KR102401337B1 - Method for Identification of Fishing Gear Type using Trajectory Data - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선박자동식별장치(AIS)로부터 복수의 어선의 위치, 침로, 속력을 포함하는 학습용 항적 데이타를 준비하고, 조석차, 주/야간, 수온, 수심, 해저타입을 포함하는 해양환경 데이타를 준비하고, 상기 학습용 항적 데이타에 대하여 기준값에 대해 보간하여 일정한 시간 간격으로 정렬하는 것을 포함하는 데이타 전처리 과정을 수행하고, 상기 학습용 항적 데이타 및 해양환경 데이타를 결합하여 시계열적으로 배열한 항적윈도우 데이타셋을 생성하고, 상기 항적윈도우 데이타셋에 딥러닝 대상 어선의 조업면허 정보를 레이블하고, 상기 항적윈도우 데이타셋에 대하여 신경망 모델로 딥러닝을 수행하고, 판별 대상 어선의 항적 데이타를 수신하고, 상기 신경망 모델로 학습된 결과를 기초로 어선의 항적 데이타로부터 해당 어선의 조업 종류를 판별하는 단계를 포함하는 항적 데이타를 이용한 어선 조업 판별 방법을 제공한다.The present invention prepares track data for learning including the position, course, and speed of a plurality of fishing boats from the automatic ship identification system (AIS), and provides marine environment data including tidal difference, day/night, water temperature, water depth, and seabed type. Prepare, perform a data preprocessing process including interpolating the training track data with respect to a reference value and aligning them at regular time intervals, and combine the training track data and marine environment data to arrange a track window dataset in time series Generates, labels the fishing license information of the deep learning target fishing vessel in the wake window dataset, performs deep learning with a neural network model on the wake window dataset, receives the track data of the discrimination target fishing vessel, and the neural network It provides a fishing vessel fishing discrimination method using the track data, which includes the step of determining the type of fishing of the fishing vessel from the tracking data of the fishing vessel based on the results learned by the model.

Description

항적 데이타를 이용한 어선 조업 판별 방법 {Method for Identification of Fishing Gear Type using Trajectory Data}{Method for Identification of Fishing Gear Type using Trajectory Data}

본 발명은 어선 조업 판별 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 어선의 항적 데이타에 대한 딥러닝을 통해 조업 종류를 정확하게 판별할 수 있는 새로운 방법을 제안한다.The present invention relates to a fishing vessel fishing determination method, and in particular, proposes a new method for accurately determining the type of fishing through deep learning on the tracking data of the fishing vessel.

전 세계 약 37% 이상의 인구는 수산자원으로부터 단백질을 섭취한다. 최근 기후변화, 세계 인구 증가 등의 이유로 수산자원은 큰 폭으로 감소하고 있다. 특히 어선의 불법조업과 수산자원 남획은 어업자원 고갈에 직접적인 원인이 되고 있다. More than 37% of the world's population consumes protein from fisheries sources. Recently, due to climate change and an increase in the world population, fishery resources have been greatly reduced. In particular, illegal fishing by fishing boats and overfishing of aquatic resources are a direct cause of the depletion of fishery resources.

세계 여러 나라에서는 어선 불법조업과 남획을 예방하기 위해 어업모니터링, 어업쿼터제, 금어기 설정 등을 추진하고 있다. 그런데 어업모니터링 시스템에서는 어선이 어느 해역에서 조업을 하는지, 어떤 어구를 사용하는지 알 수 없는 한계가 있었다. In order to prevent illegal fishing and overfishing by fishing boats, many countries around the world are promoting fishery monitoring, fishing quota system, and prohibition of fishing. However, in the fishery monitoring system, there was a limitation in that it was not possible to know in which sea area the fishing boat was fishing and what kind of fishing gear was used.

어선 조업 모니터링 측면에서 살펴보면, 대부분의 어선은 건조시 어선의 면허를 갖추고 운항을 하는데 선박 항적데이타 확인 가능한 장비인 선박자동식별장치(AIS) 또는 레이더 상에서는 해당 어선이 어떤 조업을 하는 어선인지 알 수 없었다. 한편, 해양관련 기관에서는 해당 선박이 어떤 조업 면허를 소유하고 있는지 확인 가능하나 어선이 위치발신장치를 작동하지 않거나 외국 어선인 경우 어떤 조업을 하는지 알기 어렵다. In terms of monitoring fishing vessels, most fishing vessels operate with a fishing vessel license when they are built, but it was not possible to know what type of fishing vessel the fishing vessel was engaged in on the Automatic Ship Identification System (AIS) or radar, which is a device that can check vessel tracking data. . On the other hand, maritime-related organizations can check what type of fishing license the vessel has, but it is difficult to know what type of fishing the vessel is operating if the location transmitter does not operate or it is a foreign fishing vessel.

또한 불법조업 판별과 관련하여, 그동안 관공소에서 진행해온 어선의 불법조업 판별은 선박 신고에 의해 검문하거나 금지된 해역에 진입 여부, 금어기시 조업활동 유무 등으로 판단하였다. 여기서 금지된 해역에 진입하거나 금어기시 조업활동은 선박위치데이타로 식별하고 있다. 그러나 아직까지 어선들이 많은 어획을 위해 허가받지 않는 조업을 하고 있는데, 관련기관에서 검문에 의해 허가받지 않는 어구로 조업하는 경우 단속을 시행하고 있을 뿐이며, 선박위치데이타만으로 어선이 허가 받는 조업을 하고 있는지 여부를 판별하기는 어려웠다. In addition, in relation to the identification of illegal fishing, the identification of illegal fishing conducted by government offices until now was judged by whether the vessel was inspected or entered a prohibited sea area, and whether there was any fishing activity during the prohibited fishing season. Here, the fishing activities when entering the prohibited sea area or during the fishing season are identified by the ship location data. However, there are still many fishing boats engaged in unauthorized fishing for a large number of fisheries. However, the relevant authorities are only conducting crackdowns on fishing with fishing gear that is not permitted by inspection. It was difficult to determine whether

종래에 선박모니터링시스템인 VMS (Vessel Monitoring System)을 이용하여 어선의 조업 여부를 판별하는 시도가 있었으나, 조업 또는 비조업 여부, 투망 또는 양망 여부를 판별하기 위해 30일 이상의 데이타가 필요하였고, 더 개선된 시도에서도 VMS 데이타의 품질 저하로 세 종류의 조업을 판단하는데 그쳤을 뿐만 아니라 어선 조업을 판별하는데 적어도 2주간의 항적 데이타가 요구되어 실효성이 떨어지는 문제가 있다. 또한, 어선의 조업 여부 판별을 위해 어선의 속력 정보를 이용하려는 시도가 있었는데, 조업 활동 시 어선의 속력을 통계적으로 분석하여 4 - 6 노트인 경우 투망, 2 - 4 노트인 경우엔 양망, 그 외의 속력인 경우엔 다른 작업으로 구분하는 정도의 조악한 수준의 조업 판별 방법을 제안하였다.In the past, attempts have been made to determine whether a fishing vessel is operating using the Vessel Monitoring System (VMS), which is a vessel monitoring system. Even in this attempt, not only did it only judge the three types of fishing due to the deterioration of the VMS data, but it also required at least two weeks of track data to determine the fishing vessel operation, so there is a problem in effectiveness. In addition, there was an attempt to use the speed information of the fishing vessel to determine whether the fishing vessel is fishing. Statistical analysis of the speed of the fishing vessel during fishing activity was used to determine whether the fishing vessel was operating at 4 - 6 knots by throwing net, at 2 - 4 knots by fishing net, or other In the case of speed, a coarse level operation discrimination method to the extent that it is classified into other operations was proposed.

한편, 등록특허 10-2113955호에 따르면, 선박 주변 및 항만을 모니터링하기 위한 방법으로서, 항만에 설치되어 이미지를 촬상하는 제1 카메라 및 제2 카메라를 이용하여 선박 및 바다 중 적어도 하나를 포함하는 제1 항만 이미지 및 상기 제1 항만 이미지와 모니터링 영역이 적어도 일부 다른 제2 항만 이미지를 획득하며, 이러한 항만 이미지들을 처리하는 과정을 통해 선박의 접안 또는 이안 시 선박 주변 및 항만 상황을 파악하고 접안 또는 이안을 가이드 할 수 있으나, 항만에서 멀리 떨어진선박의 조업 여부나 조업 종류를 판별하는 것은 불가능하다. On the other hand, according to Patent Registration No. 10-2113955, as a method for monitoring the periphery of a ship and a port, the first camera and the second camera installed in the port to capture an image, the first including at least one of the ship and the sea A port image and a second port image that is at least partially different from the first port image and the monitoring area are acquired, and through the process of processing these port images, the vessel's surroundings and port conditions are identified when the vessel is berthing or berthing, and berthing or berthing However, it is impossible to determine whether a ship far away from the port is operating or the type of operation.

