AIS數(shù)據(jù)中船舶會(huì)遇信息的提取方法

第12卷第7期

2017年4月

CHINASCIENCEPAPERApr

中國科技論文

. 2017

VolNo

. 12 . 7

AIS

數(shù)據(jù)中船舶會(huì)遇信息的提取方法

江龍暉，鄭中義，齊樂

(大連海事大學(xué)航海學(xué)院，遼寧大連

116026)

摘要：

為了研究船舶領(lǐng)域模型的形狀和邊界需要取得大量的船舶會(huì)遇信息，提出了 種從數(shù)據(jù)中提取船舶會(huì)遇信息的方

法。該方法對信息解碼獲取船舶原始動(dòng)態(tài)信息，再運(yùn)用插值計(jì)算方法和船舶運(yùn)動(dòng)幾何原理計(jì)算船舶相對運(yùn)動(dòng)參數(shù)，根據(jù)避

AIS

碰規(guī)則和航海實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對不同會(huì)遇態(tài)勢下的船舶會(huì)遇樣本進(jìn)行提取。采用瓊州海峽數(shù)據(jù)對該方法進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明

AIS

該方法能夠有效地提取船舶相對運(yùn)動(dòng)參數(shù)和船舶會(huì)遇信息，可以用于船舶領(lǐng)域模型研究。

關(guān)鍵

詞：海

上交通工程;船舶領(lǐng)域;船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)數(shù)據(jù);船舶會(huì)遇;瓊州海峽

中圖分類號(hào):U675 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)= 2095 - 2783(2017)07- 0802 - 04

1AIS

Extraction of ship-encounter information from AIS data

GANG Longhui, ZHENG Zhongyi, QI Le

(.Navigation College ^ Dalian IS/laritime University, Dalian^ LiaoningChina)

116026?

Abstract

：

In order to study the shape and boundary of ship domain, it is necessary to obtain a large amount of ship-encounter in-

formation An extraction method of ship-encounter information from AIS data was propod in this study. The dynamic move-

ment data of ship can be obtained by decoding the row AIS data The interpolation method and the geometric principle of ship

movement were ud to calculate the relevant movement parameters and information about vesl’s encounter. The sample of ves-

l encounter under the marine collision regulation and navigational practice was also extracted. The actual AIS data from Qiong-

zhou strait was ud to verify the newly propod method. The results showed that the method can effectively extract ship-en-

counter information from AIS data which was basic to study ship domain model.

Keywords

：

marine traffic engineering； ship’s domain; AIS data; vesl’s encounter; Qiongzhou straits

船舶領(lǐng)域理論最早由日本學(xué)者藤井于1963年

提出，是船舶周圍的1個(gè)主觀或客觀區(qū)域，可以描述

船舶運(yùn)動(dòng)行為和風(fēng)險(xiǎn)[1]。船舶領(lǐng)域模型是船舶自動(dòng)

避碰、航道船舶通過能力、海上航行安全評估、海上

交通事故預(yù)防預(yù)警等研究的基礎(chǔ)理論之一。船舶領(lǐng)

域模型的研究需要獲取船舶會(huì)遇時(shí)兩船的位置關(guān)系

和運(yùn)動(dòng)軌跡，以往主要通過海上交通調(diào)查、模擬實(shí)驗(yàn)

或調(diào)查問卷，來獲得兩船相對位置分布以及航海者

主觀感覺的水域邊界等信息，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析確定船

舶領(lǐng)域[M]。

隨著船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（automatic identifica-

tion systems, AIS) 的產(chǎn)生 、強(qiáng)制安裝和 AIS 岸基的

不斷完善，AIS被廣泛應(yīng)用于船舶避碰、船舶交通

管理、搜救和航標(biāo)等領(lǐng)域[〃]。AIS數(shù)據(jù)中包含了

較為全面的船舶航行的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息，就目前

的應(yīng)用來看AIS數(shù)據(jù)中所隱含的有用信息還沒有

被完全開發(fā)，對AIS數(shù)據(jù)的深入挖掘和分析處理

使其可以用于更多的研究領(lǐng)域具有重要意義[『9]。

本文對用于船舶領(lǐng)域研究的AIS數(shù)據(jù)提取方法進(jìn)

