AIS原始数据的数据库存储及统计功能实现

梁民仓，李笑晨，王任大，尹　勇

(大连海事大学航海动态仿真和控制实验室，辽宁大连　116026)



AIS原始数据的数据库存储及统计功能实现

梁民仓，李笑晨，王任大，尹勇

(大连海事大学航海动态仿真和控制实验室，辽宁大连116026)

摘要：针对现有VTS(Vessl Traffic System)模拟器缺少利用AIS(Automatic Idnentification System)数据进行历史交通流规律的相关统计功能的不足，采用PostgreSQL建立用于存储天津港AIS历史数据的数据库，以电子海图为显示平台，结合TeeChart图表插件作为辅助显示工具，对AIS原始数据按照通常操作人员的需求进行处理，实时给出天津港港区的历史船舶交通概况。设计出良好的人机交互界面，实现船舶历史轨迹的简单重绘，按照船舶类型、吃水、长度以及任意门线(进出港航道的截面)得出统计结果，可再现天津港的历史交通流规律，且以图表的形式展现统计结果，为研究天津港的交通流模型及VTS操作人员进行决策提供数据支持。

关键词：VTS模拟器；AIS数据存储；数据库；数据统计

VTS模拟器对VTS人员培训具有重要作用。随着港口交通日益密集，对VTS人员的交通组织及服务能力要求越来越高，所以在培训环节中要求模拟器的功能更加完善。VTS指挥人员做出任何决策都需要数据信息的支持，近年来装载船舶自动识别系统(AIS)，船舶越来越多[1-2]，由于AIS信息具有自动播发的特点，因此AIS信息成为一种很好的交通流统计的数据来源，且对AIS数据应用方面的研究越来越多[3-8]。文献[9-11]将AIS数据应用于航道管理工作，使得航道管理更加智能化，文献[12]采用基于AIS的交通观测方法研究交通流模型，文献[13]基于AIS信息设计了港口的监控与分析系统，文献[14]则基于AIS数据开发了适合长江干线交通管理的航运信息平台，文献[15-18]利用AIS信息针对特定水域的不同需求进行了深入研究。现有VTS模拟器中，尚缺少基于原始数据的查询统计及显示功能。本文基于天津港2014年的AIS原始数据，实现了原始数据的查询统计及显示。

1AIS数据库搭建

在现有VTS模拟器功能基础上，要实现AIS数据查询统计功能，需要相应海区航行船舶的AIS数据历史。天津港1 a的AIS数据有上百万条，处理大批量数据需要建立高效、易于维护的数据库。根据项目需求，基于PostgreSQL搭建了可存储历史数据、虚拟AIS数据以及实时接收的真实AIS数据的数据库。数据库中主要创建用于存储船舶动态和静态数据的两个表，剔除不需要的数据以减少内存开销，利用两个触发器，在接收到AIS数据之后、存储之前，对接收到的数据根据需要分别向static、voyage和dynamic表中添加数据，达到按需求分类存储的目的。使用时，根据实际需求从相应表中进行查取。该数据库既满足数据存储和处理的安全性、高效性要求，也满足后期使用的易维护性要求。

2功能实现

AIS数据库主要实现的功能包括：可进行不同断面、不同类型、不同吃水以及不同船长和船宽的统计查询，并以不同的方式显示统计结果。

AIS数据主要分为动态信息、静态信息以及航次相关信息，数据库中将这3种数据分别建立一个表进行存储，以mmsi字段作为关键字，便于对数据按类别存储处理和整合查询。其中航次数据表中存储的是船舶的航次信息，每个航次存储为1条记录，在查询某一时间段的数据时，1条船舶多次靠港的情况可以按航次分成多条船舶进行处理。查询统计的人机交互界面如图1所示。由图1可以看出，操作人员可按需求自行设定查询条件，查询起止时间、船舶类型、吃水、船长、船宽、进出港以及船位采样间隔，还可以通过鼠标在海图上点击自行设定所要考察的断面(门线)。设定完查询条件，点击查询按钮即可进行查询，同时查询按钮右侧会动态显示进度条，以实时显示查询进度。查询完毕，即可显示相关结果，如弹出统计图表、海图上绘制直方图以及显示船舶轨迹等。

图1　AIS数据查询统计人机界面

2.1查询

为了实现复合查询条件下的数据查询，需要结合动态、静态和航次3个数据表进行复合查询，查询语句越复杂，查询速度越慢，所以需要对查询语句进行优化，尽量提高查询效率。另外，不同计算机内存及处理速度不同，综合软件和硬件两方面因素，考虑该功能日后可能叠加在VTS模拟操作设备上，故采用多线程处理查询功能，查询时不会影响其他操作。将查询得出的结果存储在数组容器中，以便在后续统计处理工作中使用。

2.2进出港判断

由于AIS数据中某些数据可能不是十分准确，如目的港，所以利用船舶通过断面的前后位置信息更为可靠。本文利用断面两个端点、进出港参考点以及船舶断面前后两个位置点判断进出港，其中断面设定如图2所示。画断面时，使用橡皮筋效果工具使操作人员可以更准确的确定断面，同时保存了两个端点的经纬度信息。之后可在考察断面的一侧点击鼠标，该侧即为进港方向，同时保存该参考点的位置信息。这样船舶的位置信息就可以从数据库中的AIS数据中获取。

