崔亞奇 徐平亮* 龔 誠 余舟川 張建廷 于洪波 董 凱

①(海軍航空大學(xué)信息融合研究所 煙臺(tái) 264001)

②(91001部隊(duì) 北京 100000)

③(91977部隊(duì) 北京 100000)

1 引言

多源航跡關(guān)聯(lián)問題在雷達(dá)數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域中普遍存在，其中也包含中斷航跡接續(xù)關(guān)聯(lián)問題，并且有著較長(zhǎng)的研究歷史，是目標(biāo)跟蹤[1]、態(tài)勢(shì)感知[2]、信息融合[3]的前提和基礎(chǔ)。中斷航跡可以表述為：在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤的過程中，受目標(biāo)機(jī)動(dòng)、平臺(tái)機(jī)動(dòng)、長(zhǎng)采樣間隔、低探測(cè)概率等多種因素影響，存在大量的航跡中斷現(xiàn)象，即目標(biāo)的當(dāng)前航跡突然消失，一段時(shí)間后又在臨近區(qū)域重新起始跟蹤一條新的航跡。多源航跡可以表述為：在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤的過程中，經(jīng)過不同傳感器的觀測(cè)，上報(bào)了對(duì)同一目標(biāo)的多個(gè)航跡，各個(gè)航跡包含不同的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。對(duì)于這兩種航跡關(guān)聯(lián)問題，傳統(tǒng)方法需要預(yù)先假定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)模型，利用目標(biāo)的先驗(yàn)信息，采用統(tǒng)計(jì)估計(jì)理論對(duì)待關(guān)聯(lián)航跡進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算完成關(guān)聯(lián)任務(wù)[4–8]，存在假設(shè)不合理、先驗(yàn)信息難以獲取、門限無法確定等問題。

近年來，隨著人工智能和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的快速發(fā)展，有學(xué)者提出采用基于深度學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法完成航跡關(guān)聯(lián)任務(wù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取航跡的運(yùn)動(dòng)特征、中斷特征、多源誤差特征等信息，通過損失函數(shù)對(duì)高維空間中的航跡特征進(jìn)行約束，實(shí)現(xiàn)從航跡數(shù)據(jù)到關(guān)聯(lián)結(jié)果的映射[9–11]。與傳統(tǒng)方法相比，深度學(xué)習(xí)方法可以基于實(shí)測(cè)航跡數(shù)據(jù)，自動(dòng)訓(xùn)練航跡關(guān)聯(lián)模型，有效避免了人工對(duì)模型的選取、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置、目標(biāo)先驗(yàn)信息的采集分析等大量調(diào)試操作，具有關(guān)聯(lián)速度快、關(guān)聯(lián)精度高、泛化能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

然而，采用深度學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)航跡關(guān)聯(lián)任務(wù)，其網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練必須依賴大量的航跡數(shù)據(jù)。以上研究均基于仿真數(shù)據(jù)或采集到的少量真實(shí)數(shù)據(jù)，缺乏一個(gè)統(tǒng)一的、規(guī)范的、規(guī)模大的航跡關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)集。在深度學(xué)習(xí)發(fā)展較為成熟的領(lǐng)域，均有相關(guān)的高質(zhì)量數(shù)據(jù)集作為支撐，例如圖像分類中的ImageNet數(shù)據(jù)集[12]、目標(biāo)檢測(cè)和分割的PASCAL-VOC數(shù)據(jù)集[13]和COCO數(shù)據(jù)集[14]、遙感圖像分類的AID數(shù)據(jù)集[15]、遙感圖像檢索的RSICD數(shù)據(jù)集[16]、自動(dòng)駕駛的KITTI數(shù)據(jù)集[17]、各類醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)集[18–20]，等等。可以說，在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)逐漸達(dá)到了與模型和算法同等重要的程度，必須有統(tǒng)一的、規(guī)范的、規(guī)模大的高質(zhì)量數(shù)據(jù)集，才能為某一相關(guān)研究的發(fā)展提供基本保障。但是，航跡關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)集在國(guó)內(nèi)外的構(gòu)建還是一個(gè)空白，航跡關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)集的缺失成為制約基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的航跡關(guān)聯(lián)研究的主要因素。因此，構(gòu)建一個(gè)與航跡關(guān)聯(lián)任務(wù)相適應(yīng)的數(shù)據(jù)集對(duì)相關(guān)研究的發(fā)展具有重要意義。