또한, 등록특허 10-1639362호에 따르면, 불법조업선박 감시 시스템에 관한 것으로, 불법조업을 감시하는 감시선에 탑재되어 조업 선박에 조업허가정보를 포함한 선박정보를 요청하는 방송을 수행하고, 방송에 응답하는 응답신호를 수신하여 조업선박의 조업허가 여부를 처리하는 조업 인증 처리유니트와, 조업 인증 처리 유니트에 접속되어 있으며 조업허가 등록정보가 기록된 데이터 베이스와 조업선박에 설치되어 조업 인증 처리유니트와 무선통신을 수행하며 조업 인증 처리유니트의 조업허가정보를 포함한 선박정보를 요청하는 방송에 응답하는 응답신호를 송출하는 단말 통신기를 구비하여. 조업허가 유무에 대한 정보를 감시선에서 조업선박에 대해 원격으로 확인할 수 있지만, 해양에서 어선 인근에 활동하는 감시선이 별도로 요구되고 어선의 조업 종류를 정확히 판별하는 것은 역시 불가능하다.In addition, according to Patent Registration No. 10-1639362, it relates to an illegal fishing vessel monitoring system, which is mounted on a monitoring vessel for monitoring illegal fishing and performs a broadcast requesting vessel information including fishing permission information from the fishing vessel, and A fishing certification processing unit that receives the response signal and processes whether the fishing vessel is permitted to operate, and the database that is connected to the fishing certification processing unit and records the registration information of the fishing permission, and is installed in the fishing vessel and operates with the operation certification processing unit A terminal communicator that performs wireless communication and transmits a response signal in response to a broadcast requesting vessel information including operation permission information of the operation authentication processing unit is provided. Although information on whether or not a fishing license exists can be remotely checked from a monitoring vessel on a fishing vessel, a monitoring vessel operating near the fishing vessel in the sea is required separately, and it is also impossible to accurately determine the type of fishing vessel.

이와 같은 기술적 한계를 극복하여 어업자원의 남획이나 불법조업을 방지하는데 효과적으로 적용될 수 있는 어선의 조업 판별 및 원격 모니터링 기술의 개발이 절실히 요구되고 있다.There is an urgent need to develop a fishing vessel identification and remote monitoring technology that can be effectively applied to prevent overfishing or illegal fishing by overcoming such technical limitations.

본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 어선의 조업 여부 및 조업 종류를 정확히 판별할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.The present invention was conceived under the above technical background, and an object of the present invention is to provide a method for accurately determining whether a fishing vessel is operated and the type of operation.

본 발명의 다른 목적은 기존 선박관련 장비 등을 이용하고 통상적인 선박 관련 데이타를 활용하여 어선의 조업 종류를 판별해낼 수 있는 새로운 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a new method capable of determining the type of fishing vessel by using the existing vessel-related equipment and the like and using the general vessel-related data.

본 발명의 또 다른 목적은 해양 관제 기관이나 어업 관련 기관에서 수자원 남획 행위나 불법어업 행위에 효과적으로 대처할 수 있는 방법 및 시스템을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method and system capable of effectively coping with overfishing of water resources or illegal fishing in marine control organizations or fisheries-related organizations.

기타, 본 발명의 또 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 상세한 설명에서 보다 구체적으로 제시될 것이다.In addition, other objects and technical features of the present invention will be presented in more detail in the following detailed description.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 네트워크 통신이 가능하고 딥러닝 모델을 포함하는 컴퓨터 시스템을 이용한 어선 조업 판별 방법으로서, 상기 시스템은 선박자동식별장치(AIS)로부터 복수의 어선의 위치, 침로, 속력을 포함하는 학습용 항적 데이타를 수신하고, 상기 시스템은 조석차, 주/야간, 수온, 수심, 해저타입을 포함하는 해양환경 데이타를 수신하고, 상기 시스템은 상기 학습용 항적 데이타에 대하여 기준값에 대해 보간하여 일정한 시간 간격으로 정렬하는 것을 포함하는 데이타 전처리 과정을 수행하고, 상기 시스템은 상기 학습용 항적 데이타 및 해양환경 데이타를 결합하고 여러 개의 데이타를 세트화하여 1개의 데이타 형태로서 시계열적으로 배열한 항적윈도우 데이타셋을 생성하고, 상기 시스템은 상기 항적윈도우 데이타셋에 딥러닝 대상 어선의 조업면허 정보를 레이블하고, 상기 시스템은 상기 항적윈도우 데이타셋에 대하여 신경망 모델로 딥러닝을 수행하고, 상기 시스템은 판별 대상 어선의 항적 데이타를 수신하고, 상기 신경망 모델로 학습된 결과를 기초로 어선의 항적 데이타로부터 해당 어선의 조업 종류를 판별하는 단계를 포함하는 항적 데이타를 이용한 어선 조업 판별 방법을 제공한다.
본 발명은 항적윈도우 데이타셋에서 어선의 침로 및 속력에 관한 데이타는 컨볼루션 신경망(CNN) 모델을 적용하고 해양환경 데이타는 전연결신경망(FCNN) 모델을 적용하여 딥러닝을 수행하는 것이 바람직다.
In order to achieve the above object, the present invention is a method for determining a fishing vessel operation using a computer system that is capable of network communication and includes a deep learning model, wherein the system includes the position, course, Receives track data for learning including speed, the system receives marine environment data including tide difference, day/night, water temperature, water depth, and seabed type, and the system interpolates with respect to a reference value for the learning track data to perform a data preprocessing process including sorting at regular time intervals, the system combines the learning track data and marine environment data, sets several data sets, and arranges them in a time series as a single data form. Creating a dataset, the system labels the fishing license information of the deep learning target fishing vessel in the wake window dataset, the system performs deep learning with a neural network model on the wake window dataset, and the system determines It provides a fishing vessel fishing discrimination method using the track data, comprising the step of receiving the track data of the target fishing vessel, and determining the fishing type of the corresponding fishing vessel from the tracking data of the fishing vessel based on the result learned by the neural network model.
In the present invention, it is preferable to perform deep learning by applying a convolutional neural network (CNN) model to the data on the course and speed of a fishing vessel in the wake window dataset and applying a fully connected neural network (FCNN) model to the marine environment data.

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또한, 본 발명에 있어서, 항적윈도우 데이타셋은 소정 시간 간격으로 데이타셋을 중첩된 복수의 데이타셋을 구성하는 것이 바람직하다. In addition, in the present invention, the wake window dataset is It is preferable to configure a plurality of overlapping datasets at time intervals.

본 발명은 판별 대상 어선의 조업 종류를 판별하기 위해 10 ~ 24시간 동안의 항적데이타를 수신하는 것만으로도 충분하며, 조업중인 어선에 대해 선망, 안강망, 연승, 유자망, 통발, 트롤을 포함하는 6개의 조업 중 어느 하나로 정화하게 판별할 수 있다. In the present invention, it is sufficient to receive track data for 10 to 24 hours to determine the type of fishing vessel to be identified, and for fishing vessels in operation, 6 including a fishing net, an angang net, a streak, a drift net, a trap, and a trawl It can be determined to be purified by any one of the dog's operations.

본 발명에 따르면, 어선의 항적 데이타만으로 어선이 조업을 하는지 여부 및 어떤 조업을 하는지 판별이 가능하다. According to the present invention, it is possible to determine whether and what kind of fishing the fishing vessel is operating only with the tracking data of the fishing vessel.

본 발명의 어선 조업 판별 방법은 통상적으로 사용되는 선박자동식별시스템으로부터 얻어지는 항적 데이타를 가공하고 해양환경 데이타를 부가하여 딥러닝을 통해 조업 판별의 정확도를 향상시키며 과도한 비용 투자 없이 효과적인 어선 조업 판별 시스템을 구축할 수 있다. 또한 어선이 불법조업을 위해 선박위치를 작동시키지 않더라도, 레이더 및 위성불빛 신호상에서 선박 움직임 패턴 정보만 가지고 어선의 불법조업 유무 판별이 가능하다. The fishing vessel fishing discrimination method of the present invention processes the track data obtained from a commonly used automatic vessel identification system and adds marine environment data to improve the accuracy of fishing vessel identification through deep learning, and provides an effective fishing vessel fishing identification system without excessive cost investment. can be built In addition, even if the fishing vessel does not operate the vessel position for illegal fishing, it is possible to determine whether the fishing vessel is illegally fishing only with the vessel movement pattern information on the radar and satellite light signals.

