舶舶AIS軌跡異常的自動(dòng)檢測與修復(fù)算法

吳建華， 吳 琛， 劉 文， 郭俊緯

(1.武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院, 武漢 430063;2.內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430063)

舶舶AIS軌跡異常的自動(dòng)檢測與修復(fù)算法

吳建華1,2， 吳 琛1,2， 劉 文1,2， 郭俊緯1,2

(1.武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院, 武漢 430063;2.內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430063)

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)軌跡是船舶位置和時(shí)間的記錄序列，對船舶航行狀態(tài)分析、船舶交通流預(yù)測及船舶海事事故分析等具有一定的意義，而受一些因素影響，采集到的AIS數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，導(dǎo)致AIS軌跡出現(xiàn)異常。對此，在對大量AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行深入解析的基礎(chǔ)上，歸納出AIS軌跡異常的幾種類型，針對各類型的特征對船舶軌跡異常進(jìn)行自動(dòng)檢測，并采用3次樣條插值模型實(shí)現(xiàn)修復(fù)算法。研究成果可為基于船舶航行軌跡數(shù)據(jù)的相關(guān)研究提供快速、準(zhǔn)確的技術(shù)支持。

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)；軌跡異常；自動(dòng)檢測；軌跡修復(fù)

Abstract: The AIS(Automatic Identification System) trajectory of ship navigation, the recorded sequence of the location and the time of a ship, are valuable for ship sailing state analysis, maritime traffic flow prediction, and maritime accident analysis. However, due to the interferences of some factors, there sometimes exist errors in the collected AIS data, leading to the abnormity of AIS trajectory. Through in-depth analysis of a large amount of AIS data, this paper identifies several abnormal types of AIS trajectory. The automatic detection and restoration of trajectory anomalies are explored and an algorithm for that is developed with cubic spline interpolation model.

Keywords: AIS; trajectory anomalies; automatic detection; trajectory repair

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含著大量船舶信息，可通過提取這些信息了解船舶的航行狀態(tài)，將其應(yīng)用到船舶避碰、海事監(jiān)控、軌跡聚類[1]、船舶交通流預(yù)測和海事事故調(diào)查等諸多航海領(lǐng)域中。AIS數(shù)據(jù)中最基本的信息是由時(shí)間和位置構(gòu)成的時(shí)空位置點(diǎn)，將位置點(diǎn)標(biāo)繪在電子海圖上可形成船舶的航行軌跡線，實(shí)現(xiàn)船舶運(yùn)動(dòng)軌跡的可視化顯示。在通航密集水域，船舶AIS數(shù)據(jù)量巨大，通過計(jì)算機(jī)編程可再現(xiàn)各艘船舶的航跡線，但受AIS信號傳輸、AIS設(shè)備等因素影響，接收到的AIS數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，導(dǎo)致AIS軌跡出現(xiàn)異常(見圖1)。顯然，直接使用該航跡線無法正確獲取船舶運(yùn)動(dòng)軌跡，當(dāng)前普遍采用的處理方法是通過人工將異常的航跡線挑選出來加以排斥。該方法不僅效率低下，而且會(huì)丟失一些船舶信息。

對此，從大量AIS實(shí)測數(shù)據(jù)中挑選出AIS異常軌跡線，分析其異常的特征規(guī)律；將AIS軌跡異常歸納為幾種類型，針對各類型的特征研究自動(dòng)檢測異常軌跡線的方法，并利用數(shù)學(xué)方法加以修復(fù)。

1 船舶AIS軌跡異常的分類

AIS應(yīng)用廣泛，在保障船舶安全航行、確保海事部門準(zhǔn)確監(jiān)控船舶交通流態(tài)勢方面具有重要作用。然而，在通航密集水域，隨著船載AIS數(shù)量不斷增多，受AIS工作模式的制約，AIS網(wǎng)絡(luò)通信逐漸顯現(xiàn)出一些問題，從而影響AIS的正常使用。

