船载AIS数据分段实时压缩改进方法

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船载AIS数据分段实时压缩改进方法

夏圣凯王常法江有福

渊袁316000冤

浙江海洋学院数理与信息学院浙江舟山

揖铱渊AIS冤袁AIS遥AIS袁AIS遥

摘要随着船舶自动识别系统的普及沿岸通过基站联网而收集了海量的信息存储信息需对信息进行压缩处理

本文在压缩算法的基础上采用一阶和二阶差商作为判据以支持动态实时压缩并且探索了采用二阶插值进一步压缩节点

Douglas-Peucker袁袁袁

算法效率高压缩效果好

袁遥

揖铱(AIS)曰Douglas-Peucker曰

关键词自动识别系统算法轨迹压缩

员AIS

信息的特点

即单位时间内径向速度用表示纬向速度也就是说经

曰自遥袁

准

=

准-准

为避免海上碰撞等事故的发生由国际海事组织国际助航

袁(IMO)尧

t-t

ii-1

ii-1

设备和航标协会以及国际电信联的共同努力下制定了

(IALA)(ITU-R)

度方向前向一阶差商一阶差商表示为

院姿

爷

i

国际标准即船舶自动识别系统

袁(AutomaticIdentificationSystem袁AIS)遥

爷122

=自自袁驻=+自遥

姨

=自袁

姿

纬度方向前向一阶差

它采用自组织时分多址

(Self-OrganidTimeDivisionMultipleAccess

商

院准

ii

准姿准

简称技术周期性地到发布一条在海上通过

VHF遥AIS

SOTDMA)袁渊2S6min冤

自自

几何均值为而二阶差商表示为航迹的弯曲程

度

袁姿

""""

