船載AIS數據分段實時壓縮改進方法

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船載AIS數據分段實時壓縮改進方法

夏圣凱王常法江有福

淵袁316000冤

浙江海洋學院數理與信息學院浙江舟山

揖銥淵AIS冤袁AIS遙AIS袁AIS遙

摘要隨著船舶自動識別系統的普及沿岸通過基站聯網而收集了海量的信息存儲信息需對信息進行壓縮處理

本文在壓縮算法的基礎上采用一階和二階差商作為判據以支持動態實時壓縮并且探索了采用二階插值進一步壓縮節點

Douglas-Peucker袁袁袁

算法效率高壓縮效果好

袁遙

揖銥(AIS)曰Douglas-Peucker曰

關鍵詞自動識別系統算法軌跡壓縮

員AIS

信息的特點

即單位時間內徑向速度用表示緯向速度也就是說經

曰自遙袁

準

=

準-準

為避免海上碰撞等事故的發生由國際海事組織國際助航

袁(IMO)堯

t-t

ii-1

ii-1

設備和航標協會以及國際電信聯的共同努力下制定了

(IALA)(ITU-R)

度方向前向一階差商一階差商表示為

院姿

爺

i

國際標準即船舶自動識別系統

袁(AutomaticIdentificationSystem袁AIS)遙

爺122

=自自袁駐=+自遙

姨

=自袁

姿

緯度方向前向一階差

它采用自組織時分多址

(Self-OrganidTimeDivisionMultipleAccess

商

院準

ii

準姿準

簡稱技術周期性地到發布一條在海上通過

VHF遙AIS

SOTDMA)袁淵2S6min冤

自自

幾何均值為而二階差商表示為航跡的彎曲程

度

袁姿

""""