船舶AIS軌跡是船舶航行時(shí)間和位置的記錄序列，包含AIS網(wǎng)絡(luò)的通信性能特征。通過采集通航密集水域船舶的AIS信息，并對其解碼后反演出船舶AIS軌跡，對船舶AIS軌跡進(jìn)行分析，可歸納出通航密集水域AIS的異常模式(見表1)。船舶軌跡異常分析圖見圖2。

表1 船舶軌跡異常分析表

1.1AIS傳感器接收GPS信號過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤

全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)接收機(jī)作為AIS中提供船位、航速和航向等信息的傳感器，將接收到的船舶航行信息通過AIS廣播給其他船舶和基站。GPS接收機(jī)在接收衛(wèi)星信號時(shí)可能會(huì)受外界因素的影響(或其他原因)而導(dǎo)致航行信息出現(xiàn)錯(cuò)誤并將其直接發(fā)送出去，接收方獲得的是該船舶錯(cuò)誤的航行信息。

1.2AIS信號傳輸過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤

即使GPS接收機(jī)接收的航行數(shù)據(jù)正確，AIS在通過甚高頻(Very High Frequency, VHF)傳輸信息的過程中也會(huì)受外界因素的干擾導(dǎo)致航行信息出現(xiàn)錯(cuò)誤。因?yàn)樵趥鬏斶^程中或傳輸鏈路上會(huì)出現(xiàn)bit錯(cuò)誤，導(dǎo)致在鏈路上傳輸?shù)?個(gè)或多個(gè)幀遭到破壞(出現(xiàn)bit差錯(cuò)，0變?yōu)?或1變?yōu)?)，從而使接收方得到船舶錯(cuò)誤的航行數(shù)據(jù)。通過對AIS發(fā)送的信息進(jìn)行CRC校驗(yàn)碼檢測可確認(rèn)該現(xiàn)象是由數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤導(dǎo)致的。

1.3AIS設(shè)備自身原因產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤

受AIS設(shè)備內(nèi)部設(shè)置等因素影響，該船舶所有的位置數(shù)據(jù)都是錯(cuò)誤的(例如設(shè)備的GPS發(fā)生故障)，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的位置數(shù)據(jù)被傳輸出去。因此，雖然可接收到該船舶的AIS信息，但無法在船舶軌跡異常分析圖上顯示。

1.4AIS網(wǎng)絡(luò)通信阻塞導(dǎo)致AIS信號發(fā)射延遲

在通航密集[2]水域，由于船舶數(shù)量多且受AIS工作機(jī)制的制約，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信阻塞、AIS無法預(yù)約或偵聽到空閑時(shí)隙，不能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)發(fā)射，從而導(dǎo)致發(fā)送AIS信息延遲，在船舶AIS軌跡上就會(huì)出現(xiàn)較長的時(shí)間間隔。

2 AIS軌跡異常的特征分析

針對AIS軌跡異常的4種類型，提取其信息及軌跡特征進(jìn)行分析，以便得到有針對性的自動(dòng)檢測和修復(fù)方法。

2.1AIS的位置傳感器導(dǎo)致的軌跡異常特征

對于表1中A的位置坐標(biāo)(223.857 552°W，0.000 853°N)，其與前后軌跡位置點(diǎn)的邏輯關(guān)系明顯不符，使得船舶軌跡點(diǎn)出現(xiàn)中斷現(xiàn)象。通過分析該船舶AIS信息的校驗(yàn)碼可知，該位置數(shù)據(jù)錯(cuò)誤在AIS信息傳播前就已存在，屬于AIS位置傳感器在接收位置信息時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤并將該數(shù)據(jù)傳輸出去，使接收方接收到錯(cuò)誤的信息，通過判斷船舶軌跡點(diǎn)的邏輯關(guān)系加以識(shí)別和修補(bǔ)。

2.2AIS信號傳輸過程導(dǎo)致的軌跡異常特征

對于表1中B的位置坐標(biāo)(0.894 667°E，0.000 000°N)，其與前后軌跡位置點(diǎn)的邏輯關(guān)系明顯不符，分析接收到的AIS信息發(fā)現(xiàn)CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤，在實(shí)際AIS設(shè)備中會(huì)自動(dòng)過濾掉CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤的AIS語句，因此這種由于AIS信息傳輸產(chǎn)生的錯(cuò)誤不需要修復(fù)。

