基于移動對象數據庫的航行信息更新機制

李方亮，楊智應

(上海海事大學信息工程學院，上海 201306)

0 引言

移動對象數據庫是近年來備受關注的一個相對較新的研究領域，其總目標就是允許用戶在數據庫中表示移動實體［1］(汽車、船舶、飛機、手機用戶等)，并執行有關移動的查詢［2］.運動的空間對象需要將其狀態信息(位置、速度等)傳送給數據庫，為數據庫中的檢索和查詢提供最新的信息.

針對移動對象的位置更新問題，在現實應用中已提出很多解決方法.其中，固定時間和固定距離更新移動對象信息是兩種常見方法.這兩種方法實現簡單，但是都較難選擇一個合適的時間值平衡更新的頻率，以便平衡更新中的通信復雜度和精確度.除此之外，基于向量的更新方法受到很大關注，文獻［3］和［4］提出根據移動對象所在網絡的拓撲結構和路線的幾何形狀實現狀態更新，文獻［5］和［6］在此基礎上提出 IDTLU(ID－Triggered Location Update)，DTTLU(Distance－Threshold－Triggered Location Update)和 STTLU(Speed－Threshold－Triggered Location Update)方法.

船舶在航行過程中通過船載的黑匣子實時記錄船舶的各項航行信息，目前的通信能力已經能夠實現船舶與地面中心通信，以便地面中心能夠實時監控船舶的狀態.［7－8］利用移動對象數據庫存儲移動對象(船舶)的狀態信息，能更方便地實現對船舶航行的歷史、現在和未來的管理.基于這樣的理念，本文利用基于運動矢量的位置更新機制(Motion－Vector－Based Location Update Mechanisms，MVBLUM)結合船舶航行中的多項信息，給出航行信息更新頻率方案，并將船舶的實際航跡與通過更新數據形成的航跡進行比較來證實更新方案的有效性.

1 船舶航線的數據模型

船舶在港口間航行受多方面因素的影響［9］，一般會制定多條航線，航行過程中按照既定航線航行，但其實際航跡與預定航線是有差距的.

下面主要討論如何以移動對象數據庫的方式記錄船舶航行信息.在航行中，船舶、港口、航線均以絕對的位置(經度、緯度)表示，同時對預定航線和實際歷史航跡也以實際的絕對記錄方式進行.［10－11］

定義1 定義航線

式中:ir為航線(或歷史航跡)的標志;g為航線地理集合形狀;l為航線長度;SAR為航線中的原子航段集合.

定義2 移動點是航線中的基本單位，原子航段其實由一個移動點構成，示意圖見圖1.

式中:im為移動點標志;(θlong，θlati)是移動點的起始位置，一對經緯度坐標;c為移動點在起始位置的航向;d是距離下一個移動點的距離.這樣，一條預定航線可以由一個移動點集合表示(實際的歷史航跡還包括很多其他信息).

圖1 航線R以及其中的移動點、原子航段

圖1中圓點表示航線中的移動點，以圓點為起始的線段表示航段.

定義3 定義移動對象(船舶)在t時刻的運動矢量

式中:t為采集該運動矢量的時間;(θlong，θlati)指采集信息時移動對象所在位置;vt為t時刻船舶航行的速度;ct為t時刻船舶的航向;e是指其他的額外信息(包括航首向、航行狀態、吃水深度、目的地、預計達到時間等).

定義4 移動對象的時空軌跡是移動對象在行駛過程中通過位置更新操作提交的運動矢量序列，定義為

式中:vm，n是移動對象所提交的最后一個運動矢量，稱為活動運動矢量，包含計算移動對象現在和將來位置的關鍵信息.多個移動對象的時空軌跡見圖2。

圖2中整個長方體的下表面是最初時刻移動對象記錄，上表面為最后時刻移動對象記錄.

近年來燃氣輪機組、熱電聯產、電轉氣及電轉熱等元件推廣應用，為多能互補、間歇性可再生能源的消納提供了新的解決方案，同時逐步加深了多能源系統(電力系統、天然氣系統、熱力系統等)之間耦合。在此背景下，有必要打破傳統多能源系統之間獨立規劃與運行的壁壘，構建協同統一的綜合能源系統投資規劃、運行調度及市場交易機制，以推動我國能源系統的改革與轉型，為我國低碳可持續能源系統的構建及能源互聯網戰略提供技術參考。

圖3為整個航線中的一個片段，根據該片段最后一次更新 vm，n可預測未來一段時間內船舶的航行.

2 船舶航線的位置更新機制

結合船舶的航行特點，采用運動矢量實現船舶在航行過程中的狀態信息更新.根據更新規則，移動對象向服務器傳輸必要的信息，服務器記錄船舶航行的整個歷史軌跡以及當前狀態.更新規則保證服務器記錄的信息能夠真實反映航行軌跡并且盡可能減少通信代價.

2.1 位置更新機制

移動對象(船舶)在海平面上航行時會不斷將船舶當前的各項參數與最后一次更新的運動矢量進行比較.如果滿足更新條件，那么當前運動矢量的信息會被傳送到服務器.

考慮船舶航行信息的特點［4］，對那些不常變化并對船舶位置沒有影響的信息采用相等對比的方式.對向量分量中與船舶航行軌跡關聯較為緊密的位置坐標、速度、航向，定義以下更新規則作為更新觸發條件:

移動對象在時刻 ti的運動矢量 vm，vi= (ti，(xti，yti)，vti，cti，hti，nti，dti，sti，Tti)，其中:位置(xti，yti)是經過坐標轉換的位置;vti為速度;cti為運動方向;hti為航首向;nti為航行狀態;dti為航行中的吃水深度;sti為航行目的地;Tti為航行到達時間.

ti時刻的加速度為ati，對于下一個時刻ti+1，通過上次的更新記錄預測在時刻ti+1的位置(xm，ym)和速度vm.

