一種計算AIS基站信號覆蓋率的方法

向 哲，胡勤友，施朝健

(上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306)

一種計算AIS基站信號覆蓋率的方法

向 哲，胡勤友，施朝健

(上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306)

船舶自動識別系統(tǒng) (AIS)通過基站收集附近水域船舶航行數(shù)據(jù)，用于避碰、航跡追蹤、搜救等，是海上交通安全的重要保障。為計算AIS基站的信號覆蓋率，提出一種利用網(wǎng)格技術(shù)的GridCount算法。將水域網(wǎng)格化，選取目標(biāo)船，獲取其已發(fā)送AIS信號所占網(wǎng)格，計算單船已發(fā)送信號數(shù)量網(wǎng)格圖;利用插值算法，計算目標(biāo)船應(yīng)發(fā)送AIS信號，獲取單船應(yīng)發(fā)送信號數(shù)量網(wǎng)格圖;疊加不同船舶的已/應(yīng)發(fā)送信號，形成多船已/應(yīng)發(fā)送信號數(shù)量網(wǎng)格圖;比對已/應(yīng)發(fā)送信號數(shù)量，獲取信號覆蓋率網(wǎng)格頻數(shù)圖。利用Grid-Count算法，計算、疊加100 000張網(wǎng)格圖，獲取成山頭AIS基站信號覆蓋率，結(jié)果表明:AIS基站的最大覆蓋半徑為4.5 nmile，且信號覆蓋率隨到基站距離的遞增而遞減。

信號覆蓋率;數(shù)據(jù)挖掘;AIS數(shù)據(jù)分析;網(wǎng)格化;插值算法

0 引言

船舶自動識別系統(tǒng)(automatic identification system，AIS)通過基站收集、記錄附近水域船舶航行數(shù)據(jù)，用于避碰、追蹤、搜救、數(shù)據(jù)分析等［1－3］，是海上交通安全的重要保障。AIS信號由船載設(shè)備發(fā)射，岸基基站接收，信號發(fā)射頻率［4］如表1所示。

實際上，由于傳輸特性、發(fā)射功率、基站狀態(tài)、地理特征等影響，AIS基站接收的數(shù)據(jù)信息往往達不到表1中標(biāo)準(zhǔn)。因此國內(nèi)外一些學(xué)者提出對AIS基站的信號覆蓋率進行研究，幫助港口運營方、基站部門有效地選址、安置AIS基站，以提高AIS信號覆蓋率。更高的信號覆蓋率則有利于港口運營方、監(jiān)管部門開展船舶追蹤、避碰，海上人員搜救等業(yè)務(wù)的開展，提高海上安全保障。

表1 AIS信息的動態(tài)信息更新率Table 1 Replacement rate of dynamic information of AIS

文獻［5－6］較早研究了雷達信號數(shù)據(jù)和AIS信息數(shù)據(jù)的特點和模式，并進行信號覆蓋率研究，但該研究主要集中于雷達數(shù)據(jù);文獻［7］中提出了一種直接使用基站接收的AIS信號計算沿岸信號覆蓋特征的方法，通過計算船舶發(fā)出AIS信號的Death、Birth、Active周期統(tǒng)計AIS信號覆蓋特征;隨后文獻［8］還通過一種實時采樣方法對大西洋水域進行研究，映射出動態(tài)AIS信號網(wǎng)絡(luò)覆蓋特征;文獻［9］利用AIS模擬器和動態(tài)交通流模型，研究了衛(wèi)星AIS的覆蓋性能和更新頻率;文獻［10］提出從接收傳輸端估算AIS信號覆蓋特征的新方法，利用基于貝葉斯二項式模型的插值方法來恢復(fù)AIS傳輸中的錯誤信息;文獻［11］著重描述了一種數(shù)據(jù)的后處理方法，利用具有經(jīng)驗性的歷史數(shù)據(jù)，解決物標(biāo)間AIS信號重疊的問題;文獻［12－13］先后提出了不同的AIS數(shù)據(jù)插值的方法，前者使用船舶航線上的概率對AIS信號的經(jīng)、緯度坐標(biāo)進行插值，而后者方法不僅能對坐標(biāo)插值，還可對船速進行插值，可用于估算船舶一段時間應(yīng)該發(fā)送的AIS信號數(shù)量。

上述研究大致存在兩個缺點:其一，研究多通過一段時間內(nèi)的實時采樣AIS數(shù)據(jù)計算覆蓋率，因此受該時間段船舶、氣候、環(huán)境影響較大，其結(jié)果也具有單一性和不可再現(xiàn)性。其二，研究中計算和觀測的信號覆蓋率往往只是一維的數(shù)值，無法全面獲取覆蓋范圍一片水域內(nèi)的覆蓋率，可視化程度也較低。為解決上述問題，本文提出利用海量的AIS歷史數(shù)據(jù)、插值算法和網(wǎng)格化技術(shù)的GridCount算法，可較為高效地計算AIS基站信號覆蓋率。

