面向港口停留區(qū)域識(shí)別的船舶停留軌跡提取方法

鄭振濤 趙卓峰 王桂玲 徐垚

摘 要：針對(duì)港口停留區(qū)域識(shí)別時(shí)船舶軌跡大數(shù)據(jù)的精度低、稀疏、漂移等問(wèn)題，提出了一種多約束條件下的船舶停留軌跡提?。∕PTSSE）方法。首先，結(jié)合船舶軌跡數(shù)據(jù)特點(diǎn)，給出了用于停留區(qū)域識(shí)別與提取的停留段概念的定義;其次，建立了基于速度、時(shí)間差、停留時(shí)長(zhǎng)、距離等多約束的軌跡停留段提取模型和并行化軌跡停留段提取算法;最后，基于Hadoop框架給出了船舶軌跡大數(shù)據(jù)集上的軌跡停留段提取算法實(shí)現(xiàn)。基于真實(shí)船舶軌跡數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與基于Stop/Move模型的軌跡停留提取方法相比，MPTSSE方法在三個(gè)港口泊位的提取中準(zhǔn)確率提高了22%。MPTSSE方法能有效避免軌跡停留段誤分割情況，同時(shí)在大規(guī)模船舶軌跡數(shù)據(jù)下具有較高的執(zhí)行效率。

關(guān)鍵詞：港口停留區(qū)域;船舶軌跡數(shù)據(jù);停留軌跡;多約束提取;Hadoop框架

中圖分類(lèi)號(hào)： TP312

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： Ship trajectory data shows the characteristics of low precision， sparseness and trajectory drift for the port parking area recognition. To improve the accuracy of port parking area recognition based on ship trajectory big data， a Multi-constrained and Parallel Track Stay Segment Extraction （MPTSSE） method was proposed. Firstly， the definition of stay segment based on ship trajectory data was given as a basic concept for parking area identification. Secondly， a stay segment extraction model based on multiple constraints， such as speed， time difference， dwell time and distance， was introduced. Furthermore， a parallel trajectory stay segment extraction algorithm was proposed. Finally， Hadoop framework was adopted to implement the proposed algorithm. In comparison experiments with the trajectory stay segment extraction method based on Stop/Move model based on real ship trajectory big dataset， the accuracy of MPTSSE is increased by 22% in berth recognition of three ports. The MPTSSE method can effectively avoid misdivision of track stay segment and has better execution efficiency under large-scale ship trajectory dataset.

Key words： port stay area; ship trajectory data; trajectory stay trajectory; multi-constrained extraction; Hadoop framework

0 引言

港口停留區(qū)域主要包括錨地和泊位兩類(lèi)場(chǎng)所。其中，錨地是指供船舶在水上拋錨以便安全停泊、避風(fēng)防臺(tái)、等待檢驗(yàn)引航、從事水上過(guò)駁、編解船隊(duì)及其他作業(yè)的港口水域;泊位是指港區(qū)內(nèi)能?？看暗奈恢茫匆凰以O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)船型?？看a頭所占用的岸線長(zhǎng)度或占用的停船位置。目前，傳統(tǒng)的港口停留區(qū)域的識(shí)別主要采用人工調(diào)繪、遙感影像的方式，這樣的方式成本較高，更新周期長(zhǎng)，難以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。此外由于錨地和泊位與陸地交通領(lǐng)域的興趣點(diǎn)（Point Of Interest， POI）不同，錨地區(qū)域等POI信息可能會(huì)隨著不同季節(jié)或者港口地理環(huán)境的改變而出現(xiàn)錨泊區(qū)域擴(kuò)大和縮小的情況。港口停留區(qū)域是連接海洋運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，對(duì)于港口整體規(guī)劃、運(yùn)營(yíng)管理以及指導(dǎo)船舶航行等都具有重要意義。

船舶軌跡數(shù)據(jù)是通過(guò)船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Identification System， AIS）收集得到一系列船舶位置數(shù)據(jù)。隨著AIS的廣泛應(yīng)用，長(zhǎng)期以來(lái)積累的船舶軌跡數(shù)據(jù)也不斷豐富，從而使得利用船舶軌跡數(shù)據(jù)識(shí)別得到港口泊位和錨地的停留區(qū)域成為可能。這種方式可以有效解決傳統(tǒng)勘測(cè)方式成本高、更新緩慢的問(wèn)題。具體反映到港口停留區(qū)域方面，由于船舶在港口泊位卸載貨物、乘客上岸或者在港口附近的錨地等待進(jìn)入泊位時(shí)具有不同的行為模式，使得在港口停留區(qū)域的船舶軌跡數(shù)據(jù)表現(xiàn)出不同的停留特征，因此，如何在大量的船舶軌跡數(shù)據(jù)中提取符合泊位及錨地停留模式的軌跡就成為了識(shí)別泊位和錨地停留區(qū)域的關(guān)鍵。