行研究。

1原始船舶動(dòng)態(tài)信息獲取

1.1 AIS數(shù)據(jù)中的船舶動(dòng)態(tài)信息

AIS數(shù)據(jù)中包含了較為全面的船舶航行靜態(tài)和

動(dòng)態(tài)信息，如水上移動(dòng)通信業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)碼（maritime

mobile rvice identify,MMSI)、航速、真航向、又士地

航向、經(jīng)度、緯度和AIS數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間可以用于船舶

領(lǐng)域的研究。MMSI可以用于識(shí)別船舶，航速和對

地航向用于計(jì)算船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)，經(jīng)度和緯度用于計(jì)

算船舶位置，真航向用于判別船舶間會(huì)遇態(tài)勢，AIS

數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間和船舶位置可以確定船舶航跡。

1.2 AIS數(shù)據(jù)解碼

AIS數(shù)據(jù)通過編碼后進(jìn)行傳輸，所需的船舶動(dòng)

態(tài)信息被封裝ASCII碼中。AIS數(shù)據(jù)解碼步驟：1)

讀取AIS消息，提取封裝信息及校驗(yàn)信息，并校驗(yàn)數(shù)

據(jù)是否正確;2)對消息類型進(jìn)行判斷;3)按船位報(bào)告

數(shù)據(jù)格式對封裝消息進(jìn)行解碼，提取

MMSI、航速、

真航向、對地航向、經(jīng)度、緯度和航行狀態(tài)等數(shù)據(jù);4)

提取本條AIS消息的時(shí)間，與解碼結(jié)果一起寫入船

舶動(dòng)態(tài)信息數(shù)據(jù)庫，用于后續(xù)處理[￡H1]。

收稿日期：2016-01-08

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51509031);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目（3132016009)

第一作者：江龍暉(1979 —），女，講師，主要研究方向?yàn)樗辖煌üこ蹋?/span>ganglh@dlmu. edu. cn

第7期

江龍暉，等:數(shù)據(jù)中船舶會(huì)遇信息的提取方法

AIS

803

2船舶會(huì)遇信息提取

應(yīng)用AIS數(shù)據(jù)研究船舶領(lǐng)域模型時(shí)需要了解船

舶會(huì)遇時(shí)，船舶間的運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)參數(shù)及相對位

置?；?/span>于AIS數(shù)據(jù)提取船舶會(huì)遇信息的思路及步驟

如下：

1) 根據(jù)AIS數(shù)據(jù)解碼后的船舶時(shí)間信息和位置

信息，尋找同一時(shí)間段內(nèi)位于同一區(qū)域相近位置的

船舶。

2) 對船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值分析，由于從AIS

獲取的船舶運(yùn)動(dòng)信息是時(shí)間離散的，2艘船的信息可

能不在1個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，因此需要通過插值方法獲

取某時(shí)刻的船舶運(yùn)動(dòng)信息。

3) 根據(jù)船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算船舶間相對運(yùn)動(dòng) 參

數(shù)，主要包括航向夾角、相對速度、相對位置和距離、

最近會(huì)遇距離、最近會(huì)遇時(shí)間等。

4) 依據(jù)避碰規(guī)則中對會(huì)遇態(tài)勢的劃分，根據(jù)船

舶相對運(yùn)動(dòng)參數(shù)，提取可以用于船舶領(lǐng)域研究的船

舶會(huì)遇樣本。

2.1離散船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算

船載AIS設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間是離散的，間隔

是幾秒或幾分鐘，運(yùn)用插值方法可得到任一時(shí)刻船

舶動(dòng)態(tài)信息，并計(jì)算出兩船間船舶相對運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

假設(shè)獲得的船數(shù)據(jù)的時(shí)間點(diǎn)為

B00060012,00060010

A

0000、0010、0020,

00123

船數(shù)據(jù)的時(shí)間點(diǎn)為、求解、、

這個(gè)時(shí)刻的船舶動(dòng)態(tài)信息的方法如下：

設(shè)(工，3^七)、幻七，：)、

.分別表示的是A船和B船在^時(shí)刻的位

置、航速和航向。在^到~+1時(shí)刻之間船舶的坐標(biāo)、

航速和航向會(huì)發(fā)生改變，當(dāng)AIS數(shù)據(jù)時(shí)間間隔很短

時(shí)船舶轉(zhuǎn)向幅度和速度變化較小，接近于線性變化，

因此用^-:到2個(gè)時(shí)刻船舶位置點(diǎn)之間連線的方

向替代船舶在^時(shí)刻的航向。

在^時(shí)刻A船動(dòng)態(tài)信息為

-1

ti

—

L+l

"

+ ^

()

1

xA,ti

~

—

1

ti

~

廣+1

f

- (?

b

一工?)