1 算法原理

GridCount算法原理:AIS基站信號覆蓋率由基站附近水域內(nèi)已發(fā)送的信號數(shù)量和應(yīng)發(fā)送的信號數(shù)量確定。將基站附近水域網(wǎng)格化，選取目標(biāo)船舶，獲取其已發(fā)送的AIS信息所占的網(wǎng)格，計算單船已發(fā)送信號數(shù)量網(wǎng)格圖;利用插值算法，計算目標(biāo)船舶應(yīng)發(fā)送的AIS信息，獲取單船應(yīng)發(fā)送信號數(shù)量網(wǎng)格圖;疊加不同船舶的已/應(yīng)發(fā)送信號數(shù)量網(wǎng)格圖，形成多船已/應(yīng)發(fā)送信號數(shù)量網(wǎng)格圖;對比各個網(wǎng)格內(nèi)已/應(yīng)發(fā)送的AIS信號數(shù)量，最終形成基站附近水域的AIS信號覆蓋率網(wǎng)格頻數(shù)圖;按照頻數(shù)值的大小為網(wǎng)格頻數(shù)圖填充顏色，可清晰地觀測AIS信號覆蓋率。算法流程如圖1所示。

2 具體步驟

計算AIS信號覆蓋率網(wǎng)格頻數(shù)圖分為以下幾個步驟:

①數(shù)據(jù)預(yù)處理:從海量AIS數(shù)據(jù)中處理掉失真、錯誤的信息。

②網(wǎng)格化水域:將分析水域按照一定標(biāo)準(zhǔn)劃分為由多個小網(wǎng)格組成的網(wǎng)格圖，每個網(wǎng)格大小固定。實驗中將分析水域劃分為100×100個小網(wǎng)格，每個網(wǎng)格大小3 000 m×3 000 m。

③選取目標(biāo)船舶:從AIS數(shù)據(jù)中選出航向和航速穩(wěn)定，并在水域內(nèi)正常航行的船舶。

圖1 算法流程Fig.1 Algorithm flow

④獲取單船已發(fā)送信號數(shù)量網(wǎng)格圖:數(shù)據(jù)預(yù)處理后的AIS信息可視為已發(fā)送的AIS信號，計算其經(jīng)、緯度值所占據(jù)的網(wǎng)格水域，若該網(wǎng)格被占用即為該網(wǎng)格計數(shù)值1，原理如圖2。

圖2 單船已發(fā)送信號數(shù)量網(wǎng)格圖計算原理Fig.2 Calculation grid graph of transmitted signal of single ship

⑤獲取單船應(yīng)發(fā)送信號數(shù)量網(wǎng)格圖:利用單船已發(fā)送AIS信號的經(jīng)、緯度坐標(biāo)，利用插值算法，為單船恢復(fù)向量軌跡，計算單船應(yīng)發(fā)送信號數(shù)量網(wǎng)格圖。設(shè)在任意時間區(qū)間［ti，tj］上，ti、tj時刻對應(yīng)的船舶經(jīng)、緯度坐標(biāo)向量及其高階導(dǎo)矢量分別為，則船舶t時刻向量軌跡為

其中，系數(shù)ak、bk、k=0，1，2，…，2n+1，須滿足

k值由r(t)導(dǎo)矢量的階數(shù)來確定，當(dāng)n=1，即導(dǎo)矢量為一階時，則k=3;當(dāng)n=2，即導(dǎo)矢量為二階時，則k=5。利用式(2)進行航速插值:

利用上述插值算法可獲取船舶向量軌跡(即每時刻船位)和每時刻船速。依據(jù)船位和船速，參照表1中AIS更新頻率，可繪制更為精確的單船已發(fā)送信號軌跡圖。將已發(fā)送信號的經(jīng)、緯度值所占的網(wǎng)格水域計數(shù)，可獲取單船應(yīng)發(fā)送信號數(shù)量網(wǎng)格圖，效果圖見圖3:圖3a為使用Matlab顯示的單艘目標(biāo)船舶的已發(fā)送信號形成的航跡圖;圖3b為使用插值算法后單艘目標(biāo)船舶的應(yīng)發(fā)送信號形成的航跡圖;圖3c為在獲取了單船應(yīng)發(fā)送信號形成的航跡圖基礎(chǔ)上，計算AIS信息所占網(wǎng)格并獲取的單船應(yīng)發(fā)送信號數(shù)量網(wǎng)格圖。