본 발명에서 제안하는 어선 조업 판별 방법은 관련 기관에서 어선 조업 모니터링은 물론 어선의 불법조업 판별에 크게 기여할 수 있을 것이다. The fishing boat fishing detection method proposed in the present invention will be able to greatly contribute to the illegal fishing detection of fishing boats as well as fishing boat fishing monitoring in related organizations.

도 1은 어선의 이동에 따른 항적 패턴
도 2는 어선의 조업 종류에 따른 항적 패턴
도 3은 본 발명의 어선 조업 판별 방법의 개요를 보인 순서도
도 4는 데이타 보간 방법을 보인 모식도
도 5는 딥러닝 모델의 개요를 보인 모식도
도 6은 항적윈도우 데이타셋 및 데이타셋을 중첩시킨 모식도
도 7은 CNN 기반의 특징 추출 모듈을 보인 모식도
도 8은 항적윈도우 사이즈에 따른 어선 조업 판별 정확도(TPI) 변화를 나타낸 그래프
도 9는 학습 모델의 어선 조업에 대한 판별 결과를 보인 항적 패턴
1 is a wake pattern according to the movement of a fishing vessel
Figure 2 is a wake pattern according to the type of fishing boat
Figure 3 is a flow chart showing the outline of the fishing vessel fishing discrimination method of the present invention
4 is a schematic diagram showing a data interpolation method
5 is a schematic diagram showing the outline of a deep learning model
6 is a schematic diagram of the wake window data set and the data set superimposed
7 is a schematic diagram showing a CNN-based feature extraction module
8 is a graph showing the change in fishing vessel fishing identification accuracy (TPI) according to the wake window size
9 is a wake pattern showing the determination result for fishing boat fishing of the learning model

본 발명은 어선의 항해 데이타 패턴을 딥러닝 모델로 학습하여, 어선의 항해 데이타로 조업 여부 및 어떤 방식의 조업을 하는지 판별하는 방법을 제안한다. The present invention learns the sailing data pattern of a fishing vessel with a deep learning model, and proposes a method of determining whether to operate and what type of operation is performed using the navigation data of the fishing vessel.

항해하는 대부분의 어선은 선박자동식별장치(Automatic Identification System : AIS)를 통해 어선의 위치, 침로, 속력 정보를 송신하고 있다. 본 발명에서 제안하는 어선 조업 판별 방법은 AIS로부터 일정 시간 예를 들어 10 ~ 24시간 동안의 항적 데이타를 수신하고 이 항적 데이타를 전처리한 후 해양 환경 데이타와 함께 시계열적으로 가공하여 딥러닝 모델로 학습하며, 학습된 모델로 다른 어선의 항적 데이타로부터 조업 여부를 정확히 판별한다. 딥러닝 모델로는 컨볼루션 인공신경망(CNN) 모델이 사용될 수 있고, 기계학습에 사용되는 변수는 항적 데이타인 어선의 위치, 속력, 침로(변화), 해양환경 데이타인 조석차, 주/야간, 수온, 수심, 해저타입 등의 데이타를 포함한다.Most of the fishing vessels sailing are transmitting the position, course, and speed information of the fishing vessel through the Automatic Identification System (AIS). The fishing vessel fishing identification method proposed in the present invention receives track data for a certain period of time, for example, 10 to 24 hours, from AIS, pre-processes this track data, and processes it time-series together with marine environment data to learn as a deep learning model. It is the learned model that accurately determines whether or not fishing is performed from the track data of other fishing boats. As a deep learning model, a convolutional artificial neural network (CNN) model can be used, and the variables used for machine learning are the position, speed, course (change) of the fishing vessel, which is wake data, and the tide, day/night, and the marine environment data. It includes data such as water temperature, water depth, and seabed type.

어선의 조업과 항적 패턴Fishing vessel fishing and wake patterns

일반적으로, 어류들은 적정한 온도, PH, 용존산소, 먹이(플랑크톤)를 따라 주기적 또는 계절적으로 이동한다. 예를 들어 조석차가 적으면 플랑크톤이 해저에 있어 조기들은 해저 부근에서 머무르며, 조석차가 크면 플랑크톤이 떠오르게 되어 조기들은 중층 및 상층에서 머무르게 된다. 그러므로 조석차에 따라 어류들은 다양한 패턴들을 가지게 되며, 어선의 조업 패턴에도 영향을 주게 된다. 도 1은 AIS 데이타에서 나타나는 어선의 항적 패턴이다. 비 조업패턴으로 (a)는 항해, (b)는 대기 상태이며, 조업하는 항적 패턴으로 (c) 투망, (d) 양망을 각각 나타낸다. In general, fish migrate periodically or seasonally according to appropriate temperature, pH, dissolved oxygen, and food (plankton). For example, if the tidal difference is small, plankton are on the sea floor, so the algae stay near the sea floor. Therefore, depending on the tidal difference, the fish have various patterns, and it also affects the fishing pattern of the fishing vessel. 1 is a wake pattern of a fishing vessel appearing in AIS data. As a non-fishing pattern, (a) is sailing, (b) is a standby state, and as a tracking pattern for fishing, (c) throwing net and (d) fishing net are shown, respectively.

한편, 어구(fishing gear) 종류는 어업의 방식과 관련있다. 연안 바다에서 주로 하는 조업 방식에는 선망(purse seine), 안강망(stow net), 연승(longline), 유자망(drift gill net), 통발(trap), 트롤(trawl) 등이 있다. 각 어구의 종류는 투망과 양망의 형태 및 소요시간 등이 다르므로 각기 다른 조업 패턴을 보이게 된다(도 2 참조). 반면, 조업을 하고 있지 않은 항해 및 대기 상태의 패턴은 모든 어선종류에서 비슷하게 나타난다. 어선 종류마다 각각의 조업 패턴이 다름에도 불구하고, 어선의 조업은 조업구간과 비조업구간이 서로 섞여 있어서 매우 복잡한 형태를 나타낸다. 이와 같은 항적의 복잡성과 비정규성으로 인해 수산(어업) 모니터링 요원이 해당 어선이 어떤 조업을 하고 있는지 판별이 어렵게 한다. On the other hand, the type of fishing gear is related to the method of fishing. Fishing methods mainly used in coastal waters include purchase seine, stow net, longline, drift gill net, trap, and trawl. Each type of fishing gear shows different fishing patterns because the shape and required time of the throwing net and the netting are different (refer to FIG. 2). On the other hand, the patterns of sailing and waiting conditions without fishing appear similar in all types of fishing vessels. In spite of the different fishing patterns for each type of fishing vessel, the fishing vessel has a very complex form because the fishing section and the non-fishing section are mixed with each other. Due to the complexity and irregularity of such tracks, it is difficult for fisheries (fishery) monitoring personnel to determine what kind of fishing vessel the fishing vessel is engaged in.

어선은 선박위치 메시지를 보내고, 주변 수산자원 당국 또는 해상교통관제센터에서는 어선의 위치신호를 수집하여 모니터링에 활용한다. 어선에서 송신되는 AIS 메시지에서 어업의 종류가 판별된다면, 수산당국은 불법조업(IUU) 및 어업남획을 관리 가능할 것이다. 본 발명에서는 AIS 메시지 데이타로부터 어업 종류를 식별하는 방법을 제안한다. The fishing vessel sends a ship location message, and the nearby fisheries resource authorities or maritime traffic control center collects the location signal of the fishing vessel and uses it for monitoring. If the type of fishery is identified in the AIS message sent from the fishing vessel, the fisheries authorities will be able to manage illegal fishing (IUU) and overfishing. The present invention proposes a method for identifying a fishery type from AIS message data.

