梁民倉，李笑晨，王任大，尹　勇

(大連海事大學(xué)航海動(dòng)態(tài)仿真和控制實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連　116026)

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AIS原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫存儲及統(tǒng)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)

梁民倉，李笑晨，王任大，尹勇

(大連海事大學(xué)航海動(dòng)態(tài)仿真和控制實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116026)

摘要：針對現(xiàn)有VTS(Vessl Traffic System)模擬器缺少利用AIS(Automatic Idnentification System)數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史交通流規(guī)律的相關(guān)統(tǒng)計(jì)功能的不足，采用PostgreSQL建立用于存儲天津港AIS歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，以電子海圖為顯示平臺，結(jié)合TeeChart圖表插件作為輔助顯示工具，對AIS原始數(shù)據(jù)按照通常操作人員的需求進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)給出天津港港區(qū)的歷史船舶交通概況。設(shè)計(jì)出良好的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)船舶歷史軌跡的簡單重繪，按照船舶類型、吃水、長度以及任意門線(進(jìn)出港航道的截面)得出統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可再現(xiàn)天津港的歷史交通流規(guī)律，且以圖表的形式展現(xiàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，為研究天津港的交通流模型及VTS操作人員進(jìn)行決策提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：VTS模擬器；AIS數(shù)據(jù)存儲；數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

VTS模擬器對VTS人員培訓(xùn)具有重要作用。隨著港口交通日益密集，對VTS人員的交通組織及服務(wù)能力要求越來越高，所以在培訓(xùn)環(huán)節(jié)中要求模擬器的功能更加完善。VTS指揮人員做出任何決策都需要數(shù)據(jù)信息的支持，近年來裝載船舶自動(dòng)識別系統(tǒng)(AIS)，船舶越來越多[1-2]，由于AIS信息具有自動(dòng)播發(fā)的特點(diǎn)，因此AIS信息成為一種很好的交通流統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)來源，且對AIS數(shù)據(jù)應(yīng)用方面的研究越來越多[3-8]。文獻(xiàn)[9-11]將AIS數(shù)據(jù)應(yīng)用于航道管理工作，使得航道管理更加智能化，文獻(xiàn)[12]采用基于AIS的交通觀測方法研究交通流模型，文獻(xiàn)[13]基于AIS信息設(shè)計(jì)了港口的監(jiān)控與分析系統(tǒng)，文獻(xiàn)[14]則基于AIS數(shù)據(jù)開發(fā)了適合長江干線交通管理的航運(yùn)信息平臺，文獻(xiàn)[15-18]利用AIS信息針對特定水域的不同需求進(jìn)行了深入研究?，F(xiàn)有VTS模擬器中，尚缺少基于原始數(shù)據(jù)的查詢統(tǒng)計(jì)及顯示功能。本文基于天津港2014年的AIS原始數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了原始數(shù)據(jù)的查詢統(tǒng)計(jì)及顯示。

1AIS數(shù)據(jù)庫搭建

在現(xiàn)有VTS模擬器功能基礎(chǔ)上，要實(shí)現(xiàn)AIS數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)功能，需要相應(yīng)海區(qū)航行船舶的AIS數(shù)據(jù)歷史。天津港1 a的AIS數(shù)據(jù)有上百萬條，處理大批量數(shù)據(jù)需要建立高效、易于維護(hù)的數(shù)據(jù)庫。根據(jù)項(xiàng)目需求，基于PostgreSQL搭建了可存儲歷史數(shù)據(jù)、虛擬AIS數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)接收的真實(shí)AIS數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫中主要?jiǎng)?chuàng)建用于存儲船舶動(dòng)態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)的兩個(gè)表，剔除不需要的數(shù)據(jù)以減少內(nèi)存開銷，利用兩個(gè)觸發(fā)器，在接收到AIS數(shù)據(jù)之后、存儲之前，對接收到的數(shù)據(jù)根據(jù)需要分別向static、voyage和dynamic表中添加數(shù)據(jù)，達(dá)到按需求分類存儲的目的。使用時(shí)，根據(jù)實(shí)際需求從相應(yīng)表中進(jìn)行查取。該數(shù)據(jù)庫既滿足數(shù)據(jù)存儲和處理的安全性、高效性要求，也滿足后期使用的易維護(hù)性要求。

2功能實(shí)現(xiàn)

AIS數(shù)據(jù)庫主要實(shí)現(xiàn)的功能包括：可進(jìn)行不同斷面、不同類型、不同吃水以及不同船長和船寬的統(tǒng)計(jì)查詢，并以不同的方式顯示統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

