一種計算AIS基站信號覆蓋率的方法

向 哲，胡勤友，施朝健

(上海海事大學商船學院，上海 201306)

一種計算AIS基站信號覆蓋率的方法

向 哲，胡勤友，施朝健

(上海海事大學商船學院，上海 201306)

船舶自動識別系統 (AIS)通過基站收集附近水域船舶航行數據，用于避碰、航跡追蹤、搜救等，是海上交通安全的重要保障。為計算AIS基站的信號覆蓋率，提出一種利用網格技術的GridCount算法。將水域網格化，選取目標船，獲取其已發送AIS信號所占網格，計算單船已發送信號數量網格圖;利用插值算法，計算目標船應發送AIS信號，獲取單船應發送信號數量網格圖;疊加不同船舶的已/應發送信號，形成多船已/應發送信號數量網格圖;比對已/應發送信號數量，獲取信號覆蓋率網格頻數圖。利用Grid-Count算法，計算、疊加100 000張網格圖，獲取成山頭AIS基站信號覆蓋率，結果表明:AIS基站的最大覆蓋半徑為4.5 nmile，且信號覆蓋率隨到基站距離的遞增而遞減。

信號覆蓋率;數據挖掘;AIS數據分析;網格化;插值算法

0 引言

船舶自動識別系統(automatic identification system，AIS)通過基站收集、記錄附近水域船舶航行數據，用于避碰、追蹤、搜救、數據分析等［1－3］，是海上交通安全的重要保障。AIS信號由船載設備發射，岸基基站接收，信號發射頻率［4］如表1所示。

實際上，由于傳輸特性、發射功率、基站狀態、地理特征等影響，AIS基站接收的數據信息往往達不到表1中標準。因此國內外一些學者提出對AIS基站的信號覆蓋率進行研究，幫助港口運營方、基站部門有效地選址、安置AIS基站，以提高AIS信號覆蓋率。更高的信號覆蓋率則有利于港口運營方、監管部門開展船舶追蹤、避碰，海上人員搜救等業務的開展，提高海上安全保障。

表1 AIS信息的動態信息更新率Table 1 Replacement rate of dynamic information of AIS

文獻［5－6］較早研究了雷達信號數據和AIS信息數據的特點和模式，并進行信號覆蓋率研究，但該研究主要集中于雷達數據;文獻［7］中提出了一種直接使用基站接收的AIS信號計算沿岸信號覆蓋特征的方法，通過計算船舶發出AIS信號的Death、Birth、Active周期統計AIS信號覆蓋特征;隨后文獻［8］還通過一種實時采樣方法對大西洋水域進行研究，映射出動態AIS信號網絡覆蓋特征;文獻［9］利用AIS模擬器和動態交通流模型，研究了衛星AIS的覆蓋性能和更新頻率;文獻［10］提出從接收傳輸端估算AIS信號覆蓋特征的新方法，利用基于貝葉斯二項式模型的插值方法來恢復AIS傳輸中的錯誤信息;文獻［11］著重描述了一種數據的后處理方法，利用具有經驗性的歷史數據，解決物標間AIS信號重疊的問題;文獻［12－13］先后提出了不同的AIS數據插值的方法，前者使用船舶航線上的概率對AIS信號的經、緯度坐標進行插值，而后者方法不僅能對坐標插值，還可對船速進行插值，可用于估算船舶一段時間應該發送的AIS信號數量。

上述研究大致存在兩個缺點:其一，研究多通過一段時間內的實時采樣AIS數據計算覆蓋率，因此受該時間段船舶、氣候、環境影響較大，其結果也具有單一性和不可再現性。其二，研究中計算和觀測的信號覆蓋率往往只是一維的數值，無法全面獲取覆蓋范圍一片水域內的覆蓋率，可視化程度也較低。為解決上述問題，本文提出利用海量的AIS歷史數據、插值算法和網格化技術的GridCount算法，可較為高效地計算AIS基站信號覆蓋率。

