船舶AIS數(shù)據(jù)快速抽取研究

姜書成 鞏海方

摘 ?要：隨著時(shí)間的推移、航運(yùn)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以及AIS設(shè)備裝船的數(shù)量的增加，中國沿海AIS岸基系統(tǒng)每年都產(chǎn)生海量的AIS數(shù)據(jù)，如何快速地從中找到所需的數(shù)據(jù)，成為迫在眉睫需要解決的問題。該文通過對AIS數(shù)據(jù)文件結(jié)構(gòu)、AIS語句結(jié)構(gòu)的研究，對比計(jì)算生成的特定船舶發(fā)出AIS報(bào)文起始字符串，大大地減少了解析數(shù)據(jù)量，從而提高了AIS報(bào)文抽取和解析效率。

關(guān)鍵詞：船舶自動(dòng)識別系統(tǒng) ?數(shù)據(jù) ?抽取

中圖分類號：U675.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）06（a）-0032-02

20世紀(jì)90年代，國際海事組織推出了船舶自動(dòng)識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，簡稱AIS），在船上安裝船載的識別終端，希望船舶通過自動(dòng)獲取岸基和其他船舶信息，加強(qiáng)船舶之間、船岸之間的聯(lián)系，防止船舶碰撞，降低因船舶事故造成的人身、財(cái)產(chǎn)損失和海洋環(huán)境污染。作為國際海事組織的A類理事國，我國積極履行國際公約，于2001年12月18日發(fā)布了船舶強(qiáng)制配備該設(shè)備的公告。

自AIS系統(tǒng)投入運(yùn)行以來，在船舶避碰、海事監(jiān)管和搜救方面發(fā)揮了重要的作用，已成為海上船舶目標(biāo)識別的重要手段。AIS數(shù)據(jù)，在船舶的密度分布、航跡分布、船速分布、類別分布，以及交通流量、領(lǐng)域容量、會遇概率等多方面進(jìn)行了應(yīng)用，成為海上航路規(guī)劃和設(shè)計(jì)的重要參考依據(jù)，其歷史軌跡也成為海事調(diào)查工作中的重要證據(jù)。

隨著數(shù)據(jù)的累積，從浩如煙海的AIS數(shù)據(jù)中調(diào)取某一條特定船舶特定時(shí)間段內(nèi)的AIS數(shù)據(jù)，將是一件比較困難的事情。該文將分析從龐大的AIS歷史數(shù)據(jù)中快速抽取某條船舶的中長期AIS數(shù)據(jù)的方法。

1 ?船舶AIS數(shù)據(jù)快速抽取技術(shù)的開發(fā)

1.1 AIS報(bào)文的種類及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

由于Class-A和Class-B類的AIS提供了總計(jì)24種AIS報(bào)文，但是對于船舶軌跡回放和分析的僅僅只有第1類（定時(shí)的船位報(bào)告，由A類船載移動(dòng)設(shè)備播發(fā)）、2類（分配時(shí)間表的船位報(bào)告）、3類（特別船位報(bào)告，對詢問的回復(fù)）、5類（定時(shí)的靜態(tài)數(shù)據(jù)和與船舶有關(guān)的船舶數(shù)據(jù)報(bào)告）、18類（標(biāo)準(zhǔn)Class-B類設(shè)備位置報(bào)告，用以替代第1、2、3類的Class-B類船載移動(dòng)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)船位信息報(bào)告）、19類（擴(kuò)展B類設(shè)備位置報(bào)告，包括附加的靜態(tài)信息）這6類信息。這6類報(bào)文的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)大致類似，都包括報(bào)文ID、用戶ID、報(bào)文內(nèi)容及通信狀態(tài)等內(nèi)容，該文就不再做詳述。

1.2 快速抽取指定船舶AIS數(shù)據(jù)的方法

由上面的分析可以看出，將每一條數(shù)據(jù)都解析，都可以獲得發(fā)送該條語句的船舶AIS設(shè)備的MMSI（海事移動(dòng)業(yè)務(wù)識別碼）號碼，可以根據(jù)解析得的MMSI號碼與給定的船舶MMSI號碼進(jìn)行對比，找到并保存需要抽取的目標(biāo)船舶的數(shù)據(jù)。然而抽取目標(biāo)船舶的AIS數(shù)據(jù)在整體數(shù)據(jù)中所占的比重非常小，在這樣的計(jì)算過程中，將大量的時(shí)間耗費(fèi)在解析非抽取目標(biāo)船舶的數(shù)據(jù)上，不能快速地從大量的原始數(shù)據(jù)中獲得抽取目標(biāo)船舶的AIS數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步分析這6類AIS數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)可以看出，每一類數(shù)據(jù)的前38bit的結(jié)構(gòu)都是相同的，如表1所示。

通過表1可知，可以通過給定的抽取船舶的MMSI號碼，計(jì)算出該條船舶AIS設(shè)備發(fā)射的這6類AIS信息封裝ITU-R M.1371報(bào)文的起始字符串，符合該字符串的數(shù)據(jù)即為要抽取的目標(biāo)船舶的AIS數(shù)據(jù)，對其進(jìn)一步解析，這樣大大地減少了解析數(shù)據(jù)的條數(shù)，提高了解析效率。