국내에 허가된 어선은 총 34종이 있다. 이중 운반선, 양식장 어선은 제외하고, 나머지 선종인 21개의 선종은 크게 선망, 안강망, 연승, 유자망, 통발, 트롤의 6개로 분류 가능하다(표 1 참조). 본 발명에서는 어선의 조업을 판별함에 있어서, 항적 데이타를 기초로 총 6개의 조업에 대한 판별 결과를 제시하며, 후술하는 항적윈도우 데이타 생성 시 어선의 조업종류(내지 어선의 조업면허 정보)를 레이블 함에 있어서 6개의 조업 종류 중 어느 하나의 정보를 항적윈도우 데이타에 반영한다.There are a total of 34 types of fishing vessels licensed in Korea. Excluding double carriers and farm fishing vessels, the remaining 21 types of vessels can be broadly classified into 6 types: seine nets, angang nets, longline nets, drift nets, traps, and trawls (see Table 1). In the present invention, in determining the operation of the fishing vessel, the determination result for a total of six operations is presented based on the track data, and the type of operation of the fishing vessel (or the fishing license information of the fishing vessel) is labeled when generating the track window data to be described later. In this case, information of any one of the six operation types is reflected in the wake window data.

[표 1][Table 1]

Figure 112020088857440-pat00001
Figure 112020088857440-pat00001

어선 조업 판별 개요Overview of Fishing Vessel Fishing Identification

본 발명은 선박자동식별장치(Automatic Identification System : AIS) 데이타로부터 복수의 어선의 위치, 침로, 속력을 포함하는 항적 관련 정보를 수신하고, 이와 더불어 조석차, 주/야간, 수온, 수심, 해저타입 등의 해양환경 데이타를 관련 기관으로부터 수신한다. 항적 데이타와 해양 환경 데이타는 어선 조업 판별을 위한 기계학습 변수로 사용된다. 항적 데이타에서 선박 종류가 어선에 해당하는 선박을 추출하여 선박별로 데이타를 저장한다. The present invention receives track-related information including the location, course, and speed of a plurality of fishing vessels from Automatic Identification System (AIS) data, and, along with this, tidal cars, day/night, water temperature, water depth, and seabed type Receive marine environment data from related organizations. Wake data and marine environment data are used as machine learning variables to discriminate fishing boats. From the track data, a vessel whose type is a fishing vessel is extracted and the data is stored for each vessel.

AIS에서 어선별로 추출되는 항적 데이타는 조업 판별에 불필요한 오류 정보가 포함되거나 메세지 수신 간격이 불균일하여 학습 모델에 적용하기 위한 전처리 과정을 수행한다. 예를 들어 학습용 항적 데이타에 대하여 기준값에 대해 보간하여 일정한 시간 간격으로 정렬하는 것을 포함하는 데이타 전처리 과정을 수행한다. 딥러닝을 위해 학습용 항적 데이타 및 해양환경 데이타를 결합하여 시계열적으로 배열한 항적윈도우 데이타셋을 생성하고, 항적윈도우 데이타셋에 딥러닝 대상 어선의 조업면허 정보(Fishing gear type)를 레이블한다. The track data extracted for each fishing vessel in AIS contains error information unnecessary for operation determination or the message reception interval is non-uniform, so a pre-processing process is performed to apply it to the learning model. For example, a data pre-processing process including interpolating the tracking data for training with respect to a reference value and aligning it at regular time intervals is performed. For deep learning, the track data for learning and the marine environment data are combined to create a track window dataset arranged in time series, and the fishing gear type of the deep learning target is labeled in the wake window dataset.

항적윈도우 데이타셋은 조업 종류에 따라 달라지는 복잡한 항적 패턴을 반영하기 위해 소정 시간 간격으로 데이타셋을 중첩하여 복수의 데이타셋을 구성한다. 항적윈도우 데이타를 구성함에 있어서 그 사이즈가 중요한데 본 발명에서는 학습용 항적 데이타 및 판별 대상 어선의 항적 데이타는 10 ~ 24시간 동안의 항적데이타를 수신하여 항적윈도우 데이타셋을 구성할 수 있다. The wake window dataset is set to reflect the complex wake pattern that varies depending on the type of operation. Multiple datasets are constructed by overlapping datasets at time intervals. The size is important in composing the track window data, and in the present invention, the track data for learning and the track data of the fishing vessel to be discriminated can receive the track data for 10 to 24 hours to constitute the track window data set.

생성된 항적윈도우 데이타셋에 대하여 신경망 모델로 딥러닝을 수행한다. 기계학습 모델로는 컨볼루션 모델, LSTM 모델, SVM 모델 등이 사용될 수 있는데, 본 발명의 실시예에서는 항적윈도우 데이타셋에서 어선의 침로 및 속력에 관한 데이타는 컨볼루션 신경망(CNN) 모델을 적용하고 해양환경 데이타는 전연결신경망(FCNN) 모델을 적용하여 딥러닝을 수행한다. Deep learning is performed with a neural network model on the generated wake window dataset. As a machine learning model, a convolution model, an LSTM model, an SVM model, etc. can be used. In the embodiment of the present invention, a convolutional neural network (CNN) model is applied to the data on the course and speed of a fishing vessel in the wake window dataset, and Deep learning is performed on marine environment data by applying a fully connected neural network (FCNN) model.

이후, 판별 대상 어선의 항적 데이타를 수신하고, 상기 신경망 모델로 학습된 결과를 기초로 어선의 항적 데이타로부터 해당 어선의 조업 종류를 판별하며, 이 경우 어선 조업 종류는 전술한 선망, 안강망, 연승, 유자망, 통발, 트롤을 포함하는 6개의 조업 중 어느 하나로 판별한다. Thereafter, the tracking data of the fishing vessel to be determined is received, and the fishing type of the fishing vessel is determined from the tracking data of the fishing vessel based on the result learned by the neural network model. It is discriminated as any one of six operations including drift nets, traps, and trawls.

이와 같은 조업 판별 방법의 순서를 도 3에 개략적으로 나타내었고, 이하에서는 각 단계별 기술적 특징을 보다 상세하게 설명한다. The sequence of such an operation determination method is schematically shown in FIG. 3, and below, the technical characteristics of each step will be described in more detail.

항적 resistance 데이타의of data 전처리 Pretreatment

AIS 메시지는 선박 고유 정보와 선박의 실시간 이동관련 정보가 포함되어 있다. 이 정보들은 VHF 대역 주파수로 선박의 항해 상태에 따라 2 ~ 10초의 다른 송신 주기로 주변 선박에게 전송된다. AIS 데이타는 인접 선박의 신호나 지리적 장애물 등에 의한 간섭 등으로 노이즈를 포함할 수 있으며 GPS 오류 등으로 일시적으로 원거리의 위치가 표시되기도 한다. 어선 항적데이타로부터 조업 종류를 결정하기 위해서는, 오류 정보들이 제거되어야 하고 딥러닝에 의한 학습을 수행하기 위해서 일정한 수신주기 간격의 데이타가 필요하다.The AIS message includes vessel-specific information and real-time movement-related information of the vessel. This information is transmitted to neighboring ships at different transmission intervals of 2 to 10 seconds depending on the ship's sailing status in the VHF band frequency. AIS data may contain noise due to interference from signals of adjacent ships or geographic obstacles, and may also temporarily display remote locations due to GPS errors. In order to determine the type of operation from the fishing vessel tracking data, error information must be removed, and data with a constant receiving cycle interval are required to perform learning by deep learning.

이를 위해 첫 번째로 이전 동일 선박의 수신 데이타와 현재 수신데이타의 유클리디안 거리를 계산하여 사전에 정의한 거리 이상인 오류 정보는 제거한다. 두 번째로 어선은 항만구역, 정박지 등 선박조업이 이루어 지지 않는 지역의 정보도 제거한다. 세 번째로 불규칙한 간격으로 전송되는 AIS 데이타의 위치, 침로, 속력 정보를 일정한 시간 간격으로 변환한다. To this end, first, the Euclidean distance between the received data of the same previous vessel and the current received data is calculated, and error information greater than the predefined distance is removed. Second, the fishing vessel also removes information on areas where vessel fishing is not performed, such as port areas and marinas. Third, the position, course, and speed information of AIS data transmitted at irregular intervals is converted at regular time intervals.

도 4는 시간의 변화에 따라 수신되는 정보의 변환 과정을 모식적으로 보인 것으로, 붉은색은 실제 비정규적인 수신 데이타를 나타낸다. 파란색은 기준시간 및 일정한 시간 간격(샘플링 시간 Δt, 예 60초)으로 발생한 정보를 나타낸다. 계산 효율을 위해 선형 보간법으로 비정규적인 실제 선박 AIS 정보를 일정한 주기에서의 AIS 정보(위치, 침로, 속력)로 변환한다. 4 schematically shows a conversion process of received information according to a change in time, and red indicates actual non-regular received data. Blue color indicates information generated at a reference time and a constant time interval (sampling time Δt , for example, 60 seconds). For computational efficiency, the non-regular real ship AIS information is converted into AIS information (position, course, speed) at regular intervals by linear interpolation.