姿姿准准

iiiii

=袁准=袁袁驻=姿+准遥

t-tt-t

-自-自

ii-1ii-1

几何均值为

圆

的静态信息和船舶的动态信息两方面的内容其中静态信息包括

频道自动广播船舶的航行状态等信息船舶信息包括船舶

IMO尧尧尧尧尧尧尧曰

有了一阶和二阶差商求峰值点就不需要计算三角形面积公式

袁袁

姨

22

求峰值的而是根据数据点进入时一阶差商的符号来判断例如图一

遥

态信息包括船位实时航迹向对地航速船首向航行状态转向率

编码呼号船名长度宽度吃水目的港选用航线计划等动

院院

院()尧尧尧尧尧

中节点一阶差分信息纬度一阶差商的符号跟相比

袁渊i袁j袁k冤袁自自袁

等

遥

因为数目众多传送数据时又非常频繁的所以这些船舶的轨

AIS袁

和和

自-自袁-自-自袁自-自

或者即的符号的符号只要符号由

自自袁袁

准i准k

准i准k准j准k姿i姿k姿j姿k

正转负或者由负转正的转折就是偏离当前节点的最大峰值点当

袁遥遥

迹数据是非常庞大的比如在宁波舟山港多艘船只一月传回来

袁袁6000

然在最大峰值点的时刻没有船位信息报告时即转折点不是恰恰在

袁袁

的轨迹数据就高达然而船舶的运动轨迹经常是周期性的有规

8GB遥袁袁

最大峰值离散点则峰值点左右节点的取舍由二阶插值误差的大小来

袁

律可循比如静态或直线运动船舶我们可以把数据压缩成更小的数

袁袁

确定二阶差商表示为航迹的弯曲程度二阶差商符号改变时候

遥姿i冶袁袁

量而不丢失特征信息数据压缩的成功与否取决于用户对数据的要

袁

出现拐点利用弯曲度的中间值和一阶差商符号的变化判断峰值点

袁袁

求包括位置速度转向率等误差的需求实际船位包括信息中

袁袁袁遥AIS

这些值有误差有的甚至没这些问题可以通过船位来估算以修正收

袁袁

到信息的真实度

遥

姨

更精确用来判断含有速度维

遥|阅|=渊姿

圆员圆员圆员

原姿冤垣渊准原准冤原驻冤

圆圆11圆

袁遥

本文在算法里通过分步判断完成的两点间的距离

+渊驻

2

差商

猿

插值约简

文献详细阐述了信息三维动态压缩方法该方法用

[1]AISD-P袁

也不能满足高效率压缩本文采用二次插值如图所示

D-P袁袁

算法采用一阶线性插值既不符合不符合船舶运动的特点

棕=

姨

渊姿原姿冤垣渊准原准冤

圆员圆员

圆圆

贼

表示对地航速对时间差加权

渊SOG冤袁棕棕

粤月

i0袁i1袁i4袁袁

袁Lagrange袁2袁

圆

轨迹还原时可以唯一重构图所示真实值和插值误差如阴影部

此三点能构成一个唯一的二次插值多项式保留此三点在

渊贼原贼冤

袁遥L2袁

圆员

作为调节经纬度在距离求解中的权重从而两点间的距离公

袁

分所示这时离的距离小于到线段之间的距离这时

袁袁i2L2i2i1尧i2袁袁

式表示为

|AB|=渊姿

姨

圆圆圆

可以删除点

i2遥

准遥

表示纬度

圆员圆员圆员

原姿冤垣渊准原准冤原贼冤袁袁姿袁

+棕渊贼

|AB|袁棕渊贼原贼冤=渊姿原姿冤垣渊准原准冤*渊贼原贼冤袁

表达式中这一项

其中表示经度

实际上是距离和时间的乘积也就是为时间差越大距离时间的值越

圆员圆员圆员圆员

圆圆圆

袁袁

姨

大有些场合时间差越大时就需要保留这个数据点而转向率大时

遥袁袁曰袁

渊棕原棕冤袁

12

圆

更能反映速度变化从这个角度出发如果用

遥袁自

姿

=

姿-姿

t-t

ii-1

ii-1

图插值及误差

2

设已知

x

多项式

袁L

0120011222

袁x袁x袁y=f渊x冤袁y=f渊x冤袁y=f渊x冤袁L渊曾冤

及为不超过二次

L

Lagrange

曾冤=y渊垣y垣y

2001122

渊曾冤渊x袁y冤袁渊x袁y冤袁渊x袁y冤袁院

为过的二次曲线从而得到

20员圆

渊曾原曾冤渊曾原曾冤渊曾原曾冤渊曾原曾冤渊曾原曾冤渊曾原曾冤

渊曾原曾冤渊曾原曾冤渊曾原曾冤渊曾原曾冤渊曾原曾冤渊曾原曾冤

园员园圆员园员圆圆员圆园

员圆园圆员园

图节点运动轨迹场景

1

渊x冤曾袁曾袁曾袁2Lagrange袁渊39冤

关于节点阶插值多项式则对下转第页

设

曾

园员圆

袁曾袁曾沂咱a袁b暂袁f渊x冤咱a袁b暂3袁蕴渊曾冤f

插值余项

园员圆

在上有连续的阶导数为

灶

作者简介夏圣凯男浙江海洋学院数理与信息学院本科生

淫院曰渊LY12F02022冤曰渊2011C11046冤遥

基金项目浙江省大学生创业项目浙江省自然科学基金浙江省科技厅重大项目

院袁袁袁遥

王常法男浙江海洋学院数理与信息学院本科生

袁袁袁遥

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19

.. All Rights Rerved.

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功能函数就可以实现强大的分布式数据库应用了

2.4.2

遥

3.2

标签页控件是一个很好用的组件使用它可以

标签页

渊TabControl冤.NET袁

方便地组织界面节省显示空间通过的属性可为然后在三个地点同时运行程序先进行初始化程序会

袁袁TabControlCollection192.168.0.3遥袁袁

DDBlocation袁192.168.0.1袁192.168.0.2袁

首先在互联网上的三台电脑上放置该程序并分别修改数据库

测试

中的表设北京为上海为西安

袁

以为控件添加标签页在标签页上可以添加各种控件组件在程序自动判断当前所处的地理位置并在标题上显示此时可以执行各个查

遥袁袁袁

中往往会遇到要判断当前是哪个标签页正在被显示询了这可以使用

TabControlSelectIndex遥Index袁

袁遥袁

本地数据库查询会将本地数据库系统中的信息显示出来远程

袁曰

通过这个索引数据库查询可以将除了本地数据库以外的其他数据库显示出来显示就可以找出用户关心的标签页了

的属性来判断每个标签页都对应一个

2.4.3渊DataGrid冤

袁袁遥

的速度依赖于网络的状况联合数据库的查询更将依赖三地数据库的

曰

数据表格是框架中用来显示数据的可以把中的内联合操作任何一方出问题将直接导致查询失败

数据表格的使用

.NET袁DataSet袁遥

容通过显示出来同时用户在中的修改也会对应

DataGrid袁DataGrid

到中为了允许记录被编辑支持一个整数类型的

源

结论

EditItemIndex遥袁DataGrid

DataSet遥袁DataGrid

来代替文本标签显示同时当的的属性被设

属性设置了该属性后将该行内容用输入框

遥袁DataGridAllowSorting

更加高效可靠有效地解决了开发分布式数据库系统的主要问题大

C#袁

通过访问数据库使得对数据库的操作及管理变得

尧袁袁

为它在列标题位置提供了超链接用以激活命令并返回给

true袁袁Sort袁

大减轻了系统开发工作量并且提高了系统的可靠性和安全性

袁遥

表格当用户点击这个链接时所调用的事件句柄可以在的

OnSortCommand遥DataGrid

遥袁DataGrid

设为不显示只要使属性设置为就行了

袁CaptionVisibleFal遥

属性中设定若要在程序中将所有的的标题

咱员暂.C#50[M].:,2001.

