船舶行為的語(yǔ)義建模與表達(dá)

文元橋，宋榮鑫，黃 亮，黃亞敏，隋忠義，朱 曼

(1.武漢理工大學(xué) 國(guó)家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430063；2.武漢理工大學(xué) 智能交通系統(tǒng)研究中心，武漢 430063；3.武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院，武漢 430063；4.內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(武漢理工大學(xué))，武漢 430063)

船舶行為是指船舶在內(nèi)部或外部條件影響下產(chǎn)生的活動(dòng)。對(duì)船舶行為進(jìn)行認(rèn)知是分析和判斷水上交通態(tài)勢(shì)[1]的關(guān)鍵。從認(rèn)知論的角度，作為一個(gè)時(shí)空對(duì)象，船舶行為本質(zhì)上是對(duì)船舶時(shí)空位置及其關(guān)聯(lián)活動(dòng)的語(yǔ)義理解[2]。傳統(tǒng)的船舶行為建模和分析側(cè)重于從船舶活動(dòng)的時(shí)空數(shù)據(jù)出發(fā)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間、空間維度的模式識(shí)別和表達(dá)。這種表達(dá)能夠準(zhǔn)確地描述船舶在時(shí)空間的活動(dòng)特征(如位置隨時(shí)間的變化，速度隨時(shí)間的變化等)，但往往忽略了語(yǔ)義維度的信息挖掘和表達(dá)。如，當(dāng)描述船舶在環(huán)境中的行為時(shí)，此時(shí)是船舶與環(huán)境進(jìn)行的交互行為，單純從船舶軌跡的時(shí)空特征進(jìn)行分析無(wú)法準(zhǔn)確辨識(shí)船舶行為，需要融合航行環(huán)境的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)船舶軌跡進(jìn)行輔助建模與表達(dá)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶行為的深層認(rèn)知。

目前，圍繞船舶行為的數(shù)據(jù)模型構(gòu)建與軌跡的語(yǔ)義豐富兩方面，學(xué)者們開(kāi)展了相應(yīng)的研究。

基于軌跡數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的船舶行為認(rèn)知方面，主要包括通過(guò)船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(automatic identification system,AIS)軌跡數(shù)據(jù)所反映的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行行為建模與基于軌跡的空間分布來(lái)挖掘船舶的典型活動(dòng)模式及檢測(cè)異常行為兩方面。

在微觀層面，有學(xué)者采用軌跡特征建模的方式對(duì)船舶軌跡單元或基本行為進(jìn)行建模及表達(dá)[3-4]，但存在軌跡劃分方法不一致或劃分粒度較大而無(wú)法滿足細(xì)粒度行為分析的問(wèn)題。有學(xué)者基于物體的運(yùn)動(dòng)特征提出了一種軌跡基元的劃分方法，并建立了基于軌跡基元的時(shí)間序列的行為模型[5]，為船舶軌跡單元的劃分與行為建模提供了理論借鑒。

在宏觀層面，學(xué)者們注重于對(duì)船舶行為模式的挖掘研究。有學(xué)者通過(guò)船舶AIS數(shù)據(jù)對(duì)船舶軌跡進(jìn)行聚類分析，挖掘船舶的運(yùn)動(dòng)模式及對(duì)異常軌跡進(jìn)行識(shí)別[6-8]。這種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法通過(guò)對(duì)大規(guī)模船舶數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以區(qū)分出不同行為模式[9-11]的船舶，以及為船舶航行軌跡的預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

在語(yǔ)義層，考慮到利用軌跡數(shù)據(jù)對(duì)船舶行為進(jìn)行認(rèn)知時(shí)會(huì)存在信息丟失，部分學(xué)者嘗試對(duì)軌跡進(jìn)行了語(yǔ)義豐富[12-14]，并探索行為的語(yǔ)義表達(dá)方法[15-16]。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)與語(yǔ)義行為進(jìn)行模式識(shí)別[17]與行為預(yù)測(cè)[18]，在語(yǔ)義層對(duì)船舶行為進(jìn)行了分析與挖掘，提高了海事監(jiān)管人員對(duì)水上交通態(tài)勢(shì)的認(rèn)知。