보간하는 과정은 다음과 같다. t k 는 k 번째 샘플링 시간, time( M i ) 은 AIS 메시지 M i 가 수신되는 시간이라고 할 때, AIS 메시지 M i 가 k 시간과 k+1 시간 사이에 나타나면, M i 에 수신된 위치(위도 lat i , 경도 lon i ), 침로, 속력은 t k+1 에서의 위치, 침로 속력 값으로 변환된다. Δt = t k+1 - time( M i ) 라 할 때 위치에 대한 변환식은 다음과 같다.The interpolation process is as follows. Assuming that t k is the k-th sampling time and time( M i ) is the time at which the AIS message M i is received, if the AIS message M i appears between time k and time k+ 1 , the location (latitude lat i , longitude lon i ), course, and speed are converted to values of position and course speed at t k+1 . When Δt = t k+1 - time( M i ) , the conversion formula for the position is as follows.

Figure 112020088857440-pat00002
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어선들은 보통 저가의 저품질 장비를 사용하여 항로나 속력 정보가 정확하지 않을 수 있고 종종 해당 정보가 상실되기도 한다. 또한, AIS 패킷은 특정 순간에 측정되기 때문에 속력 및 항로 정보가 정확하지 않을 수 있으며, 본 발명에서는 AIS 패킷 정보 대신 보간된 위치 데이타로부터 속력 및 항로를 산출한다.Fishing vessels usually use low-cost, low-quality equipment, so route or speed information may not be accurate, and this information is often lost. In addition, since the AIS packet is measured at a specific moment, speed and route information may not be accurate. In the present invention, speed and route information are calculated from interpolated location data instead of AIS packet information.

보간된 위치 pp(t i ) 및 pp(t i +1 ) 사이의 위도 및 경도 차이를 각각 ΔlatΔlon 이라 할 때 선박의 이동 방향의 각도 θ 및 항로 Co(t i ) 는 다음과 같이 계산된다. Assuming that the latitude and longitude differences between the interpolated positions pp( t i ) and pp( t i +1 ) are Δlat and Δlon , respectively, the angle θ of the ship’s moving direction and the course Co( t i ) are calculated as follows .

Figure 112020088857440-pat00003
Figure 112020088857440-pat00003

속력 Spd(t i ) 은 경과 시간으로 이동 거리를 나누어 다음과 같이 계산한다. The speed Spd( t i ) is calculated as follows by dividing the distance traveled by the elapsed time.

Figure 112020088857440-pat00004
Figure 112020088857440-pat00004

선박의 항속은 조업 여부와 관련이 있다. 본 발명의 실시예에서는 항속이 6노트 이상인 어선은 조업을 하지 않는 것으로 간주한다.The cruising speed of a vessel is related to whether it is operating or not. In an embodiment of the present invention, a fishing vessel with a cruising speed of 6 knots or more is regarded as not operating.

딥러닝deep learning 모델 Model

어선의 조업은 선박의 이동 데이타와 조업 당시 해양환경 변수에 의해 고유의 항적 패턴을 제공하는 특징이 있다. 어선 조업을 판별하기 위해서 어선의 부분적인 움직임과 장기적인 움직임 변동에 대한 조사가 필요한데, 이에 대한 수학적인 모델링 및 통계적 분석방법에는 정확도 향상에 한계가 있다. 반면, 기계학습은 데이타를 기반으로 모델을 생성하므로 다양한 비선형 변수들을 고려하여 모델링이 가능하여 이러한 한계를 효과적으로 개선할 수 있으며, 신경망 기계학습의 한 종류인 딥러닝은 최근 많은 분야에서 좋은 성능을 보이고 있다. Fishing vessels are characterized by providing a unique wake pattern according to the movement data of the vessel and the marine environment variables at the time of operation. In order to discriminate the fishing vessel operation, it is necessary to investigate the partial movement and long-term movement fluctuation of the fishing vessel, and there is a limit to the improvement of accuracy in mathematical modeling and statistical analysis methods for this. On the other hand, since machine learning creates a model based on data, it is possible to model in consideration of various non-linear variables, and this limitation can be effectively improved. there is.

본 발명은 딥러닝 모델 기반의 어선 조업 판별 방법을 제안한다. 이 딥러닝 모델의 앞 부분에는 컨볼루션 신경망(Convolutional Neural Network)과 전 연결 신경망(Fully Connected Neural Network)이 사용되며, 후단에는 전 연결 신경망이 다시 사용한다. 이 모델은 어선의 항적데이타와 해양환경데이타를 입력받아 관련되는 어선 조업 종류를 판별한다. 도 5는 본 발명에서 제안하는 인공신경망 모델의 전체적인 구조를 나타내고 있다. The present invention proposes a method for determining fishing boat operation based on a deep learning model. A convolutional neural network and a fully connected neural network are used in the front part of this deep learning model, and a fully connected neural network is used again in the rear part. This model receives the tracking data and marine environment data of the fishing vessel and determines the type of fishing vessel involved. 5 shows the overall structure of the artificial neural network model proposed in the present invention.

항적윈도우wake window 데이타셋dataset 생성 produce

본 발명에서 제안하는 딥러닝 모델의 학습 데이타는 선박 침로변화, 속력의 시계열 데이타와 각 시계열의 중심에서의 수심, 수온, 주/야간, 조석차, 해저저질의 해양환경 데이타를 이용한다. The learning data of the deep learning model proposed in the present invention uses time series data of ship course change and speed, and marine environment data of water depth, water temperature, day/night, tide difference, and sea bed quality at the center of each time series.

딥러닝 모델에 적용하기 위한 입력 데이타는 어선의 항적 패턴의 역동적인 변화를 포함하면서 학습에 효과적으로 사용하기 위해 전처리 모듈에서 데이타셋으로 가공된다. 먼저, 침로 및 속력의 시계열 데이타는 여러 개의 데이타를 세트화하여 1개의 데이타 형태인 항적윈도우 데이타셋(trajectory window ; TW(i) )로 변환한다. TW 를 추출하기 위해서는 기준점이 필요하다. 기준 시점을 t i 라 하고, TW의 길이를 s 라 하면 TW(i) 는 다음과 같이 표현할 수 있다. The input data to be applied to the deep learning model is processed into a dataset in the preprocessing module to be effectively used for learning while including the dynamic change of the wake pattern of the fishing vessel. First, the time series data of course and speed is a set of several data, and the trajectory window ( TW(i)) ) is converted to A reference point is needed to extract TW . If the reference point is t i and the length of TW is s , TW(i) can be expressed as

Figure 112020088857440-pat00005
Figure 112020088857440-pat00005

1개의 TW 에는 어선이 투망, 양망, 대기 등 어선의 조업종류를 판별하기 위한 충분한 정보가 포함되어 있고, 본 발명의 실시예에서는 s 의 길이를 24시간, 1분 간격으로 1440개의 항적윈도우 데이타를 추출하였다. 항적윈도우 데이타셋은 조업 종류에 따라 달라지는 복잡한 항적 패턴을 반영하기 위해 소정 시간 간격으로 데이타셋을 중첩하여 복수의 데이타셋을 구성하는 것이 바람직하다. 도 6은 24시간 동안의 데이타를 포함하는 개별 항적윈도우 및, 침로 및 속력변화에서 각 항적 윈도우가 일정한 스텝(시간 간격)으로 이동하며 중첩하여 생성된 것을 나타낸다. One TW contains sufficient information for the fishing vessel to determine the type of fishing vessel fishing, such as throwing nets, sheep nets, and atmospheric air. extracted. The wake window dataset is set to reflect the complex wake pattern that varies depending on the type of operation. It is preferable to configure a plurality of data sets by overlapping data sets at time intervals. FIG. 6 shows individual wake windows including data for 24 hours, and each track window in course and speed change is generated by overlapping while moving at a constant step (time interval).

침로 데이타에서 침로 변화(Course Change : CC(t i ))는 특정 시점에서의 침로 차이(Cd(t i ))의 절대값으로 정의되며, 다음과 같이 구한다. Course change (CC( t i )) in course data is defined as the absolute value of the course difference (Cd( t i )) at a specific time point, and is obtained as follows.