考慮到智能關(guān)聯(lián)算法研究的迫切需求和多雷達(dá)協(xié)同觀測(cè)航跡數(shù)據(jù)獲取困難，針對(duì)航跡關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)集缺失問題，該文公開了多源航跡關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)集(Multisource Track Association Dataset, MTAD)，其由全球自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System, AIS)航跡數(shù)據(jù)經(jīng)柵格劃分、自動(dòng)中斷和噪聲添加處理步驟構(gòu)建。該數(shù)據(jù)集包括訓(xùn)練集和測(cè)試集兩大部分，共有航跡百萬余條，其中訓(xùn)練集包含5000個(gè)場(chǎng)景樣本，測(cè)試集包含1000個(gè)場(chǎng)景樣本，每一個(gè)場(chǎng)景樣本由幾個(gè)到幾百個(gè)數(shù)量不等的航跡構(gòu)成，涵蓋多種運(yùn)動(dòng)模式、多種目標(biāo)類型和長(zhǎng)度不等的持續(xù)時(shí)間。同時(shí)，進(jìn)一步對(duì)構(gòu)造的MTAD數(shù)據(jù)集進(jìn)行可視化分析，詳細(xì)研究了各個(gè)柵格內(nèi)航跡的特點(diǎn)，證明了該數(shù)據(jù)集的豐富性、合理性和有效性。最后，作為參考，給出了關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)指標(biāo)和關(guān)聯(lián)基線結(jié)果。

2 數(shù)據(jù)集構(gòu)建

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)是一種廣播式的艦載應(yīng)答系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠使船舶在公用無線信道上向附近的船舶和岸上的監(jiān)測(cè)部門持續(xù)發(fā)送自身的身份、位置、航向、航速等數(shù)據(jù)[21]。AIS系統(tǒng)具有定位精度高、船舶編碼唯一、自控時(shí)分多址聯(lián)接(SOTDMA)、電子海圖等特點(diǎn)，為艦船目標(biāo)識(shí)別[22,23]、艦船目標(biāo)跟蹤[24,25]、加強(qiáng)海事管理[26,27]等應(yīng)用提供了可靠技術(shù)保障，在軍用和民用領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。由于其廣播式的數(shù)據(jù)發(fā)送特點(diǎn)，與雷達(dá)航跡數(shù)據(jù)相比，AIS航跡數(shù)據(jù)具有分布廣泛、獲取難度低和時(shí)效性好的優(yōu)點(diǎn)，因此這里采用全球AIS數(shù)據(jù)，構(gòu)建多源航跡關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)集。

2.1 AIS數(shù)據(jù)特征信息

MTAD數(shù)據(jù)集采用的基礎(chǔ)AIS數(shù)據(jù)特征包括目標(biāo)的用戶識(shí)別碼(MMSI碼)、時(shí)間(UNIX時(shí)間戳，單位：s)、緯度(l/10000°，±90°，北為+，南為–)、經(jīng)度(1/10000°，±180°，東為+，西為–)、航速(單位：kn)、航向(單位：(°))。利用以上基礎(chǔ)特征通過添加中斷和多源誤差構(gòu)造MTAD數(shù)據(jù)集。

2.2 全球AIS可視化分析

全球柵格是MTAD數(shù)據(jù)集構(gòu)建的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)集中的所有場(chǎng)景均從全球柵格中抽取產(chǎn)生，因此柵格中的航跡質(zhì)量對(duì)于MTAD數(shù)據(jù)集的質(zhì)量至關(guān)重要。為了分析全球柵格航跡信息，在全球地圖中根據(jù)所有柵格中的MMSI數(shù)量繪制熱力圖，對(duì)MMSI數(shù)量進(jìn)行可視化，結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，在重要港口地帶，MMSI數(shù)量較多，在遠(yuǎn)海區(qū)域，MMSI數(shù)量較少。各航跡在全球各個(gè)海域均廣泛分布，為數(shù)據(jù)集的構(gòu)建提供了豐富的航跡資源。

圖1 MMSI數(shù)量熱力圖

之后，進(jìn)一步分析MMSI數(shù)量的分布情況。以柵格內(nèi)MMSI數(shù)量為橫軸，柵格所占比例為縱軸，繪制柱狀圖，如圖2所示。從圖2(a)可以看出，全球絕大多數(shù)柵格中的MMSI數(shù)量在300個(gè)以下，但也存在一些柵格中的MMSI數(shù)量達(dá)到了2000個(gè)以上。為了更細(xì)致地分析MMSI數(shù)量在0～300個(gè)的柵格比例，將MMSI數(shù)量在0-300個(gè)的柵格重新繪制其柱狀圖，如從圖2(b)所示。圖2(b)可以看出，在MMSI在0～300個(gè)的各個(gè)分段均有柵格分布，全面的AIS航跡庫為稀疏場(chǎng)景、普通場(chǎng)景、密集場(chǎng)景的構(gòu)建提供了豐富的航跡資源。