前人所做的工作在不同程度上提高了對(duì)船舶行為的認(rèn)知，為機(jī)器自動(dòng)辨識(shí)船舶行為提供了多種方法。但是還存在一些不足之處：

首先，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的船舶行為認(rèn)知從智能識(shí)別的角度解決了對(duì)船舶當(dāng)前所處航行狀態(tài)的智能識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了對(duì)船舶軌跡在時(shí)空區(qū)域中的辨識(shí)。但是船舶軌跡受物理環(huán)境的約束，僅從時(shí)空角度對(duì)船舶軌跡進(jìn)行認(rèn)知無(wú)法對(duì)軌跡所隱含的物理意義進(jìn)行表達(dá)。因此需要結(jié)合船舶所處的環(huán)境信息對(duì)船舶行為進(jìn)行分析與描述。

其次，目前的行為語(yǔ)義分析大部分圍繞宏觀的軌跡特征進(jìn)行語(yǔ)義分析與建模，很少對(duì)船舶語(yǔ)義單元構(gòu)建進(jìn)行研究，使得船舶行為在知識(shí)層的認(rèn)知推理能力受到局限。

因此，針對(duì)軌跡分割與行為建模中存在的問(wèn)題，提出了一種船舶行為的語(yǔ)義建模方法，探索了船舶行為語(yǔ)義基本單元的構(gòu)建方法。首先，根據(jù)船舶的運(yùn)動(dòng)特征，提出原子行為的概念，將船舶軌跡劃分為10種軌跡單元；在此基礎(chǔ)上，將船舶軌跡劃分為原子軌跡，并融合航行的地理信息，計(jì)算原子軌跡與交通規(guī)則或基礎(chǔ)設(shè)施之間的空間拓?fù)潢P(guān)系，對(duì)船舶軌跡進(jìn)行拓?fù)湔Z(yǔ)義豐富。其次，結(jié)合原子行為與拓?fù)湫袨?，?duì)船舶的行為語(yǔ)義單元——交通行為,進(jìn)行語(yǔ)義組合，構(gòu)建船舶行為語(yǔ)義模型的基礎(chǔ)。最后，以港口為航行環(huán)境對(duì)船舶行為進(jìn)行語(yǔ)義表達(dá)為例，驗(yàn)證本文提出的模型與方法。

1 船舶行為的語(yǔ)義特征分析

船舶行為語(yǔ)義認(rèn)知是通過(guò)模擬人類對(duì)船舶軌跡的思維架構(gòu)來(lái)構(gòu)建計(jì)算機(jī)對(duì)船舶軌跡的語(yǔ)義表達(dá)模型，圖1為船舶軌跡到船舶行為的語(yǔ)義建模框架。

圖1 船舶軌跡到行為的語(yǔ)義建?？蚣蹻ig.1 Semantic modeling framework from ship trajectory to behavior

首先，船舶軌跡是由一連串動(dòng)作組合而成，而相同的船舶動(dòng)作在同樣的環(huán)境中可能表示不同的行為。如圖 1所示，直行勻速軌跡段與航道進(jìn)行空間交互后可能表示船舶正在順航道航行，也可能表示船舶正在穿越航道。因此，需要對(duì)船舶軌跡進(jìn)行動(dòng)作劃分，對(duì)船舶軌跡單元進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶行為的抽象提取。船舶軌跡自身具有的運(yùn)動(dòng)特征可通過(guò)船舶AIS數(shù)據(jù)記錄的位置、速度與航向3個(gè)運(yùn)動(dòng)屬性對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的基本單元進(jìn)行特征建模，劃分船舶的運(yùn)動(dòng)空間。