Figure 112020088857440-pat00006
Figure 112020088857440-pat00007
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또한, 본 발명에서 제안하는 딥러닝 학습 및 조업 판별 모델에서 학습 데이타셋 FAD(i) 은, 다음과 같이 t i 시점에서 t i +s- 1 까지 침로변화와 속력의 값으로 구성된다. In addition, in the deep learning learning and operation discrimination model proposed in the present invention, the training dataset FAD(i) is t i +s- 1 at the time t i as follows. It consists of the values of course change and speed.

Figure 112020088857440-pat00008
Figure 112020088857440-pat00008

해양 환경적 요인은 어업활동에 영향을 미치는 요소로 주/야간, 조석차, 수온, 수심, 해저타입으로, 본 발명에서 딥러닝 모델의 해양 환경 데이타셋에는 이 요소들이 모두 포함된다. 구체적으로, 주/야간 변수는 일부 어류가 빛에 따라 군집하는 특성이 있으므로 특히 야간에 불빛을 비추면 물고기가 모여들며, 주간은 0, 야간은 1로 설정하였다. 조석차(조석의 속도)는 어류의 먹이인 플랑크톤의 이동과 관계가 깊고, 수심과 수온은 어류가 변온동물이기 때문에 좋아하는 수온에 따라 환경에 따라 머무르는 구역이 틀리며, 해당값을 데이타로 사용하였다. 해저 저질은 어류가 부화하거나 생활하는데 영향을 주는데, 본 발명의 실시예에서는 진흙(mud), 쉘층(shell), 암석(rock), 모래(sand), 자갈층(gravel)의 5개 종류로 구분하여, 각각 0, 1, 2, 3, 4로 구분하였다. Marine environmental factors are factors that affect fishing activities, such as day/night, tidal difference, water temperature, water depth, and seabed type. In the present invention, the marine environment dataset of the deep learning model includes all these factors. Specifically, as the day/night variable has the characteristic that some fish cluster according to the light, the fish gathers especially when the light is lit at night, and the daytime is set to 0 and the nighttime is set to 1. The tidal difference (tidal velocity) is closely related to the movement of plankton, which is food for fish, and the water depth and water temperature differ depending on the environment depending on the preferred water temperature because fish are cold-blooded animals, and the corresponding values were used as data. . The bottom quality of the seabed affects the hatching or living of fish, and in the embodiment of the present invention, it is divided into five types: mud, shell, rock, sand, and gravel. , were classified as 0, 1, 2, 3, and 4, respectively.

특징 추출(Feature Extraction) 및 예측(Prediction) 모듈Feature Extraction and Prediction module

본 발명의 딥러닝 모델에서, 입력 데이타를 토대로 특징 추출 및 예측 과정을 개략적으로 설명한다. 딥러닝 모델의 적용 및 학습 과정과 관련한 사항은 공지의 CNN 알고리즘이 참조될 수 있다. In the deep learning model of the present invention, a feature extraction and prediction process based on input data will be schematically described. A well-known CNN algorithm may be referred to for matters related to the application and learning process of the deep learning model.

특징 추출은 전처리된 데이타에서 의미 있는 데이타의 특징을 추출하고, 예측 모듈은 어선의 조업 종류를 판별한다. 특징 추출 모듈에서 1D CNN의 서브 모듈은 s-1 개의 어선의 침로변화, 속력 데이타가 전처리되어 k 수 만큼 특징을 추출하는 딥러닝 모델 아키텍쳐이다. 이 모델의 구조는 다음과 같다. The feature extraction extracts the features of meaningful data from the preprocessed data, and the prediction module determines the fishing type of the fishing vessel. In the feature extraction module, the sub-module of 1D CNN is a deep learning model architecture that extracts k number of features by preprocessing the course change and speed data of s-1 fishing boats. The structure of this model is as follows.

Figure 112020088857440-pat00009
Figure 112020088857440-pat00009

위 아키텍쳐에서 1D Conv(30) 은 1차원의 데이타 벡터가 30개의 컨볼류션 레이어로 특징을 추출한 것을 의미한다. 1D Conv 는 침로변화 및 속력의 입력데이타가 사용된다. In the above architecture, 1D Conv(30) means that a one-dimensional data vector is a feature extracted with 30 convolutional layers. 1D Conv uses input data of course change and speed.

컨볼루션 연산은 다음과 같이 입력 데이타로부터 커널을 사용하여 특징을 추출한다: 1차원의 입력 데이타를 Cn - 1 이라 하고, 1차원 어레이의 커널 Wn 이라 한다. 아래 식에서 * 은 컨볼루션 연산을 의미하고, f 는 활성화 함수를 나타낸다. 본 발명의 실시예에서 활성화 함수는 ReLU function 을 사용하였다. 컨볼루션 커널 Wn 이 입력 데이타 Cn -1 에 적용될 때, 출력 Cn 은 다음과 같이 계산된다. 여기서 bn 는 모델 바이어스를 나타낸다. 학습을 하면 컨볼루션 커널 파라미터는 학습 데이타에 따라 자동적으로 학습이 된다. The convolution operation extracts features from the input data using the kernel as follows: Let the one-dimensional input data be C n - 1 and the one-dimensional array kernel W n . In the formula below, * denotes a convolution operation, and f denotes an activation function. In the embodiment of the present invention, the ReLU function was used as the activation function. When the convolution kernel W n is applied to the input data C n -1 , the output C n is calculated as where b n represents the model bias. When learning, the convolutional kernel parameters are automatically learned according to the training data.

Figure 112020088857440-pat00010
Figure 112020088857440-pat00010

맥스 풀링(Max pooling)은 특징 값에서 최대 값을 추출하고 특징 값들을 1개의 값으로 축약한다. 컨볼루션 레이어는 3×1 의 컨볼루션 커널을 사용하고, 맥스풀링은 4×1 윈도우 크기로 사용된다. 입력은 선박 침로변화와 속력의 데이타로 1개의 채널이며 (s-1)×1 크기의 형태로 주어진다. 여기서 s 는 항적데이타를 보간하여 샘플링 한 수를 나타낸다. 본 발명의 실시예에서, 항적 윈도우(the trajectory window)의 길이는 24 시간이며, 항적 윈도우(sliding trajectory window)는 3분 간격으로 이동하여 중첩되게 설정하였다. 그러므로 총 항적을 보간하는 횟수는 480번이다. 즉 480개의 데이타 샘플을 가진다. Max pooling extracts the maximum value from the feature values and reduces the feature values to one value. The convolutional layer uses a 3×1 convolution kernel, and maxpooling is used with a 4×1 window size. The input is data of ship course change and speed, which is one channel and is given in the form of (s-1)×1 size. Here, s represents the number of samples sampled by interpolating the track data. In an embodiment of the present invention, the length of the trajectory window is 24 hours, and the sliding trajectory window is set to overlap by moving every 3 minutes. Therefore, the total number of interpolation times is 480. That is, it has 480 data samples.

반면에, 출력은 k×1 의 배열로 생성된다. 여기서 k 는 특징 추출 모듈의 출력 레이어의 노드 수이다. 실시예에서 k는 3570 (119×30) 개 이다. 도 7은 특징 추출 모듈에서 입력된 결과가 1차원의 특징 벡터로 나타난 결과를 모식적으로 보이고 있다. On the other hand, the output is generated as an array of k×1 . where k is the number of nodes in the output layer of the feature extraction module. In the embodiment, k is 3570 (119×30) pieces. 7 schematically shows a result in which a result input from the feature extraction module is displayed as a one-dimensional feature vector.

조석차, 주/야간, 수온, 수심, 해저 종류 등 조업 환경 데이타는 1차원 벡터 데이타 형태로 만들어져서 다음의 FCNN (fully connected neural network) 모델에 학습하여 특징을 추출하였다. Operating environment data such as tides, day/night, water temperature, water depth, and seabed type were created in the form of one-dimensional vector data, and features were extracted by learning it on the following fully connected neural network (FCNN) model.

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여기서 FCL(p) 는 p 개 노드를 가진 a fully connected layer를 의미한다. Here, FCL(p) means a fully connected layer with p nodes.

어선 항적 데이타의 1차원 CNN 기반 특징 추출 모듈과 해양 환경 데이타의 FCNN 기반 특징 추출 모듈의 출력값을 결합하여 예측 모듈로 전달하며, 예측 모듈은 다음의 구조를 갖는다. The output values of the one-dimensional CNN-based feature extraction module of fishing vessel tracking data and the FCNN-based feature extraction module of marine environment data are combined and transmitted to the prediction module, and the prediction module has the following structure.