圖2 MMSI數(shù)量分布柱狀圖

2.3 整體思路

航跡關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)集包括多個(gè)關(guān)聯(lián)場(chǎng)景樣本，每個(gè)關(guān)聯(lián)樣本包括信源航跡CSV文件和關(guān)聯(lián)映射表CSV文件，信源航跡CSV文件包括兩個(gè)信源的多條航跡，兩個(gè)信源可設(shè)置為艦載雷達(dá)、機(jī)載雷達(dá)或岸基雷達(dá)等不同類型。

關(guān)聯(lián)樣本生成流程如圖3所示，包括參數(shù)設(shè)置、基于空間柵格的真值航跡抽取和信源航跡生成等3個(gè)步驟。

圖3 關(guān)聯(lián)樣本生成流程圖

2.4 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置包括場(chǎng)景設(shè)置、目標(biāo)設(shè)置和信源設(shè)置。

2.4.1 場(chǎng)景設(shè)置場(chǎng)景設(shè)置主要對(duì)柵格精度和場(chǎng)景中心經(jīng)緯度進(jìn)行設(shè)置。其中柵格精度α，用于全球柵格劃分，表示對(duì)全球經(jīng)緯度劃分的最小間隔；場(chǎng)景中心經(jīng)緯度W0，用于后續(xù)空間柵格的平移。

2.4.2 目標(biāo)設(shè)置

2.4.3 信源設(shè)置

信源設(shè)置主要對(duì)信源1和信源2的探測(cè)特性進(jìn)行設(shè)置。主要參數(shù)包括更新周期、目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率、航跡開始時(shí)間范圍、航跡結(jié)束時(shí)間范圍、最小持續(xù)時(shí)間、中斷頻率、中斷時(shí)間范圍、位置系統(tǒng)偏差、航跡質(zhì)量噪聲(高斯噪聲或瑞利噪聲)。

2.5 基于空間柵格的真值航跡抽取

基于空間柵格的真值航跡抽取包括AIS基礎(chǔ)航跡庫構(gòu)建和真值航跡抽取兩個(gè)步驟。

2.5.1 AIS基礎(chǔ)航跡庫構(gòu)建

AIS基礎(chǔ)航跡庫的構(gòu)建步驟為：

(1)從AIS數(shù)據(jù)文件中，按照MMSI號(hào)對(duì)單個(gè)目標(biāo)航跡進(jìn)行抽取，存為CSV文件，文件名為MMSI號(hào)。

(2)對(duì)單個(gè)目標(biāo)航跡進(jìn)行預(yù)處理，包括拆分長(zhǎng)時(shí)間未更新航跡，刪除靜止、速度過低航跡，刪除采樣點(diǎn)跳變航跡，刪除過短航跡。

(a)拆分長(zhǎng)時(shí)間未更新航跡。航跡的更新時(shí)間每大于600 s就將航跡截?cái)嘁淮危敝梁桔E結(jié)束。具體實(shí)施步驟為：

①設(shè)置初始索引I Ds=0 ， 終止索引I De=0；

②遍歷航跡中的每個(gè)采樣點(diǎn)，計(jì)算后一采樣點(diǎn)與前一采樣點(diǎn)之間的時(shí)間差?T=Te?Ts， 并令I(lǐng)De等于后一采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的索引；

③如果前后兩個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間差 ?T>600 s，保存[ IDs,IDe] 之 間的航跡，并設(shè)置I Ds=IDe+1；

④重復(fù)①—③，直到航跡結(jié)束，并保存[IDs,IDe]之間的航跡。

(b)刪除靜止、速度過低航跡。對(duì)(a)中保存的航跡進(jìn)行處理，若平均航速小于等于1，且經(jīng)度最大值減經(jīng)度最小值小于等于0.5，且緯度最大值減緯度最小值小于等于0.5，該航跡不保存。約束條件如式(3)所示。

(c)刪除采樣點(diǎn)跳變航跡。對(duì)(b)中保存的航跡進(jìn)行處理，遍歷航跡中的每個(gè)采樣點(diǎn)，若前后兩點(diǎn)之間經(jīng)度差的絕對(duì)值大于0.5，或緯度差的絕對(duì)值大于0.5，該航跡不保存。約束條件如式(4)所示。

其中，∨表示或操作。

(d)刪除過短航跡。對(duì)(c)中保存的航跡進(jìn)行處理，只保存航跡采樣點(diǎn)數(shù)大于30且持續(xù)時(shí)間大于300 s的航跡，分別命名為MMSI_0, MMSI_1, ···，約束條件如式(5)所示。