其次，考慮到船舶航行環(huán)境對(duì)船舶行為的影響，需要結(jié)合船舶航行環(huán)境的空間特征，對(duì)船舶軌跡運(yùn)動(dòng)單元與航行環(huán)境存在的交互特征進(jìn)行建模，對(duì)船舶軌跡進(jìn)行拓?fù)湔Z(yǔ)義豐富，挖掘船舶軌跡中隱含的語(yǔ)義信息[14]。

最后，為了對(duì)船舶行為進(jìn)行語(yǔ)義表達(dá)，需要對(duì)船舶的軌跡單元模型及其與航行環(huán)境的交互模型進(jìn)行語(yǔ)義組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶行為的語(yǔ)義建模和語(yǔ)義表達(dá)。

2 船舶軌跡單元建模

軌跡被認(rèn)為是在給定的時(shí)空區(qū)域中為實(shí)現(xiàn)某一目標(biāo)的物體位置的演變記錄[4]。其中船舶軌跡T定義為每一時(shí)刻下位置序列對(duì)的有序組合。

T={(sl,tl),…,(sn,tn)}

(1)

式中:sl=(xl,yl),l∈[1,n]，n為軌跡點(diǎn)的個(gè)數(shù)，sl是軌跡點(diǎn)的經(jīng)緯度序列對(duì)，表示每個(gè)時(shí)間索引tl的軌跡點(diǎn)所在位置。xl與yl分別表示軌跡點(diǎn)的緯度值與經(jīng)度值。

2.1 原子行為

定義1運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向量：可以反應(yīng)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括停留、變速及轉(zhuǎn)向等狀態(tài)。

船舶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向量用一個(gè)四元組來(lái)表征

pl={sl,vl,cl,tl}

(2)

式中vl為船對(duì)地航速，cl為船舶對(duì)地航向。

定義2船舶原子行為是指在一段時(shí)間內(nèi)，船舶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不發(fā)生變化的行為。

因此，船舶原子行為定義為

Ba={p1,p2,…,pm}

(3)

式中m為原子行為包含軌跡點(diǎn)的個(gè)數(shù)。原子行為對(duì)應(yīng)的船舶軌跡即為原子軌跡，是由對(duì)應(yīng)軌跡下每一個(gè)時(shí)刻下的船舶運(yùn)動(dòng)向量組成的有序集合。每個(gè)原子軌跡Ta都包含一個(gè)起始點(diǎn)與一個(gè)終止點(diǎn)，表示如式(4)所示:

(4)

根據(jù)船舶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)屬性，將船舶的原子行為根據(jù)位置是否變化、速度及航向是否發(fā)生變化兩特征劃分為10種類型，包括停止、直行加速及右轉(zhuǎn)減速等，見(jiàn)圖2。

圖2 船舶原子行為劃分Fig.2 Classification of ship atomic behaviors

2.2 軌跡分割

為方便對(duì)船舶行為進(jìn)行研究，將船舶軌跡視為在二維空間中的一系列點(diǎn)，利用船舶AIS數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向量的建模并進(jìn)行軌跡的運(yùn)動(dòng)空間劃分。

通過(guò)劃分的10種原子行為來(lái)劃分船舶軌跡，任何時(shí)空軌跡都可被視為是軌跡運(yùn)動(dòng)單元的有序組合。因此，將船舶軌跡T劃分為p個(gè)包含起點(diǎn)與終點(diǎn)的原子軌跡，則軌跡T可以表示為

(5)

2.2.1 船舶運(yùn)動(dòng)向量定義

船舶航向差：

停留速度閾值：vε

加速度閾值：aε

單位航向差閾值：δ

2.2.2 原子軌跡的特征建模

根據(jù)原子行為及船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向量的定義，可對(duì)船舶原子軌跡進(jìn)行特征建模，速度與航向的結(jié)合可用兩者參數(shù)相結(jié)合進(jìn)行確定。

1)停留

(6)

