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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 用于船舶领域研究的 AIS 数据处理方法# 冮龙晖，齐乐，郑中义* （大连海事大学航海学院，大连 116026） 10 5 摘要：船舶领域是研究船舶行为和船舶交通最为有效的理论之一，AIS 的应用及普及为船舶领域模型的研究提供了大量的数据基础，对原始 AIS 数据进行挖掘使其能应用于船舶领域具有重要研究意义。本文对用于船舶领域研究的 AIS 数据处理方法进行了研究。对 AIS 信息解码获取船舶原始动态信息，运用插值计算方法和船舶运动几何原理计算船舶相对运动参数，根据避碰规则和航海实践经验对不同会遇态势下的船舶会遇样本进行提取。最后应用实际 AIS 数据对本文所提出的方法进行了验证，实证结果表明本文所提出的方法可以有效的提取船舶相对运动参数和船舶会遇信息，可以用于船舶领域模型的研究。关键词：海上交通工程；船舶领域；AIS 数据；船舶会遇；数据挖掘中图分类号：U675 15 The Processing Method of AIS Data Used for Study on the Ship’s Domain Gang Longhui, Qi Le, Zheng Zhongyi (Navigation College of Dalian Maritime University, Dalian 116026) 20 25 30 Abstract: Ship’s domain is a foundational theory for study vessel behavior and vessel traffic. It is provided an amount of data for studying ship’s domain due to the development and considerable use of Automatic Identification Systems. It is significant to mine and use the inherent information of AIS data to ship’s domain and the other field. This paper studied the processing method of AIS data. The dynamic movement data of ship was obtained by decoding the row AIS data, the interpolation method and the geometric principle of ship movement was applied to calculate the relevant movement parameters and information about vessel’s encounter, then the sample of vessel encounter was extracted under the marine collision regulation and navigational practice. The end the actual AIS data was used to verify the method proposed in this paper. The results show that the information of vessel’s encounter can be applied to studying ship’s domain. Key words: Marine traffic engineering; Ship’s domain; AIS data; Vessel’s encounter; Data mining 0 引言船舶领域是研究船舶行为和船舶交通最为有效的理论之一，是船舶自动避碰、航道船舶通过能力、海上航行安全评估、海上交通事故预防预警等研究的基础理论之一。船舶领域定 35 义为绝大多数后继船舶驾驶员避免进入的前一艘在航船舶周围的领域。研究船舶领域时需要获取船舶会遇时两船的位置关系和运动轨迹，以往主要通过海上交通调查、模拟实验或调查问卷，来获得两船相对位置分布以及航海者主观感觉的水域边界等信息，进行统计分析确定船舶领域[1]-[4]。随着船舶自动识别系统（Automatic Identification Systems，AIS）[5]-[6]产生、强制安装和 AIS 岸基的不断完善，AIS 被广泛应用于船舶避碰、船舶交通管理、搜救和航标等领域。AIS 40 数据中包含了较为全面的船舶航行的静态和动态信息，就目前的应用来看 AIS 数据中所隐含的有用信息还没有被完全开发出来。由此可见，对 AIS 数据的深入挖掘和分析处理使其可以用于更多的研究领域具有重要意义。