(shí)空行為外還要著重分析船只相互間時(shí)空行為。各類(lèi)艦船在交互的過(guò)程中表現(xiàn)出不同于個(gè)體行為的復(fù)雜時(shí)空行為,尤其是軍艦、商船和海盜船相互之間影響明顯。

如圖2所示,漁船更加在意自身的捕魚(yú)作業(yè),對(duì)于其他船只的行為反應(yīng)很少。海盜船往往成群作業(yè),頻繁活動(dòng)于商船周?chē)?且有意躲避護(hù)航軍艦。軍艦進(jìn)行有組織的分區(qū)護(hù)航,對(duì)檢測(cè)到的不明漁船進(jìn)行危險(xiǎn)評(píng)估。商船往往會(huì)單獨(dú)行駛,試圖與軍艦保持距離,并快速擺脫未知的漁船群體。

圖2 船只相互間時(shí)空行為分析圖

3 時(shí)空查詢(xún)及其類(lèi)型

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)為時(shí)空對(duì)象的應(yīng)用提供了基礎(chǔ),但它并不能完全滿(mǎn)足時(shí)空對(duì)象應(yīng)用的需求,并且無(wú)法從數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢(xún)操作、底層表示和存儲(chǔ)層面上對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)的處理提供良好的支撐。而時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)從數(shù)據(jù)庫(kù)底層解決了時(shí)空數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)、查詢(xún)[4～5]等問(wèn)題,為現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中面向時(shí)空問(wèn)題的分析和解決提供了新的方法。

戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)實(shí)體間存在著多種空間關(guān)系,包括拓?fù)?、順序、距離、方位等關(guān)系。通過(guò)時(shí)空關(guān)系查詢(xún)和定位戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體是戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)輔助分析的重要功能之一。通常包括幾何拓?fù)洳樵?xún)、屬性條件查詢(xún)、時(shí)空位置查詢(xún)以及查詢(xún)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析等。

從查詢(xún)技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度看,戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)時(shí)空查詢(xún)分為時(shí)空選擇查詢(xún)、時(shí)空投影查詢(xún)以及時(shí)空復(fù)合查詢(xún)?nèi)?lèi)。護(hù)航行動(dòng)危機(jī)事件分析查詢(xún)則主要為時(shí)空復(fù)合查詢(xún),但也包含一些時(shí)空投影或時(shí)空選擇查詢(xún)。下面舉例了各類(lèi)查詢(xún)的查詢(xún)語(yǔ)句。

1)時(shí)空選擇查詢(xún)

時(shí)空選擇查詢(xún)一般用于基本事件的查詢(xún),其內(nèi)容一般為根據(jù)某選擇條件,對(duì)時(shí)空關(guān)系或者時(shí)空對(duì)象實(shí)體進(jìn)行檢索。

例 返回1000～1200時(shí)間內(nèi)通過(guò)矩形區(qū)域Rect的所有目標(biāo)?

查詢(xún):Select p.targetid

Where Contain(RECT,atinstant(p.route,t))and 1000

說(shuō)明:查詢(xún)通過(guò)空間分析操作Contain返回位于rect內(nèi)部的所有目標(biāo)。

2)時(shí)空投影查詢(xún)

時(shí)空投影查詢(xún)對(duì)關(guān)系r在x,y空間軸或t時(shí)間軸上選取1個(gè)或者2個(gè)坐標(biāo)軸進(jìn)行投影,返回其分量。

例 返回各目標(biāo)在矩形區(qū)域Rect中的最大航行距離?

查詢(xún):Select max(length(trajectory(p.route)))

在高校體育信息平臺(tái)內(nèi)部建立一個(gè)可以在存儲(chǔ)上面達(dá)到統(tǒng)一和可以在不同數(shù)據(jù)中心進(jìn)行信息幻術(shù)和共享的要求。通過(guò)虛擬化技術(shù)，把在各個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備上面的存儲(chǔ)空間進(jìn)行合并，這些傳統(tǒng)模式的存儲(chǔ)形式通過(guò)虛擬性戶(hù)籍分配開(kāi)展相應(yīng)的工作，最終實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)資源統(tǒng)一不一樣的級(jí)別。因?yàn)闀?huì)關(guān)系到很多類(lèi)型的信息，并且這些信息對(duì)于學(xué)生的反饋教學(xué)和反映情況是息息相關(guān)的，因此是非要有必要存儲(chǔ)這類(lèi)資源的。因此，高校體育信息共享平臺(tái)在建設(shè)這個(gè)環(huán)節(jié)就變得非常有價(jià)值了。

From Targets p

Where Contain(RECT, p.route)

3)時(shí)空連接查詢(xún)

當(dāng)查詢(xún)涉及到時(shí)空連接操作時(shí),根據(jù)發(fā)生連接的屬性不同,可分為時(shí)態(tài)連接、空間連接和時(shí)空連接三種情況。

例 返回同時(shí)進(jìn)入矩形區(qū)域Rect中的目標(biāo)?

