吳曉陽(yáng)

(桂林理工大學(xué)，廣西 南寧 530001)

0 引 言

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS），其是船舶航行必須安裝的船載AIS 設(shè)備，其主要作用是實(shí)現(xiàn)船舶導(dǎo)航和監(jiān)控[1]。目前海上管理系統(tǒng)的不斷完善，已經(jīng)形成AIS 基站的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)體系[2]。隨著船載AIS 設(shè)備數(shù)量的逐漸增加，設(shè)備信息的收集和管理逐步完善，則形成海量的船舶AIS 軌跡數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可為船舶異常識(shí)別、交通情況監(jiān)測(cè)等提供可靠依據(jù)[3]。但是該數(shù)據(jù)量較大、維度較高，并且數(shù)據(jù)格式存在一定差異，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的查詢效率、效用程度受到影響，同時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸耗時(shí)較大[4]。因此，數(shù)據(jù)壓縮成為解決該問(wèn)題的有效手段。在壓縮過(guò)程中，如何保證數(shù)據(jù)的完整性，避免數(shù)據(jù)在壓縮過(guò)程中發(fā)生損壞，成為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。劉歌等[5]為保證多維數(shù)據(jù)的壓縮效果，以MVC 架構(gòu)為核心，通過(guò)正交變換的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重構(gòu)，并對(duì)重構(gòu)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，以此完成多維數(shù)據(jù)壓縮；該方法在應(yīng)用過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)降維，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)格式的處理。張曉梅等[6]為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮，利用邊緣計(jì)算較好的計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)損壓縮；但是該方法在應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)于維數(shù)較高數(shù)據(jù)的壓縮率較低。

提升算法屬于框架算法，該算法能夠強(qiáng)化數(shù)據(jù)點(diǎn)的處理效果，常見(jiàn)的提升算法包擴(kuò)道格拉斯-普克算法（Douglas-Peucker,DP）、機(jī)器分類算法等。本文以DP 算法為核心，提出船舶AIS 航跡數(shù)據(jù)壓縮方法。

1 船舶AIS 航跡數(shù)據(jù)壓縮

1.1 AIS 數(shù)據(jù)處理

1.1.1 AIS 軌跡數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

AIS 在使用過(guò)程中，僅可實(shí)現(xiàn)可打印的AIS 字符傳輸，該字符的有效范圍為0X20～0X7E，在該范圍內(nèi)，可將字符劃分為保留、有效和未定義3 種字符。其中保留字符指的是傳輸數(shù)據(jù)中，用于控制數(shù)據(jù)格式的關(guān)鍵字[7]，有效字符用于描述能夠用于打印的ASCII 字符，未定義字符用于描述無(wú)法直接進(jìn)行傳輸?shù)淖址?/p>

AIS 數(shù)據(jù)的每條記錄均由開(kāi)始符（?。╅_(kāi)始，以結(jié)束符（）結(jié)束。采用封裝方式對(duì)AIS 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，利用高級(jí)鏈接HDLC（高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制）進(jìn)行傳輸后，對(duì)其進(jìn)行不歸零倒置編碼后，對(duì)其進(jìn)行數(shù)字調(diào)制解調(diào)，同時(shí)插入同步和停止位，最后經(jīng)由甚高頻進(jìn)行傳輸，以此可通過(guò)IEC61162-1 標(biāo)準(zhǔn)和ITU1371-1 協(xié)議，完成AIS 軌跡數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，將其從暗碼轉(zhuǎn)換成明碼。

1.1.2 AIS 軌跡數(shù)據(jù)清洗

由于AIS 數(shù)據(jù)中包含靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)等所有和船舶航行相關(guān)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在采集過(guò)程中，會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)性能、采集環(huán)境以及采集設(shè)備性能的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整、錯(cuò)誤或者重復(fù)，影響數(shù)據(jù)的效用水平。因此，完成AIS 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后，需對(duì)AIS 數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，清洗的主要目的是刪除AIS 數(shù)據(jù)中的不完整數(shù)據(jù)，并且清除數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)重復(fù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，只保留一條數(shù)據(jù)記錄。本文針對(duì)AIS 數(shù)據(jù)的清洗需求，本文采用基于偏序集的規(guī)則鏈方法完成AIS 數(shù)據(jù)清洗，該方法的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該方法整體分為標(biāo)準(zhǔn)模塊、業(yè)務(wù)模塊以及自動(dòng)模塊，將格式轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)作為該方法的輸入，結(jié)合數(shù)據(jù)清洗需求按層選擇相應(yīng)規(guī)則，以此生成每一層的規(guī)則鏈，最后依據(jù)規(guī)則鏈完成數(shù)據(jù)清洗，并輸出清洗后的AIS 數(shù)據(jù)。