當(dāng)前停留點(diǎn)或停留區(qū)域的識(shí)別工作主要集中在陸地交通領(lǐng)域，研究者提出了多種基于軌跡數(shù)據(jù)的停留點(diǎn)提取方法，大致可以分為集成地理背景信息的方法，基于軌跡導(dǎo)出特征的方法和基于密度聚類(lèi)的方法以及逐級(jí)合并的停留識(shí)別方法。文獻(xiàn)[1-2]從地理背景信息出發(fā)，通過(guò)檢測(cè)移動(dòng)對(duì)象相對(duì)于不同地理實(shí)體，例如興趣點(diǎn)和感興趣區(qū)域（Region Of Interest， ROI）的時(shí)空關(guān)系來(lái)識(shí)別軌跡停留。具體來(lái)說(shuō)，這類(lèi)方法通過(guò)計(jì)算軌跡在地理實(shí)體內(nèi)部或其鄰域范圍內(nèi)的累積連續(xù)停留時(shí)間來(lái)判斷軌跡在該處是否存在停留行為。該類(lèi)方法適用于在已有地理背景數(shù)據(jù)環(huán)境下查詢(xún)或挖掘軌跡與地理實(shí)體間聯(lián)系的應(yīng)用，但無(wú)法從地理背景信息缺失的區(qū)域提取出停留信息。文獻(xiàn)[3]使用基于軌跡導(dǎo)出特征的方法來(lái)提取停留軌跡信息，通過(guò)在軌跡中諸如速度、加速度、點(diǎn)密度、轉(zhuǎn)向角、信號(hào)缺失等一個(gè)或多個(gè)特征上設(shè)置規(guī)則，從軌跡數(shù)據(jù)中提取出停留信息。由于軌跡停留識(shí)別的最佳特征選取往往取決于特定的數(shù)據(jù)或應(yīng)用，使得該類(lèi)方法的通用性受到一定程度的制約。文獻(xiàn)[4-6]基于密度聚類(lèi)的方法提取停留數(shù)據(jù)，該方法要求具有大量高精度位置數(shù)據(jù)，而不適合船舶AIS軌跡數(shù)據(jù)采樣稀疏、軌跡點(diǎn)易丟失和存在大量噪點(diǎn)的情況。張治華[7]提出了逐級(jí)合并的方法來(lái)提取停留點(diǎn)軌跡數(shù)據(jù)，該方法雖然在一定程度上克服了噪點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)停留識(shí)別的影響，但是其簡(jiǎn)單的合并策略易導(dǎo)致不同停留的合并。

船舶在水面上航行，船舶之間間距大、行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)無(wú)約束、時(shí)空跨度大、速度相對(duì)較低等特點(diǎn)，使得船舶軌跡數(shù)據(jù)表現(xiàn)出不同于陸地交通軌跡數(shù)據(jù)的特征。船舶在港口卸載貨物或者在港口附近的錨地或者港外錨地等待進(jìn)入泊位時(shí)具有不同的行為模式，使得在港口停留區(qū)域的船舶軌跡數(shù)據(jù)具有不同的停留模式。此外，陸地交通軌跡停留點(diǎn)提取方法一般還可以利用豐富、準(zhǔn)確的路網(wǎng)信息和地理信息來(lái)幫助提取軌跡停留數(shù)據(jù)，而由于船舶是在不受限的海面上航行，海域地理信息相對(duì)不完善，船舶軌跡數(shù)據(jù)和陸地交通數(shù)據(jù)相比，由于自身的運(yùn)動(dòng)特征以及地理信息的不完善，從而使得基于地理信息來(lái)提取船舶停留軌跡的方法不太可行。

