CN116527778B - 一种船舶ais数据的压缩方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于数据压缩技术领域，具体涉及一种船舶AIS数据的压缩方法，包括：S1：帧压缩，采集船舶AIS数据，并对船舶AIS数据进行处理，包括：剔除数据帧内的冗余信息和将数据帧内的数据纯数字化；S2：时域压缩：对S1得到的数据与上一次发送的数据进行对比，剔除没有变化的数据，只保留变化的数据；S3：熵编码压缩：AIS数据通过S1和S2处理后变成只包含0‑9的数字序列，0‑9的ASCII码由8位二进制组成，直接剔除每个数字序列中相同的前四位，只保留后四位。本发明处理后AIS数据压缩率可达到80%，大大提高了船端与岸端的数据传输效率。
Description
技术领域
本发明属于数据压缩技术领域，具体涉及一种船舶AIS数据的压缩方法。
背景技术
船舶自动识别系统（Automatic Identification System, AIS）是一种国际海事组织（International Maritime Organization, IMO）出台规范并强制要求船舶必须安装的船载通信设备。AIS的作用是为了船舶避碰。它以广播的方式在VHF的频率范围内不间断地发送AIS数据，包括本船的位置信息及其他相关信息，同时接收邻近船舶的信息，通过AIS接收机即可接收到该数据。船载AIS包括发射和接收两个部分。这样船舶在发射本船的位置信息的同时，也接收到邻近船舶的位置信息，达到互相避碰的目的。
随着海运业的蓬勃发展，海上运输任务日益繁重，船舶流量和船舶密度也不断加大，导致航运事故发生的风险加剧，对海上在航船舶的动态跟踪和实时监控显得尤为重要。船公司只有准确地掌握船舶实时信息，才能对船舶的安全及生产做出正确的指挥和决策，因此船舶实时信息，是船公司安全及生产管理的重要基础信息。目前很多船舶公司通过发送AIS数据到岸端实现对船舶实时信息的监控。然而，IMO提出AIS的初衷，是为了解决船舶避碰的问题，为了解决船舶避碰，AIS发送的AIS数据的量是非常庞大的，然而，航海领域由于受通信基站建设不足，甚至不存在通信基站影响，普遍采用卫星通信方式，卫星通信是按照字节数量计算进行收费的，如果不经筛选全部发送，将会产生高昂的通讯费用，加重船公司的负担。另外，AIS数据量过大，数据传输到岸端的实时性也会受到影响，不利于船舶的安全运输。
现有技术试图将从船端传输到岸端的船舶AIS数据进行处理后再传输，比如发明专利202110560220 .X一种AIS移动基站设备集群远程控制方法，基站服务器选定所控制的海域上的船舶，并分析选定船舶AIS移动基站覆盖的信号范围或信号数据；基站服务器判断选定的船舶AIS覆盖的信号范围是否在其它船舶的覆盖范围内，如果在其它船舶的覆盖范围内，则关闭该选定船舶的数据上传模块，如果未在其它船舶的覆盖范围内，则打开该选定船舶的数据上传模块，从而减少了大量距离相近的船舶的AIS数据的重复上传，减轻了基站服务器的数据处理负担；该发明仅减少了距离相近的船舶的AIS数据的重复上传，并没有对AIS数据内的冗余数据进行处理，仍存在大量的冗余数据通过服务器传输到了岸端，通讯费用仍然很昂贵，传输实时性也无法得到保证。
发明内容
本发明解决船舶AIS数据传输到岸端时包括很多冗余数据，通讯费用昂贵，数据实时性差的问题，提供一种船舶AIS数据的压缩方法，在船端针对AIS数据帧内存在的冗余、数据传送时间先后上存在的冗余，数据编码上存在的冗余，对传送数据进行压缩，以减少传输通道的压力。
本发明要求保护的技术方案如下：
一种船舶AIS数据的压缩方法，包括：
S1：帧压缩，采集船舶AIS数据，并对船舶AIS数据进行处理，包括：剔除数据帧内的冗余信息和将数据帧内的数据纯数字化；
S11：剔除数据帧内的冗余信息：剔除数据中存在的冗余信息，所述冗余信息包括：分隔符、小数点、标识符以及数据校验后的无效信息；
S12：数据纯数字化：将数据中的字符，按照船端和岸端约定的数据字符转化机制转化为特定的数字，即数据中的所有字符均以数字0-9来表示；