Figure 112020088857440-pat00012
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예측 모듈은 FCNN 기반으로 각각 50 및 30개의 노드인 히든 레이어와 (본 발명에서 조업 종류의 수와 동일한) 6개 노드의 출력 레이어로 구성되며, 최종 출력값은 출력 노드 결과에 softmax 과정을 적용하여 산출된다. Based on FCNN, the prediction module consists of a hidden layer of 50 and 30 nodes, respectively, and an output layer of 6 nodes (the same as the number of operation types in the present invention), and the final output value is calculated by applying the softmax process to the output node result do.

성능 평가 지수performance rating index

딥러닝 학습 모델에 따른 어선 조업 판별 성능을 평가하기 위하여, 학습용 데이타가 아닌 판별 대상 어선의 항적 데이타를 생성하였다. 조업 판별용 테스트 데이타는 어선에 대해 24시간 동안의 항적윈도우 데이타셋을 3분 단위로 이동하여 중첩시켜 총 480 개의 항적윈도우 데이타셋, TW(i) 을 생성하였고, 이중에서 조업 활동과 관련이 없는 정보들은 제외하였다.In order to evaluate the fishing vessel operation discrimination performance according to the deep learning learning model, the track data of the fishing vessel to be discriminated, not the data for learning, was generated. For the test data for fishing identification, a total of 480 wake window datasets, TW(i), were created by moving and overlapping the wake window dataset for 24 hours for a fishing vessel in 3 minute units. information was excluded.

성능 평가에는 아래의 식으로 정의되는 항적윈도우 성능지수, TPI (trajectory window-wise performance index)를 이용하였다. The trajectory window-wise performance index (TPI), defined by the following equation, was used for performance evaluation.

Figure 112020088857440-pat00013
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여기서, Dte 는 항적 데이타를 추출한 조업일 수, Sd 는 특정 일에 조업중인 어선 수,

Figure 112020088857440-pat00014
는 조업일의 어선에 관한 항적데이타 수,
Figure 112020088857440-pat00015
는 조업일의 어선에 대한 n 번째 항적데이타,
Figure 112020088857440-pat00016
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에 대한 조업 종류,
Figure 112020088857440-pat00018
는 실제 조업 종류이고,
Figure 112020088857440-pat00019
는 a=b 일 때는 1, 다른 경우는 0 으로 결정되는 함수이다. TPI 는 0 과 1 사이의 값을 가지며, TPI 가 클수록 학습 모델의 정확도가 우수하다.Here, D te is the number of fishing days from which the track data is extracted, S d is the number of fishing boats operating on a specific day,
Figure 112020088857440-pat00014
is the number of track data on fishing boats on a working day,
Figure 112020088857440-pat00015
is the nth track data for the fishing boat on the working day,
Figure 112020088857440-pat00016
Is
Figure 112020088857440-pat00017
for the type of fishing,
Figure 112020088857440-pat00018
is the actual type of operation,
Figure 112020088857440-pat00019
is a function determined to be 1 when a=b and 0 otherwise. TPI has a value between 0 and 1, and the higher the TPI, the better the accuracy of the learning model.

또한, 본 발명에서는 또 다른 성능 평가 지수로서 아래의 식으로 정의되는 일별 성능 지수, DPI (day-wise performance index)를 사용하였다. In addition, in the present invention, as another performance evaluation index, a daily performance index, DPI (day-wise performance index) defined by the following equation was used.

Figure 112020088857440-pat00020
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여기서,

Figure 112020088857440-pat00021
는 최대 빈도를 나타내는 조업 종류를 나타낸다. 선박의 조업은 당일에 하나의 방식만 수행하는 것으로 추정할 수 있는데 한번에 여러가지 조업 방식을 수행하기 어렵기 때문이다. DPI 가 클수록 학습 모델의 정확도는 우수한 것으로 판단할 수 있다.here,
Figure 112020088857440-pat00021
indicates the type of operation representing the maximum frequency. It can be estimated that the operation of a ship is carried out in only one method on the same day, because it is difficult to perform several operation methods at once. It can be judged that the higher the DPI, the better the accuracy of the learning model.

실시예Example

제주도를 포함하는 한반도 남쪽 바다에서의 AIS 항적 데이타를 수집하였다. 해당 지역의 일별 데이타는 2.5 기가바이트이고 전체 데이타는 약 900 기가바이트 분량이었다. 수집된 데이타에서 어선과 관련된 데이타는 1/3 수준이고, 1380 개 선박의 정적 정보 및 동적 정보를 포함하여 5,865,696,000 개의 데이타를 어선별로 분류하여 항적 데이타를 전술한 방법에 따라 보간하였다. AIS track data were collected in the southern seas of the Korean Peninsula including Jeju Island. The daily data for the region was 2.5 gigabytes, and the total amount of data was about 900 gigabytes. In the collected data, the data related to fishing vessels is one-third, and 5,865,696,000 pieces of data including static and dynamic information of 1380 ships were classified by fishing vessel, and the track data was interpolated according to the method described above.

딥러닝 모델로 학습 및 판별 적용을 위해 어선별 항적 데이타를 1분 단위로 보간하고 24시간의 길이로 항적윈도우 데이타셋을 생성하였다. 항적윈도우 데이타셋은 3분 간격으로 중첩되도록 이동시켜 구축하였으며, 항적윈도우 데이타셋의 총 수는 52,560,000 이었다. 이중 80%의 데이타(292일)를 학습 모델에 사용하고 나머지 20%의 데이타(73일)는 조업 판별에 사용하였다. 데이타셋에서 고속 항해나 항구 근처의 정박 등 비조업 활동과 관련된 정보는 제외하고 총 24,966,000 개의 항적윈도우 데이타셋을 딥러닝 학습 및 조업 판별용 데이타로 사용하였다.For learning and discrimination application as a deep learning model, track data for each fishing vessel was interpolated in units of 1 minute and a track window dataset was created with a length of 24 hours. The wake window dataset was constructed by moving it to overlap at 3-minute intervals, and the total number of the wake window datasets was 52,560,000. Of these, 80% of data (292 days) was used for the learning model, and the remaining 20% of data (73 days) was used for operation discrimination. In the dataset, a total of 24,966,000 wake window datasets were used as data for deep learning learning and operation discrimination, excluding information related to non-fishing activities such as high-speed navigation or anchoring near ports.

학습 데이타는 다음과 같이 레이블별 데이타 불균형이 있다 : 선망 부류 21.2% (4,234,234 records), 안강망 부류 15.7% (3,135,730 records), 연승 부류 12.4% (2,476,627 records), 유자망 부류 9.2% (1,837,498 records), 통발 부류 18.4% (3,674,995 records), 트롤 부류 23.1% (4,613,717 records). 이러한 데이타 불균형을 해소하기 위해, 각 레이블에서 랜덤으로 매 학습마다 1,000,000 개 데이타만 추출하였다. 테스트 데이타 셋도 마찬가지로 300,000개의 데이타를 추출하여 성능을 평가하였다. The training data has data imbalance by label as follows: envy class 21.2% (4,234,234 records), eye network class 15.7% (3,135,730 records), continuous class class 12.4% (2,476,627 records), drift net class 9.2% (1,837,498 records), trap Class 18.4% (3,674,995 records), troll class 23.1% (4,613,717 records). In order to resolve this data imbalance, only 1,000,000 data were randomly extracted for every training from each label. In the test data set, the performance was evaluated by extracting 300,000 data as well.

학습 데이타에 대해 전술한 바와 같은 딥러닝 모델로 학습을 수행한 후, 조업 판별을 위한 테스트 데이타를 이용하여 학습 모델의 성능을 평가하였다. 학습 모델의 성능은 특히 항적윈도우 사이즈에 영향을 받았으며, 도 8은 항적윈도우 사이즈가 1, 5, 10, 15, 20, 25h 일때의 선종별 정확도(TPI) 변화를 나타내고 있다.After performing learning with the deep learning model as described above for the learning data, the performance of the learning model was evaluated using the test data for operation discrimination. The performance of the learning model was particularly affected by the wake window size, and FIG. 8 shows the change in accuracy (TPI) for each ship type when the wake window size is 1, 5, 10, 15, 20, 25h.