(4)統(tǒng)計(jì)每個(gè)柵格內(nèi)的MMSI號(hào)、航跡數(shù)量、目標(biāo)數(shù)量、航向方差均值、航速方差均值、目標(biāo)密集程度、目標(biāo)機(jī)動(dòng)程度，并以CSV格式，存為AIS空間編碼索引文件，每個(gè)空間柵格一行，具體格式為{空間柵格緯度索引、空間柵格經(jīng)度索引、航跡數(shù)量、目標(biāo)數(shù)量、航向方差均值、航速方差均值、目標(biāo)密集程度、目標(biāo)機(jī)動(dòng)程度、MMSI號(hào)序列}。

2.5.2 真值航跡抽取

真值航跡抽取包括兩種模式，一是隨機(jī)抽取，二是條件抽取。其中隨機(jī)抽取為對(duì)空間編碼進(jìn)行隨機(jī)抽取，然后根據(jù)AIS空間編碼索引文件，得到柵格內(nèi)所有的MMSI號(hào)，然后得到真值航跡。

條件抽取為根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)密集程度和目標(biāo)機(jī)動(dòng)程度，選取與設(shè)定密集程度和機(jī)動(dòng)程度最相似的空間柵格，或者從多個(gè)相似的空間柵格中進(jìn)行抽取。

2.6 信源航跡生成

(1)首先以抽取的柵格內(nèi)AIS航跡Z0為真值，根據(jù)場(chǎng)景中心經(jīng)緯度W0和信源參數(shù)，依次生成信源1和信源2兩個(gè)信源航跡，具體步驟如下：

(a)根據(jù)場(chǎng)景中心經(jīng)緯度W0，對(duì)柵格內(nèi)AIS航

(d)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率處理。根據(jù)設(shè)置的目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率(可設(shè)置為0.8或0.9)，對(duì)柵格內(nèi)全部AIS航跡進(jìn)行隨機(jī)抽取，得到信源的探測(cè)航跡索引I1。如果抽取后信源的航跡個(gè)數(shù)為0，則重新抽取。

(e)航跡插值處理。根據(jù)柵格內(nèi)AIS真值航跡Z0和信源的探測(cè)航跡索引I1，對(duì)索引內(nèi)的每條航跡，除第1個(gè)時(shí)間點(diǎn)和最后1個(gè)時(shí)間點(diǎn)外，將航跡的持續(xù)時(shí)間以信源的更新周期Ts為斷點(diǎn)進(jìn)行分割，在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)添加隨機(jī)誤差，然后進(jìn)行插值(插值方法可以選擇最近鄰插值、階梯插值、線性插值、B樣條曲線插值等)，得到信源的探測(cè)航跡Z1。

從而實(shí)現(xiàn)將航跡中斷為nB段 。

(g)設(shè)置批號(hào)。記錄信源航跡與真值航跡的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后對(duì)信源的所有航跡進(jìn)行隨機(jī)編號(hào)，得到其航跡批號(hào)。

(h)添加系統(tǒng)誤差。根據(jù)設(shè)置的系統(tǒng)偏差(es1～es2，單位為(°))，采用均勻分布的形式，對(duì)每個(gè)航跡的經(jīng)度、緯度位置添加系統(tǒng)誤差。信源1不添加系統(tǒng)誤差，信源2的系統(tǒng)誤差以50%的概率服從U (?0.03,?0.01) 或U (0.01,0.03)，單位為(°)。

(i)添加隨機(jī)誤差。根據(jù)設(shè)置的航跡質(zhì)量(1～15)，按照高斯分布(或瑞利分布)，對(duì)每個(gè)航跡經(jīng)度、緯度位置添加隨機(jī)誤差。其中，航跡質(zhì)量表示航跡的隨機(jī)誤差，分為1～15個(gè)級(jí)別，級(jí)別越高，誤差越小，每個(gè)級(jí)別對(duì)應(yīng)航跡隨機(jī)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差，基于直角坐標(biāo)系計(jì)算，單位為m。由于該數(shù)據(jù)集是基于經(jīng)緯度添加誤差，而直角坐標(biāo)系和地理坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換是非線性的，因此需要對(duì)航跡質(zhì)量進(jìn)行變換，將原有的直角坐標(biāo)系標(biāo)準(zhǔn)差變?yōu)閳?chǎng)景中心附近的經(jīng)緯度標(biāo)準(zhǔn)差，再添加到數(shù)據(jù)當(dāng)中。

(j)根據(jù)每個(gè)航跡經(jīng)度和緯度，計(jì)算得到航速和航向，進(jìn)而得到每個(gè)航跡的信息Z3，包括{航跡批號(hào)、信源號(hào)(9001, 9002，隨機(jī)設(shè)置)、時(shí)間(一天內(nèi)的絕對(duì)秒)、經(jīng)度(°)、緯度(°)、航速(kn)、航向(°)}。