1.2 AIS 軌跡數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

海量的AIS 軌跡數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和調(diào)用，是實(shí)現(xiàn)該數(shù)據(jù)快速壓縮以及顯示的主要基礎(chǔ)，如何高效完成所需AIS 數(shù)據(jù)的提取，并按照時(shí)間順序?qū)⑵鋵?dǎo)入DP 算法中進(jìn)行壓縮，是待解決的首要問(wèn)題。為保證AIS 軌跡數(shù)據(jù)的快速壓縮，采用SQLite 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行AIS 軌跡數(shù)據(jù)的管理，清洗后數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在該數(shù)據(jù)庫(kù)中，為該軌跡數(shù)據(jù)壓縮提供支撐。該數(shù)據(jù)庫(kù)的管理方案如圖2 所示。該數(shù)據(jù)庫(kù)以單TRACK 表庫(kù)結(jié)構(gòu)為主完成構(gòu)建，并且單表的各條記錄中包含MMSI（數(shù)據(jù)識(shí)別碼）、經(jīng)度、緯度以及時(shí)間4 個(gè)字段。單表的一條記錄則對(duì)應(yīng)AIS 設(shè)備一次發(fā)送的數(shù)據(jù)，以此實(shí)現(xiàn)AIS 軌跡數(shù)據(jù)的可靠管理，保證AIS 軌跡數(shù)據(jù)的高效壓縮。

圖2 AIS 軌跡數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)Fig.2 AIS trajectory database structure

AIS 軌跡數(shù)據(jù)中，主要是依據(jù)經(jīng)度和緯度描述船舶的地理位置，在進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮前，先對(duì)經(jīng)度和緯度進(jìn)行轉(zhuǎn)換，形成墨卡托坐標(biāo)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行轉(zhuǎn)換使其形成屏幕坐標(biāo)進(jìn)行顯示。在上述轉(zhuǎn)換過(guò)程中，依據(jù)等角正圓柱投影原理完成，如果船舶在某處的經(jīng)度和緯度坐標(biāo)用 (φ,λ)表示，平面坐標(biāo)用(x,y)表示，將經(jīng)度和緯度轉(zhuǎn)換至平面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換公式為：

式中：r0為基準(zhǔn)緯度圈半徑；a和e分別為地球橢圓球長(zhǎng)軸半徑和第一偏心率；q表示等量緯度； φ為基準(zhǔn)緯度。

依據(jù)上述公式即可完成所有AIS 軌跡數(shù)據(jù)中，船舶位置數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

1.3 基于DP 算法的AIS 軌跡數(shù)據(jù)壓縮

AIS 軌跡數(shù)據(jù)壓縮的主要目的快速獲取AIS 數(shù)據(jù)中的目標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)船舶航行軌跡的識(shí)別監(jiān)測(cè)。DP 算法屬于一種曲變形逼近算法，主要是采用以直代曲的理念，保留AIS 航跡中的關(guān)鍵航跡點(diǎn)，舍棄其中的非關(guān)鍵航跡點(diǎn)，以此高效實(shí)現(xiàn)船舶AIS 航跡數(shù)據(jù)壓縮。該算法的詳細(xì)壓縮過(guò)程如下：

步驟1 船舶軌跡離散點(diǎn)為：P1(x1,y1),P2(x2,y2),...,Pn(xn,yn)，A=P1(x1,y1)，B=Pn(xn,yn) ，則 連 接A和B后，形成線段AB。

步驟2 在AB的范圍內(nèi)進(jìn)行尋找，獲取該范圍內(nèi)的和AB之 間距離最遠(yuǎn)的點(diǎn)，用C表示；C和AB之間的距離用d表示。

步驟3 設(shè)定AIS 軌跡數(shù)據(jù)的壓縮閾值 η，如果d≤η ， 則采用線段AB描述船舶原始航跡曲線，如圖3所示；如果d＞η ，則定義C為關(guān)鍵點(diǎn)，并對(duì)船舶航跡進(jìn)行劃分，使其形成兩段曲線，如圖4 所示。采用步驟1～步驟3，對(duì)兩段曲線分別處理。