式中:F{*}是Boolean函數(shù)，如果*為真，則F{*}=1，否則，F(xiàn){*}=0。

2)運(yùn)動(dòng)

(7)

3)直行

(8)

4)轉(zhuǎn)向

(9)

5)變速

(10)

6)勻速

(11)

3 船舶拓?fù)湫袨檎Z(yǔ)義表達(dá)

3.1 船舶拓?fù)湫袨?/h3>

定義3船舶拓?fù)湫袨椋捍霸榆壽E與航行環(huán)境中的交通規(guī)則或?qū)嶓w設(shè)施產(chǎn)生空間拓?fù)潢P(guān)系所隱含的語(yǔ)義行為。

(12)

基于維數(shù)擴(kuò)展的9 交模型(DE-9IM)能夠很好地將兩個(gè)空間目標(biāo)的交集是空、點(diǎn)、線或面4 種情況區(qū)分開(kāi)[19]，可用于分析船舶軌跡與航行環(huán)境之間的拓?fù)潢P(guān)系。

(13)

式中:?A表示A的內(nèi)部，A°表示A的邊界，A-表示A的外部區(qū)域，維擴(kuò)展9交模型分別計(jì)算了兩個(gè)空間實(shí)體3個(gè)區(qū)域之間的交集，得出DIM的值，值為0表示兩者相交結(jié)果為點(diǎn)，1表示兩者相交結(jié)果為線，2表示兩者相交結(jié)果為面，F(xiàn)表示兩者相交為空集。

(14)

圖3 船舶與航行環(huán)境的空間拓?fù)潢P(guān)系Fig.3 Spatial topology relation representation between ship and navigation environment

3.2 基于空間拓?fù)溆?jì)算的行為識(shí)別

在船舶原子軌跡對(duì)船舶軌跡進(jìn)行劃分的基礎(chǔ)上，計(jì)算船舶原子軌跡與周圍環(huán)境中交通規(guī)則或基礎(chǔ)設(shè)施的拓?fù)潢P(guān)系，對(duì)船舶原子行為進(jìn)行拓?fù)湔Z(yǔ)義豐富。

3.2.1 地理空間建模

將船舶所處航行環(huán)境中的交通規(guī)則或基礎(chǔ)設(shè)施視為二維空間中的實(shí)體，包括點(diǎn)、線及面3種，根據(jù)實(shí)體的空間特征對(duì)實(shí)體進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。

1)點(diǎn)位置:p=(x0,y0)，(x0,y0)是點(diǎn)的坐標(biāo)。

2)圓形區(qū)域建模:(x-x0)2+(y-y0)2

5)多邊形區(qū)域建模：對(duì)于由線段組成的閉合或非閉合水域，可以根據(jù)線段特征對(duì)多邊形區(qū)域構(gòu)建線性方程組進(jìn)行建模。

3.2.2 船舶拓?fù)潢P(guān)系計(jì)算

在對(duì)船舶航行環(huán)境進(jìn)行數(shù)學(xué)建模的前提下，結(jié)合DE-9IM可對(duì)船舶軌跡與航行的環(huán)境進(jìn)行空間拓?fù)溆?jì)算。

根據(jù)DE-9IM對(duì)兩個(gè)空間實(shí)體拓?fù)溆?jì)算的定義，對(duì)15種船舶拓?fù)湫袨閷?duì)應(yīng)的拓?fù)溆?jì)算結(jié)果進(jìn)行表示，見(jiàn)表1。

表1 船舶拓?fù)湫袨閷?duì)應(yīng)的計(jì)算矩陣Tab.1 Calculation matrix corresponding to topological behavior of ship