2.3AIS設(shè)備原因產(chǎn)生的軌跡異常特征

對于表1中C的位置坐標(biāo)(134.222 220°E,89.473 993°S)，接收到該船舶的所有AIS位置數(shù)據(jù)均不在正常的AIS通信范圍內(nèi)，屬于AIS設(shè)備故障或人為設(shè)置使接收到的AIS信息錯(cuò)誤，會(huì)對AIS數(shù)據(jù)的有效使用產(chǎn)生影響。對于不能正確使用AIS設(shè)備的錯(cuò)誤類型，可通過基站監(jiān)控督促其更新，該類型的異常情況可通過判斷船舶的位置范圍加以檢測，但無法修復(fù)。

2.4AIS網(wǎng)絡(luò)通信阻塞導(dǎo)致的軌跡異常特征

對于圖2中的D，AIS網(wǎng)絡(luò)通信信道擁塞造成的數(shù)據(jù)傳輸延遲使得AIS航跡線在一些點(diǎn)與點(diǎn)之間的間距較長，超過AIS信息更新所規(guī)定的時(shí)間后仍未更新，在彎曲通航水域呈現(xiàn)為直線。數(shù)據(jù)更新頻繁易產(chǎn)生信道擁塞問題。該類型異?？筛鶕?jù)信息更新時(shí)間、船舶速度及軌跡點(diǎn)之間的距離三者間的關(guān)系加以檢測，并采用數(shù)學(xué)插值法予以修復(fù)。

3 AIS軌跡異常點(diǎn)的自動(dòng)檢測

通過觀察大量AIS數(shù)據(jù)在電子海圖上再現(xiàn)航跡線時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)有些異常點(diǎn)使得航跡線在電子海圖中出現(xiàn)中斷或超長的現(xiàn)象，因此反演船舶軌跡時(shí)需對AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，判斷是否存在異常點(diǎn)，為后續(xù)修復(fù)處理及繪制軌跡線打好基礎(chǔ)。在對AIS軌跡異常進(jìn)行分類并分析其特征的基礎(chǔ)上，除B類異常點(diǎn)外，其他類型的異常點(diǎn)均需通過開發(fā)計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)檢測。

3.1A類軌跡異常點(diǎn)的自動(dòng)檢測

在船舶航跡線中，若某軌跡點(diǎn)的位置與相鄰點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系明顯不符合規(guī)律，則可通過比較相鄰兩點(diǎn)之間經(jīng)緯度的差異來判定異常點(diǎn)。若經(jīng)緯度符號不同，則可直接判斷為異常點(diǎn)；若經(jīng)緯度符號相同，則可根據(jù)兩點(diǎn)之間的經(jīng)緯度差值所對應(yīng)的邏輯距離來判斷異常點(diǎn)。

假設(shè)P1，P2，…，Pn為一系列船舶軌跡點(diǎn)，若以AIS信號最長更新時(shí)間3 min，極限航速102.2 kn來設(shè)定最大航跡距離5.11 n mile，對應(yīng)的經(jīng)度差為0.099 1°，緯度差為0.085 3°，則檢測相鄰兩位置點(diǎn)之間的經(jīng)緯度差時(shí)異常點(diǎn)的判定依據(jù)為

Δλ(Pn,Pn+1)=λ(Pn+1)-λ(Pn)≤0.099 1°

(1)

Δφ(Pn,Pn+1)=φ(Pn+1)-φ(Pn)≤0.085 3°

(2)