(k)同時(shí)生成關(guān)聯(lián)映射表，多個(gè){開始時(shí)間-結(jié)束時(shí)間-真值批號(hào)-信源號(hào)-航跡批號(hào)}列構(gòu)成的表。

(2)對(duì)兩信源的關(guān)聯(lián)映射表進(jìn)行混合，按開始時(shí)間進(jìn)行排序，設(shè)置新的航跡批號(hào)，重新編批，存為關(guān)聯(lián)映射表CSV文件。

(3)對(duì)兩信源的航跡信息進(jìn)行混合，并按時(shí)間進(jìn)行排序，根據(jù)關(guān)聯(lián)映射表中，重新編批，存為信源航跡CSV文件。

綜上，在生成信源航跡時(shí)所需的參數(shù)有信源1的更新周期Ts1、 信源2的更新周期Ts2、場(chǎng)景中心W0、 目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率Pd、航跡質(zhì)量Q，總結(jié)如表1所示。

表1 生成信源航跡時(shí)所需的參數(shù)表

3 數(shù)據(jù)集展示與分析

3.1 柵格可視化與分析

將AIS航跡劃分到全球柵格中，是后續(xù)生成中斷航跡和多信源航跡的前提和基礎(chǔ)。由于數(shù)據(jù)集中的航跡均由柵格航跡抽取得到，所以柵格中航跡質(zhì)量的好壞程度將直接影響生成數(shù)據(jù)集的質(zhì)量。本節(jié)對(duì)劃分到全球柵格的AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，包括MMSI數(shù)量可視化、目標(biāo)數(shù)量可視化、密集程度可視化、機(jī)動(dòng)程度可視化，分析柵格內(nèi)航跡的全面性和有效性。

3.1.1 目標(biāo)數(shù)量可視化

在2.5.1節(jié)中，由于對(duì)超過600 s的長(zhǎng)時(shí)間未更新航跡進(jìn)行了截?cái)嗵幚?，?dǎo)致一條航跡分成了多個(gè)目標(biāo)，因此目標(biāo)數(shù)量與MMSI數(shù)量并不相同，故有必要對(duì)目標(biāo)數(shù)量進(jìn)行可視化分析。在全球地圖中根據(jù)所有柵格中的目標(biāo)數(shù)量繪制熱力圖，對(duì)目標(biāo)數(shù)量進(jìn)行可視化，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，與MMSI數(shù)量可視化結(jié)果相似，在重要港口地帶，目標(biāo)數(shù)量較多，在遠(yuǎn)海區(qū)域，目標(biāo)數(shù)量較少。各航跡在全球各個(gè)海域均廣泛分布，為數(shù)據(jù)集的構(gòu)建提供了豐富的航跡資源。

圖4 目標(biāo)數(shù)量熱力圖

之后，進(jìn)一步分析目標(biāo)數(shù)量的分布情況。以柵格內(nèi)目標(biāo)數(shù)量為橫軸，柵格所占比例為縱軸，繪制柱狀圖，如圖5所示。從圖5可以看出，全球絕大多數(shù)柵格中的目標(biāo)數(shù)量在300個(gè)以下，但也存在一些柵格中的目標(biāo)數(shù)量達(dá)到了2000個(gè)以上，全面的AIS航跡庫為稀疏場(chǎng)景、普通場(chǎng)景、密集場(chǎng)景的構(gòu)建提供了豐富的航跡資源。

圖5 目標(biāo)數(shù)量分布柱狀圖

3.1.2 密集程度可視化

如式(1)所示，柵格的目標(biāo)密集程度反映了某一柵格內(nèi)的目標(biāo)數(shù)量的大小在總的柵格中的比重，其對(duì)數(shù)據(jù)集的構(gòu)建具有較高的重要性。在全球地圖中根據(jù)所有柵格中的目標(biāo)密集程度繪制熱力圖，對(duì)目標(biāo)密集程度進(jìn)行可視化，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，重要港口城市附近的目標(biāo)密集程度較高，遠(yuǎn)洋目標(biāo)的密集程度較低，因此在對(duì)算法進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證時(shí)，可以根據(jù)對(duì)算法的使用場(chǎng)景需求，選擇密集柵格或稀疏柵格構(gòu)建測(cè)試場(chǎng)景。