1 算法原理

GridCount算法原理:AIS基站信號覆蓋率由基站附近水域內已發送的信號數量和應發送的信號數量確定。將基站附近水域網格化，選取目標船舶，獲取其已發送的AIS信息所占的網格，計算單船已發送信號數量網格圖;利用插值算法，計算目標船舶應發送的AIS信息，獲取單船應發送信號數量網格圖;疊加不同船舶的已/應發送信號數量網格圖，形成多船已/應發送信號數量網格圖;對比各個網格內已/應發送的AIS信號數量，最終形成基站附近水域的AIS信號覆蓋率網格頻數圖;按照頻數值的大小為網格頻數圖填充顏色，可清晰地觀測AIS信號覆蓋率。算法流程如圖1所示。

2 具體步驟

計算AIS信號覆蓋率網格頻數圖分為以下幾個步驟:

①數據預處理:從海量AIS數據中處理掉失真、錯誤的信息。

②網格化水域:將分析水域按照一定標準劃分為由多個小網格組成的網格圖，每個網格大小固定。實驗中將分析水域劃分為100×100個小網格，每個網格大小3 000 m×3 000 m。

③選取目標船舶:從AIS數據中選出航向和航速穩定，并在水域內正常航行的船舶。

圖1 算法流程Fig.1 Algorithm flow

④獲取單船已發送信號數量網格圖:數據預處理后的AIS信息可視為已發送的AIS信號，計算其經、緯度值所占據的網格水域，若該網格被占用即為該網格計數值1，原理如圖2。

圖2 單船已發送信號數量網格圖計算原理Fig.2 Calculation grid graph of transmitted signal of single ship

⑤獲取單船應發送信號數量網格圖:利用單船已發送AIS信號的經、緯度坐標，利用插值算法，為單船恢復向量軌跡，計算單船應發送信號數量網格圖。設在任意時間區間［ti，tj］上，ti、tj時刻對應的船舶經、緯度坐標向量及其高階導矢量分別為，則船舶t時刻向量軌跡為

其中，系數ak、bk、k=0，1，2，…，2n+1，須滿足

k值由r(t)導矢量的階數來確定，當n=1，即導矢量為一階時，則k=3;當n=2，即導矢量為二階時，則k=5。利用式(2)進行航速插值:

利用上述插值算法可獲取船舶向量軌跡(即每時刻船位)和每時刻船速。依據船位和船速，參照表1中AIS更新頻率，可繪制更為精確的單船已發送信號軌跡圖。將已發送信號的經、緯度值所占的網格水域計數，可獲取單船應發送信號數量網格圖，效果圖見圖3:圖3a為使用Matlab顯示的單艘目標船舶的已發送信號形成的航跡圖;圖3b為使用插值算法后單艘目標船舶的應發送信號形成的航跡圖;圖3c為在獲取了單船應發送信號形成的航跡圖基礎上，計算AIS信息所占網格并獲取的單船應發送信號數量網格圖。

⑥獲取多船已/應發送信號數量網格圖:網格數據易于數據處理，只需將不同的單船已/應發送信號數量網格圖疊加即可獲得，之后運用Matlab將網格圖按照網格計數值的大小填充顏色，可獲得圖4效果。其中圖4a～4c分別展示了3艘單船應發送信號數量網格圖，圖4d則展示若干單船疊加而成的多船應發送信號數量網格圖(多船已發送信號網格數量圖也用相同方法處理，此處不再累述)。

圖3 單船應發送信號數量網格圖Fig.3 Calculation grid graph of should-transmitted signal of single ship

⑦獲取信號覆蓋率網格頻數圖:在獲取了多船已/應發送信號數量網格圖的基礎上，設網格i中已發送信號總數為Si，應發送信號總數Ti，利用式(3)計算每個網格的信號覆蓋率Gi:

將Gi進行歸一化處理后，按照頻數值的大小為網格頻數圖填充顏色，最終形成分析水域內信號覆蓋率網格頻數圖。

3 信號覆蓋率

選取成山頭AIS基站為實驗目標，其附近水域為分析水域，以(122°48.12'E，37°24.74'N)為中心，將該水域劃分成100×100個網格，每個網格3 000 m×3 000 m。使用 GridCount算法獲取100 000張單船信號網格圖，最終生成基站信號覆蓋率的網格頻數圖，效果如圖5所示。