()

2

-

1 ^ _

-^yAa^

t

—)

yAu

^

按照上述方法對船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，

處理前后的船舶運(yùn)動(dòng)信息如圖1所示。

2.2船舶相對運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算

假設(shè)本船坐標(biāo)U。，3V)、他船坐標(biāo)U，3V)，本船

航向為C。、航速為t;。，他船航向?yàn)?/span>Q、航速為％。需

要計(jì)算的船舶相對運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括:他船相對本船的

距離為A，相對于本船的航向夾角G，相對于本船

的航速A，兩船最近會(huì)遇距離和到達(dá)最近會(huì)遇點(diǎn)

的最小會(huì)遇時(shí)間13=。

以本船為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系如圖2所示。從原點(diǎn)開

始繪制本船航向、他船航向矢量線及矢量線頂點(diǎn)坐標(biāo)

(分別為U，1)、U2, ％ ))，相對航速矢量線及矢量

線頂點(diǎn)坐標(biāo)（(工，y)，工=而一工1二力一凡)。

圖船舶相對航向及航速示意圖

2

1)他船相對本船航速A的計(jì)算公式為

vr ^vl+v 2v^v

= —

cosCr 〇

(3)

2)；

他船相對本船航向的計(jì)算公式為

C

cr = c〇 —-cl0

(4)

根據(jù)AIS船舶的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)，G的具體計(jì)算公式為

arg tan(i)，

X

x

03； 0

> ，>

arg tan( —) +

X

2%

，x > 0，3;〈 0

cr…

arg tan(!)十 ，

X

tt

x

〈

0

0

(5)

丌

j： = 0，y〉0

3

tt

T，

j

: = 0，y〈 0

、 0，

x = 0,

y 0

=

3)

最近會(huì)遇距離乃^和最近會(huì)遇時(shí)間的計(jì)

T；pa

804

中國科技論文

第12卷

算。如圖3所示，本船航向與A間的夾角^認(rèn)與

R間的夾角0的計(jì)算公式分別為：

q

=

iaZaZ

--7^ 0 ^ ^ 7

()

6

(0 TT TT < Q ^ 2?r?

；一，；

6

=

CrqCr^q

— ，

Cr—g 十 2丌，Cr

〈 。

q

(7)

式中a為他船相對本船的方位角，則最近會(huì)遇距離

乃^和最近會(huì)遇時(shí)間7^計(jì)算公式分別為：

Drsin<9,

〇<

d<f

Drsin(Tt — 1 < < 7T

(9)(9

，

一 Drsin( Tr 一 (9)

，

Kd<^f

<

Dcl

();

8

Drsin(2一

丌，

(9)

^<<

62

k

0,

卜〇，f

D

”

卜7r，警

’

Drcosd

幻r

〇<<^

d

Z

DrC〇S(7T — 6

)

號(hào)〈〈

2

ffTC

Drcos(6 —

tc

)

Kd

<<^

2

Tcpad2n

Dr d

costt

(2 —

)

^<<

2

Dr

6=0

Dr

d

=^

2

0,

以—

—

TT 3

丌，j

丌

2. 3船舶會(huì)遇樣本提取

根據(jù)避碰規(guī)則兩船會(huì)遇局面可劃分為對遇、交

叉相遇和追越，如圖4所示。

根據(jù)避碰規(guī)則及船舶避碰實(shí)踐，在選取船舶會(huì)

遇樣本時(shí)的條件設(shè)置為

(

Dcpa ^ 2 n mile

— 0. 3 h ^ Tcpa ^ 0. 8 h, (10)