針對(duì)已有的軌跡停留點(diǎn)提取方法存在的局限性和基于軌跡大數(shù)據(jù)的背景下，本文提出了一種基于船舶軌跡大數(shù)據(jù)的多約束并行化停留點(diǎn)提取（Multi-constrained and Parallel Track Stay Segment Extraction， MPTSSE）方法，并針對(duì)由于船舶軌跡大數(shù)據(jù)的精度低、稀疏、漂移等的問(wèn)題造成的完整停留軌跡段被誤分割成多個(gè)停留段的問(wèn)題進(jìn)行了改進(jìn)。

1 船舶軌跡大數(shù)據(jù)

軌跡數(shù)據(jù)是移動(dòng)對(duì)象的位置和時(shí)間的記錄序列，它一直是交通運(yùn)輸工程、交通地理學(xué)分析研究的主要數(shù)據(jù)源，例如，軌跡數(shù)據(jù)中比較常見(jiàn)的車(chē)輛的時(shí)空軌跡，目前對(duì)陸地軌跡數(shù)據(jù)開(kāi)展的研究比較多[8-10]。

船舶軌跡是關(guān)注區(qū)域內(nèi)所有船舶運(yùn)動(dòng)路線的記錄。當(dāng)考察船舶運(yùn)動(dòng)總體演變過(guò)程時(shí)，可忽略單條船只尺寸及其船體姿態(tài)變化，此時(shí)單條船只被視為點(diǎn)狀的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，相應(yīng)的航跡便被記錄為時(shí)間有序的數(shù)據(jù)列表。船舶軌跡數(shù)據(jù)包含了船舶在每一個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳、經(jīng)緯度、航首向、對(duì)地航向、速度等動(dòng)態(tài)信息以及船舶本身的靜態(tài)信息。海量船舶軌跡數(shù)據(jù)可用于挖掘船舶行為組合的總體特征。船舶運(yùn)動(dòng)模式的考慮因素包括內(nèi)在屬性、空間約束、環(huán)境條件和他船影響等。

目前的船舶軌跡數(shù)據(jù)主要來(lái)自AIS自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)，一年的數(shù)據(jù)量達(dá)到120GB，包括全球范圍大約8000艘油輪、貨輪以及客船的軌跡數(shù)據(jù)。實(shí)際應(yīng)用中所使用的船舶軌跡數(shù)據(jù)是對(duì)原始AIS軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行“動(dòng)靜關(guān)聯(lián)”處理后的數(shù)據(jù)。所謂動(dòng)靜關(guān)聯(lián)的處理指的是把軌跡數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的船舶的一些靜態(tài)屬性信息（例如世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（Coordinated Universal Time， UTC）、水上移動(dòng)通信業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)碼（Maritime Mobile Service Identify， MMSI）、國(guó)際海事組織的識(shí)別碼（International Maritime Organization， IMO）、經(jīng)度、緯度以及船舶長(zhǎng)度和寬度等）和軌跡數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)。文中使用的數(shù)據(jù)是基于動(dòng)靜關(guān)聯(lián)的AIS數(shù)據(jù)，動(dòng)靜關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)字段有27個(gè)字段，其中包括10個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)字段，14個(gè)靜態(tài)數(shù)據(jù)字段以及3個(gè)計(jì)算字段。本文使用部分?jǐn)?shù)據(jù)字段，并對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)字段作一個(gè)簡(jiǎn)要說(shuō)明。

軌跡的數(shù)據(jù)格式如表1所示。

船舶軌跡數(shù)據(jù)和陸地交通軌跡數(shù)據(jù)相比，主要存在以下幾個(gè)不同的特點(diǎn)：

1）軌跡數(shù)據(jù)精度低。船舶AIS采集間隔較長(zhǎng)（10～15s），傳統(tǒng)的基于密度聚類(lèi)的方法來(lái)提取停留區(qū)域則無(wú)法適用。

2）軌跡漂移性。船舶在錨地和泊位區(qū)域停留時(shí)如果遇到風(fēng)浪等天氣時(shí)會(huì)發(fā)生漂移現(xiàn)象，按照傳統(tǒng)的停留點(diǎn)提取方法容易出現(xiàn)一條完整的軌跡停留段被誤分割成多個(gè)停留段的問(wèn)題。

