CN113743676A - 船舶通过海域关键节点的识别算法 - Google Patents

船舶通过海域关键节点的识别算法 Download PDF

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CN113743676A CN202111075805.9A CN202111075805A CN113743676A CN 113743676 A CN113743676 A CN 113743676A CN 202111075805 A CN202111075805 A CN 202111075805A CN 113743676 A CN113743676 A CN 113743676A
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Abstract

本发明公开了一种船舶通过海域关键节点的识别算法，包括：S1.获取按照时间先后顺序排列的船舶航迹点序列；S2.在船舶航迹点序列中依次选取相邻的两个航迹点，并将相邻的两个航迹点连接形成线段，得到线段序列；S3.若线段序列中存在与海域关键节点相交的线段，则船舶通过了海域关键节点，并进入步骤S4；若线段序列中不存在与海域关键节点相交的线段，则船舶没有通过海域关键节点；S4.根据与海域关键节点相交的线段所在的航迹点信息，计算船舶通过海域关键节点的位置以及时间。本发明能够有效地分析船舶通过海域节点的情况，得到可靠的通过位置以及通过时间，保证了船舶在海域中的安全航行。

Description

船舶通过海域关键节点的识别算法
技术领域
本发明涉及船舶信息化领域，具体涉及一种船舶通过海域关键节点的识别算法。
背景技术
近年来，船舶自动识别系统(Automatic Identification System，AIS)得到大规模应用普及，已经有部分系统或算法通过挖掘AIS数据分析各种航运、航道信息。AIS信息是研究航运数据的重要依据和信息源，通过它提供的船舶时间以及位置信息，并结合船舶以往的航行轨迹和历史数据，即可分析出船舶的常用航行航线。然而船舶在大海中的航行，不像陆地道路一样规律化，其航行毫无“道路”可言，因此给航线的分析带来了一定的困扰。
目前在已有基于船舶AIS数据的研究中，尚未明确发现利用海域节点来判断船舶是否通过海域节点等船舶行为方面的应用。处理问题的难点在于，AIS信息是不规律的时间间隔采样，采样间隔受到船舶通信的限制，长短不一。在通过海域节点过程中同样存在速度未知的情况，即使知道船舶在过去半小时内通过海域节点(如海峡)的情况，也难以精确定位通过位置以及通过时间。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供船舶通过海域关键节点的识别算法，能够有效地分析船舶通过海域节点的情况，得到可靠的通过位置以及通过时间，保证了船舶在海域中的安全航行。
本发明的船舶通过海域关键节点的识别算法，包括如下步骤：
S1.采集船舶航迹信息，得到按照时间先后顺序排列的船舶航迹点序列
Figure BDA0003262137510000011
其中，
Figure BDA0003262137510000012
为时间点tk时的船舶航迹点；
S2.在船舶航迹点序列中依次选取相邻的两个航迹点，并将相邻的两个航迹点连接形成线段，得到线段序列(L1,L2,…,Lk,…,Ln-1)，其中，Lk为船舶航迹点
Figure BDA0003262137510000021
与
Figure BDA0003262137510000022
连接形成的线段；
S3.在线段序列中从线段L1开始，依次判断线段序列中的线段与线段L是否相交，若线段序列中存在与线段L相交的线段，则船舶通过了海域关键节点，并进入步骤S4；若线段序列中不存在与线段L相交的线段，则船舶没有通过海域关键节点；其中，所述线段L为海域关键节点；
S4.根据与线段L相交的线段所在的航迹点信息，计算船舶通过海域关键节点的位置以及时间；其中，所述航迹点信息包括航迹点的坐标信息以及航迹点的记录时间。
进一步，根据如下步骤判断线段序列中的线段Li与线段L是否相交：
S31.判断线段Li与线段L是否有交点，若是，则进入步骤S32；若否，则线段Li与线段L不相交；