[t; > 0? 1 kn

3實(shí)例分析

以瓊州海峽為研究對象，應(yīng)用實(shí)際AIS數(shù)據(jù)對

本文所提出的船舶相對運(yùn)動(dòng)參數(shù)和船舶會(huì)遇信息提

取方法進(jìn)行驗(yàn)證。瓊州海峽是我國三大海峽之一，

其船舶定線制主要包括2條分道通航制、3個(gè)警戒區(qū)

和1個(gè)禁航區(qū)，如圖5所示。

圖瓊州海峽船舶定線制示意圖

5

選取2009年6月1日一2008年6月22日共22

d的AIS數(shù)據(jù)為研究對象，數(shù)據(jù)容量共計(jì)1. 01 G，提

取船舶會(huì)遇信息的具體步驟為：1)對AIS原始代碼

進(jìn)行解碼處理，將解碼后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中；2)按

時(shí)間順序遍歷數(shù)據(jù)庫，讀取當(dāng)前時(shí)刻船舶數(shù)據(jù)，記作

“本船”;并從數(shù)據(jù)庫尋找同一時(shí)間段內(nèi)位于同一區(qū)

域相近位置的船舶，記作“他船”;3)運(yùn)用插值方法計(jì)

算相同時(shí)刻的兩船動(dòng)態(tài)信息，并計(jì)算船間相對運(yùn)動(dòng)

參數(shù)4)記錄不同會(huì)遇態(tài)勢下的船舶航跡信息。

第7期

江龍暉，等;數(shù)據(jù)中船舶會(huì)遇信息的提取方法

AIS

事大學(xué)學(xué)報(bào)，

I 201137(1): 51-54.

805

重復(fù)上述步驟，從22 d的AIS數(shù)據(jù)中提取出船

舶會(huì)遇樣本數(shù)共計(jì)2 090個(gè)，剔除AIS數(shù)據(jù)中的船舶

航行狀態(tài)錯(cuò)誤、航速大小錯(cuò)誤等樣本，最終得到的有

效樣本數(shù)量為1 045個(gè)，其中對遇船舶樣本數(shù)290

個(gè)，交叉會(huì)遇樣本數(shù)500個(gè)，追越會(huì)遇樣本數(shù)255個(gè)。

為了驗(yàn)證提取出的樣本是否有效，隨機(jī)選取部

分樣本數(shù)據(jù)，以直航船為中心將讓路船航跡線其繪

制于圖6,將不同會(huì)遇態(tài)勢下的讓路船航跡繪制于圖

圖6(a)是5條讓路船的航跡線，由于直航船航向

波動(dòng)引起航跡線波動(dòng)較大，對直航船航向數(shù)據(jù)進(jìn)行

平滑處理后，繪制的讓路船航跡線如圖6(b)所示。

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[J12009,

37(6 1185-1191.

從圖6結(jié)果可以看出，這5艘船舶都與本船形成了會(huì)

遇態(tài)勢，每條曲線可以清晰地描繪出會(huì)遇情況下船

舶的運(yùn)動(dòng)軌跡。從圖7結(jié)果可以看出，不同會(huì)遇態(tài)勢

的船舶航跡被清晰的分開，可以作為研究各種會(huì)遇態(tài)

勢下船舶領(lǐng)域模型的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。圖6和圖7的結(jié)果說

明本文所提方法可以有效地提取船舶會(huì)遇信息。

ubG

)對遇會(huì)遇 （)交叉會(huì)遇 )追越會(huì)遇

圖不同會(huì)遇態(tài)勢下的讓路船航跡線

7

4結(jié)語

本文給出了用于船舶領(lǐng)域研究的AIS數(shù)據(jù)處理

方法。通過對AIS信息解碼獲取船舶原始動(dòng)態(tài)信

息，運(yùn)用插值計(jì)算方法和船舶運(yùn)動(dòng)幾何原理計(jì)算船

舶相對運(yùn)動(dòng)參數(shù)，根據(jù)避碰規(guī)則和航海實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對

不同會(huì)遇態(tài)勢下的船舶會(huì)遇樣本進(jìn)行提取。采用瓊

州海峽AIS數(shù)據(jù)對本文所提出的方法進(jìn)行了驗(yàn)證，

結(jié)果表明本文所提出的方法可以有效地提取船舶相

對運(yùn)動(dòng)參數(shù)和船舶會(huì)遇信息,可以用于船舶領(lǐng)域模

型的研究。

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