AIS數(shù)據(jù)主要分為動(dòng)態(tài)信息、靜態(tài)信息以及航次相關(guān)信息，數(shù)據(jù)庫中將這3種數(shù)據(jù)分別建立一個(gè)表進(jìn)行存儲，以mmsi字段作為關(guān)鍵字，便于對數(shù)據(jù)按類別存儲處理和整合查詢。其中航次數(shù)據(jù)表中存儲的是船舶的航次信息，每個(gè)航次存儲為1條記錄，在查詢某一時(shí)間段的數(shù)據(jù)時(shí)，1條船舶多次靠港的情況可以按航次分成多條船舶進(jìn)行處理。查詢統(tǒng)計(jì)的人機(jī)交互界面如圖1所示。由圖1可以看出，操作人員可按需求自行設(shè)定查詢條件，查詢起止時(shí)間、船舶類型、吃水、船長、船寬、進(jìn)出港以及船位采樣間隔，還可以通過鼠標(biāo)在海圖上點(diǎn)擊自行設(shè)定所要考察的斷面(門線)。設(shè)定完查詢條件，點(diǎn)擊查詢按鈕即可進(jìn)行查詢，同時(shí)查詢按鈕右側(cè)會動(dòng)態(tài)顯示進(jìn)度條，以實(shí)時(shí)顯示查詢進(jìn)度。查詢完畢，即可顯示相關(guān)結(jié)果，如彈出統(tǒng)計(jì)圖表、海圖上繪制直方圖以及顯示船舶軌跡等。

圖1　AIS數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)人機(jī)界面

2.1查詢

為了實(shí)現(xiàn)復(fù)合查詢條件下的數(shù)據(jù)查詢，需要結(jié)合動(dòng)態(tài)、靜態(tài)和航次3個(gè)數(shù)據(jù)表進(jìn)行復(fù)合查詢，查詢語句越復(fù)雜，查詢速度越慢，所以需要對查詢語句進(jìn)行優(yōu)化，盡量提高查詢效率。另外，不同計(jì)算機(jī)內(nèi)存及處理速度不同，綜合軟件和硬件兩方面因素，考慮該功能日后可能疊加在VTS模擬操作設(shè)備上，故采用多線程處理查詢功能，查詢時(shí)不會影響其他操作。將查詢得出的結(jié)果存儲在數(shù)組容器中，以便在后續(xù)統(tǒng)計(jì)處理工作中使用。

2.2進(jìn)出港判斷

由于AIS數(shù)據(jù)中某些數(shù)據(jù)可能不是十分準(zhǔn)確，如目的港，所以利用船舶通過斷面的前后位置信息更為可靠。本文利用斷面兩個(gè)端點(diǎn)、進(jìn)出港參考點(diǎn)以及船舶斷面前后兩個(gè)位置點(diǎn)判斷進(jìn)出港，其中斷面設(shè)定如圖2所示。畫斷面時(shí)，使用橡皮筋效果工具使操作人員可以更準(zhǔn)確的確定斷面，同時(shí)保存了兩個(gè)端點(diǎn)的經(jīng)緯度信息。之后可在考察斷面的一側(cè)點(diǎn)擊鼠標(biāo)，該側(cè)即為進(jìn)港方向，同時(shí)保存該參考點(diǎn)的位置信息。這樣船舶的位置信息就可以從數(shù)據(jù)庫中的AIS數(shù)據(jù)中獲取。

本文根據(jù)斷面和進(jìn)出港參考點(diǎn)給出考察斷面的進(jìn)港航向范圍，再與船舶前后兩船位計(jì)算出的航向進(jìn)行比對，最終判斷船舶的進(jìn)出港。所需的3個(gè)點(diǎn)情況如圖3所示。

具體實(shí)現(xiàn)步驟為：

1)判斷船舶軌跡與斷面是否相交

是否通過斷面是進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)的前提，可通過判斷斷面兩端點(diǎn)和前后兩船位4個(gè)點(diǎn)的關(guān)系，判斷軌跡是否與斷面相交，具體原理為：判斷以兩條線段為對角線的矩形是否相交，如果不相交，兩條線段肯定也不相交；如果相交，利用矢量叉乘判斷兩條線段是否相互跨越，如果相互跨越就相交，反之則不相交。

圖2　斷面設(shè)定　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3　進(jìn)出港判斷條件

2)計(jì)算線段方向

已知兩點(diǎn)坐標(biāo)求取方向φ的公式為：

φ=tan-1(dy/dx)，

(1)

返回值為-180°～180°，最終取得返回值為：

(2)

3)計(jì)算進(jìn)港航向范圍

①根據(jù)式(1)求取設(shè)定的斷面方向φs。

②判斷進(jìn)港方向參考點(diǎn)相對斷面的位置(見圖3)，計(jì)算公式為：

(3)

式中：x、y為進(jìn)港參考點(diǎn)的坐標(biāo)；x1、y1、x2、y2分別為斷面起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)。

根據(jù)β即可判斷參考點(diǎn)相對斷面的位置：β>0，在斷面右側(cè)；β=0，在斷面上；β<0，在斷面左側(cè)。

如果參考點(diǎn)在斷面右側(cè)，進(jìn)港方向范圍取值(φ，φ+180°)；如果參考點(diǎn)在斷面左側(cè)，進(jìn)港方向范圍取值(φ-180°，φ)。