본 발명의 어선 조업 판별 방법과 관련하여, 성능의 비교 평가를 위해 또 다른 기계학습 모델인 SVM(support vector model) 기반으로 판별 모델을 생성하였다. 이 비교모델에서는 침로변화와 속력을 10개의 간격으로 이산시키고 히스토그램을 생성하였고 해양 환경 데이타와 함께 입력값으로 사용하였다. 이 모델에 적용되는 커널 함수는 sigmoid, polynomial, linear 의 세 가지인데, 각 타입에 대해 학습 모델의 성능을 확인한 결과 linear 인 경우가 우수하였다. In relation to the fishing vessel fishing discrimination method of the present invention, a discrimination model was generated based on another machine learning model SVM (support vector model) for comparative evaluation of performance. In this comparative model, the course change and speed were separated by 10 intervals, a histogram was generated, and it was used as an input value together with the marine environment data. There are three kernel functions applied to this model: sigmoid, polynomial, and linear. As a result of checking the performance of the learning model for each type, the linear case was excellent.

a) TPI 지수 비교a) TPI index comparison

24시간의 어선 항적 데이타에 대해 조업 종류를 판별하여 SVM 모델과 본 발명의 CNN 모델에 기초한 각각의 TPI 지수를 평가하고 표 2에 그 결과를 나타내었다. By determining the type of fishing for 24 hours of fishing vessel tracking data, each TPI index was evaluated based on the SVM model and the CNN model of the present invention, and the results are shown in Table 2.

[표 2][Table 2]

Figure 112020088857440-pat00022
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선망, 통발, 트롤 조업 판별에서 본 발명은 0.92 이상의 성능을 보였고, SVM 모델은 연승에 대한 판별을 제외하고는 본 발명보다 성능 지수가 낮았으며, 조업별로 판별 성능의 편차도 심하였다. 이러한 결과는 본 발명에서 항적윈도우 데이타셋 구축 시 어선의 속력 및 침로의 연속적인 변화를 고려한 것이 기인한 것으로 판단된다. The present invention showed a performance of 0.92 or more in the identification of envy, trap, and trawl operations, and the SVM model had a lower performance index than the present invention except for the determination of winning streak, and the discriminating performance by operation was also severe. This result is considered to be due to considering the continuous change of the speed and course of the fishing vessel when constructing the wake window dataset in the present invention.

b) DPI 지수 비교b) DPI index comparison

DPI는 특정 일에 수행되는 주요 조업을 고려하여 항적 데이타로부터 조업 종류를 판별한 성능에 관련되며, 본 발명과 SVM 모델에 따른 DPI 지수를 평가하여 표 3에 그 결과를 나타내었다. DPI is related to the performance of discriminating the type of operation from the track data in consideration of the main operation performed on a specific day, and the DPI index according to the present invention and the SVM model was evaluated and the results are shown in Table 3.

[표 3][Table 3]

Figure 112020088857440-pat00023
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전체적인 판별 성능이 TPI보다 0.062 향상되었으며, 안강망, 연승, 유자망의 조업 판별은 0.5 이상으로 크게 향상된 것을 알 수 있다. It can be seen that the overall discrimination performance was improved by 0.062 compared to the TPI, and the operation discrimination of the angang net, streak, and drift net was significantly improved to more than 0.5.

본 발명의 딥러닝 모델에 의한 어선조업 판별 결과를 도 9에 나타내었다. 학습 모델의 어선 조업별 항적 패턴을 볼 수 있으며, 붉은색은 정확한 판별에 해당하고, 파란색은 6노트 이상의 항적을 의미하며, 기타 색상은 판별 오류에 해당한다. 전체적으로 볼 때, 앞서 도 2에서 보인 어선의 각 조업별 항적 패턴과 유사한 판별 결과를 보인 것으로 판단된다. Fig. 9 shows the results of fishing boat fishing by the deep learning model of the present invention. You can see the track pattern for each fishing vessel operation of the learning model, red corresponds to accurate discrimination, blue means a wake of 6 knots or more, and other colors correspond to discrimination errors. In general, it is judged that the result of the determination is similar to the wake pattern of each fishing vessel shown in FIG. 2 above.

본 발명은 24시간 동안의 항적 데이타만으로도 총 6가지 조업 종류를 판별할 수 있고, 판별 정확도가 우수하여 어류 남획이나 불법 조업을 방지하고 수자원 보호에 크게 이바지할 수 있을 것으로 기대된다. The present invention is expected to be able to discriminate a total of 6 types of fishing only with track data for 24 hours, and to prevent overfishing or illegal fishing due to excellent identification accuracy, and to greatly contribute to the protection of water resources.

이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.In the above, the present invention has been exemplarily described through preferred embodiments, but the present invention is not limited to such specific embodiments and may take various forms within the scope of the technical idea presented in the present invention, specifically, the claims. may be modified, changed, or improved.

Claims (5)

네트워크 통신이 가능하고 딥러닝 모델을 포함하는 컴퓨터 시스템을 이용한 어선 조업 판별 방법으로서,
상기 시스템은 선박자동식별장치(AIS)로부터 복수의 어선의 위치, 침로, 속력을 포함하는 학습용 항적 데이타를 수신하고,
상기 시스템은 조석차, 주/야간, 수온, 수심, 해저타입을 포함하는 해양환경 데이타를 수신하고,
상기 시스템은 상기 학습용 항적 데이타에 대하여 기준값에 대해 보간하여 일정한 시간 간격으로 정렬하는 것을 포함하는 데이타 전처리 과정을 수행하고,
상기 시스템은 상기 학습용 항적 데이타 및 해양환경 데이타를 결합하고 여러 개의 데이타를 세트화하여 1개의 데이타 형태로서 시계열적으로 배열한 항적윈도우 데이타셋을 생성하고,
상기 시스템은 상기 항적윈도우 데이타셋에 딥러닝 대상 어선의 조업면허 정보를 레이블하고,
상기 시스템은 상기 항적윈도우 데이타셋에 대하여 신경망 모델로 딥러닝을 수행하고,
상기 시스템은 판별 대상 어선의 항적 데이타를 수신하고, 상기 신경망 모델로 학습된 결과를 기초로 어선의 항적 데이타로부터 해당 어선의 조업 종류를 판별하는 단계를 포함하며,
상기 항적윈도우 데이타셋은 소정 시간 간격으로 데이타셋을 중첩하여 복수의 데이타셋을 구성하는 것을 특징으로 하는
항적 데이타를 이용한 어선 조업 판별 방법.
As a method for determining fishing boat fishing using a computer system capable of network communication and including a deep learning model,
The system receives the tracking data for learning including the position, course, and speed of a plurality of fishing vessels from the automatic ship identification system (AIS),
The system receives marine environment data including tide difference, day/night, water temperature, water depth, and seabed type,
The system performs a data pre-processing process including interpolating the track data for learning with respect to a reference value and aligning it at regular time intervals,
The system combines the learning track data and marine environment data and sets several data to create a track window dataset arranged in time series as one data form,
The system labels the fishing license information of the deep learning target fishing vessel in the wake window dataset,
The system performs deep learning with a neural network model on the wake window dataset,
The system includes the step of receiving the tracking data of the fishing vessel to be determined, and determining the type of fishing of the fishing vessel from the tracking data of the fishing vessel based on the result learned by the neural network model,
The wake window dataset comprises a plurality of datasets by overlapping datasets at predetermined time intervals.
A method of identifying fishing boats using track data.
제1항에 있어서,
항적윈도우 데이타셋에서 어선의 침로 및 속력에 관한 데이타는 컨볼루션 신경망(CNN) 모델을 적용하고 해양환경 데이타는 전연결신경망(FCNN) 모델을 적용하여 딥러닝을 수행하는 것을 특징으로 하는 항적 데이타를 이용한 어선 조업 판별 방법.
According to claim 1,
A convolutional neural network (CNN) model is applied to the data on the course and speed of a fishing vessel in the wake window dataset, and a full-connected neural network (FCNN) model is applied to the marine environment data to perform deep learning. A method for identifying fishing boats using
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 판별 대상 어선의 항적데이타는 10 ~ 24시간 동안의 항적데이타를 수신하는 것을 특징으로 하는 항적 데이타를 이용한 어선 조업 판별 방법.
According to claim 1,
The tracking data of the fishing vessel to be determined is a fishing vessel fishing determination method using the track data, characterized in that receiving the track data for 10 to 24 hours.
제1항에 있어서,
어선 조업 종류를 판별하는 단계는 선망, 안강망, 연승, 유자망, 통발, 트롤을 포함하는 6개의 조업 중 어느 하나로 판별하는 것을 특징으로 하는 항적 데이타를 이용한 어선 조업 판별 방법.
According to claim 1,
The step of determining the type of fishing vessel fishing is a fishing vessel fishing discrimination method using track data, characterized in that it is determined as any one of six operations including a fishing net, an angang net, a streak, a drift net, a trap, and a trawl.
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