姿姿準準

iiiii

=袁準=袁袁駐=姿+準遙

t-tt-t

-自-自

ii-1ii-1

幾何均值為

圓

的靜態信息和船舶的動態信息兩方面的內容其中靜態信息包括

頻道自動廣播船舶的航行狀態等信息船舶信息包括船舶

IMO堯堯堯堯堯堯堯曰

有了一階和二階差商求峰值點就不需要計算三角形面積公式

袁袁

姨

22

求峰值的而是根據數據點進入時一階差商的符號來判斷例如圖一

遙

態信息包括船位實時航跡向對地航速船首向航行狀態轉向率

編碼呼號船名長度寬度吃水目的港選用航線計劃等動

院院

院()堯堯堯堯堯

中節點一階差分信息緯度一階差商的符號跟相比

袁淵i袁j袁k冤袁自自袁

等

遙

因為數目眾多傳送數據時又非常頻繁的所以這些船舶的軌

AIS袁

和和

自-自袁-自-自袁自-自

或者即的符號的符號只要符號由

自自袁袁

準i準k

準i準k準j準k姿i姿k姿j姿k

正轉負或者由負轉正的轉折就是偏離當前節點的最大峰值點當

袁遙遙

跡數據是非常龐大的比如在寧波舟山港多艘船只一月傳回來

袁袁6000

然在最大峰值點的時刻沒有船位信息報告時即轉折點不是恰恰在

袁袁

的軌跡數據就高達然而船舶的運動軌跡經常是周期性的有規

8GB遙袁袁

最大峰值離散點則峰值點左右節點的取舍由二階插值誤差的大小來

袁

律可循比如靜態或直線運動船舶我們可以把數據壓縮成更小的數

袁袁

確定二階差商表示為航跡的彎曲程度二階差商符號改變時候

遙姿i冶袁袁

量而不丟失特征信息數據壓縮的成功與否取決于用戶對數據的要

袁

出現拐點利用彎曲度的中間值和一階差商符號的變化判斷峰值點

袁袁

求包括位置速度轉向率等誤差的需求實際船位包括信息中

袁袁袁遙AIS

這些值有誤差有的甚至沒這些問題可以通過船位來估算以修正收

袁袁

到信息的真實度

遙

姨

更精確用來判斷含有速度維

遙|閱|=淵姿

圓員圓員圓員

原姿冤垣淵準原準冤原駐冤

圓圓11圓

袁遙

本文在算法里通過分步判斷完成的兩點間的距離

+淵駐

2

差商

猿

插值約簡

文獻詳細闡述了信息三維動態壓縮方法該方法用

[1]AISD-P袁

也不能滿足高效率壓縮本文采用二次插值如圖所示

D-P袁袁

算法采用一階線性插值既不符合不符合船舶運動的特點

棕=

姨

淵姿原姿冤垣淵準原準冤

圓員圓員

圓圓

賊

表示對地航速對時間差加權

淵SOG冤袁棕棕

粵月

i0袁i1袁i4袁袁

袁Lagrange袁2袁

圓

軌跡還原時可以唯一重構圖所示真實值和插值誤差如陰影部

此三點能構成一個唯一的二次插值多項式保留此三點在

淵賊原賊冤

袁遙L2袁

圓員

作為調節經緯度在距離求解中的權重從而兩點間的距離公

袁

分所示這時離的距離小于到線段之間的距離這時

袁袁i2L2i2i1堯i2袁袁

式表示為

|AB|=淵姿

姨

圓圓圓

可以刪除點

i2遙

準遙

表示緯度

圓員圓員圓員

原姿冤垣淵準原準冤原賊冤袁袁姿袁

+棕淵賊

|AB|袁棕淵賊原賊冤=淵姿原姿冤垣淵準原準冤*淵賊原賊冤袁

表達式中這一項

其中表示經度

實際上是距離和時間的乘積也就是為時間差越大距離時間的值越

圓員圓員圓員圓員

圓圓圓

袁袁

姨

大有些場合時間差越大時就需要保留這個數據點而轉向率大時

遙袁袁曰袁

淵棕原棕冤袁

12

圓

更能反映速度變化從這個角度出發如果用

遙袁自

姿

=

姿-姿

t-t

ii-1

ii-1

圖插值及誤差

2

設已知

x

多項式

袁L

0120011222

袁x袁x袁y=f淵x冤袁y=f淵x冤袁y=f淵x冤袁L淵曾冤

及為不超過二次

L

Lagrange

曾冤=y淵垣y垣y

2001122

淵曾冤淵x袁y冤袁淵x袁y冤袁淵x袁y冤袁院

為過的二次曲線從而得到

20員圓

淵曾原曾冤淵曾原曾冤淵曾原曾冤淵曾原曾冤淵曾原曾冤淵曾原曾冤

淵曾原曾冤淵曾原曾冤淵曾原曾冤淵曾原曾冤淵曾原曾冤淵曾原曾冤

園員園圓員園員圓圓員圓園

員圓園圓員園

圖節點運動軌跡場景

1

淵x冤曾袁曾袁曾袁2Lagrange袁淵39冤

關于節點階插值多項式則對下轉第頁

設

曾

園員圓

袁曾袁曾沂咱a袁b暫袁f淵x冤咱a袁b暫3袁蘊淵曾冤f

插值余項

園員圓

在上有連續的階導數為

灶

作者簡介夏圣凱男浙江海洋學院數理與信息學院本科生

淫院曰淵LY12F02022冤曰淵2011C11046冤遙

基金項目浙江省大學生創業項目浙江省自然科學基金浙江省科技廳重大項目

院袁袁袁遙

王常法男浙江海洋學院數理與信息學院本科生

袁袁袁遙

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功能函數就可以實現強大的分布式數據庫應用了

2.4.2

遙

3.2

標簽頁控件是一個很好用的組件使用它可以

標簽頁

淵TabControl冤.NET袁

方便地組織界面節省顯示空間通過的屬性可為然后在三個地點同時運行程序先進行初始化程序會

袁袁TabControlCollection192.168.0.3遙袁袁

DDBlocation袁192.168.0.1袁192.168.0.2袁

首先在互聯網上的三臺電腦上放置該程序并分別修改數據庫

測試

中的表設北京為上海為西安

袁

以為控件添加標簽頁在標簽頁上可以添加各種控件組件在程序自動判斷當前所處的地理位置并在標題上顯示此時可以執行各個查

遙袁袁袁

中往往會遇到要判斷當前是哪個標簽頁正在被顯示詢了這可以使用

TabControlSelectIndex遙Index袁

袁遙袁

本地數據庫查詢會將本地數據庫系統中的信息顯示出來遠程

袁曰

通過這個索引數據庫查詢可以將除了本地數據庫以外的其他數據庫顯示出來顯示就可以找出用戶關心的標簽頁了

的屬性來判斷每個標簽頁都對應一個

2.4.3淵DataGrid冤

袁袁遙

的速度依賴于網絡的狀況聯合數據庫的查詢更將依賴三地數據庫的

曰

數據表格是框架中用來顯示數據的可以把中的內聯合操作任何一方出問題將直接導致查詢失敗

數據表格的使用

.NET袁DataSet袁遙

容通過顯示出來同時用戶在中的修改也會對應

DataGrid袁DataGrid

到中為了允許記錄被編輯支持一個整數類型的

源

結論

EditItemIndex遙袁DataGrid

DataSet遙袁DataGrid

來代替文本標簽顯示同時當的的屬性被設

屬性設置了該屬性后將該行內容用輸入框

遙袁DataGridAllowSorting

更加高效可靠有效地解決了開發分布式數據庫系統的主要問題大

C#袁

通過訪問數據庫使得對數據庫的操作及管理變得

堯袁袁

為它在列標題位置提供了超鏈接用以激活命令并返回給

true袁袁Sort袁

大減輕了系統開發工作量并且提高了系統的可靠性和安全性

袁遙

表格當用戶點擊這個鏈接時所調用的事件句柄可以在的

OnSortCommand遙DataGrid

遙袁DataGrid

設為不顯示只要使屬性設置為就行了

袁CaptionVisibleFal遙

屬性中設定若要在程序中將所有的的標題

咱員暫.C#50[M].:,2001.

揖銥

參考文獻

3

運行環境和測試

咱圓暫,,.C#[M].:,2003.

吳財軍經典范例講北京北京希望電子出版社

3.1

咱猿暫.Access2002[M].:,

黃承安謝東文等網絡應用案例導航北京中國鐵道出版社

2003.