③最后，根據(jù)兩船位確定的航向φv，只需φv-360°或φv+360°在上述進(jìn)港方向范圍內(nèi),即可判斷為進(jìn)港船舶；反之，為出港船舶。

2.3結(jié)果顯示

顯示方式分為顯示軌跡、彈出圖表和直接在海圖上畫直方圖3種方式[7]。

1)軌跡顯示

船舶軌跡的顯示，根據(jù)船位采樣間隔不同，繪出的軌跡疏密程度不同，并且可根據(jù)需要只畫出斷面附近的軌跡，如圖4所示。此處只是對查詢斷面區(qū)域內(nèi)船舶歷史軌跡的簡單重繪，不需要進(jìn)行平滑處理。

2)彈出圖表顯示

利用Teechahrt圖表插件，直接傳入統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以以直方圖、餅狀圖或折線圖的形式顯示結(jié)果，形象直觀，直方圖如圖5所示。

3)直方圖

將統(tǒng)計(jì)結(jié)果以直方圖的形式直接繪制在海圖上，效果更加直觀。本文的關(guān)鍵是需要將直方圖繪制在斷面上，即直方圖的軸和斷面重合。由于斷面的任意性，所以需要將直方圖中對應(yīng)的矩形進(jìn)行相應(yīng)旋轉(zhuǎn)。此處旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵在于需要與人為設(shè)定的進(jìn)出港方向相對應(yīng)，需要實(shí)時(shí)計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度，其中直方圖的起點(diǎn)均為畫斷面時(shí)的起始點(diǎn)。綜上，可將旋轉(zhuǎn)分為兩種情況：

圖4　軌跡顯示

圖5　圖表顯示

①斷面右側(cè)為進(jìn)港方向

如圖6所示，斷面方向?yàn)棣誷，此種情況下旋轉(zhuǎn)角度

(5)

此時(shí)，旋轉(zhuǎn)過后需將直方圖沿?cái)嗝娣较蚱揭?，使得最終直方圖的軸與斷面重合。

②斷面左側(cè)為進(jìn)港方向

如圖7所示，此種情況下旋轉(zhuǎn)角度

(6)

最終的繪制效果如圖8所示。

圖6　斷面右側(cè)為進(jìn)港方向　　　　　　　　　　　　　圖7　斷面右側(cè)為進(jìn)港方向

圖8　海圖上直接繪制統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3結(jié)語

本文通過建立存儲AIS原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)行查詢統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)結(jié)果的顯示功能?；贏IS信息的交通觀測統(tǒng)計(jì)方法，克服了傳統(tǒng)觀測方法周期長、人力物力耗費(fèi)大和觀測范圍局限的弱點(diǎn)，并且統(tǒng)計(jì)結(jié)果可快速地呈現(xiàn)給指揮人員，供指揮人員進(jìn)行決策時(shí)參考，此功能以后可加入到VTS真實(shí)設(shè)備中，完善VTS設(shè)備功能。其統(tǒng)計(jì)結(jié)果可直觀的顯示該斷面的交通流情況，為研究天津港交通流規(guī)律、建立交通流模型并在模擬器中進(jìn)行模擬打下基礎(chǔ)。

自船舶強(qiáng)制要求安裝AIS設(shè)備起，AIS數(shù)據(jù)信息逐漸引起人們的重視，但數(shù)據(jù)的完備性和準(zhǔn)確性還有待提高，所以最終統(tǒng)計(jì)出的結(jié)果的精確度尚待完善，但是仍可作為參考。

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(責(zé)任編輯：郎偉鋒)

The Achievement of Database Storage and

Statistical Functions Based on AIS Raw Data

LIANGMincang，LIXiaochen，WANGRenda，YINYong

(LaboratoryofMarineSimulationandControl,DalianMaritimeUniversity,Dalian116026,China)

Abstract:The existing VTS simulator is unable to provide historical traffic flow by processing AIS data. To overcome the shortcomings, a database is built by using PostgreSQL to store Tianjin Port AIS history data, and real time Tianjin Port historic vessel traffic is provided based on electronic chart display platform.Combining with TeeChart plug-in as auxiliary display tool, AIS raw data is processed in accordance with generally demands of the operator. A good man-machine interface is designed to realize the simple redraw of the ship history trace according to the type, draft, scale and arbitrary gate line (inbound and outbound channel cross-section), with statistical results obtained.The historical traffic flow rule of Tianjin Port can be recalled, and the results are showed in the form of chart and statements,which can provide the data support for studying the traffic flow model of Tianjin Port for decision making by VTS operators.

Key words:VTS simulator; AIS database storage; database; data statistics

文章編號：1672-0032(2015)04-0072-06

中圖分類號：U675.7；U691.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2015.04.014

作者簡介：梁民倉(1991—)，男，河南濮陽人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹胶ＤM器的開發(fā).

基金項(xiàng)目：國家863項(xiàng)目(2015AA016404)

收稿日期：2015-11-06