本文将对用于船舶领域研究的 AIS 数据处理方法基金项目：博士点基金（20112125120004）；自然科学基金（51509031）作者简介：冮龙晖（1979-），女，讲师，主要研究方向：海上交通工程，船舶交通安全. E-mail: ganglh@dlmu.edu.cn - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 进行研究。 45 1 AIS 消息及解码 1.1 AIS 消息中的船舶动态信息 AIS 消息包含航次信息、静态信息、动态信息和短消息。航次信息是指安装有 AIS 设备船只的航线、航次等信息，静态信息主要指船舶的名称与类型等较固定的信息，动态信息则 50 来自于船上安装的、和航行有关的传感器，它记录了船舶的位置、航向等实时更新的数据，该信息由 AIS 设备自动读取与发射，故称动态信息；短消息主要是指与安全相关的信息[7]-[9]。可以用于船舶领域研究的数据为船舶的交通信息，主要包括时间、MMSI、航速、真航向、对地航向、经度、纬度和航行状态。其中 MMSI 是一艘船舶的唯一标识；时间、航速、对地航向、经度、纬度可以用于计算船舶间相对运动参数；真航向可以用于判别船舶间会遇态势。 55 1.2 AIS 消息解码 AIS 消息通过编码后进行传输，所需的船舶动态信息被封装 ASCII 码中。AIS 消息解码步骤：（1）读取 AIS 消息，提取封装信息及校验信息，并校验数据是否正确；（2）对消息类型进行判断；（3）按船位报告数据格式对封装消息进行解码，提取 MMSI、航速、真航向、对地航向、经度、纬度和航行状态等数据；（4）提取本条 AIS 消息的时间，与解码结果一起写入船舶动态信息数据库，用于后续处理[10]-[13]。 60 2 基于 AIS 数据的船舶会遇信息提取应用 AIS 数据研究船舶领域模型时需要了解船舶会遇时，船舶间的运动轨迹、运动参数及相对位置。基于 AIS 数据提取船舶会遇信息的思路及步骤：（1）根据 AIS 数据解码后的船舶时间信息和位置信息，寻找同一时间段内位于同一区 65 域相近位置的船舶；（2）对船舶运动数据进行插值分析，由于 AIS 获取的船舶运动信息是时间离散的，两艘船的信息可能不在一个时间节点上，因此需要通过插值方法获取某时刻的船舶运动信息；（3）根据船舶动态数据计算船舶间相对运动参数，主要包括航向夹角、相对速度、相对位置和距离、最近会遇距离、最近会遇时间等； 70 （4）依据避碰规则中对会遇态势的划分，根据船舶相对运动参数，提取可以用于船舶领域研究的船舶会遇样本。 2.1 船舶运动数据插值计算从 AIS 数据中获得船舶动态信息在时间上是离散的，两艘船的信息可能不在一个时间节点上，因此需要通过插值方法将不同时刻的船舶动态数据统一到统一时间点上。表示的是 75 通过 AIS 接受到的两艘船舶的动态信息，假设获得的 A 船数据的时间点为 0000、0010、0020， B 船数据的时间点为 0006、0012，那么在计算船舶相对运动参数之前就需要求解出 0006、 0010、0012 三个时刻两船的动态信息。设 Z(xA,ti, yA,ti), VA,ti, CA,ti 和 Z(xB,ti, yB,ti) , VB,ti, CB,ti 分别表示的是 A 船和 B 船在 ti 时刻的位置、航速和航向。在 ti 到 ti+1 时刻之间船舶的坐标、航速和航向会发生改变，当 AIS 数据时间间隔很短时船舶转向幅度和速度变化较小，可用 ti-1 到 ti+1 两个时刻船位连线方向近似 80 - 2 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 代替 ti 时刻的船舶航向，航速变化和船位变化都可近似看做为线性变化。在 ti 时刻船 A 动态信息为 (1) (2) 85 按照上述方法对船舶运动数据进行插值处理，处理前后的船舶运动信息如图 1 所示。 90 95 （a）插值前（b）插值后图 1 插值处理前后的船舶运动信息图 Fig.1 The movement information of ships before and after interpolation 2.2 船舶相对运动参数计算假设本船坐标(x0 , y0)、他船坐标(xt , yt)，本船航向为 C0，航速为 V0，他船航向为 Ct，航速为 Vt。需要计算的船舶相对运动参数包括：他船相对本船的距离为 Dr，相对于本船的航向夹角 Cr，相对于本船的航速 Vr，两船最近会遇距离 DCPA 和到达最近会遇点的最小会遇时间 TCPA。以本船为原点，正北方向为 x 轴，正东方向为 y 轴建立坐标系，如图 2 所示。从原点开始绘制本船航向、他船航向矢量线，矢量线顶点坐标分别为(x1 , y1)、(x2 , y2)，对矢量线求和可得相对航速矢量线及顶点坐标(x , y)，x = x2 - x1，y = y2 - y1。 100 图 2 船舶相对航向及航速示意图 Fig.2 The relative course and speed （1）他船相对本船航速Vr的计算 (3) 105 （2）他船相对本船航向Cr的计算根据 AIS 船舶的位置坐标数据Cr 的具体计算方法为： Cr = C0 –C1 （4） - 3 - )(1,1,1111,,tiAtiAiiiitiAtiAVVttttVV)(1,1,1,1,1111,,tiAtiAtiAtiAiiiitiAtiAVVVVttttXZ)cos(2102120rrCVVVVV