3）軌跡稀疏性。出于安全考慮，船舶之間的距離比較遠(yuǎn)，基于軌跡導(dǎo)出特征的方法來(lái)提取停留信息也不太可行。

2 基于船舶軌跡數(shù)據(jù)的停留區(qū)域識(shí)別基礎(chǔ)概念

目前，船舶軌跡分析一般包括以下步驟：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及管理、軌跡數(shù)據(jù)幾何操作、軌跡數(shù)據(jù)分析策略選擇和軌跡分析結(jié)果的輸出[11]。使用船舶軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行停留區(qū)域識(shí)別時(shí)，則需要對(duì)船舶的停留行為特征進(jìn)行刻畫(huà)。船舶的停留行為一般發(fā)生在港口區(qū)域附近，船舶在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間航行到達(dá)目的港區(qū)域時(shí)，一般會(huì)在碼頭靠泊或者在錨地區(qū)域拋錨。在港口附近表現(xiàn)為停留和聚集模式，此時(shí)的船舶軌跡具有相似的運(yùn)動(dòng)特征和幾何特征，基于這些特征對(duì)船舶的靠泊和錨泊行為進(jìn)行描述分析。本章引入停留段的概念來(lái)描述船舶在停留區(qū)域的軌跡集合。

定義1 軌跡。Pi=（ti，xi，yi），0

船舶在海上航行到達(dá)目的港后，會(huì)在港口區(qū)域附近停留。在此時(shí)間范圍內(nèi)，軌跡的地理空間變化范圍比較小，速度接近于0或者低速行駛，船舶停留一段時(shí)間后一般會(huì)返航或者繼續(xù)航行前往下一個(gè)目的地。這說(shuō)明船舶的停留行為表現(xiàn)出是一段停留軌跡，由一些停留的軌跡點(diǎn)組成，這些停留點(diǎn)的集合被稱(chēng)為停留段。

定義2 停留段Stop=（Pk，Pk+1，…，Pk+n）。其中，Pk軌跡點(diǎn)滿(mǎn)足一定的條件：1）軌跡速度小于一定的閾值;2）這種停留狀態(tài)需要持續(xù)一定的時(shí)間。

從定義2中可以得到，船舶停留軌跡點(diǎn)不單是由軌跡點(diǎn)的速度來(lái)定義的，而是由軌跡點(diǎn)的速度特征和時(shí)間特征共同決定。此外由于受到軌跡采集誤差的影響，從船舶軌跡提取停留數(shù)據(jù)時(shí)需要加上相鄰軌跡點(diǎn)的時(shí)間約束和距離約束。在船舶停留期間，會(huì)有大量的停留軌跡生成，停留軌跡點(diǎn)數(shù)目也作為一個(gè)約束條件。

由于AIS軌跡數(shù)據(jù)量比較大，采集間隔比較稀疏，此外大多數(shù)的軌跡停留點(diǎn)提取方法都針對(duì)陸地交通軌跡，船舶在海上航行的時(shí)候，船舶與受限于公路網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)的車(chē)輛不同，其移動(dòng)在空間上幾乎是無(wú)約束的;其次船舶軌跡數(shù)據(jù)歷時(shí)長(zhǎng)且動(dòng)態(tài)變化平緩[12]，因此船舶的軌跡和陸地交通的軌跡相比會(huì)有明顯不同的運(yùn)動(dòng)特征。

3 多約束條件下港口停留區(qū)域識(shí)別與提取方法

由于船舶軌跡數(shù)據(jù)采集間隔比較稀疏，岸基AIS采集信號(hào)存在丟失現(xiàn)象，因此會(huì)產(chǎn)生大量的噪點(diǎn)數(shù)據(jù)，常見(jiàn)的噪點(diǎn)數(shù)據(jù)類(lèi)型有經(jīng)緯度越界、時(shí)間格式不正確、軌跡點(diǎn)丟失等。這會(huì)對(duì)提取軌跡停留段產(chǎn)生比較大的影響，因此需要對(duì)軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，例如：刪除動(dòng)態(tài)信息表中MMSI編碼為0的記錄;刪除明顯錯(cuò)誤的AIS數(shù)據(jù)（如速度出現(xiàn)負(fù)值，速度>15m/s，經(jīng)度>180°，緯度>90°等）。

港口停留區(qū)域識(shí)別與提取的方法如圖1所示，包括：①運(yùn)用多約束條件下的并行化提取軌跡停留段算法提取軌跡停留段;②綜合運(yùn)用分類(lèi)模型、DBSCAN（Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise）聚類(lèi)和聚簇合并的方法提取港口停留區(qū)域。