揖铱

参考文献

3

运行环境和测试

咱圆暂,,.C#[M].:,2003.

吴财军经典范例讲北京北京希望电子出版社

3.1

咱猿暂.Access2002[M].:,

黄承安谢东文等网络应用案例导航北京中国铁道出版社

2003.

桂思强数据库系统开发实例导航北京中国铁道出版社

本分布式查询系统基于以下环境才能正常运行

运行环境

MicrosoftDataAccessComponents(MDAC)2.8曰

遥

咱源暂.Access2002[M].:,2003.

Microsoft.NETFrameworkRedistributable1.2曰

咱缘暂窑,.C#:尧XML尧web

胡绪英数据库技术及应用北京科学出版社

MicrosoftInternetExplorer(IE)6.0遥

[M].,,.:,2003.

麦曼斯克兹曼编开发人员指南服务与

常晓波朱剑平译北京机械工业出版社

咱院暂

责任编辑杨扬

渊19冤x沂咱a袁b暂袁n=2

上接第页任意

对保持经向和纬向速度和方向保持不变的船舶轨迹信息不予记

砸棕渊曾冤援袁孜曾

录如第行

灶灶

渊曾冤越枣渊曾冤原蕴渊曾冤越袁曾袁曾渊

枣

渊灶垣员冤

袁

渊孜冤

其中位于

园员圆

自)=-1)袁遥袁

袁5遥sign(自

姿i+2姿i+1姿i+1姿i准i+2准i+1准i+1

-自)*sign(自-自)=-1orsign(自-自)*sign(自-

x冤袁棕渊x冤=渊曾原曾冤

仪

灶

渊灶垣员冤浴

依赖于

二阶拐点之间的节点如果二阶插值误差小于一定则不

准i

用于判断峰值点记录峰值点对基准点到峰值点及峰值点到

袁Lagrange着袁

躁越园

躁

需要插值扫描结束基准点移动到峰值点循环

遥袁遥遥

源

算法

缘

实验及结论

本算法支持实时连续性每增加一个新节点即时判断首先对静

袁袁遥

压缩率为压缩后的点的个数后的大小与压缩前的大小之比实验

遥

止的船舶和位移很小的船舶不记录船位信息如算法行

1initD袁自袁着曰

袁袁3,4遥

过程中我们随机选取渔业船舶一天的数据进行数据

袁MMSI42344170

压缩对比没有压缩前有数据点压缩后只有挑选的轨迹

袁4750袁2230袁

2while(nextnewnode){

挑选了平均值达到油轮一天的数据从

3if(dis(i,i+1)<=D){

maxmax

3435314袁2803袁

4if(姿-姿<着)and(准-准<=着){

p=next;continue;}

max

632袁49.6%遥

个压缩到期间停顿状态有个数据点单从运动状态

袁49.3%遥MMSI413441640袁

i+1ii+1i

船舶类型今后要从大量的船舶类型货轮客轮拖船捕捞等类型做

个点看压缩率达到当然目前我们只是选取了几个典型的

袁尧尧尧

大量的分类压缩对比试验

遥

5if(自<=自)and(自<=自){

p=next;continue;}

姿imax准imax

总结本文采用数值差商压缩算法优点有静止的船舶差商

院袁院渊1冤

为零直线运动径向和纬向一阶差商为常量二阶差商反映了

曰渊2冤曰渊3冤

6if(sign(自-自)*sign(自-自)=-1

p=next;continue;}

轨迹的弯曲程度运算的目的是更好的提高数据的压缩率减低运算

遥袁

量支持实时性动态压缩对地航速船首向等多元函数插值压缩

曰渊4冤遥袁

7inrt;

orsign(自-自)*sign(自-自)=-1){

姿i+2姿i+1姿i+1姿i

准i+2准i+1准i+1准i

精度问题有待今后做进一步研究

袁遥

8While(sign(姿冶-姿冶)

咱员暂,,.AIS[J].,

揖铱

参考文献

9if(dis(L(i),t(姿,准))<=着)continue;

*sign(姿冶-姿冶)=-1){

i+2i+1

i+1i

10eli=i+1

2i

2010(1)院11-13.

李名胡勤友孟良基于的船舶运动轨迹压缩技术研究航海技术

11endwhile

}

咱圆暂.[M]援:袁2010袁2院203-227.

徐士良数值方法与计算机实现北京清华大学出版社

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责任编辑王静

渊6冤

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上接第页

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川图书馆学报

咱圆暂.[J].院

科技情报开发与经济

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考吉林公安高等专科学校学报

向远平白云霞关于公安院校图书馆如何在社会开放环境下寻求发展的思

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等教育研究

瞿丹开放环境下高校图书馆读者服务工作的难点及对策分析教育界高

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齐海华开放环境下公共图书馆服务的共性问题邯郸职业技术学院学报

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责任编辑王静

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