船舶歷史航線數(shù)據(jù)可視化方法

葉鋒，賈立校

(江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010)

0 引 言

對于大型海上物流和貿(mào)易公司來說，物流運(yùn)輸船的航行安全性、航行效率直接決定了物流貿(mào)易公司的營運(yùn)成本，如何合理的規(guī)劃物流運(yùn)輸船的海上航線，提高航運(yùn)速度和安全性是一項(xiàng)非常重要的工作。船舶的歷史航線包含大量的軌跡數(shù)據(jù)、航線信息，如何對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘有很大的研究價(jià)值。

近年來，海上船舶上AIS 系統(tǒng)的應(yīng)用范圍不斷拓展，基于AIS 系統(tǒng)能夠快速地提取船舶軌跡數(shù)據(jù)。本文基于AIS 系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)據(jù)處理和挖掘技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了船舶歷史航線數(shù)據(jù)的獲取、解析、存儲(chǔ)，搭建了船舶歷史航線數(shù)據(jù)的可視化平臺(tái)，并分別從軟硬件方面介紹了航跡數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理。

1 船舶歷史航線數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)的整體設(shè)計(jì)

本文結(jié)合AIS 系統(tǒng)搭建了船舶歷史航線數(shù)據(jù)的可視化平臺(tái)，平臺(tái)基本構(gòu)成和原理如圖1 所示。

圖1 可視化平臺(tái)基本構(gòu)成和原理Fig.1 Basic structure and principle of visualization platform

船舶歷史航線數(shù)據(jù)的可視化平臺(tái)主要由航跡數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、航跡數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng)、監(jiān)控子系統(tǒng)和配置管理模塊共同構(gòu)成。

1）航跡數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

船舶歷史航線數(shù)據(jù)的可視化平臺(tái)的數(shù)據(jù)來源為AIS 船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，航跡數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的功能包括數(shù)據(jù)解析、格式轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)與分析等。航跡數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)是本平臺(tái)的關(guān)鍵模塊，它將來自AIS 的歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為平臺(tái)可以識(shí)別的數(shù)據(jù)格式，并將AIS 數(shù)據(jù)中的船舶位置、航向改變率、船名、吃水、貨物信息等進(jìn)行識(shí)別和提取。

通常，海上運(yùn)輸船舶與岸基的通信數(shù)據(jù)為高頻(VIA)頻道和數(shù)字編碼的形式，這類數(shù)據(jù)的整理和分析難度較大，采用AIS 數(shù)據(jù)解析工具可以實(shí)現(xiàn)有規(guī)律的解碼與數(shù)據(jù)提取，提高平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理能力。

圖2 為航跡數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)原理圖。

圖2 航跡數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of track data processing subsystem

2）航跡數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng)

船舶歷史航線數(shù)據(jù)的可視化平臺(tái)為用戶提供了船舶信息查詢功能，用戶能夠獲取船舶基本信息、軌跡信息、時(shí)空船舶軌跡等，可以為用戶提供全面且多維度的航跡數(shù)據(jù)。

3）監(jiān)控子系統(tǒng)

基于可視化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)船舶的監(jiān)控也是平臺(tái)的重要功能，主要監(jiān)控對象有兩方面：1）對區(qū)域內(nèi)船舶航跡數(shù)據(jù)的異常行為實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)船舶的異常軌跡，并在電子地圖上進(jìn)行標(biāo)注；2）平臺(tái)對系統(tǒng)的各類自身參數(shù)配置進(jìn)行監(jiān)控和識(shí)別，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2 基于AIS 的船舶歷史航線數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)開發(fā)

2.1 基于聚類挖掘算法的船舶航跡數(shù)據(jù)提取

由于船舶AIS 系統(tǒng)中包含海量的船舶航跡信息，可視化平臺(tái)為了提高船舶航跡數(shù)據(jù)的提取質(zhì)量，采用EM 聚類算法進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，過程如下：

1）確定AIS 數(shù)據(jù)挖掘的終止閾值ε。

2）計(jì)算每個(gè)船舶航跡數(shù)據(jù)

x

從屬于某聚類

h

的概率：

3）更新EM 聚類算法的混合模型如下：

4）計(jì)算終止條件 |

L

(

p

)-

L

(

p

)|≤ε，數(shù)據(jù)挖掘算法結(jié)束。

此外，基于EM 聚類算法的數(shù)據(jù)挖掘還要結(jié)合專家?guī)爝M(jìn)行相似性度量，最終獲取高質(zhì)量的船舶歷史航跡數(shù)據(jù)，圖3 為船舶歷史航跡數(shù)據(jù)挖掘流程圖。