其中不同顏色的網格代表了水域內不同位置的信號覆蓋率，其信號覆蓋率大小與顏色對應關系可參考圖5a中的色譜。圖5b則使用flex技術將網格圖直接對應于實際坐標，利于觀測，地圖上無網格的范圍即采樣船舶數據中無船駛過的區域，其信號覆蓋率為空。警戒區下沿位于圖的正中，紅色箭頭所示。圖5的特點如下:

1)分析水域內可明顯觀測到陸地區域等無船經過水域無AIS數據，其覆蓋率也為0;

圖4 多船應發送信號數量網格圖的獲取過程Fig.4 Calculation grid graph of transmitted signal of ships

2)分析水域隨著離AIS基站距離的遞增，信號覆蓋率遞減。將網格頻數圖繪制成三維圖，以正中心位置(網格坐標50，50)沿真北方向切割，可獲取斷面信息，以便觀測覆蓋率遞減趨勢，結果如圖6所示。圖6a為圖5網格頻數圖的1/4(按正中心切割)，圖6b為圖6a旋轉至斷面處的平面圖，可清晰觀測到AIS信號覆蓋率的衰減趨勢。由于每個網格大小為3 000m×3 000 m，可觀測到分析水域內AIS信號的最大覆蓋半徑為45 nmile，若以網格頻數大于0.5作為有效覆蓋標準，則有效覆蓋半徑為30 nmile。

圖5 基站信號覆蓋率網格頻數圖Fig.5 Grid frequency diagrams of AISbase station

圖6 信號覆蓋率衰減趨勢Fig.6 Attenuation of signal coverage

4 結束語

(1)通過計算船舶已/應發送信號數量網格圖可以計算出AIS信號的覆蓋率。

(2)計算AIS信號覆蓋率，利用船舶已發送信號，使用插值算法獲取應發送信號，并獲取應發送信號數量網格圖。

(3)信號覆蓋率隨著離岸基基站距離的遞增，信號覆蓋率遞減，且基站最大覆蓋半徑為45 nmile。

今后工作方向為優化智能技術，提高研究水域的豐富性，考慮多基站覆蓋下的AIS信號覆蓋率。

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Calculation method for AIS signal coverage

XIANG Zhe，HU Qin-you，SHIChao-jian
(Merchant Marine College，Shanghai Maritime University，Shanghai201306，China)

Ship Automatic Identification System(AIS)，which recordes ship navigation data through the base station for collision avoidance and path tracking，has been an important guarantee formaritime traffic safety．This paper，by postGridCountalgorithm，calculates the coverage of AISsignal．Through griddingwaters according to certain standards，selecting target ships，calculating and summarizing its already-transmitted AIS signal in each grid，the already-transmitted AISgrid diagram of single ship can bemade．Through interpolation algorithm，calculating and summarizing ship’s should-transmitted AIS signal in each grid，then the should-transmitted AIS grid diagram of single ship can be acquired．Overlying different ships already-transmitted AIS number and its should-transmitted AIS number，the already/should transmitted AIS grid diagram can bemade．Divided alreadytransmitted AISnumber and should-transmitted AISnumber in each grid，the grid frequenxy diagram of AIS signal coverage can be acquired．Then the grid frequency diagram of AISsignal coverage can be acquired．The experiment uses AIS data from ships sailing in Chengshantou waters，the result shows that themaximum coverage radius of AIS base station is 45 nmile，and the signal coverage decreaseswith increasing distance from the AIS base station．

coverage of AIS signal;datamining;AIS data analysis;gridding;interpolation algorithm

TP399

:A

2015－09－23

上海市人才發展資金項目 (201436)

向 哲 (1984—)，男，博士研究生，研究方向:AIS數據控掘，240648795@qq.com。

施朝健，教授，cjshi@shmtu.edu.cn。

向哲，胡勤友，施朝健．一種計算AIS基站信號覆蓋率的方法［J］．桂林理工大學學報，2016，36(4):844－848．

1674－9057(2016)04－0844－05

10.3969/j．issn.1674－9057.2016.04.033