3.1 基于多約束的并行化軌跡停留段提取MPTSSE算法

算法思想 對(duì)于船舶軌跡數(shù)據(jù)首先按照MMSI分類(lèi)進(jìn)行處理，每個(gè)船舶對(duì)應(yīng)著唯一的MMSI號(hào)，由于原始軌跡是亂序排列的，因此首先對(duì)軌跡數(shù)據(jù)按照時(shí)間戳采集順序進(jìn)行排序，任何相鄰的軌跡點(diǎn)都是時(shí)間上相鄰的軌跡點(diǎn)。

接下來(lái)依次遍歷軌跡點(diǎn)，如果遇到軌跡點(diǎn)的速度小于速度閾值maxV，則把這個(gè)軌跡點(diǎn)作為候選停留段的第一個(gè)停留點(diǎn)，此外由于船舶軌跡數(shù)據(jù)中含有大量的噪點(diǎn)數(shù)據(jù)，僅僅基于速度閾值得到的候選停留點(diǎn)可能不是真正位于港口停留區(qū)域的軌跡點(diǎn)，因此對(duì)候選停留點(diǎn)添加相鄰軌跡點(diǎn)的距離約束和時(shí)間差約束條件，判斷相鄰軌跡點(diǎn)的時(shí)間差值和距離差值是不是在給定的閾值范圍內(nèi)，如果軌跡點(diǎn)同時(shí)滿(mǎn)足速度閾值、相鄰軌跡點(diǎn)的時(shí)間差閾值和距離閾值三個(gè)條件，則把這個(gè)軌跡點(diǎn)添加到候選停留段集合中。

如果遇到一個(gè)速度大于速度閾值的軌跡點(diǎn)，考慮到船舶在錨地拋錨和在泊位停泊的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)漂移現(xiàn)象。在這些港口停留區(qū)域的某個(gè)時(shí)刻，船舶的速度和相鄰兩個(gè)點(diǎn)的距離閾值不滿(mǎn)足設(shè)定的閾值，但是此刻的軌跡點(diǎn)仍然是屬于軌跡停留段，因此需要考慮這種現(xiàn)象。對(duì)于這種情況，接下來(lái)計(jì)算這個(gè)軌跡點(diǎn)P的前后各m個(gè)軌跡點(diǎn)，考慮到對(duì)應(yīng)軌跡點(diǎn)P的前后各m個(gè)軌跡點(diǎn)有可能超出了軌跡停留段的范圍，因此需要對(duì)軌跡點(diǎn)P前后各m個(gè)軌跡點(diǎn)添加一個(gè)速度約束和距離約束條件，從軌跡點(diǎn)P前后分別得到滿(mǎn)足約束條件的軌跡點(diǎn)集合，計(jì)算這些點(diǎn)集的平均速度值和距離閾值，如果計(jì)算得到的平均速度閾值和距離閾值滿(mǎn)足設(shè)定的速度閾值和相鄰兩個(gè)點(diǎn)的距離約束條件，則認(rèn)為這個(gè)軌跡點(diǎn)仍然是軌跡停留段的一部分，這樣就避免了一條完整的軌跡停留段被錯(cuò)誤分割成多個(gè)軌跡停留段的問(wèn)題。如果計(jì)算得到的平均速度和相鄰兩個(gè)點(diǎn)的距離都不滿(mǎn)足速度閾值條件和距離約束條件，則把軌跡點(diǎn)P的前一個(gè)軌跡點(diǎn)作為候選停留段的最后一個(gè)點(diǎn)。

船舶在港口停留區(qū)域一般會(huì)產(chǎn)生大量的停留軌跡點(diǎn)，本文算法設(shè)置一個(gè)軌跡點(diǎn)數(shù)目的約束條件，判斷候選停留段的軌跡點(diǎn)段數(shù)目是否滿(mǎn)足數(shù)目約束條件。

船舶可能在異常情況下偶爾停船，但是這些停留軌跡段并不是港口停留區(qū)域的一部分，船舶在錨地拋錨和碼頭泊位靠泊的時(shí)候會(huì)有一定的拋錨時(shí)間和靠泊時(shí)間，因此添加一個(gè)停留時(shí)長(zhǎng)約束條件。判斷候選停留段集合的停留時(shí)間是不是滿(mǎn)足停留時(shí)長(zhǎng)st閾值條件，候選停留段的停留時(shí)長(zhǎng)的計(jì)算使用候選停留段集合中第一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳與候選停留段集合中最后一個(gè)停留點(diǎn)的時(shí)間差值，如果計(jì)算得到的值滿(mǎn)足停留時(shí)長(zhǎng)約束條件時(shí)，則把這個(gè)候選停留段作為停留段保存起來(lái)。由于船舶在航行過(guò)程中的航行時(shí)間比較長(zhǎng)，因此一條MMSI船舶對(duì)應(yīng)的軌跡數(shù)據(jù)可能會(huì)包含多個(gè)停留段。MPTSSE提取算法步驟如下：