查詢(xún):Select p1,p2

From Targets p1,p2

Where deftime(intersection(p1.route,Rect)).begin

=deftime(intersection(p1.route,Rect)).begin

說(shuō)明:“同時(shí)進(jìn)入”蘊(yùn)含針對(duì)t1,t2進(jìn)入rect區(qū)域的時(shí)間做時(shí)態(tài)連接。intersection操作返回運(yùn)動(dòng)點(diǎn)位于Rect范圍內(nèi)的部分。Deftime獲得運(yùn)動(dòng)點(diǎn)在時(shí)間軸上的投影。

4 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

4.1 應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)置

實(shí)驗(yàn)建立在時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)NHSTDB[4]上,應(yīng)用層顯示模塊使用了ArcEngine以增強(qiáng)地理信息數(shù)據(jù)的顯示效果[6]。課題建立了測(cè)試用庫(kù),其中設(shè)置了模擬數(shù)據(jù),時(shí)空對(duì)象實(shí)體包括軍艦、商船、漁船、海盜船、國(guó)際推薦航道、各艦船使用時(shí)空點(diǎn)對(duì)象GmPoint存儲(chǔ)、國(guó)際推薦航道、軍艦保護(hù)區(qū)域、海盜船威脅區(qū)域使用時(shí)空面對(duì)象GmRegion存儲(chǔ)。國(guó)際推薦航道為半徑2海里的沿岸狹長(zhǎng)區(qū)域;軍艦保護(hù)區(qū)域、海盜船威脅區(qū)域分別為軍艦、海盜船點(diǎn)對(duì)象為中心、影響距離r為半徑的圓形區(qū)域。

各類(lèi)艦船數(shù)據(jù)使用編寫(xiě)的索馬里海域艦船數(shù)據(jù)模擬生成程序產(chǎn)生xml數(shù)據(jù)文件,使用數(shù)據(jù)管理功能批量導(dǎo)入時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)原型系統(tǒng)。所有時(shí)空數(shù)據(jù)跨度24小時(shí),時(shí)間切片粒度為10分鐘,每個(gè)時(shí)空對(duì)象實(shí)體具有144個(gè)時(shí)空快照。根據(jù)各類(lèi)艦船行為模擬產(chǎn)生了南岸各國(guó)護(hù)航軍艦20艘、通行商船100艘和1000艘身份不明的漁船。各類(lèi)船只的最大速度按實(shí)際情況設(shè)置。如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)使用的數(shù)據(jù)列舉

4.2 查詢(xún)實(shí)例

例1:查詢(xún)海域Rect內(nèi)的可疑的海盜群?

說(shuō)明:實(shí)例利用海盜船與漁船的若干行為差異(漁船作業(yè)時(shí)航跡無(wú)規(guī)律且航速較慢,海盜船準(zhǔn)備作案時(shí)則“跟隨”商船目標(biāo)且航速較快),對(duì)整個(gè)海域內(nèi)的漁船進(jìn)行時(shí)空查詢(xún)。海盜船只往往有組織地結(jié)隊(duì)航行尋找目標(biāo),而當(dāng)?shù)貪O船多為單體作業(yè),缺少聯(lián)系。利用海盜船群體作業(yè)特征對(duì)單體可疑海盜船目標(biāo)集進(jìn)行時(shí)空聚集查詢(xún)可以得到更加可靠的可疑海盜信息。

圖3中右側(cè)顯示的是對(duì)海盜群的檢測(cè)結(jié)果,這里的時(shí)空判定查詢(xún)準(zhǔn)則為:“目標(biāo)間距持續(xù)小于1000m,且均與商船距離小于5000m的最大持續(xù)時(shí)間大于20分鐘,且累計(jì)持續(xù)時(shí)間超過(guò)1小時(shí)”。

圖3 海盜群查詢(xún)實(shí)例

例2:查詢(xún)航道段Rect內(nèi)的護(hù)航盲區(qū)?