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn (5) 110 （3）最近会遇距离 DCPA 和最近会遇时间 TCPA 的计算图 3 船舶避碰几何示意图 Fig.3 The diagram of ship collision geometry 115 根据图 2 中的船舶避碰几何，他船相对本船的距离 Dr、他船相对本船的方位角为 a，本船航向与 Dr 间夹角为 q，Dr 与Vr 间的夹角为 θ。最近会遇距离 DCPA 为 120 (6) (7) (8) 最近会遇时间 TCPA 为 - 4 - 0,0,00,0,230,0,20,)tan(arg0,0,2)tan(arg0,0,)tan(argyxyxyxxxyyxxyyxxyCr2,0,qqCqCqCqCrrrr,2,23,,2,0,0223,)2sin(23,)sin(2,)sin(20,sinrrrrrDDDDDDCPA

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn (9) 125 2.3 船舶会遇样本提取根据避碰规则两船会遇局面可划分为对遇、交叉相遇和追越，如图 4 所示。（a）交叉会遇（b）追越会遇（c）对遇会遇（d）交叉会遇图 4 船舶会遇局面示意图 Fig.4 The division of ships’ encounter 根据避碰规则及船舶避碰实践，在选取船舶会遇样本时的条件设置为： (10) 130 3 实证研究本文应用琼州海峡的 AIS 数据对所提出的船舶相对运动参数和船舶会遇信息提取方法 135 进行验证。琼州海峡是我国有名的三大海峡之一，水深大概为 44m，最深处可达 114m，最窄的地方约为 18km，最宽的地方约为 33.5km。琼州海峡船舶定线制由分隔带、通航分道、警戒区、避航区、边界线和沿岸通航带组成，如图 5 所示。图 5 琼州海峡船舶定线制示意图 - 5 - 23,,02,0,223,)2cos(23,)cos(2,)cos(20,cosrrrrrrrrrrrrVDVDVDVDVDVDTCPA船首向355°247.5°船首向355°005°船首向112.5°247.5°（a）（b）（c）船首向005°（d）112.5°knhTCPAhn mileDCPA 0.1≥V0.8≤≤0.3- 2≤

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 140 Fig.5 The Ship Routing System of Qiongzhou Strait AIS 数据时间为 2009-06-1 00:00 至 2009-06-22 06:27，数据存储为文本格式，例如 2009-06-01:00:00:03;!AIVDO,1,1,,B,403tCAQuUPP0P7k

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 165 文所提出的方法进行了验证，实证结果表明本文所提出的方法可以有效的提取船舶相对运动参数和船舶会遇信息，可以用于船舶领域模型的研究。 [参考文献] (References) 170 175 180 [1] 刘绍满，王宁，吴兆麟. 船舶领域研究综述[J].大连海事大学学报,2011,37(1):51-54. [2] 毕修颖,贾传荧,吴兆麟等.船舶避碰行动领域模型的研究[J].大连海运学院学报,2003,29(1):9-12. [3] 郑中义,吴兆麟.船舶碰撞危险度的新模型[J].大连海事大学学报,2002,28(2):1-5. [4] 郑中义,吴兆麟.船舶避碰决策[M].大连:大连海事大学出版社,2000. [5] 孙文力,孙文强.船载自动识别系统[M].大连:大连海事大学出版社,2004. [6] 吴华锋.船舶自动识别系统(AIS)的网络性能研究[D]:(硕士学位论文).大连:大连海事大学,2004. [7] 张颖.船舶自动识别系统(AIS)接口数据的研究与应用[D](硕士学位论文).大连:大连海事大学,2009. [8] 张颖.船舶自动识别系统(AIS)接口数据的解读[J].青岛远洋船员学院学报,2010,02:19-22. [9] 邢春光,王直,马晓军.AIS 信息处理及其与电子海图系统集成的研究[J].舰船科学技术,2008,30(5):92-94. [10] 吴建华 ,陶德馨 .自动船舶识别系统的信息解码技术研究 [J].武汉理工大学学报 (交通科学与工程版),2007,04:595-598. [11] 周毅.AIS 信息解码和显示[J].航海技术,2006,2:34-36. [12] 黄丽卿,胡稳才,邵哲平.AIS 输出数据包的解包技术研究[J].集美大学学报(自然科学版),2005,01:37-41. [13] 丁振国.AIS 信息解析的计算机实现研究[J].中国水运,2008,8(10):115-117. - 7 -

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