S2：时域压缩：对S1得到的数据与上一次发送的数据进行对比，剔除没有变化的数据，只保留变化的数据；
S3：熵编码压缩：AIS数据通过S1和S2处理后变成只包含0-9的数字序列，0-9的ASCII码由8位二进制组成，直接剔除每个数字序列中相同的前四位，只保留后四位。
优选地，所述AIS数据包括：船舶实时的动态信息和静态信息；所述动态信息包括船舶的位置信息（GPS）以及船舶的运行信息；所述船舶的运行信息包括：船舶的航向、航速、船艏向、转向率以及航行状态信息；所述静态信息包括：AIS识别码（MMSI）、GPS安装位置、呼号和船名、IMO编号、船长和船宽以及船舶类型信息。
优选地，S11所述标识符包括：起始标识符“$”、标识符“*”、结束标识符“＜ＣＲ＞＜ＬＦ＞”。
优选地，S11所述冗余信息还包括：AIS静态数据信息中与船公司无关的非重要的信息，所述非重要信息包括：GPS安装位置以及船长和船宽。
优选地，S12所述数据字符转化机制为：
S121：语句头：采用不同的6个数字依次代表 GPRMC、GPGGA、GPGLL、GPGSA、GPGSV和GPVTG，6种GPS类型；
S122：纬度半球：采用2种不同的数字代表北半球和南半球；
S123：经度半球：采用2种不同的数字代表东经和西经；
S124：磁偏角方向：采用2种不同的数字代表东和西。
优选地，S2所述时域压缩包括：GPS经纬度信息的压缩以及航向和航速的压缩。
优选地，所述GPS经纬度信息的压缩是指在进行数据编码时，对GPS经纬度信息进行压缩；具体方法是：在纬度的前四位和/或经度的前五位前面插入一个标志位，标志位0表示纬度前四位和/或经度的前五位与上一次发送的数据相比没有发生变化，这时剔除纬度前四位和/或经度的前五位，标志位1表示纬度前四位和/或经度的前五位与上一次发送的数据相比发生了变化，则保留纬度前四位和/或经度的前五位。
优选地，所述航向和航速的压缩是指在进行数据编码时，在航向和/或航速前面插入一个标志位；标志位0表示航向和/或航速与上一次发送的数据相比没有发生变化，这时剔除航向和/或航速，标志位1表示航向和/或航速与上一次发送的数据相比发生了变化，需保留。
本发明提供一种船舶AIS数据的压缩方法，在船端需传输的AIS数据中包括很多冗余数据不利于数据传输提出了一种先压缩后传输的解决方法，提高了通信效率。具体方法包括：剔除冗余信息和数据纯数字化等的帧压缩、时域压缩和熵编码压缩。具体包括：对AIS数据中存在很多的分隔符和小数点进行处理，压缩字节数量；时域压缩是根据船舶航行特点对航向、航速、位置数据分别进行压缩：船舶出港后，其航向特点是固定一个方向航行较长的时间后，才转向另一个角度，在此期间，其航向数据变化是很小的；船舶航速比较固定，不会频繁发生大的改变；船舶航行速度较慢，船舶位置数据（经纬度）的变化也是缓慢的，在一个时间段内，经纬度的高位（度、分）没有发生变化，只有低位（秒）发生变化。因此，经纬度、航行和航向数据中存在大量相同的数据，这些相同的数据都是冗余的，只需传输一份到岸端，下次发生变化时再进行传输即可，对这一些数据进行去重，可大大缩减数据量；本发明帧压缩时还包括对AIS数据进行纯数字化处理，把数据转成纯数字化序列，0-9的ASCII码由8位二进制所组成，前4位是相同的，经熵编码压缩处理，发送0-9的数据时，只须发送后面4位，与编码不作压缩时的数据量相比，可将数据量压缩了50%。本发明处理后AIS数据压缩率可达到80%，可大大节省传输的时间，提高数据传输的实时性。按照1分钟更新1次的频率，心跳信号频率是1次/分钟，每月的数据流量仅是10M比特左右，这样的数据量，即使是使用通信价格较高的海事卫星，每月的费用也仅需要50-60元左右，给船公司带来的通信费用负担是很少的。事实上，在实际使用时，数据更新不需要达到1分钟更新1次的频率，因此实际的通信费用也低于上述数量，解决了船舶AIS数据传输到岸端通讯费用昂贵的问题。
同时，对于AIS静态数据信息中与船公司无关的非重要的信息，岸端对此类数据并不关心，删除此类数据，可减少传输的数据量。把AIS数据中的字符转换成数字，也便于后续熵编码压缩的实现。
附图说明