圖3 船舶歷史航跡數(shù)據(jù)挖掘流程圖Fig.3 Flow chart of ship historical track data mining

2.2 船舶航跡數(shù)據(jù)的特征提取

在海上運(yùn)輸船舶的航跡采集過程中，斷電或者其他設(shè)備故障可能會(huì)導(dǎo)致AIS 數(shù)據(jù)在某一段時(shí)間內(nèi)丟失，此時(shí)航跡數(shù)據(jù)采集的采樣點(diǎn)不全，必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理后才能進(jìn)行特征提取。

假設(shè)航跡數(shù)據(jù)缺失的采樣片段為

p

-

p

，時(shí)間為

t

-

t

，航跡數(shù)據(jù)插值的閾值為 ε，插值個(gè)數(shù)為

N

，則航跡數(shù)據(jù)插值算法如下式：

式中：

d

(

p

,

p

)為兩采樣點(diǎn)之間的距離。

按照時(shí)間間隔0.05 s 進(jìn)行航跡分段，每個(gè)航跡特征點(diǎn)包括速度變化點(diǎn)、航向變化點(diǎn)等，航跡數(shù)據(jù)采集的濾波函數(shù)為：

航跡數(shù)據(jù)插值算法擬合的船舶特征軌跡示意圖如圖4 所示。

圖4 插值算法擬合的船舶特征軌跡示意圖Fig.4 Schematic diagram of ship characteristic trajectory fitted by interpolation algorithm

由于AIS 采集的船舶航跡數(shù)據(jù)需要壓縮后才能發(fā)送至控制中心，數(shù)據(jù)的壓縮率表示為：

式中：

S

為壓縮航跡數(shù)據(jù)，

S

為原始航跡數(shù)據(jù)。假設(shè)航跡數(shù)據(jù)的采樣點(diǎn)數(shù)為

n

，

P

為

i

時(shí)刻的航跡點(diǎn)，可得AIS 傳遞的航跡序列為：

2.3 航線數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)的信息查詢模塊軟件開發(fā)

航線數(shù)據(jù)的可視化平臺(tái)必須要滿足良好的人機(jī)交互性，根據(jù)平臺(tái)的功能模塊劃分，本節(jié)重點(diǎn)介紹航跡數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng)的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，首先將航跡數(shù)據(jù)查詢的應(yīng)用場景劃分為：

1）實(shí)時(shí)定位查詢

基于該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)船舶基本信息的實(shí)時(shí)位置查詢，獲取物流船舶的實(shí)時(shí)航行狀態(tài)。

2）歷史航跡查詢

可根據(jù)時(shí)間戳選擇特定的船舶歷史航行軌跡信息、位置信息查詢。

3）時(shí)空軌跡查詢

可查詢特定時(shí)間區(qū)間、特定位置區(qū)域的船舶航跡數(shù)據(jù)。

圖5 為平臺(tái)航跡查詢子系統(tǒng)的軟件流程圖。

圖5 平臺(tái)航跡查詢子系統(tǒng)的軟件流程圖Fig.5 Software flow chart of platform track query subsystem

2.4 船舶歷史航線的數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)界面設(shè)計(jì)

歷史航線數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)的設(shè)計(jì)包括軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)兩部分，如下：

1）硬件設(shè)計(jì)

為了滿足用戶對平臺(tái)的操作和使用功能，可視化平臺(tái)的硬件計(jì)算機(jī)不僅需要具有較高的運(yùn)算性能，而且顯示器等硬件設(shè)備同樣需要較高的性能，表1 為平臺(tái)的硬件參數(shù)。

表1 可視化硬件參數(shù)表Tab.1 Visualize the hardware parameter table

本文使用的顯示器芯片為東芝TB62705，芯片接線圖如圖6 所示。

圖6 可視化平臺(tái)顯示器芯片接線圖Fig.6 Wiring diagram of display chip of visualization platform

2）軟件設(shè)計(jì)

可視化平臺(tái)采用JQuery 前端開發(fā)框架的布局控件將顯示界面分為操作區(qū)和顯示區(qū)，可為用戶提供船舶名稱、電子地圖、擬合軌跡等，圖4 為可視化平臺(tái)的顯示界面。

圖7 歷史航線數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)的顯示界面Fig.7 Display interface of historical route data visualization platform

3 結(jié) 語

本文結(jié)合AIS 系統(tǒng)建立了一種船舶歷史航線數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)，分別從平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控模塊、查詢模塊等方面進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，采用了EM 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)船舶歷史航跡數(shù)據(jù)的快速特征提取。