圖6 目標(biāo)密集程度熱力圖

3.1.3 機(jī)動(dòng)程度可視化

如式(2)所示，柵格的目標(biāo)機(jī)動(dòng)程度反映了某一柵格內(nèi)的目標(biāo)航速和航向標(biāo)準(zhǔn)差的大小在總的柵格中的比重，其對(duì)數(shù)據(jù)集的構(gòu)建具有較高的重要性。在全球地圖中根據(jù)所有柵格中的目標(biāo)機(jī)動(dòng)程度繪制熱力圖，對(duì)目標(biāo)機(jī)動(dòng)程度進(jìn)行可視化，結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，復(fù)雜航道和航道轉(zhuǎn)彎處的目標(biāo)機(jī)動(dòng)程度較大(例如圖中的重要港口城市附近)，航道的直行區(qū)域目標(biāo)機(jī)動(dòng)程度較小(例如圖中的遠(yuǎn)海區(qū)域)，能夠滿足對(duì)于較大機(jī)動(dòng)目標(biāo)場(chǎng)景的構(gòu)建需求。

圖7 目標(biāo)機(jī)動(dòng)程度熱力圖

之后，進(jìn)一步分析目標(biāo)機(jī)動(dòng)程度的分布情況。以柵格內(nèi)目標(biāo)機(jī)動(dòng)程度為橫軸，柵格所占比例為縱軸，繪制柱狀圖，如圖8所示。從圖8可以看出，有96%以上的目標(biāo)其機(jī)動(dòng)程度在0.5以下，表明大多數(shù)海面目標(biāo)沒有進(jìn)行特大機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)機(jī)動(dòng)程度在0至0.7均有目標(biāo)分布，為不同的場(chǎng)景構(gòu)建提供了充足的數(shù)據(jù)保證。

圖8 目標(biāo)機(jī)動(dòng)程度分布柱狀圖

3.2 典型場(chǎng)景展示與分析

為了說明數(shù)據(jù)的豐富性、合理性、有效性，本節(jié)從數(shù)據(jù)集中抽取一組典型的航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，給出其經(jīng)緯度的可視化結(jié)果，同時(shí)還有其時(shí)間-緯度圖像和時(shí)間-經(jīng)度圖像，用來說明“航跡共存時(shí)間處理”的有效性。典型場(chǎng)景如圖9所示，從上至下依次為航跡圖像、時(shí)間-緯度圖像、時(shí)間-經(jīng)度圖像，其中紅色航跡為信源1觀測(cè)到的航跡，信源號(hào)為9001；藍(lán)色航跡為信源2觀測(cè)到的航跡，信源號(hào)為9002。

從圖9可以看出：

(1)整體上，航跡運(yùn)動(dòng)類型豐富，包括各種機(jī)動(dòng)狀態(tài)以及各種密度場(chǎng)景，沒有靜止航跡、速度低航跡、過短航跡、跳變航跡。所有場(chǎng)景中心經(jīng)緯度均為(20°, 30°)，符合預(yù)期設(shè)置要求。比較時(shí)間-緯度圖像和時(shí)間-經(jīng)度圖像可知，每個(gè)場(chǎng)景中均存在同時(shí)空航跡交叉現(xiàn)象，與實(shí)際情況相符，證明了“航跡共存時(shí)間處理”的有效性。

(2)中斷航跡方面，每個(gè)場(chǎng)景中均至少存在一條中斷的航跡，且兩個(gè)信源之間航跡的中斷位置、中斷時(shí)刻、中斷間隔、中斷目標(biāo)數(shù)量不一致，證明了航跡中斷設(shè)置的合理性，符合實(shí)際要求。

(3)多源航跡方面，比較圖9中9001信源(紅色)和9002信源(藍(lán)色)的航跡，可以發(fā)現(xiàn)存在明顯的多源觀測(cè)現(xiàn)象。由于設(shè)置了目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率，所以兩個(gè)信源觀測(cè)到的航跡數(shù)量不一致，符合實(shí)際要求。兩信源觀測(cè)得到的航跡起始點(diǎn)和終止點(diǎn)不一致證明了“航跡起始與終結(jié)時(shí)刻處理”的有效性。

圖9 典型場(chǎng)景展示

4 關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)指標(biāo)和基線結(jié)果

為了明確關(guān)聯(lián)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)并為研究人員提供對(duì)比參考的依據(jù)，本節(jié)提供一種關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)并在該標(biāo)準(zhǔn)下給出數(shù)據(jù)集訓(xùn)練場(chǎng)景和測(cè)試場(chǎng)景的基線結(jié)果。

4.1 關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)指標(biāo)

首先，對(duì)關(guān)聯(lián)指標(biāo)中需要的重要變量進(jìn)行定義。

定義1 實(shí)際應(yīng)能關(guān)聯(lián)對(duì)AP

實(shí)際應(yīng)能關(guān)聯(lián)對(duì) AP 定義為根據(jù)關(guān)聯(lián)映射表，存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，且滿足以下條件的關(guān)聯(lián)對(duì)：對(duì)于中斷關(guān)聯(lián)，兩條航跡的中斷時(shí)間間隔小于20 min，兩條航跡各自持續(xù)時(shí)間大于2 min；對(duì)于多源關(guān)聯(lián)，兩條航跡段的相交時(shí)間大于2 min。