更新規則1 xti+1根據ti+1時刻的(xti+1，yti+1)位置，知道預測位置和船舶實際所在位置距離s為兩點(xm，ym)與(xti+1，yti+1)的歐幾里德距離.定義距離超過一定閾值則觸發更新.

更新規則3 對于船舶方向在規則1和規則2中雖已有體現，但是精確記錄船舶轉彎，同樣對船舶航行的航向角設置差值的閾值，以控制航向的陡變.

更新規則4 對船舶的其他動態信息(航首向、航行狀態、吃水深度、目的地、預計到達時間)直接利用等量對比方式觸發更新.

更新規則中的閾值可以根據船舶的航行特點和所需監測數據的精度確定，因為與常見交通路網中的汽車相比，船舶的航行狀態更穩定.

除了上述更新規則之外，為避免出現數據通信過程中的碰撞，兩次更新的時間差應大于3 s.在移動對象更新過程中，確定更新規則1，2和3之后，另外的操作就是進行字符對比.通過這些規則形成完整的船舶航行的整個信息更新機制如下:

算法1.航行信息更新算法

3 實驗結果和分析

3.1 實驗結果

為了驗證整個更新機制可節省的通信量和能夠達到的精確度，做一系列實驗并對其結果數據進行分析.為真實反映船舶航行的實際狀況，從以往船舶實際航行的歷史數據中選取4條船的狀態記錄作為當前活動的移動對象每次獲得航行信息的基礎數據，利用上述更新策略進行處理得到結果數據，見表1。表中:MMSI_Number為船舶的標號;原始數據是移動對象(船舶)通過所載設備獲取的航行信息次數;更新后數據是更新到移動對象數據庫中的數據，即數據庫中記錄的船舶航行軌跡;節省通信量為與船舶當前通信頻率相比可減少的通信量.這4條船中:110603267為正常航行;123456778基本靜止，受風力等非人為影響的晃動;200804300時而靜止時而航行;209075000為正常航行情況下往返于兩個目的地.

表1 更新前后船舶通信代價對比

為展示更新后所記錄船舶航行軌跡的精確性，對比船舶的航行軌跡和數據庫記錄軌跡.圖4為船110603267的軌跡.從圖4中可以看出，更新過程中只是過濾掉不必要的數據，更新后的數據可真實反映船舶的實際航行軌跡.結合算法1可以得出結論:查詢精度取決于其中的距離閾值、速度閾值和航向閾值，實驗中的這些值根據船舶實際航行的特點不難適當確定.根據算法1的更新條件可以斷定，在對歷史軌跡進行查詢的過程中，其位置誤差不會超過距離閾值.

圖4 移動對象更新前后軌跡對比

4 結束語

國內外移動對象數據庫方面的研究已經趨于成熟，但對移動對象數據庫在航海領域的應用缺乏探索.船舶的航行更具有規律性特點，針對這一移動對象的特性，更深一步地利用其航行的歷史數據，可能會達到更好的效果.進一步的研究將針對船舶的航行特點，在移動對象的數據更新、存儲和查詢優化方面讓移動對象數據庫對航海領域的移動對象數據管理發揮更大作用.

［1］GüTING R H，SCHNEIDER M.Moving objects databases［M］.Morgan Kaufmann，2005:48－52.

［2］DING Zhiming，GüTING R H.Managing moving objects on dynamic transportation networks［C］//Proc 16th Int Conf on Sci＆ Stat Database Manage，SSDBM 2004.

［3］WOLFSON O，YIN Huabei.Accuracy and resource consumption in tracking and location prediction［C］//HADZILACOS T.Advances in Spatial and Temporal Databases:Refereed Proc 8th Int Symposium on Spatial and Temporal Databases SSTD 2003，Santorini Island，Greece，2003(8):325－343.

［4］DING Zhiming，GUO Limin，MENG Xiaofeng.Adaptive location update mechanism for network－constrained moving objects in changeful traffic conditions［C］//2009 10th Int Conf on Mobile Data Management:Systems，Services and Middleware，2009:417－423.

［5］DüNTGEN C，BEHR T，GüTING R H.Berlin MOD:a benchmark for moving object database［J］VLDB J，2009，18(6):1335－1368.

［6］TRAJCEVSKI G，WOLFSON O，ZHANG Fengli，et al.The geometry of uncertainty in moving objects databases［C］//Proc 8th Int Conf on Extending Database Technol:Advances in Datebase Technology(EDBT 2002)，Prague，Czech Republic:233－250.

［7］申慧超，胡勤友，楊春.基于AIS數據的預抵船舶聯系信息查詢系統［J］.上海海事大學學報，2010，31(4):13－16.

［8］王艷軍，王曉峰.AIS和北斗終端組合在船舶動態監控中的應用［J］.上海海事大學學報，2011，32(4):17－21.

［9］張浩，俞斌，肖英杰，等.船舶定線制設計方案評價［J］.上海海事大學學報，2010，31(3):5－9.

［10］丁治明，李肖南，余波.網絡受限移動對象過去、現在及將來位置的索引［J］.軟件學報，2009，20(12):3193－3204.

［11］丁治明，韓京宇，李曼，等.基于網絡受限移動對象數據庫的交通流統計分析模型［J］.計算機研究與發展，2008，45(4):646－655.