說(shuō)明:“護(hù)航盲區(qū)”指某段航道長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法獲得護(hù)航編隊(duì)艦船的巡視和護(hù)航。對(duì)長(zhǎng)段時(shí)間(如1小時(shí))內(nèi)所有軍艦的保護(hù)區(qū)域進(jìn)行時(shí)空投影操作,使用投影區(qū)域與航道區(qū)域進(jìn)行Contain操作得到重疊區(qū)域以外的護(hù)航盲區(qū)。

圖4中右側(cè)顯示的是對(duì)當(dāng)前護(hù)航盲區(qū)查詢(xún)結(jié)果,這里的時(shí)空判定查詢(xún)準(zhǔn)則為:“盲區(qū)為當(dāng)前時(shí)間下,所有護(hù)航艦艇影響區(qū)域都無(wú)法覆蓋到的區(qū)域”。

圖4 護(hù)航盲區(qū)查詢(xún)實(shí)例

例3:查詢(xún)海域Rect內(nèi)的危險(xiǎn)商船?

說(shuō)明:“危險(xiǎn)商船”指處在可疑海盜船作案范圍內(nèi)且距離最臨近軍艦較遠(yuǎn),短時(shí)間(如30分鐘)軍艦無(wú)法前往援助的商船。首先對(duì)可疑海盜威脅區(qū)與所有商船進(jìn)行Contain操作,得到區(qū)域海盜威脅下的商船集,對(duì)商船集中每個(gè)目標(biāo)與軍艦進(jìn)行臨近連接查詢(xún),判斷軍艦趕赴時(shí)間,最后得到高危的商船信息并進(jìn)行預(yù)警。

圖5中右側(cè)顯示的是對(duì)處于危險(xiǎn)中的商船的檢測(cè)結(jié)果,這里的時(shí)空判定查詢(xún)準(zhǔn)則為:“航道內(nèi),處于所有護(hù)航艦艇在1小時(shí)內(nèi)都無(wú)法覆蓋到的區(qū)域內(nèi)的所有商船”。

圖5 危險(xiǎn)商船預(yù)警查詢(xún)實(shí)例

5 結(jié)語(yǔ)

為了更加有效地利用護(hù)航行動(dòng)中各類(lèi)傳感器搜集的海量船只數(shù)據(jù),更早地發(fā)現(xiàn)潛在威脅,更合理地規(guī)劃護(hù)航區(qū)域,本文分析了各類(lèi)水面船只的時(shí)空行為特征,重點(diǎn)對(duì)比了漁船與海盜船的時(shí)空行為特征差異,利用時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)提供的各類(lèi)時(shí)空查詢(xún)手段對(duì)海域船只數(shù)據(jù)進(jìn)行了挖掘,查詢(xún)得到可疑的海盜船集合、護(hù)航的盲區(qū)以及危險(xiǎn)的商船,效果顯示可以利用時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)未知船只進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,為護(hù)航行動(dòng)提供了一種新的輔助決策支持手段,也為時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用方法提供了新的思路。

[1]張超漢.淺析索馬里海盜行為的國(guó)際規(guī)制[J].黑龍江省政法管理干部學(xué)院學(xué)報(bào),2009(5):112-114.

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[6]楊平,唐新明,翟亮.基于時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的動(dòng)態(tài)可視化研究[J].測(cè)繪科學(xué),2006,31(3):111-113.

[7]黃勇奇,崔偉宏.基于歷史關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)研究[J].遙感學(xué)報(bào),2008,12(5):759-764.

ApplicationofSpatio-TemporalDataBaseinAidedDecisionMakingofConvoyOperations

PENG Yihang BAO Lei SUN Yuelin

(College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

An effective analysis of the surface vessels situation has great significance for the commander to perceive the convoy operations situation and to make the right decision. Based on the existing query technique of Spatio-Temporal DataBase(STDB), a new mining method for the vast amounts of vessels data is given. A comprehensive analysis of the spatio-temporal behavior of surface vessels, and the object-oriented data model is chosen to modify it; at the same time STDB applications are introduced to discover suspicious pirates which are the biggest threat to convoy operations.

spatio-temporal database, spatio-temporal query, assistant decision system

2013年10月3日,

:2013年11月19日

國(guó)家863創(chuàng)新基金(編號(hào):2010AAJ168);湖北省自然科學(xué)基金(編號(hào):2011CBD053)資助。

彭一航,男,碩士研究生,研究方向:時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用、人機(jī)交互。包磊,男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向:裝備保障仿真、時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)。

TP311DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.04.029