查表法是高效的計(jì)算機(jī)方法，為進(jìn)一步提高從給定MMSI計(jì)算ITU-R M.1371報(bào)文的起始字符串的效率，該項(xiàng)目研究中利用了6bit ASCII碼與二進(jìn)制對照表，運(yùn)用下述算法生成的二進(jìn)制在對照表中快速地查找對應(yīng)的6bit ASCII碼，組成ITU-R M.1371報(bào)文的起始字符串。

算法描述如下。

步驟一：依次將給定的消息識別碼、轉(zhuǎn)發(fā)指示符和用戶識別碼分別按次序計(jì)算各自對應(yīng)的二進(jìn)制形式的無前導(dǎo)“0”的ASCII數(shù)字字符串，如果該數(shù)字大小等于0，則用一個(gè)“0”字符表示。

步驟二：將步驟一計(jì)算得到的二進(jìn)制ASCII字符串，在其左端填充字符“0”，使填充后的字符串長度等于其表1中所示的比特?cái)?shù);如果填充前字符串長度已經(jīng)達(dá)到該參數(shù)在表1中標(biāo)明的比特?cái)?shù)，則無需填充。

步驟三：將填充后的各字符串按照步驟一中傳入?yún)?shù)的順序連接，即消息識別碼填充后的二進(jìn)制字符串在最左端，用戶識別碼填充后的二進(jìn)制字符串在最右端;該字符串的總長度應(yīng)為38。

步驟四：將步驟三生成那個(gè)的二進(jìn)制字符串，從左端第一個(gè)字符開始，按照步長等于6進(jìn)行分隔，可分隔出7段，最后一段僅2個(gè)字符應(yīng)舍去。對分隔出的每一段字符串從6bit ASCII碼與二進(jìn)制對照表查找對應(yīng)的6bit ASCII字符，可得到6個(gè)字符，這6個(gè)字符就是需要的ITU-R M.1371報(bào)文的起始字符串。

1.3 舉例驗(yàn)證分析方法的可行性

如查找MMSI號碼為“412049010”播發(fā)的第一類AIS報(bào)文，其轉(zhuǎn)發(fā)標(biāo)志設(shè)為0。

按步驟一，依次傳入1，0，412049010，生成的未左端填充的二進(jìn)制字符串分別是：

1：1

0：0

412049010：11000100011110101111001110010

按步驟二，對上述生成二進(jìn)制字符串左端補(bǔ)“0”達(dá)到其對應(yīng)的比特?cái)?shù)，填充后為：

1：000001

0：00

412049010：011000100011110101111001110010

按步驟三：將上述3個(gè)字符串按次序連接，新的字符串如下：

00000100011000100011110101111001110010

按步驟四，將上述字符串按步長為6進(jìn)行分隔，舍去僅有2字符的最后一段，剩余6段，如下：

1，000001

2，000110

3，001000

4，111101

5，011110

6，011100

最后在6bit ASCII碼與二進(jìn)制對照表查找對應(yīng)的6bit ASCII字符分別是：

“1”，“6”，“8”，“u”，“N”，“L”

則快速抽取該船舶發(fā)送的第一類轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)為0的ITU-R M.1371報(bào)文數(shù)據(jù)起始字符串為“168uNL”。

按以上算法編制的程序在硬件配置為Intel Core i3 2.52GHz，內(nèi)存2G，操作系統(tǒng)為Windows7 Home Edition（x86）的普通筆記本計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建4個(gè)線程從2011年1月的AIS歷史數(shù)據(jù)（共744個(gè)文件）中抽取船舶數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

MyWorkingThread-1讀取數(shù)據(jù)總數(shù)：1040806239， 發(fā)現(xiàn)目標(biāo)：15450

MyWorkingThread-1→耗時(shí)：2294.467s

MyWorkingThread-2讀取數(shù)據(jù)總數(shù)：977810566，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)：14239

MyWorkingThread-2→耗時(shí)：2040.14s

MyWorkingThread-3讀取數(shù)據(jù)總數(shù)：920864808，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)：13163

MyWorkingThread-3→耗時(shí)：1927.383s

MyWorkingThread-4讀取數(shù)據(jù)總數(shù)：936319319， 發(fā)現(xiàn)目標(biāo)：13571

MyWorkingThread-4→耗時(shí)：1955.541s

最終耗時(shí)以耗時(shí)最長的線程為準(zhǔn)為2294s，約38.2min，抽取MMSI號碼為“412049010”的船舶歷史軌跡位置點(diǎn)共56423個(gè)。

從驗(yàn)證中可以看出，該方法可以快速地從大量AIS數(shù)據(jù)中抽取特定船舶的AIS數(shù)據(jù)，達(dá)到了預(yù)期效果。

2 ?結(jié)語

該文通過研究AIS報(bào)文數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對于給定的船舶MMSI號碼，計(jì)算生成該船舶發(fā)射的6類AIS信息封裝ITU-R M.1371報(bào)文的起始字符串，通過比對得到符合該字符串的數(shù)據(jù)，即為要抽取的目標(biāo)船舶的AIS數(shù)據(jù)，這樣大大地減少了解析數(shù)據(jù)的條數(shù)，提高了解析效率，從而得到了一種從海量船舶AIS數(shù)據(jù)中快速抽取指定船舶AIS數(shù)據(jù)的方法。

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