1）確定速度閾值maxV，停留時(shí)長(zhǎng)閾值st，相鄰兩個(gè)軌跡點(diǎn)的時(shí)間差閾值T，距離閾值Dis。

2）對(duì)MMSI船舶對(duì)應(yīng)的軌跡線數(shù)據(jù)，按照采集時(shí)刻進(jìn)行排序。

3）定義候選停留點(diǎn)集合L1和停留點(diǎn)集合L2。

4）遍歷軌跡線中的軌跡點(diǎn)的速度屬性值，如果遇到某一個(gè)時(shí)刻的軌跡點(diǎn)對(duì)應(yīng)的速度小于速度閾值maxV和其相鄰軌跡點(diǎn)的時(shí)間差值小于時(shí)間閾值T并且相鄰兩個(gè)點(diǎn)的距離小于距離閾值Dis，則把這個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的軌跡點(diǎn)作為候選停留點(diǎn)集合L1的第一個(gè)軌跡點(diǎn)并加入候選停留點(diǎn)集合L1中，并依次遍歷，如果滿(mǎn)足約束條件，則把軌跡點(diǎn)作為候選停留點(diǎn)加入L1中，直到遇到某時(shí)刻的速度大于速度閾值maxV?？紤]到漂移現(xiàn)象，首先計(jì)算對(duì)應(yīng)時(shí)刻軌跡點(diǎn)P的前后m個(gè)軌跡點(diǎn)，對(duì)軌跡點(diǎn)P前后各m個(gè)軌跡點(diǎn)設(shè)置速度和距離約束條件，從軌跡點(diǎn)P前后分別得到滿(mǎn)足約束條件的軌跡點(diǎn)集合，計(jì)算這些點(diǎn)集的平均速度值和距離閾值，如果滿(mǎn)足設(shè)定的速度閾值和相鄰兩個(gè)點(diǎn)的距離閾值，則認(rèn)為這個(gè)軌跡點(diǎn)仍然屬于軌跡停留段并加入候選停留點(diǎn)集合L1中。繼續(xù)遍歷軌跡點(diǎn)，如果軌跡點(diǎn)都不滿(mǎn)足上面的約束條件，遍歷結(jié)束，則把這個(gè)不滿(mǎn)足約束條件的軌跡點(diǎn)的前一個(gè)軌跡點(diǎn)作為候選停留點(diǎn)集合的最后一個(gè)軌跡點(diǎn)。

5）判斷候選停留點(diǎn)集合L1中的軌跡點(diǎn)的數(shù)目是不是大于n，如果為真，則接下來(lái)計(jì)算候選停留點(diǎn)集合L1中這段軌跡的停留時(shí)長(zhǎng)，由于軌跡是按照時(shí)間戳排序后的，因此直接把L1中最后一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳和第一個(gè)候選停留點(diǎn)的時(shí)間戳的差值dt作為這段候選停留點(diǎn)的停留時(shí)長(zhǎng)。

6）如果dt>st，則把這段候選停留點(diǎn)集合L1中的加入停留點(diǎn)集合L2。

7）清空候選停留點(diǎn)集合L1，并繼續(xù)遍歷軌跡點(diǎn)，重復(fù)計(jì)算過(guò)程4）～6），直至軌跡點(diǎn)遍歷結(jié)束。