S32.判断线段Li的两端点是否分别在线段L的一侧，若是，则进入步骤S33；若否，则线段Li与线段L不相交；
S33.判断线段L的两端点是否分别在线段Li的一侧，若是，则线段Li与线段L相交；若否，则线段Li与线段L不相交。
进一步，判断线段Li与线段L是否有交点，具体包括：
若max(Cx,Dx)<min(Ax,Bx)或max(Cy,Dy)<min(Ay,By)或max(Ax,Bx)<min(Cx,Dx)或max(Ay,By)<min(Cy,Dy)，则线段Li与线段L没有交点；否则，线段Li与线段L有交点；
其中，Cx为线段Li的一端点在x轴上的投影；Dx为线段Li的另一端点在x轴上的投影；Ax为线段L的一端点在x轴上的投影；Bx为线段L的另一端点在x轴上的投影；Cy为线段Li的一端点在y轴上的投影；Dy为线段Li的另一端点在y轴上的投影；Ay为线段L的一端点在y轴上的投影；By为线段L的另一端点在y轴上的投影。
进一步，判断线段Li的两端点是否分别在线段L的一侧，具体包括：
若(E-H)×(G-H)*(F-H)×(G-H)≤0，则线段Li的两端点分别在线段L的一侧；否则，线段Li的两端点没有分别在线段L的一侧；
其中，E为线段Li的一端点坐标；F为线段Li的另一端点坐标；G为线段L的一端点坐标；H为线段L的另一端点坐标；×为叉积符号；*为乘积符号。
进一步，判断线段L的两端点是否分别在线段Li的一侧，具体包括：
若(G-F)×(E-F)*(H-F)×(E-F)≤0，则线段L的两端点分别在线段Li的一侧；否则，线段L的两端点没有分别在线段Li的一侧；
其中，E为线段Li的一端点坐标；F为线段Li的另一端点坐标；G为线段L的一端点坐标；H为线段L的另一端点坐标；×为叉积符号；*为乘积符号。
进一步，根据如下公式计算船舶通过海域关键节点的位置：
Figure BDA0003262137510000031
其中，px为船舶通过海域关键节点位置的横坐标；py为船舶通过海域关键节点位置的纵坐标；D＝(x1-x2)(y3-y4)-(y1-y2)(x3-y3)；(x1,y1)为与海域关键节点相交的线段一端点坐标；(x2,y2)为与海域关键节点相交的线段另一端点坐标；(x3,y3)为海域关键节点的一端点坐标；(x4,y4)为海域关键节点的另一端点坐标。
进一步，根据如下公式计算船舶通过海域关键节点的时间：
Figure BDA0003262137510000032
其中，tp为船舶通过海域关键节点的时间；tA为与海域关键节点相交的线段一端点的记录时间；tB为与海域关键节点相交的线段另一端点的记录时间。
进一步，所述步骤S4，还包括：根据如下步骤确定船舶通过海域关键节点的方向：
S41.选取tA与tB中的最小值，并将最小值对应的线段端点作为目标点；
S42.判断目标点的横坐标是否小于px，若是，则船舶向右通过海域关键节点，并进入步骤S43；若否，则船舶向左通过海域关键节点，并进入步骤S43；
S43.判断目标点的纵坐标是否小于py，若是，则船舶向上通过海域关键节点；若否，则船舶向下通过海域关键节点。
本发明的有益效果是：本发明公开的一种船舶通过海域关键节点的识别算法，通过对船舶AIS的数据处理，实现了对船舶通过海域关键节点的检测，以及对通过位置和通过时间的计算，弥补了AIS本身离散时间采样的不足，为进一步分析船舶在海域中的航线提供了支撑。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为本发明的船舶通过海域关键节点的示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明，如图所示：
本发明的船舶通过海域关键节点的识别算法，包括如下步骤：
S1.采集船舶航迹信息，得到按照时间先后顺序排列的船舶航迹点序列
Figure BDA0003262137510000041
其中，
Figure BDA0003262137510000044
为时间点tk时的船舶航迹点；通过自动识别系统AIS采集船舶航迹信息，所述自动识别系统AIS采用现有技术；所述航迹点为船舶在航行路线上的某一位置；
S2.在船舶航迹点序列中依次选取相邻的两个航迹点，并将相邻的两个航迹点连接形成线段，得到线段序列(L1,L2,…,Lk,…,Ln-1)，其中，Lk为船舶航迹点