當(dāng)檢測到兩點(diǎn)間的經(jīng)緯度差有任意一個(gè)不滿足以上條件時(shí)，判定其為異常點(diǎn)。

3.2C類軌跡異常點(diǎn)的自動(dòng)檢測

若得到的AIS位置數(shù)據(jù)均不在正常的AIS通信范圍內(nèi)，則可判斷其為C類異常點(diǎn)。通過設(shè)置研究區(qū)域內(nèi)的右上角經(jīng)緯度和左下角經(jīng)緯度構(gòu)成的矩形區(qū)域，判斷AIS位置數(shù)據(jù)是否落在該區(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測。在彎曲航道，通過將航道柵格化判斷AIS位置數(shù)據(jù)是否在柵格內(nèi)，并作進(jìn)一步細(xì)化檢測：將航道劃分為n個(gè)柵格，假設(shè)第n個(gè)柵格區(qū)域左下角的經(jīng)緯度為Qn(λnl,φnl)，右上角的經(jīng)緯度為Qn(λnr,φnr),對于任意AIS正常位置點(diǎn)Pi(λi,φi),應(yīng)存在Pi∈(Q1,…，Qn)，若Pi不在該柵格區(qū)域內(nèi)，則直接判斷該點(diǎn)為異常點(diǎn)。

3.3D類軌跡異常點(diǎn)的自動(dòng)檢測

船舶航跡線相鄰的2個(gè)位置點(diǎn)為Pn(λn,φn)和Pn+1(λn+1,φn+1)，兩點(diǎn)之間的實(shí)際距離為D1(λ,φ)；利用船舶航速[3]及所規(guī)定的更新時(shí)間[4]計(jì)算航行的理論距離為D2(v，t)，則2個(gè)位置點(diǎn)之間的距離差ΔD=D1-D2應(yīng)小于某個(gè)閾值E(由試驗(yàn)確定)，當(dāng)ΔD≥E0時(shí)，所對應(yīng)的位置點(diǎn)為D類異常點(diǎn)，即可檢測出在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，船舶AIS信息更新延時(shí)導(dǎo)致在航跡線圖上出現(xiàn)超長的現(xiàn)象。

4 AIS軌跡異常點(diǎn)的修復(fù)

對于以上4種AIS數(shù)據(jù)異常，AIS設(shè)備本身和AIS數(shù)據(jù)傳輸過程中造成的軌跡錯(cuò)誤無需修復(fù)，直接排除在軌跡線之外；而另外2種(A類和D類)則可根據(jù)文獻(xiàn)[5]，采用擬合插值[6]的方法對軌跡進(jìn)行修復(fù)。由于軌跡異常主要表現(xiàn)為AIS位置點(diǎn)突變偏移[7]和接收信號延時(shí)造成位置點(diǎn)丟失或錯(cuò)誤，展現(xiàn)的船舶軌跡相對于航道為近似直線軌跡和復(fù)雜曲線軌跡，因此主要對這2種情況進(jìn)行分類討論。

4.1直線AIS軌跡修復(fù)

當(dāng)直線軌跡中出現(xiàn)異常點(diǎn)時(shí)，可根據(jù)正常點(diǎn)和船舶航行條件大致計(jì)算出修復(fù)點(diǎn)的位置，采用3次樣條插值的方法計(jì)算修復(fù)的軌跡點(diǎn)。

首先建立3次樣條插值模型[8]，設(shè)ti為時(shí)間,xi為緯度,yi為經(jīng)度。AIS直線原始軌跡見圖3，AIS直線軌跡插值見圖4。設(shè)3次樣條函數(shù)S(t)在節(jié)點(diǎn)ti處的二階導(dǎo)數(shù)值為Mi,則可得到3次樣條表達(dá)式為

(3)

式(3)中:t∈[ti,ti+1],i=0,1,…,n-1；Mi為未知參數(shù)；hi=ti+1-ti。通過對S(t)進(jìn)行求導(dǎo)得到S′(t),利用S′(ti+0)=S′(ti-0)可得

μiMi-1+2Mi+λiMi+1=di

(4)

由于方程式比未知數(shù)少，因此根據(jù)第一類邊界條件補(bǔ)充i=1和i=n時(shí)的端點(diǎn)方程，最后可得到關(guān)于參數(shù)M0,M1,…,Mn的n+1階線性方程組，其三彎矩陣方程為

(5)