8）最終得到每個(gè)MMSI船舶在一段時(shí)間內(nèi)的多個(gè)停留段集合。

3.2 基于停留段的港口停留區(qū)域提取

停留段軌跡數(shù)據(jù)在港口區(qū)域呈現(xiàn)聚集模式，對(duì)提取出來(lái)的停留段接下來(lái)使用分類(lèi)模型，分別得到港口停留區(qū)域的錨地和泊位停留數(shù)據(jù)。以港口停留區(qū)域中的泊位提取為例，每一個(gè)聚類(lèi)簇可以看作是一個(gè)泊位，但是由于不同的船舶具有不同的長(zhǎng)度和寬度，此外船舶選擇靠泊的泊位也和船舶類(lèi)型有很大的關(guān)系，例如大型油輪和貨輪需要選擇泊位面積比較大的泊位去靠泊，因此對(duì)同一個(gè)泊位而言，不同船舶在其泊位位置上產(chǎn)生的停留軌跡位置和數(shù)目也不相同，不同的簇代表的可能是同一個(gè)泊位，所以需要對(duì)聚類(lèi)后的生成的停留軌跡簇進(jìn)行合并，并對(duì)合并后的簇的求其中心點(diǎn)，中心點(diǎn)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)就代表泊位的位置。

4 基于Hadoop框架的MPTSSE提取算法實(shí)現(xiàn)

考慮到船舶軌跡數(shù)據(jù)的海量性，本文選用Hadoop大數(shù)據(jù)處理框架來(lái)實(shí)現(xiàn)MPTSSE提取算法。如圖2所示，基于MapReduce模型給出了算法的并行化實(shí)現(xiàn)邏輯。

多約束條件下的船舶軌跡停留段提取MPTSSE算法的實(shí)現(xiàn)如下。

1）map階段。map函數(shù)從動(dòng)靜關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)中提取時(shí)間戳、經(jīng)緯度、速度、航行狀態(tài)、船只長(zhǎng)度和寬度屬性信息。map階段的輸出：以MMSI作為key，以提取的屬性信息作為value，也就是按照MMSI號(hào)分類(lèi)保存軌跡數(shù)據(jù)信息。

2）reduce階段。

①遍歷reduce的value值，把MMSI號(hào)對(duì)應(yīng)的軌跡數(shù)據(jù)保存到集合arraylist1中，然后再把a(bǔ)rraylist1中數(shù)據(jù)保存到double類(lèi)型的二維數(shù)組num[][]中。

②對(duì)數(shù)組num中的數(shù)據(jù)按照時(shí)間戳的順序進(jìn)行升序排列，得到按照采集時(shí)刻排序的軌跡數(shù)據(jù)。

③定義停留時(shí)長(zhǎng)閾值st，相鄰兩個(gè)軌跡點(diǎn)的距離閾值Dis，相鄰兩個(gè)軌跡點(diǎn)的時(shí)間閾值T.T。此處的“T.”的書(shū)寫(xiě)，即T后面有一個(gè)點(diǎn)號(hào)，這樣書(shū)寫(xiě)正確嗎？請(qǐng)明確?；貜?fù)：后面的點(diǎn)號(hào)應(yīng)該是逗號(hào)，請(qǐng)把點(diǎn)號(hào)改成逗號(hào)。速度閾值maxV，定義候選軌跡停留段集合L1，停留軌跡段集合L2。

④遍歷每個(gè)MMSI船只的軌跡點(diǎn)，并判斷是否滿(mǎn)足上述的閾值條件：如果滿(mǎn)足則添加到候選停留段集合L1中;如果不滿(mǎn)足則進(jìn)一步判斷是否屬于停留漂移數(shù)據(jù)，如果是則添加到L1中。

⑤最后計(jì)算候選停留段L1的停留時(shí)長(zhǎng)和軌跡點(diǎn)數(shù)目是否滿(mǎn)足停留時(shí)長(zhǎng)閾值st和軌跡點(diǎn)數(shù)目約束條件，如果滿(mǎn)足，則把L1加入到L2中。

⑥清空L1，重復(fù)過(guò)程④⑤，直至遍歷結(jié)束。

⑦多文件輸出，以MMSI號(hào)作為文件名，得到每條MMSI船舶的停留段數(shù)據(jù)。

5 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)運(yùn)行環(huán)境的Hadoop集群包括17個(gè)節(jié)點(diǎn)、1個(gè)master節(jié)點(diǎn)和16個(gè)slave節(jié)點(diǎn)，內(nèi)存總大小是640GB。實(shí)驗(yàn)使用的是2016年6月份的船舶軌跡數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以地理區(qū)域范圍為渤海灣為例，從中提取得到2755艘MMSI船舶AIS數(shù)據(jù)文件，每個(gè)MMSI文件包含了對(duì)應(yīng)MMSI號(hào)船舶的6月份全天的采集時(shí)刻的軌跡數(shù)據(jù)信息，文件數(shù)據(jù)大小為3.06GB。