定義2 實(shí)際應(yīng)能關(guān)聯(lián)對(duì)集合TAP

實(shí)際應(yīng)能關(guān)聯(lián)對(duì)集合TAP定義為由場(chǎng)景中所有實(shí)際應(yīng)能關(guān)聯(lián)對(duì) AP構(gòu)成的集合。

定義3 關(guān)聯(lián)對(duì)輸出集合OAP

關(guān)聯(lián)對(duì)輸出集合OAP定義為由航跡關(guān)聯(lián)算法輸出的航跡關(guān)聯(lián)對(duì)構(gòu)成的集合，包括中斷航跡關(guān)聯(lián)和多源航跡關(guān)聯(lián)對(duì)。

定義4 關(guān)聯(lián)對(duì)集合的模

關(guān)聯(lián)對(duì)集合的模定義為該關(guān)聯(lián)對(duì)集合中的關(guān)聯(lián)對(duì)的個(gè)數(shù)，用“|?|”表示。

關(guān)聯(lián)指標(biāo)包括關(guān)聯(lián)正確率和關(guān)聯(lián)錯(cuò)誤率，在計(jì)算過程中同時(shí)考慮中斷航跡關(guān)聯(lián)和多源航跡關(guān)聯(lián)，兩個(gè)指標(biāo)可以根據(jù)定義的重要變量按照如下公式進(jìn)行計(jì)算。

定義5 關(guān)聯(lián)正確率PCA

關(guān)聯(lián)正確率PCA定義為關(guān)聯(lián)對(duì)輸出集合OAP中屬于實(shí)際應(yīng)能關(guān)聯(lián)對(duì)的個(gè)數(shù)與實(shí)際應(yīng)能關(guān)聯(lián)對(duì)集合TAP中關(guān)聯(lián)對(duì)的個(gè)數(shù)之間的比值。

定義6 關(guān)聯(lián)錯(cuò)誤率PFA

4.2 關(guān)聯(lián)基線結(jié)果

根據(jù)4.1節(jié)定義的關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)指標(biāo)，本節(jié)給出了基于最近鄰距離的航跡關(guān)聯(lián)算法的關(guān)聯(lián)基線結(jié)果。

4.2.1 算法描述

基于最近鄰距離的航跡關(guān)聯(lián)算法通過計(jì)算并比較不同航跡之間的距離，選擇最近鄰(距離最小)的航跡對(duì)作為關(guān)聯(lián)結(jié)果，其關(guān)聯(lián)步驟如下：

(1)針對(duì)多源航跡關(guān)聯(lián)

步驟1：初始化距離矩陣D=(di,j)N1×N2和關(guān)

其中，L為參與計(jì)算的航跡點(diǎn)數(shù)，D為參考屬性個(gè)數(shù)，xdi(l)表 示信源1的第i個(gè) 航跡的第l個(gè)采樣點(diǎn)的第d維屬性，xdj(l)表 示信源2的第i個(gè) 航跡的第l個(gè)采樣點(diǎn)的第d維屬性。

步驟3：選擇距離矩陣D中的最小元素，將關(guān)聯(lián)矩陣A中對(duì)應(yīng)位置元素設(shè)為1；

步驟4：將距離矩陣D中最小元素對(duì)應(yīng)的行和列的所有元素設(shè)置為正無窮；

步驟5：重復(fù)步驟3和步驟4，直到距離矩陣D中的所有元素均為正無窮；

步驟6：根據(jù)關(guān)聯(lián)矩陣進(jìn)行關(guān)聯(lián)判決，遍歷關(guān)聯(lián)矩陣中的所有元素，若該元素值為1，即ai,j=1，則信源1的第i個(gè)元素和信源2的第j個(gè)元素關(guān)聯(lián)，否則，不關(guān)聯(lián)。

(2)針對(duì)中斷航跡關(guān)聯(lián)

步驟1：初始化距離矩陣D=(di,j)N×N和關(guān)聯(lián)矩陣A=(ai,j)N×N，距離矩陣內(nèi)元素為正無窮，關(guān)聯(lián)矩陣內(nèi)元素為0，其中N表示待關(guān)聯(lián)信源觀測(cè)到的航跡個(gè)數(shù)；

步驟2：遍歷待關(guān)聯(lián)信源的所有航跡，設(shè)當(dāng)前航跡索引為i，將其設(shè)為老航跡，再遍歷待關(guān)聯(lián)信源的所有航跡，設(shè)當(dāng)前航跡索引為j，將其設(shè)為新航跡，若新航跡的開始時(shí)間大于老航跡的結(jié)束時(shí)間且新、老航跡索引不相同，則計(jì)算航跡i和 航跡j之間所有參考屬性的歐氏距離的平方，作為距離矩陣的第i行 第j列元素；

