船舶历史航线数据可视化方法

叶锋，贾立校

(江苏航运职业技术学院，江苏 南通 226010)

0 引 言

对于大型海上物流和贸易公司来说，物流运输船的航行安全性、航行效率直接决定了物流贸易公司的营运成本，如何合理的规划物流运输船的海上航线，提高航运速度和安全性是一项非常重要的工作。船舶的历史航线包含大量的轨迹数据、航线信息，如何对这些数据进行分析和挖掘有很大的研究价值。

近年来，海上船舶上AIS 系统的应用范围不断拓展，基于AIS 系统能够快速地提取船舶轨迹数据。本文基于AIS 系统，结合数据处理和挖掘技术，实现了船舶历史航线数据的获取、解析、存储，搭建了船舶历史航线数据的可视化平台，并分别从软硬件方面介绍了航迹数据可视化系统的设计原理。

1 船舶历史航线数据可视化平台的整体设计

本文结合AIS 系统搭建了船舶历史航线数据的可视化平台，平台基本构成和原理如图1 所示。

图1 可视化平台基本构成和原理Fig.1 Basic structure and principle of visualization platform

船舶历史航线数据的可视化平台主要由航迹数据处理子系统、航迹数据查询子系统、监控子系统和配置管理模块共同构成。

1）航迹数据处理子系统

船舶历史航线数据的可视化平台的数据来源为AIS 船舶自动识别系统，航迹数据处理子系统的功能包括数据解析、格式转换、存储与分析等。航迹数据处理子系统是本平台的关键模块，它将来自AIS 的历史数据转化为平台可以识别的数据格式，并将AIS 数据中的船舶位置、航向改变率、船名、吃水、货物信息等进行识别和提取。

通常，海上运输船舶与岸基的通信数据为高频(VIA)频道和数字编码的形式，这类数据的整理和分析难度较大，采用AIS 数据解析工具可以实现有规律的解码与数据提取，提高平台的数据处理能力。

图2 为航迹数据处理子系统原理图。

图2 航迹数据处理子系统原理图Fig.2 Schematic diagram of track data processing subsystem

2）航迹数据查询子系统

船舶历史航线数据的可视化平台为用户提供了船舶信息查询功能，用户能够获取船舶基本信息、轨迹信息、时空船舶轨迹等，可以为用户提供全面且多维度的航迹数据。

3）监控子系统

基于可视化平台实现对区域内船舶的监控也是平台的重要功能，主要监控对象有两方面：1）对区域内船舶航迹数据的异常行为实时监控，及时发现船舶的异常轨迹，并在电子地图上进行标注；2）平台对系统的各类自身参数配置进行监控和识别，确保系统的正常运行。

2 基于AIS 的船舶历史航线数据可视化平台开发

2.1 基于聚类挖掘算法的船舶航迹数据提取

由于船舶AIS 系统中包含海量的船舶航迹信息，可视化平台为了提高船舶航迹数据的提取质量，采用EM 聚类算法进行数据挖掘，过程如下：

1）确定AIS 数据挖掘的终止阈值ε。

2）计算每个船舶航迹数据

x

从属于某聚类

h

的概率：

3）更新EM 聚类算法的混合模型如下：

4）计算终止条件 |

L

(

p

)-

L

(

p

)|≤ε，数据挖掘算法结束。

此外，基于EM 聚类算法的数据挖掘还要结合专家库进行相似性度量，最终获取高质量的船舶历史航迹数据，图3 为船舶历史航迹数据挖掘流程图。

图3 船舶历史航迹数据挖掘流程图Fig.3 Flow chart of ship historical track data mining

2.2 船舶航迹数据的特征提取

在海上运输船舶的航迹采集过程中，断电或者其他设备故障可能会导致AIS 数据在某一段时间内丢失，此时航迹数据采集的采样点不全，必须对数据进行插值处理后才能进行特征提取。

假设航迹数据缺失的采样片段为

p

-

p

，时间为

t

-

t

，航迹数据插值的阈值为 ε，插值个数为

N

，则航迹数据插值算法如下式：

式中：

d

(

p

,

p

)为两采样点之间的距离。

按照时间间隔0.05 s 进行航迹分段，每个航迹特征点包括速度变化点、航向变化点等，航迹数据采集的滤波函数为：

航迹数据插值算法拟合的船舶特征轨迹示意图如图4 所示。

图4 插值算法拟合的船舶特征轨迹示意图Fig.4 Schematic diagram of ship characteristic trajectory fitted by interpolation algorithm

由于AIS 采集的船舶航迹数据需要压缩后才能发送至控制中心，数据的压缩率表示为：

式中：

S

为压缩航迹数据，

S

为原始航迹数据。假设航迹数据的采样点数为

n

，

P

为

i

时刻的航迹点，可得AIS 传递的航迹序列为：

2.3 航线数据可视化平台的信息查询模块软件开发

航线数据的可视化平台必须要满足良好的人机交互性，根据平台的功能模块划分，本节重点介绍航迹数据查询子系统的软件架构设计，首先将航迹数据查询的应用场景划分为：

1）实时定位查询

基于该平台可以实现船舶基本信息的实时位置查询，获取物流船舶的实时航行状态。

2）历史航迹查询

可根据时间戳选择特定的船舶历史航行轨迹信息、位置信息查询。

3）时空轨迹查询

可查询特定时间区间、特定位置区域的船舶航迹数据。

图5 为平台航迹查询子系统的软件流程图。

图5 平台航迹查询子系统的软件流程图Fig.5 Software flow chart of platform track query subsystem

2.4 船舶历史航线的数据可视化平台界面设计

历史航线数据可视化平台的设计包括软件设计和硬件设计两部分，如下：

1）硬件设计

为了满足用户对平台的操作和使用功能，可视化平台的硬件计算机不仅需要具有较高的运算性能，而且显示器等硬件设备同样需要较高的性能，表1 为平台的硬件参数。

表1 可视化硬件参数表Tab.1 Visualize the hardware parameter table

本文使用的显示器芯片为东芝TB62705，芯片接线图如图6 所示。

图6 可视化平台显示器芯片接线图Fig.6 Wiring diagram of display chip of visualization platform

2）软件设计

可视化平台采用JQuery 前端开发框架的布局控件将显示界面分为操作区和显示区，可为用户提供船舶名称、电子地图、拟合轨迹等，图4 为可视化平台的显示界面。

图7 历史航线数据可视化平台的显示界面Fig.7 Display interface of historical route data visualization platform

3 结 语

本文结合AIS 系统建立了一种船舶历史航线数据可视化平台，分别从平台的数据处理、监控模块、查询模块等方面进行了详细设计，采用了EM 数据挖掘技术，能够实现船舶历史航迹数据的快速特征提取。