由于一條船舶軌跡包含了起始點(diǎn)與終止點(diǎn)，在計(jì)算空間拓?fù)潢P(guān)系時(shí)，不止需要計(jì)算軌跡段存在的拓?fù)潢P(guān)系，也需要計(jì)算起止點(diǎn)與周圍環(huán)境存在的拓?fù)潢P(guān)系。因此，船舶原子軌跡與航行環(huán)境中的交通規(guī)則或基礎(chǔ)設(shè)施之間進(jìn)行空間拓?fù)溆?jì)算之后一般都包含兩種或兩種以上拓?fù)湫袨椤?/p>

為了對(duì)船舶軌跡進(jìn)行拓?fù)湔Z(yǔ)義豐富，在船舶原子軌跡劃分的基礎(chǔ)上，計(jì)算軌跡中每一段原子軌跡與周圍環(huán)境的空間拓?fù)潢P(guān)系，計(jì)算過(guò)程見(jiàn)算法1。

4 交通行為的語(yǔ)義表達(dá)

船舶原子行為與拓?fù)湫袨榉謩e描述了船舶軌跡在時(shí)空中的運(yùn)動(dòng)特征與航行環(huán)境中交通規(guī)則或基礎(chǔ)設(shè)施的空間關(guān)系，描述了船舶的時(shí)空行為。但是同樣的原子行為與不同類型的空間實(shí)體之間的交互可能會(huì)表達(dá)不同的語(yǔ)義行為。如船舶原子軌跡與航道邊界有相交(intersection)關(guān)系，表示船舶可能發(fā)生駛?cè)牒降佬袨?，也可能是發(fā)生駛出航道行為。因此需要結(jié)合原子行為與相應(yīng)的拓?fù)湫袨閬?lái)對(duì)船舶行為進(jìn)行組合判斷。

定義4船舶交通行為是指船舶原子軌跡在航行環(huán)境中所表達(dá)的語(yǔ)義行為。交通行為作為船舶語(yǔ)義行為的基本單元，符合人類對(duì)船舶行為的認(rèn)知基礎(chǔ)。船舶的復(fù)雜行為可由交通行為有序組合而成。

(15)

船舶交通行為的語(yǔ)義表達(dá)可參考句子的表達(dá)，如式(15)所示。假定交通行為表示為一個(gè)獨(dú)立的句子，則句子的主語(yǔ)是原子軌跡，謂語(yǔ)為拓?fù)湫袨?，賓語(yǔ)為船舶所處的航行環(huán)境，狀語(yǔ)為原子行為，表示船舶的進(jìn)行狀態(tài)，句子表達(dá)的意思即為交通行為。

5 模型實(shí)例

如圖4所示，以某一港口為例，基于船舶行為語(yǔ)義模型探索船舶在具體的航行水域中行為的抽象提取與語(yǔ)義表達(dá)方法。

圖4 港口水域船舶軌跡與航行環(huán)境交互Fig.4 Interaction of ship trajectory and navigation environment in port waters

5.1 港口水域地理空間建模

港口水域的交通規(guī)則或基礎(chǔ)設(shè)施主要包括錨地、航道、碼頭、禁航區(qū)等，對(duì)不同空間特征的航行區(qū)域進(jìn)行特征建模。

1)線狀區(qū)域。港口水域單純的線狀區(qū)域較少，但是判斷船舶的交通行為時(shí)也需要對(duì)面狀區(qū)域包含的線段進(jìn)行拓?fù)溆?jì)算。線段用來(lái)對(duì)港口水域用直線段組成的區(qū)域進(jìn)行建模，包括停泊區(qū)域、航道邊界以及多邊形區(qū)域的邊界等。船舶在單純線狀區(qū)域的交通行為包括3種：靠泊、離泊及停泊。

2)面狀區(qū)域。港口水域的大部分水域?yàn)閳A形水域或被線段劃分的多邊形水域或半封閉區(qū)域，面狀水域包括錨地、航道及管制區(qū)域等。

船舶在面狀區(qū)域的交通行為包括駛?cè)胄袨?、駛出行為、航?jīng)行為以及橫越行為等。

5.2 港口水域船舶交通行為的形式化表達(dá)