图1为本发明方案的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
本发明针对装有自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）的船舶采集的AIS数据进行处理，具体提供一种船舶AIS数据的压缩方法，如图1所示，包括：
S1：帧压缩，包括剔除数据帧内的冗余信息和数据纯数字化；
S11：剔除数据帧内的冗余信息：剔除数据中存在的冗余信息，所述冗余信息包括：GPS数据中的分隔符“,”和小数点“.”，因为每个GPS数据，其格式固定，可采用按位读取，来区分各个数据段，数据中的固定符号：起始标识符“$”、标识符“*”、结束标识符“＜ＣＲ＞＜ＬＦ＞”，验证完GPS数据有效性后的校验和数据段以及AIS静态数据信息中与船公司无关的非重要的信息；例如：1个标准的 $GPRMC格式的GPS数据例子如下：
$GPRMC,024813.640,A,3158.4608,N,11848.3737,E,10.05,324.27,150706,,,A*50；
经过处理后的数据如下所示：
GPRMC024813640A31584608N118483737E100532427150706A50。
S12：数据纯数字化：将数据中的字符，按照船端和岸端约定的字符转化机制转化为特定的数字，即数据中的所有字符均以数字0-9来表示；所述船端和岸端约定的字符转化机制包括：
S121：语句头：采用不同的6个数字依次代表 GPRMC、GPGGA、GPGLL、GPGSA、GPGSV和GPVTG，6种GPS类型；在本发明的一些实施例中，用0-5表示 GPRMC、GPGGA、GPGLL、GPGSA、GPGSV 和GPVTG。
S122：纬度半球：采用2种不同的数字代表北半球和南半球，在本发明的一些实施例中0代表北半球，1代表南半球；
S123：经度半球：采用2种不同的数字代表东经和西经，在本发明的一些实施例中0代表东经，1代表西经；
S124：磁偏角方向：采用2种不同的数字代表东和西，在本发明的一些实施例中0代表东，1代表西。
S2：时域压缩：对S1得到的数据与上一次发送的数据进行对比，剔除没有变化的数据，只保留变化的数据；包括GPS经纬度信息的压缩以及航向和航速的压缩；
所述GPS经纬度信息的压缩是在进行数据编码时，对GPS经纬度信息进行压缩，具体是指在纬度的前四位和/或经度的前五位前面插入一个标志位，标志位0表示纬度前四位和/或经度的前五位与上一次发送的数据相比没有发生变化，这时剔除纬度前四位和/或经度的前五位，标志位1表示纬度前四位和/或经度的前五位与上一次发送的数据相比发生了变化，则保留纬度前四位和/或经度的前五位。
以GPRMC为例，GPS表示的经纬度坐标及速率格式为：
纬度ddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输)，
经度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输)。
并且：纬度1度 = 大约111km，纬度1分 = 大约1.85km，纬度1秒 = 大约30.9m。经度随着纬度的大小而不同，纬度越高，经度1度的数值越小。经度每差1度，实际距离为111×cosθ千米（θ表示该纬线的纬度）。1节=1.852公里/小时，25节的航速下，船舶1分钟约行驶770米，纬度变化最大值为25秒左右。在此航速下，纬度的度、分单位值50秒内都不会发生变化，在进行数据编码时，在纬度的前四位ddmm前面插入一个标志位，标志位0表示纬度这四位没有发生变化，这时剔除这四位，标志1表示纬度这四位发生了变化，则保留这四位。同理，经度也作类似处理。显然，这样处理后，纬度的前四位ddmm、经度的前五位dddmm都可能被省略，再考虑使用了两个标志位，则最多的情况下可以剔除7个位。
船舶的航行的方向变化是很缓慢的，在船舶出港后，其航向特点是固定一个方向航行较长的时间后，才转向另一个角度，在此期间，其航向数据变化是很小的；船舶航速的变化也是很缓慢的，在船舶出港后，基本上以一个固定的航速航行，不会频繁发生大的改变；基于这两个特点，对航向和航速进行压缩去重处理，所述航向和航速的压缩是在进行数据编码时，在航向和/或航速前面插入一个标志位，标志位0表示航向和/或航速与上一次发送的数据相比没有发生变化，这时剔除航向和/或航速，标志位1表示航向和/或航速与上一次发送的数据相比发生了变化，需保留。