本文以渤海區(qū)域的停留點(diǎn)提取為驗(yàn)證實(shí)例，來(lái)進(jìn)行船舶軌跡停留軌跡數(shù)據(jù)的提取。本文提出的停留點(diǎn)提取算法運(yùn)行時(shí)間為25min 50s（1550s），總共得到9259006個(gè)停留軌跡點(diǎn)。具體結(jié)果如圖3～5所示。

實(shí)例中泊位停留點(diǎn)數(shù)據(jù)提取按照如下步驟處理：

1）對(duì)提取出來(lái)的停留點(diǎn)采用分類(lèi)模型，對(duì)錨地?cái)?shù)據(jù)和泊位數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，分別得到錨地?cái)?shù)據(jù)和泊位數(shù)據(jù)。

2）進(jìn)一步對(duì)泊位數(shù)據(jù)使用DBSCAN聚類(lèi)算法進(jìn)行聚類(lèi)處理，并去除噪點(diǎn)數(shù)據(jù)。

3）對(duì)聚類(lèi)后的結(jié)果按照一定的合并規(guī)則進(jìn)行合并處理，最終得到合并后的聚類(lèi)結(jié)果。

4）最后對(duì)合并后的聚類(lèi)結(jié)果提取各個(gè)簇的中心點(diǎn)，得到泊位中心點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)還選取了傳統(tǒng)陸地交通領(lǐng)域較多采用的，向隆剛等[13]提出的Stop/Move模型進(jìn)行同樣的泊位提取。

實(shí)驗(yàn)以天津港、秦皇島港和大連港的泊位提取為例，通過(guò)與已知的實(shí)際泊位對(duì)比分析得到算法的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

本文算法模型與Stop/Move模型在泊位位置正確時(shí)的數(shù)量的提取正確率如表2所示。

從表2看出，結(jié)果證明了本文模型提取算法的正確性和有效性，基于本文提出的MPTSSE得到的泊位正確性更高，但同時(shí)也存在部分泊位提取不出來(lái)的問(wèn)題或者提取不正確的問(wèn)題，問(wèn)題的原因分析如下：

1）軌跡數(shù)量不足。目前使用的軌跡數(shù)據(jù)是一個(gè)月的IMO船只的數(shù)據(jù)，停留數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量大小對(duì)泊位提取數(shù)目的正確性有很大影響。

2）軌跡數(shù)據(jù)類(lèi)型不足。目前使用的軌跡數(shù)據(jù)是IMO船只類(lèi)型，IMO船只一般是一些大型船只，因此一些小型船只類(lèi)型的泊位則無(wú)法提取。

3）停留提取算法的參數(shù)設(shè)置。目前的停留算法的速度閾值是0.3m/s，設(shè)置的最短停留時(shí)長(zhǎng)是2h。其中速度閾值maxV對(duì)提取停留數(shù)據(jù)影響很大。如果速度閾值設(shè)置較大的話(huà)，泊位區(qū)域的停留數(shù)據(jù)就會(huì)包含一些噪點(diǎn)數(shù)據(jù);如果速度取值過(guò)小的話(huà)，會(huì)損失一部分軌跡停留數(shù)據(jù)，影響最終的泊位提取結(jié)果。

6 結(jié)語(yǔ)

港口停留區(qū)域指船舶航行過(guò)程中在港口附近拋錨和停泊的地理區(qū)域，對(duì)于指導(dǎo)船舶航行和港口管理具有重要意義。本文針對(duì)港口停留區(qū)域識(shí)別時(shí)船舶軌跡大數(shù)據(jù)的精度低、稀疏、漂移等問(wèn)題，提出一種基于多約束的并行化軌跡停留段提取MPTSSE方法以及基于Hadoop框架的實(shí)現(xiàn)，有效解決了一段完整的停留軌跡段被誤分為多個(gè)停留段的問(wèn)題，并極大地提高了軌跡停留數(shù)據(jù)的提取速度和集群資源的利用率;然而，本文提出的基于多約束的并行化軌跡停留段提取方法還有一些可以繼續(xù)改進(jìn)完善的地方，例如對(duì)約束條件的改進(jìn)，約束條件的增加會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量和內(nèi)存占用的大幅度增加。在以后的研究工作中將進(jìn)一步探索和研究基于多約束的并行化軌跡停留段提取方法以及船舶停留軌跡段的分類(lèi)和港口區(qū)域邊界的精確化提取。

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