⑥獲取多船已/應(yīng)發(fā)送信號數(shù)量網(wǎng)格圖:網(wǎng)格數(shù)據(jù)易于數(shù)據(jù)處理，只需將不同的單船已/應(yīng)發(fā)送信號數(shù)量網(wǎng)格圖疊加即可獲得，之后運用Matlab將網(wǎng)格圖按照網(wǎng)格計數(shù)值的大小填充顏色，可獲得圖4效果。其中圖4a～4c分別展示了3艘單船應(yīng)發(fā)送信號數(shù)量網(wǎng)格圖，圖4d則展示若干單船疊加而成的多船應(yīng)發(fā)送信號數(shù)量網(wǎng)格圖(多船已發(fā)送信號網(wǎng)格數(shù)量圖也用相同方法處理，此處不再累述)。

圖3 單船應(yīng)發(fā)送信號數(shù)量網(wǎng)格圖Fig.3 Calculation grid graph of should-transmitted signal of single ship

⑦獲取信號覆蓋率網(wǎng)格頻數(shù)圖:在獲取了多船已/應(yīng)發(fā)送信號數(shù)量網(wǎng)格圖的基礎(chǔ)上，設(shè)網(wǎng)格i中已發(fā)送信號總數(shù)為Si，應(yīng)發(fā)送信號總數(shù)Ti，利用式(3)計算每個網(wǎng)格的信號覆蓋率Gi:

將Gi進行歸一化處理后，按照頻數(shù)值的大小為網(wǎng)格頻數(shù)圖填充顏色，最終形成分析水域內(nèi)信號覆蓋率網(wǎng)格頻數(shù)圖。

3 信號覆蓋率

選取成山頭AIS基站為實驗?zāi)繕?biāo)，其附近水域為分析水域，以(122°48.12'E，37°24.74'N)為中心，將該水域劃分成100×100個網(wǎng)格，每個網(wǎng)格3 000 m×3 000 m。使用 GridCount算法獲取100 000張單船信號網(wǎng)格圖，最終生成基站信號覆蓋率的網(wǎng)格頻數(shù)圖，效果如圖5所示。

其中不同顏色的網(wǎng)格代表了水域內(nèi)不同位置的信號覆蓋率，其信號覆蓋率大小與顏色對應(yīng)關(guān)系可參考圖5a中的色譜。圖5b則使用flex技術(shù)將網(wǎng)格圖直接對應(yīng)于實際坐標(biāo)，利于觀測，地圖上無網(wǎng)格的范圍即采樣船舶數(shù)據(jù)中無船駛過的區(qū)域，其信號覆蓋率為空。警戒區(qū)下沿位于圖的正中，紅色箭頭所示。圖5的特點如下:

1)分析水域內(nèi)可明顯觀測到陸地區(qū)域等無船經(jīng)過水域無AIS數(shù)據(jù)，其覆蓋率也為0;

圖4 多船應(yīng)發(fā)送信號數(shù)量網(wǎng)格圖的獲取過程Fig.4 Calculation grid graph of transmitted signal of ships

2)分析水域隨著離AIS基站距離的遞增，信號覆蓋率遞減。將網(wǎng)格頻數(shù)圖繪制成三維圖，以正中心位置(網(wǎng)格坐標(biāo)50，50)沿真北方向切割，可獲取斷面信息，以便觀測覆蓋率遞減趨勢，結(jié)果如圖6所示。圖6a為圖5網(wǎng)格頻數(shù)圖的1/4(按正中心切割)，圖6b為圖6a旋轉(zhuǎn)至斷面處的平面圖，可清晰觀測到AIS信號覆蓋率的衰減趨勢。由于每個網(wǎng)格大小為3 000m×3 000 m，可觀測到分析水域內(nèi)AIS信號的最大覆蓋半徑為45 nmile，若以網(wǎng)格頻數(shù)大于0.5作為有效覆蓋標(biāo)準(zhǔn)，則有效覆蓋半徑為30 nmile。

圖5 基站信號覆蓋率網(wǎng)格頻數(shù)圖Fig.5 Grid frequency diagrams of AISbase station

圖6 信號覆蓋率衰減趨勢Fig.6 Attenuation of signal coverage

4 結(jié)束語

(1)通過計算船舶已/應(yīng)發(fā)送信號數(shù)量網(wǎng)格圖可以計算出AIS信號的覆蓋率。

(2)計算AIS信號覆蓋率，利用船舶已發(fā)送信號，使用插值算法獲取應(yīng)發(fā)送信號，并獲取應(yīng)發(fā)送信號數(shù)量網(wǎng)格圖。

(3)信號覆蓋率隨著離岸基基站距離的遞增，信號覆蓋率遞減，且基站最大覆蓋半徑為45 nmile。

今后工作方向為優(yōu)化智能技術(shù)，提高研究水域的豐富性，考慮多基站覆蓋下的AIS信號覆蓋率。

［1］Chang S J．AISapplications as an efficient tool for VTS［J］．Sea Technology，2006，47(3):15－18．