Figure BDA0003262137510000042
与
Figure BDA0003262137510000043
连接形成的线段；所述线段序列即为船舶的航迹线段序列；
S3.在线段序列中从线段L1开始，依次判断线段序列中的线段与线段L是否相交，若线段序列中存在与线段L相交的线段，则船舶通过了海域关键节点，并进入步骤S4；若线段序列中不存在与线段L相交的线段，则船舶没有通过海域关键节点；其中，所述线段L为海域关键节点；所述海域关键节点可简称为海域节点；
S4.根据与线段L相交的线段所在的航迹点信息，计算船舶通过海域关键节点的位置以及时间。其中，所述航迹点信息包括航迹点的坐标信息以及航迹点的记录时间；所述坐标信息为经纬度。
为了更好地理解本发明，现对海域节点解释如下：
所述海域节点包括海峡、出海口和运河。
海峡位于两个大陆或大陆与邻近的沿岸岛屿以及岛屿与岛屿之间。有的沟通两海(如台湾海峡沟通东海与南海)，有的沟通两洋(如麦哲伦海峡沟通大西洋与太平洋)，有的沟通海和洋(如直布罗陀海峡沟通地中海与大西洋)。
出海口是河流和大海的交汇口。是一个地区对外的海上通道。如约旦唯一出海口是亚喀巴，埃拉特是以色列通往红海的唯一出海口。
运河是人工开凿的通航河道。广义上讲，运河是用以沟通地区或水域间水运的人工水道，通常与自然水道或其他运河相连。
从海域节点中选择两个端点，并连接两个端点形成线段，将所述线段表示为海域节点。其中，所述两个端点的选择可根据实际情况进行设置，一般地，会选择具有代表性的端点作为选择用端点。
本实施例中，根据如下步骤判断线段序列中的线段Li与线段L是否相交：
S31.判断线段Li与线段L是否有交点，若是，则进入步骤S32；若否，则线段Li与线段L不相交；
S32.判断线段Li的两端点是否分别在线段L的一侧，若是，则进入步骤S33；若否，则线段Li与线段L不相交；
S33.判断线段L的两端点是否分别在线段Li的一侧，若是，则线段Li与线段L相交；若否，则线段Li与线段L不相交。
本实施例中，判断线段Li与线段L是否有交点，具体包括：
若max(Cx,Dx)<min(Ax,Bx)或max(Cy,Dy)<min(Ay,By)或max(Ax,Bx)<min(Cx,Dx)或max(Ay,By)<min(Cy,Dy)，则线段Li与线段L没有交点；否则，线段Li与线段L有交点；
其中，Cx为线段Li的一端点在x轴上的投影；Dx为线段Li的另一端点在x轴上的投影；Ax为线段L的一端点在x轴上的投影；Bx为线段L的另一端点在x轴上的投影；Cy为线段Li的一端点在y轴上的投影；Dy为线段Li的另一端点在y轴上的投影；Ay为线段L的一端点在y轴上的投影；By为线段L的另一端点在y轴上的投影。其中，通过将线段Li以及线段L设置到二维坐标平面上，得到线段端点在x轴以及y轴上的投影。通过判断线段Li与线段L是否有交点，来过滤掉线段序列中与海域关键节点所在的线段L没有交点的线段，并有效地筛选出与海域关键节点所在的线段L有交点的线段，实现了对无效数据的剔除而对有效数据的筛选，降低了后续计算船舶通过海域关键节点的位置以及时间的计算消耗。
本实施例中，判断线段Li的两端点是否分别在线段L的一侧，具体包括：
若(E-H)×(G-H)*(F-H)×(G-H)≤0，则线段Li的两端点分别在线段L的一侧；否则，线段Li的两端点没有分别在线段L的一侧；
其中，E为线段Li的一端点坐标；F为线段Li的另一端点坐标；G为线段L的一端点坐标；H为线段L的另一端点坐标；×为叉积符号；*为乘积符号。根据如下描述定义叉积符号×：
设矢量P＝(a1,b1)，Q＝(a2,b2)，则矢量叉积为：P×Q＝a1*b2-a2*b1。
叉积的结果为标量，并有如下性质：
1.P×Q＝-(Q×P)和P×(-Q)＝-(P×Q)。
2.通过叉积的符号判断两矢量相互之间的顺逆时针关系：
若P×Q>0,则P在Q的顺时针方向。
若P×Q<0,则P在Q的逆时针方向。
若P×Q＝0,则P与Q共线：可能同向也可能反向。
本实施例中，判断线段L的两端点是否分别在线段Li的一侧，具体包括：
若(G-F)×(E-F)*(H-F)×(E-F)≤0，则线段L的两端点分别在线段Li的一侧；否则，线段L的两端点没有分别在线段Li的一侧；