步驟3：選擇距離矩陣D中的最小元素，將關(guān)聯(lián)矩陣A中對(duì)應(yīng)位置元素設(shè)為1；

步驟4：將距離矩陣D中最小元素對(duì)應(yīng)的行和列的所有元素設(shè)置為正無窮；

步驟5：重復(fù)步驟3和步驟4，直到距離矩陣D中的所有元素均為正無窮；

步驟6：根據(jù)關(guān)聯(lián)矩陣進(jìn)行關(guān)聯(lián)判決，遍歷關(guān)聯(lián)矩陣中的所有元素，若該元素值為1，即ai,j=1，則待關(guān)聯(lián)信源的第i個(gè)老航跡和第j個(gè)新航跡關(guān)聯(lián)，否則，不關(guān)聯(lián)。

根據(jù)基于最近鄰距離的航跡關(guān)聯(lián)算法可以看出，多源關(guān)聯(lián)和中斷關(guān)聯(lián)的核心都是比較航跡之間的距離，選出最近鄰航跡對(duì)作為關(guān)聯(lián)結(jié)果。其區(qū)別在于多源關(guān)聯(lián)的距離計(jì)算考慮的是不同源之間的航跡，而中斷關(guān)聯(lián)的距離計(jì)算考慮的是同源航跡。

4.2.2 關(guān)聯(lián)結(jié)果

為了便于研究人員的對(duì)比和參考，將多源關(guān)聯(lián)和中斷關(guān)聯(lián)的基線關(guān)聯(lián)結(jié)果分開表述，多源關(guān)聯(lián)基線結(jié)果如表2所示，中斷關(guān)聯(lián)基線結(jié)果如表3所示。表中的關(guān)聯(lián)正確率和關(guān)聯(lián)錯(cuò)誤率均為各類數(shù)據(jù)集中所有場(chǎng)景的平均值。

表2 多源關(guān)聯(lián)基線結(jié)果(%)

表3 中斷關(guān)聯(lián)基線結(jié)果(%)

從表2和表3可以看出，采用基于最近鄰距離的航跡關(guān)聯(lián)方法，對(duì)于多源關(guān)聯(lián)任務(wù)可以取得較好的關(guān)聯(lián)結(jié)果，但對(duì)于中斷關(guān)聯(lián)任務(wù)，由于中斷前后新老航跡位置相差較大，且與周圍臨近航跡相互干擾，關(guān)聯(lián)效果急劇下降。并且，基于最近鄰距離的航跡關(guān)聯(lián)方法在兩種關(guān)聯(lián)任務(wù)中都具有較高的關(guān)聯(lián)錯(cuò)誤率，表明其關(guān)聯(lián)結(jié)果可靠性較低，亟需對(duì)關(guān)聯(lián)算法進(jìn)行進(jìn)一步研究和改善。

5 結(jié)論

目前，在航跡關(guān)聯(lián)領(lǐng)域由于缺乏一個(gè)統(tǒng)一的、規(guī)范的、規(guī)模大的航跡關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)集，導(dǎo)致基于深度學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的航跡關(guān)聯(lián)研究受到制約，難以滿足模型訓(xùn)練和實(shí)驗(yàn)對(duì)比的需求?？紤]到智能關(guān)聯(lián)算法研究的迫切需求和多雷達(dá)協(xié)同觀測(cè)航跡數(shù)據(jù)獲取困難，針對(duì)航跡關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)集缺失問題，該文公開了多源航跡關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)集(MTAD)，其由全球AIS航跡數(shù)據(jù)經(jīng)柵格劃分、自動(dòng)中斷和噪聲添加處理步驟構(gòu)建。該數(shù)據(jù)集包括訓(xùn)練集和測(cè)試集兩大部分，共有航跡百萬余條，其中訓(xùn)練集包含5000個(gè)場(chǎng)景樣本，測(cè)試集包含1000個(gè)場(chǎng)景樣本，每一個(gè)場(chǎng)景樣本由幾個(gè)到幾百個(gè)數(shù)量不等的航跡構(gòu)成，涵蓋多種運(yùn)動(dòng)模式、多種目標(biāo)類型和長(zhǎng)度不等的持續(xù)時(shí)間。同時(shí)，進(jìn)一步對(duì)構(gòu)造的MTAD數(shù)據(jù)集進(jìn)行可視化分析，詳細(xì)研究了各個(gè)柵格內(nèi)航跡的特點(diǎn)，證明了該數(shù)據(jù)集的豐富性、合理性和有效性。最后，作為參考，給出了關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)指標(biāo)和關(guān)聯(lián)基線結(jié)果。