在港口水域船舶交通行為劃分的基礎(chǔ)上，可對(duì)船舶交通行為進(jìn)行形式化表達(dá)，如式(16)～(20)所示。

1)碼頭停泊、錨泊

(16)

2)靠泊、離泊行為

(17)

3)駛?cè)?、駛出行?/p>

(18)

4)橫越行為

(19)

5)航經(jīng)行為

(20)

如圖5所示，利用語(yǔ)義組合的方式對(duì)港口船舶交通行為進(jìn)行建模，最終對(duì)行為進(jìn)行形式化表達(dá)后，提高了船舶交通行為的語(yǔ)義表達(dá)能力，為探索大尺度的船舶行為奠定了基礎(chǔ)。

圖5 港口水域船舶行為語(yǔ)義單元建模Fig.5 Behavior semantic unit modeling of ship in port waters

6 結(jié) 論

1)模型定義了船舶原子行為、拓?fù)湫袨榧敖煌ㄐ袨榈母拍睿瑢?duì)船舶軌跡的運(yùn)動(dòng)分割提供了新的思路與方法。利用原子軌跡作為軌跡單元計(jì)算船舶的拓?fù)湫袨?、交通行為，并通過(guò)形式化的表達(dá)方法構(gòu)建了3種行為的表達(dá)模型，構(gòu)建了船舶語(yǔ)義行為的底層框架，為分析及推理深層次、大尺度的船舶行為提供支撐。

2)模型對(duì)行為進(jìn)行了語(yǔ)義建模及表達(dá)，首先，模型考慮了船舶航行環(huán)境的空間特征，根據(jù)不同的空間特征對(duì)航行環(huán)境中的交通實(shí)體進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，利用維擴(kuò)展9交模型對(duì)船舶原子軌跡與其進(jìn)行空間拓?fù)溆?jì)算，對(duì)船舶行為進(jìn)行拓?fù)湔Z(yǔ)義豐富；其次，利用船舶行為的語(yǔ)義描述，對(duì)船舶原子軌跡、原子行為及拓?fù)湫袨檫M(jìn)行語(yǔ)義組合，實(shí)現(xiàn)了船舶交通行為的語(yǔ)義表達(dá)。

3)該模型對(duì)船舶行為進(jìn)行了抽象提取與語(yǔ)義建模，下一步需要結(jié)合船舶的AIS數(shù)據(jù)與航行的具體場(chǎng)景，探索不同航行場(chǎng)景下船舶原子行為的語(yǔ)義構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)，如停留時(shí)的速度閾值、船舶的轉(zhuǎn)向閾值等，進(jìn)而通過(guò)構(gòu)建船舶行為的本體模型，實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景中船舶軌跡到行為的語(yǔ)義轉(zhuǎn)化，運(yùn)行推理機(jī)，對(duì)船舶行為進(jìn)行語(yǔ)義推理，辨識(shí)船舶的不同行為，對(duì)知識(shí)驅(qū)動(dòng)的船舶行為檢測(cè)能力進(jìn)行驗(yàn)證。

4)在此基礎(chǔ)上，為了對(duì)不同時(shí)間、空間范圍內(nèi)船舶行為進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)管，如“進(jìn)港”“靠離泊”“錨泊”行為等，考慮到船舶行為的時(shí)空多尺度特性，需要對(duì)船舶不同時(shí)空尺度下的行為進(jìn)行時(shí)序建模，構(gòu)建不同行為間的時(shí)序關(guān)系。借助本體的知識(shí)表達(dá)能力，搭建船舶行為的時(shí)空多尺度表達(dá)模型，將海事領(lǐng)域中船舶行為的知識(shí)轉(zhuǎn)化為具體的本體模型，在語(yǔ)義層對(duì)船舶行為進(jìn)行建模、計(jì)算及查詢，實(shí)現(xiàn)機(jī)器對(duì)船舶的“半自動(dòng)”監(jiān)管。