其中，E为线段Li的一端点坐标；F为线段Li的另一端点坐标；G为线段L的一端点坐标；H为线段L的另一端点坐标；×为叉积符号；*为乘积符号。
在实际场景中，海域关键节点所在的线段L是固定的，但线段Li表示的船舶航线是移动的；在时刻ta，如果判断出线段Li与线段L相交，但是，在时刻tb，随着船舶航线所在的线段Li在移动，线段Li与线段L可能不再相交；而通过同时判断线段Li的两端点是否分别在线段L的一侧以及判断线段L的两端点是否分别在线段Li的一侧，来确保海域关键节点所在的线段L与船舶航线所在的线段Li在某个时刻某个位置相交，进而为后续能够准确计算出船舶通过海域关键节点的位置以及时间做准备。
本实施例中，将航迹的两个相邻航迹点看作一个有向线段，将海域关键节点看作另一个线段，当两者相交时，则可以计算出一个交点。根据交点到两个相邻航迹点的距离，并假设船舶航行短时间内是匀速直线运动，则可计算出通过位置和通过时间。
船舶通过海域关键节点的位置即为两个线段的交点，所述交点的横坐标以及纵坐标对应矩阵行列式分别为：
Figure BDA0003262137510000071
根据如下公式计算船舶通过海域关键节点的位置：
Figure BDA0003262137510000072
其中，px为船舶通过海域关键节点位置的横坐标；py为船舶通过海域关键节点位置的纵坐标；D＝(x1-x2)(y3-y4)-(y1-y2)(x3-y3)；(x1,y1)为与海域关键节点相交的线段一端点坐标；(x2,y2)为与海域关键节点相交的线段另一端点坐标；(x3,y3)为海域关键节点的一端点坐标；(x4,y4)为海域关键节点的另一端点坐标。
本实施例中，根据如下公式计算船舶通过海域关键节点的时间：
Figure BDA0003262137510000081
其中，tp为船舶通过海域关键节点的时间；tA为与海域关键节点相交的线段一端点的记录时间；tB为与海域关键节点相交的线段另一端点的记录时间。所述记录时间以及坐标信息均可通过自动识别系统AIS获取。
本实施例中，所述步骤S4，还包括：根据如下步骤确定船舶通过海域关键节点的方向：
S41.选取tA与tB中的最小值，并将最小值对应的线段端点作为目标点；
S42.判断目标点的横坐标是否小于px，若是，则船舶向右通过海域关键节点，并进入步骤S43；若否，则船舶向左通过海域关键节点，并进入步骤S43；
S43.判断目标点的纵坐标是否小于py，若是，则船舶向上通过海域关键节点，也即是船舶是右上方向或左上方向通过海域关键节点；若否，则船舶向下通过海域关键节点，也即是船舶是右下方向或左下方向通过海域关键节点。
如图2所示，线段AB表示航迹线路，线段CD表示海域关键节点。两个线段的交点为P，即P为船舶通过海域关键节点的位置。其中，端点A对应的时间tA小于端点B对应的时间tB，则将端点A作为目标点；通过比较可知，端点A的横坐标x1小于px，且端点A的纵坐标y1大于py，则船舶是右下方向通过海域关键节点。
为了向用户进行可视化展示，方便查询船舶的通过或穿越情况，可将本发明的识别算法通过计算编程语言进行实现，进而得到船舶通过海域关键节点的识别系统。其中，可使用Java编程语言实现识别系统的服务后端，使用Vue实现识别系统的可视化前端。通过后端提供接口服务，为前端的展示提供航迹数据以及检测数据。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种船舶通过海域关键节点的识别算法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.采集船舶航迹信息，得到按照时间先后顺序排列的船舶航迹点序列
Figure FDA0003262137500000011
其中，
Figure FDA0003262137500000012
为时间点tk时的船舶航迹点；
S2.在船舶航迹点序列中依次选取相邻的两个航迹点，并将相邻的两个航迹点连接形成线段，得到线段序列(L1，L2，...，Lk，...，Ln-1)，其中，Lk为船舶航迹点
Figure FDA0003262137500000013
与
Figure FDA0003262137500000014
连接形成的线段；