根據(jù)式(5)求出M0,M1,…,Mn的值,即可求出軌跡的3次樣條插值表達(dá)式，進(jìn)而得到船舶航行軌跡。按照上述原理，通過MATLAB編程，將所選擇的航跡點(diǎn)輸入到程序中，通過運(yùn)行計(jì)算得到擬合方程，進(jìn)而求出修復(fù)后的正常軌跡點(diǎn)(見圖5)。

a)修復(fù)前b)修復(fù)后

圖5A類異常軌跡

4.2曲線AIS軌跡修復(fù)

在簡單的彎曲航道中，可通過求解擬合圓方程計(jì)算出彎道航跡的擬合方程，進(jìn)而求出修復(fù)軌跡點(diǎn)；在復(fù)雜的彎曲航道中，可采用3次樣條插值的方法求出修復(fù)軌跡點(diǎn)。

根據(jù)轉(zhuǎn)彎航段船舶的軌跡點(diǎn)，利用最小二乘法[9]擬合曲線即可求得船舶的轉(zhuǎn)彎半徑。最小二乘法是通過最小化誤差平方和來尋找數(shù)據(jù)的最佳匹配函數(shù)[10]，方法如下。

設(shè)樣本點(diǎn)為(Xi,Yi),i∈(1,2,…)，擬合圓心為(A,B)，半徑為R，點(diǎn)(Xi,Yi)到圓心的距離為

(6)

di的平方與R的平方之差為

(7)

式(7)中：a=-2A;b=-2B;c=A2+B2+R2。令Q(a,b,c)為δi的平方和，即

(8)

將a,b,c代入到式(9)中可得A,B,R的估計(jì)擬合值為

(9)

根據(jù)式(9)得到曲率最大的航跡點(diǎn)的擬合圓的圓心和半徑，即可得到船舶轉(zhuǎn)彎段的航跡線方程；將實(shí)測的航跡線與計(jì)算出的轉(zhuǎn)彎航跡線方程擬合，再通過3次樣條模型進(jìn)行插值計(jì)算。按照上述原理進(jìn)行編程，將所選擇的航跡點(diǎn)輸入到程序中，經(jīng)過運(yùn)行計(jì)算后可得到擬合圓在航線上的軌跡點(diǎn)(見圖6)。

根據(jù)航道彎道[11]中的4個(gè)已知航跡點(diǎn)擬合出彎道部分的航跡線，通過計(jì)算得到航道彎道中預(yù)測軌跡的修復(fù)點(diǎn)(見圖7)，從而實(shí)現(xiàn)軌跡的修復(fù)。曲線航跡修復(fù)前后的船舶軌跡見圖8。最終修復(fù)后的AIS船舶軌跡見圖9。

a)修復(fù)前b)修復(fù)后

圖8 曲線航跡修復(fù)前后的船舶軌跡

5 結(jié)束語

本文對AIS的船舶軌跡異常進(jìn)行分類，針對各類異常的特點(diǎn)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上探討自動(dòng)檢測與修復(fù)方法。由于主要研究的是B類AIS，因此試驗(yàn)結(jié)果具有一定的局限性；雷達(dá)天線、VHF天線等可能會(huì)影響AIS的工作。在對船舶直線和彎道軌跡進(jìn)行預(yù)測和修復(fù)的試驗(yàn)中，所設(shè)計(jì)的方法能較好地修復(fù)船舶軌跡，可為基于船舶軌跡開展船舶交通流預(yù)測和船舶海事事故分析研究提供參考。

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AutomaticDetectionandRestorationAlgorithmforTrajectoryAnomaliesofShipAIS

WUJianhua1,2，WUChen1,2，LIUWen1,2，GUOJunwei1,2

(1. School of Navigation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Hubei Key Laboratory of Inland Shipping Technology, Wuhan 430063, China)

U675.7

A

2016-10-21

國家自然科學(xué)基金(51279151)

吳建華(1963—)，男，湖北漢陽人，教授，博士，主要從事交通信息及工程控制。E-mail:wujh63@sina.com

1000-4653(2017)01-0008-05