S3：熵编码压缩：AIS数据通过S1和S2处理后变成只包含0-9的数字序列，0-9的ASCII码由8位二进制所组成，前4位是相同的，直接剔除每个数字的前四位，只保留后四位，与编码不作压缩时的数据量相比，可将数据量压缩50%。
所述AIS数据包括船舶实时的动态与静态信息；所述动态信息包括船舶的位置信息（GPS）以及船舶的运行信息，所述船舶的运行信息包括：船舶的航向、航速、船艏向、转向率以及航行状态等信息；所述静态信息包括：AIS识别码（MMSI）、GPS安装位置、呼号和船名、IMO编号、船长和船宽以及船舶类型等信息。
上述实施例仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动，仍处于本发明的范围之内。
Claims (6)
1.一种船舶AIS数据的压缩方法，其特征在于，包括：
S1：帧压缩，采集船舶AIS数据，并对船舶AIS数据进行处理，包括：剔除数据帧内的冗余信息和将数据帧内的数据纯数字化；
S11：剔除数据帧内的冗余信息：剔除数据中存在的冗余信息，所述冗余信息包括：分隔符、小数点、标识符以及数据校验后的无效信息；
S12：数据纯数字化：将数据中的字符，按照船端和岸端约定的数据字符转化机制转化为特定的数字，即数据中的所有字符均以数字0-9来表示；
S2：时域压缩：对S1得到的数据与上一次发送的数据进行对比，剔除没有变化的数据，只保留变化的数据；包括：GPS经纬度信息的压缩以及航向和航速的压缩；
所述GPS经纬度信息的压缩是指在进行数据编码时，对GPS经纬度信息进行压缩；具体方法是：在纬度的前四位和/或经度的前五位前面插入一个标志位，标志位0表示纬度前四位和/或经度的前五位与上一次发送的数据相比没有发生变化，这时剔除纬度前四位和/或经度的前五位，标志位1表示纬度前四位和/或经度的前五位与上一次发送的数据相比发生了变化，则保留纬度前四位和/或经度的前五位；
S3：熵编码压缩：AIS数据通过S1和S2处理后变成只包含0-9的数字序列，0-9的ASCII码由8位二进制组成，直接剔除每个数字序列中相同的前四位，只保留后四位。
2.根据权利要求1所述的船舶AIS数据的压缩方法，其特征在于，所述AIS数据包括：船舶实时的动态信息和静态信息；所述动态信息包括船舶的位置信息以及船舶的运行信息；所述船舶的运行信息包括：船舶的航向、航速、船艏向、转向率以及航行状态信息；所述静态信息包括：AIS识别码、GPS安装位置、呼号和船名、IMO编号、船长和船宽以及船舶类型信息。
3.根据权利要求2所述的船舶AIS数据的压缩方法，其特征在于，S11所述标识符包括：起始标识符“$”、标识符“*”、结束标识符“＜ＣＲ＞＜ＬＦ＞”。
4.根据权利要求2所述的一种船舶AIS数据的压缩方法，其特征在于，S11所述冗余信息还包括：AIS静态数据信息中与船公司无关的非重要的信息，所述非重要信息包括：GPS安装位置以及船长和船宽。
5.根据权利要求2所述的船舶AIS数据的压缩方法，其特征在于，S12所述数据字符转化机制为：
S121：语句头：采用不同的6个数字依次代表 GPRMC、GPGGA、GPGLL、GPGSA、GPGSV 和GPVTG，6种GPS类型；
S122：纬度半球：采用2种不同的数字代表北半球和南半球；
S123：经度半球：采用2种不同的数字代表东经和西经；
S124：磁偏角方向：采用2种不同的数字代表东和西。
6.根据权利要求1所述的船舶AIS数据的压缩方法，其特征在于，所述航向和航速压缩是指在进行数据编码时，在航向和/或航速前面插入一个标志位；标志位0表示航向和/或航速与上一次发送的数据相比没有发生变化，这时剔除航向和/或航速，标志位1表示航向和/或航速与上一次发送的数据相比发生了变化，需保留。
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