S3.在线段序列中从线段L1开始，依次判断线段序列中的线段与线段L是否相交，若线段序列中存在与线段L相交的线段，则船舶通过了海域关键节点，并进入步骤S4；若线段序列中不存在与线段L相交的线段，则船舶没有通过海域关键节点；其中，所述线段L为海域关键节点；
S4.根据与线段L相交的线段所在的航迹点信息，计算船舶通过海域关键节点的位置以及时间；其中，所述航迹点信息包括航迹点的坐标信息以及航迹点的记录时间。
2.根据权利要求1所述的船舶通过海域关键节点的识别算法，其特征在于：根据如下步骤判断线段序列中的线段Li与线段L是否相交：
S31.判断线段Li与线段L是否有交点，若是，则进入步骤S32；若否，则线段Li与线段L不相交；
S32.判断线段Li的两端点是否分别在线段L的一侧，若是，则进入步骤S33；若否，则线段Li与线段L不相交；
S33.判断线段L的两端点是否分别在线段Li的一侧，若是，则线段Li与线段L相交；若否，则线段Li与线段L不相交。
3.根据权利要求2所述的船舶通过海域关键节点的识别算法，其特征在于：判断线段Li与线段L是否有交点，具体包括：
若max(Cx，Dx)<min(Ax，Bx)或max(Cy，Dy)<min(Ay，By)或max(Ax，Bx)<min(Cx，Dx)或max(Ay，By)<min(Cy，Dy)，则线段Li与线段L没有交点；否则，线段Li与线段L有交点；
其中，Cx为线段Li的一端点在x轴上的投影；Dx为线段Li的另一端点在x轴上的投影；Ax为线段L的一端点在x轴上的投影；Bx为线段L的另一端点在x轴上的投影；Cy为线段Li的一端点在y轴上的投影；Dy为线段Li的另一端点在y轴上的投影；Ay为线段L的一端点在y轴上的投影；By为线段L的另一端点在y轴上的投影。
4.根据权利要求2所述的船舶通过海域关键节点的识别算法，其特征在于：判断线段Li的两端点是否分别在线段L的一侧，具体包括：
若(E-H)×(G-H)*(F-H)×(G-H)≤0，则线段Li的两端点分别在线段L的一侧；否则，线段Li的两端点没有分别在线段L的一侧；
其中，E为线段Li的一端点坐标；F为线段Li的另一端点坐标；G为线段L的一端点坐标；H为线段L的另一端点坐标；×为叉积符号；*为乘积符号。
5.根据权利要求2所述的船舶通过海域关键节点的识别算法，其特征在于：判断线段L的两端点是否分别在线段Li的一侧，具体包括：
若(G-F)×(E-F)*(H-F)×(E-F)≤0，则线段L的两端点分别在线段Li的一侧；否则，线段L的两端点没有分别在线段Li的一侧；
其中，E为线段Li的一端点坐标；F为线段Li的另一端点坐标；G为线段L的一端点坐标；H为线段L的另一端点坐标；×为叉积符号；*为乘积符号。
6.根据权利要求1所述的船舶通过海域关键节点的识别算法，其特征在于：根据如下公式计算船舶通过海域关键节点的位置：
Figure FDA0003262137500000021
其中，px为船舶通过海域关键节点位置的横坐标；py为船舶通过海域关键节点位置的纵坐标；D＝(x1-x2)(y3-y4)-(y1-y2)(x3-y3)；(x1，y1)为与海域关键节点相交的线段一端点坐标；(x2，y2)为与海域关键节点相交的线段另一端点坐标；(x3，y3)为海域关键节点的一端点坐标；(x4，y4)为海域关键节点的另一端点坐标。
7.根据权利要求6所述的船舶通过海域关键节点的识别算法，其特征在于：根据如下公式计算船舶通过海域关键节点的时间：
Figure FDA0003262137500000031
其中，tp为船舶通过海域关键节点的时间；tA为与海域关键节点相交的线段一端点的记录时间；tB为与海域关键节点相交的线段另一端点的记录时间。
8.根据权利要求7所述的船舶通过海域关键节点的识别算法，其特征在于：所述步骤S4，还包括：根据如下步骤确定船舶通过海域关键节点的方向：
S41.选取tA与tB中的最小值，并将最小值对应的线段端点作为目标点；
S42.判断目标点的横坐标是否小于px，若是，则船舶向右通过海域关键节点，并进入步骤S43；若否，则船舶向左通过海域关键节点，并进入步骤S43；
S43.判断目标点的纵坐标是否小于py，若是，则船舶向上通过海域关键节点；若否，则船舶向下通过海域关键节点。
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