桂思強數據庫系統開發實例導航北京中國鐵道出版社

本分布式查詢系統基于以下環境才能正常運行

運行環境

MicrosoftDataAccessComponents(MDAC)2.8曰

遙

咱源暫.Access2002[M].:,2003.

Microsoft.NETFrameworkRedistributable1.2曰

咱緣暫窯,.C#:堯XML堯web

胡緒英數據庫技術及應用北京科學出版社

MicrosoftInternetExplorer(IE)6.0遙

[M].,,.:,2003.

麥曼斯克茲曼編開發人員指南服務與

常曉波朱劍平譯北京機械工業出版社

咱院暫

責任編輯楊揚

淵19冤x沂咱a袁b暫袁n=2

上接第頁任意

對保持經向和緯向速度和方向保持不變的船舶軌跡信息不予記

砸棕淵曾冤援袁孜曾

錄如第行

灶灶

淵曾冤越棗淵曾冤原蘊淵曾冤越袁曾袁曾淵

棗

淵灶垣員冤

袁

淵孜冤

其中位于

園員圓

自)=-1)袁遙袁

袁5遙sign(自

姿i+2姿i+1姿i+1姿i準i+2準i+1準i+1

-自)*sign(自-自)=-1orsign(自-自)*sign(自-

x冤袁棕淵x冤=淵曾原曾冤

儀

灶

淵灶垣員冤浴

依賴于

二階拐點之間的節點如果二階插值誤差小于一定則不

準i

用于判斷峰值點記錄峰值點對基準點到峰值點及峰值點到

袁Lagrange著袁

躁越園

躁

需要插值掃描結束基準點移動到峰值點循環

遙袁遙遙

源

算法

緣

實驗及結論

本算法支持實時連續性每增加一個新節點即時判斷首先對靜

袁袁遙

壓縮率為壓縮后的點的個數后的大小與壓縮前的大小之比實驗

遙

止的船舶和位移很小的船舶不記錄船位信息如算法行

1initD袁自袁著曰

袁袁3,4遙

過程中我們隨機選取漁業船舶一天的數據進行數據

袁MMSI42344170

壓縮對比沒有壓縮前有數據點壓縮后只有挑選的軌跡

袁4750袁2230袁

2while(nextnewnode){

挑選了平均值達到油輪一天的數據從

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

maxmax

3435314袁2803袁

4if(姿-姿<著)and(準-準<=著){

p=next;continue;}

max

632袁49.6%遙

個壓縮到期間停頓狀態有個數據點單從運動狀態

袁49.3%遙MMSI413441640袁

i+1ii+1i

船舶類型今后要從大量的船舶類型貨輪客輪拖船捕撈等類型做

個點看壓縮率達到當然目前我們只是選取了幾個典型的

袁堯堯堯

大量的分類壓縮對比試驗

遙

5if(自<=自)and(自<=自){

p=next;continue;}

姿imax準imax

總結本文采用數值差商壓縮算法優點有靜止的船舶差商

院袁院淵1冤

為零直線運動徑向和緯向一階差商為常量二階差商反映了

曰淵2冤曰淵3冤

6if(sign(自-自)*sign(自-自)=-1

p=next;continue;}

軌跡的彎曲程度運算的目的是更好的提高數據的壓縮率減低運算

遙袁

量支持實時性動態壓縮對地航速船首向等多元函數插值壓縮

曰淵4冤遙袁

7inrt;

orsign(自-自)*sign(自-自)=-1){

姿i+2姿i+1姿i+1姿i

準i+2準i+1準i+1準i

精度問題有待今后做進一步研究

袁遙

8While(sign(姿冶-姿冶)

咱員暫,,.AIS[J].,

揖銥

參考文獻

9if(dis(L(i),t(姿,準))<=著)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運動軌跡壓縮技術研究航海技術

11endwhile

}

咱圓暫.[M]援:袁2010袁2院203-227.

徐士良數值方法與計算機實現北京清華大學出版社

咱院暫

責任編輯王靜

淵6冤

[J].,2012(04).

上接第頁

咱員暫.

李澤對免費開放環境下公共圖書館信息化建設的幾點思考

川圖書館學報

咱圓暫.[J].院

科技情報開發與經濟

咱緣暫袁.

考吉林公安高等專科學校學報

向遠平白云霞關于公安院校圖書館如何在社會開放環境下尋求發展的思

,2011(04).

等教育研究

瞿丹開放環境下高校圖書館讀者服務工作的難點及對策分析教育界高

咱猿暫.[J].,

咱遠暫袁.

[J].,2008(06).

2012(02).

齊海華開放環境下公共圖書館服務的共性問題邯鄲職業技術學院學報

,2012(12).

色企業科技與發展下半月

[J].院,2011(06).

張麗平鐘家玉政府信息資源共享與開發利用系統工程中的高校圖書館角

咱源暫.[J].

張大英開放環境下中西部基層公共圖書館創新讀者服務工作的思考四

咱院暫

責任編輯王靜

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科技視界

39

.. All Rights Rerved.