圖3 船舶原始航跡曲線Fig.3 Original ship track curve

圖4 劃分航跡曲線Fig.4 Divided track curve

步驟4 按照上述步驟完成整個(gè)航跡數(shù)據(jù)處理后，連接航跡曲線AB的上所有關(guān)鍵點(diǎn)，以此獲取原始船舶航跡曲線AB的壓縮航跡數(shù)據(jù)。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

為驗(yàn)證本文方法對(duì)于船舶AIS 航跡數(shù)據(jù)壓縮的處理效果，以某海洋科技有限公司的船舶AIS 航跡數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。該數(shù)據(jù)主要以csv 的文件格式進(jìn)行存儲(chǔ)，共包含256 艘船的航跡數(shù)據(jù)，共計(jì)1200條，部分?jǐn)?shù)據(jù)詳情如表1 所示。

表1 部分船舶AIS 航跡數(shù)據(jù)詳情T(mén)ab.1 Details of AIS track data for some ships

為驗(yàn)證本文方法的船舶AIS 航跡數(shù)據(jù)壓縮效果，采用壓縮率ζ、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度損失率l作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算公式分別為：

式中：No和Ns均為船舶航跡數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量，前者對(duì)應(yīng)壓縮前，后者對(duì)應(yīng)壓縮后；l為船舶航跡總長(zhǎng)度；lL為長(zhǎng)度損失；lo和ls則表示壓縮前和壓縮后的船舶軌跡長(zhǎng)度；lR為原始船舶航跡數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量；pnpn+1為2 個(gè)相鄰船舶航跡電腦之間的距離。壓縮率的期望結(jié)果在90.6%以上，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度損失率測(cè)期望結(jié)果在0.15%以下。

依據(jù)上述公式計(jì)算本文方法在不同航跡數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量下，本文方法的ζ 和l結(jié)果如表2 所示?？芍翰捎帽疚姆椒▽?duì)船舶AIS 航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后，其壓縮率均在90.6%以上，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度損失率最大值為0.11%。滿足使用需求，可保證AIS 航跡數(shù)據(jù)的壓縮效果。

表2 壓縮率結(jié)果和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度損失率測(cè)試結(jié)果Tab.2 Compression rate results and data length loss rate test results

為驗(yàn)證本文方法對(duì)于船舶AIS 航跡數(shù)據(jù)的壓縮應(yīng)用性，隨機(jī)選擇一艘船舶的AIS 航跡數(shù)據(jù)，對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和清洗后，進(jìn)行該數(shù)據(jù)壓縮，并且獲取壓縮前后的AIS 軌跡結(jié)果，如圖5 和圖6 所示?？芍捍癆IS 軌跡數(shù)據(jù)壓縮前，原始數(shù)據(jù)中包含若干個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，采用本文方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后，共剩余13 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)完好保存了船舶轉(zhuǎn)向行為數(shù)據(jù)點(diǎn)，能夠精準(zhǔn)描述船舶的操縱情況，不會(huì)遺漏船舶航行過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)，完好保存船舶運(yùn)動(dòng)特性。因此，該方法具有較好的應(yīng)用性，能夠在保留AIS 軌跡特征數(shù)據(jù)的前提下，完成數(shù)據(jù)壓縮，為船舶航行情況管理提供可靠依據(jù)。

圖5 壓縮前船舶的AIS 軌跡Fig.5 AIS trajectory of the ship before compression

圖6 壓縮后船舶的AIS 軌跡Fig.6 AIS trajectory of compressed ship

3 結(jié) 語(yǔ)

船舶航行情況監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別等均是船舶管理的重要部分，在管理過(guò)程中，由于AIS 數(shù)據(jù)量較大，并且數(shù)據(jù)中存在一定的重復(fù)或者損壞數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的效用水平較低，直接降低船舶的管理效率。因此，為提升船舶的管理效果，針對(duì)海量AIS 船舶航跡數(shù)據(jù)，提出提升算法下的船舶AIS 航跡數(shù)據(jù)壓縮算法。并對(duì)該算法的應(yīng)用效果進(jìn)行測(cè)試，可知：本文所提方法具有較好的船舶AIS 航跡數(shù)據(jù)壓縮性能，并且壓縮后數(shù)據(jù)能夠可靠描述船舶航行過(guò)程中操縱情況，為船舶航行管理提供可靠保障。