［2］ystein H，ystein O，Torkild E，et al．Ship identification and tracking using a space based AIS receiver［C］ //Pro-ceedings of the 4S Symposium Small Satellites，Systems and Services．Chia Laguna，Sardinia:European Space Agency，2006:6－11．

［3］Sang L Z，Yan X P，Mao Z，etal．Restoringmethod of vessel track based on AIS information［C］ //11th International Symposium on Distributed Computing and Applications to Business，Engineering and Science．Guilin:IEEE Computer Society，2012:336－340．

［4］Marsh G．AIS network making tracks［J］．Shipping World and Shipbuilder，2006，42(17):32－37．

［5］Francesco S，Clio M，F(xiàn)abrizio C，et al．Analysis of the radar coverage provided by a maritime Radar Network of Co-operative Vesselsbased on real AISdata［C］//2013 10th European Radar Conference，EuRAD 2013－Held as Part of 16th European Microwave Week，EuMW 2013．Nuremberg:IEEE Computer Society，2013:251－254

［6］Lin B，Huang C H．Comparison between arpa radar and AIS characteristics for vessel traffic services［J］．Journal of Marine Science and Technology，2006，14(3):182－189

［7］Lapinsbi A L S，Isenor A W．Estimating reception coverage characteristics of AIS［J］．Journal of Navigation，2011，64 (1):609－623．

［8］Lapinski A L S，Isenor A W．Mapping AIS coverage for trusted surveillance［C］ //Unmanned/Unattended Sensors and Sensor Networks VII．Toulouse:SPIE，2010:237－244．

［9］te Hennepe F，Rinaldo R，Ginesi A，etal．Space-Based detection of AIS signals:Results of a feasible study into an operaional space-based AIS system［C］//Processing for Space CommunicationsWorkshop．Cagliari:IEEE Computer Society，2010:17－24．

［10］Hammond TR，Peters D J．Estimating AIS coverage from received transmissions［J］．Journal of Navigation，2012，65 (4):409－425．

［11］Plass S，Poehlmann R，Dammann A，etal．Investigations on AIS Signal Reception on Aircraft at Higher Altitudes［C］ // OCEANS 2014 MTS/IEEE Taipei Conference:Oceans．Taipei:IEEE，2014:1－7．

［12］Hammond T R，Peters D R．Interpolation between AIS reports:Probabilistic inferences over vessel path space［J］．The Journal of Navigation，2011，64(11):595－607．

［13］Hu Q Y，Gai F J，Yang C，etal．An algorithm for interpolating ship movtion vector［J］．Trasnav:International Journal on Marine Navigation and Safety of Sea Transportation，2014，8(1):37－40．

Calculation method for AIS signal coverage

XIANG Zhe，HU Qin-you，SHIChao-jian
(Merchant Marine College，Shanghai Maritime University，Shanghai201306，China)

Ship Automatic Identification System(AIS)，which recordes ship navigation data through the base station for collision avoidance and path tracking，has been an important guarantee formaritime traffic safety．This paper，by postGridCountalgorithm，calculates the coverage of AISsignal．Through griddingwaters according to certain standards，selecting target ships，calculating and summarizing its already-transmitted AIS signal in each grid，the already-transmitted AISgrid diagram of single ship can bemade．Through interpolation algorithm，calculating and summarizing ship’s should-transmitted AIS signal in each grid，then the should-transmitted AIS grid diagram of single ship can be acquired．Overlying different ships already-transmitted AIS number and its should-transmitted AIS number，the already/should transmitted AIS grid diagram can bemade．Divided alreadytransmitted AISnumber and should-transmitted AISnumber in each grid，the grid frequenxy diagram of AIS signal coverage can be acquired．Then the grid frequency diagram of AISsignal coverage can be acquired．The experiment uses AIS data from ships sailing in Chengshantou waters，the result shows that themaximum coverage radius of AIS base station is 45 nmile，and the signal coverage decreaseswith increasing distance from the AIS base station．

coverage of AIS signal;datamining;AIS data analysis;gridding;interpolation algorithm

TP399

:A

2015－09－23

上海市人才發(fā)展資金項目 (201436)

向 哲 (1984—)，男，博士研究生，研究方向:AIS數(shù)據(jù)控掘，240648795@qq.com。

施朝健，教授，cjshi@shmtu.edu.cn。

向哲，胡勤友，施朝?。环N計算AIS基站信號覆蓋率的方法［J］．桂林理工大學(xué)學(xué)報，2016，36(4):844－848．

1674－9057(2016)04－0844－05

10.3969/j．issn.1674－9057.2016.04.033