本文根据断面和进出港参考点给出考察断面的进港航向范围，再与船舶前后两船位计算出的航向进行比对，最终判断船舶的进出港。所需的3个点情况如图3所示。

具体实现步骤为：

1)判断船舶轨迹与断面是否相交

是否通过断面是进一步处理数据的前提，可通过判断断面两端点和前后两船位4个点的关系，判断轨迹是否与断面相交，具体原理为：判断以两条线段为对角线的矩形是否相交，如果不相交，两条线段肯定也不相交；如果相交，利用矢量叉乘判断两条线段是否相互跨越，如果相互跨越就相交，反之则不相交。

图2　断面设定　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3　进出港判断条件

2)计算线段方向

已知两点坐标求取方向φ的公式为：

φ=tan-1(dy/dx)，

(1)

返回值为-180°～180°，最终取得返回值为：

(2)

3)计算进港航向范围

①根据式(1)求取设定的断面方向φs。

②判断进港方向参考点相对断面的位置(见图3)，计算公式为：

(3)

式中：x、y为进港参考点的坐标；x1、y1、x2、y2分别为断面起点和终点的坐标。

根据β即可判断参考点相对断面的位置：β>0，在断面右侧；β=0，在断面上；β<0，在断面左侧。

如果参考点在断面右侧，进港方向范围取值(φ，φ+180°)；如果参考点在断面左侧，进港方向范围取值(φ-180°，φ)。

③最后，根据两船位确定的航向φv，只需φv-360°或φv+360°在上述进港方向范围内,即可判断为进港船舶；反之，为出港船舶。

2.3结果显示

显示方式分为显示轨迹、弹出图表和直接在海图上画直方图3种方式[7]。

1)轨迹显示

船舶轨迹的显示，根据船位采样间隔不同，绘出的轨迹疏密程度不同，并且可根据需要只画出断面附近的轨迹，如图4所示。此处只是对查询断面区域内船舶历史轨迹的简单重绘，不需要进行平滑处理。

2)弹出图表显示

利用Teechahrt图表插件，直接传入统计结果，可以以直方图、饼状图或折线图的形式显示结果，形象直观，直方图如图5所示。

3)直方图

将统计结果以直方图的形式直接绘制在海图上，效果更加直观。本文的关键是需要将直方图绘制在断面上，即直方图的轴和断面重合。由于断面的任意性，所以需要将直方图中对应的矩形进行相应旋转。此处旋转的关键在于需要与人为设定的进出港方向相对应，需要实时计算旋转角度，其中直方图的起点均为画断面时的起始点。综上，可将旋转分为两种情况：

图4　轨迹显示

图5　图表显示

①断面右侧为进港方向

如图6所示，断面方向为φs，此种情况下旋转角度

(5)

此时，旋转过后需将直方图沿断面方向平移，使得最终直方图的轴与断面重合。

②断面左侧为进港方向

如图7所示，此种情况下旋转角度

(6)

最终的绘制效果如图8所示。

图6　断面右侧为进港方向　　　　　　　　　　　　　图7　断面右侧为进港方向

图8　海图上直接绘制统计结果

3结语

本文通过建立存储AIS原始数据的数据库，并进行查询统计，实现相关结果的显示功能。基于AIS信息的交通观测统计方法，克服了传统观测方法周期长、人力物力耗费大和观测范围局限的弱点，并且统计结果可快速地呈现给指挥人员，供指挥人员进行决策时参考，此功能以后可加入到VTS真实设备中，完善VTS设备功能。其统计结果可直观的显示该断面的交通流情况，为研究天津港交通流规律、建立交通流模型并在模拟器中进行模拟打下基础。

自船舶强制要求安装AIS设备起，AIS数据信息逐渐引起人们的重视，但数据的完备性和准确性还有待提高，所以最终统计出的结果的精确度尚待完善，但是仍可作为参考。

参考文献：

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[5]TSOU M C.Discovering knowledge from AIS database for application in VTS[J].Journal of Navigation,2010,63:449-469.

[6]ABBAS Harati-Mokharia, ALAN Walla, PHILIP Brooksa, et al. AutomaticIdentification System(AIS): DataReliability and Human Error Implications[J].Journal of Navigation, 2007, 60:373-389.

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[10]周剑敏.基于AIS的航道船舶流量智能采集系统开发[J].计算机与现代化,2011(11):195-198.

[11]夏方.AIS系统在航道管理工作中的功能开发和应用[J].中国港湾建设,2011 (3):17-19.

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[18]周晓怡,胡勤友,向哲.利用AIS数据连续观测港口泊位服务水平的方法[J].中国水运,2015,15(3):61-66.

(责任编辑：郎伟锋)

The Achievement of Database Storage and

Statistical Functions Based on AIS Raw Data

LIANGMincang，LIXiaochen，WANGRenda，YINYong

(LaboratoryofMarineSimulationandControl,DalianMaritimeUniversity,Dalian116026,China)

Abstract:The existing VTS simulator is unable to provide historical traffic flow by processing AIS data. To overcome the shortcomings, a database is built by using PostgreSQL to store Tianjin Port AIS history data, and real time Tianjin Port historic vessel traffic is provided based on electronic chart display platform.Combining with TeeChart plug-in as auxiliary display tool, AIS raw data is processed in accordance with generally demands of the operator. A good man-machine interface is designed to realize the simple redraw of the ship history trace according to the type, draft, scale and arbitrary gate line (inbound and outbound channel cross-section), with statistical results obtained.The historical traffic flow rule of Tianjin Port can be recalled, and the results are showed in the form of chart and statements,which can provide the data support for studying the traffic flow model of Tianjin Port for decision making by VTS operators.

Key words:VTS simulator; AIS database storage; database; data statistics

文章编号：1672-0032(2015)04-0072-06

中图分类号：U675.7；U691.1

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2015.04.014

作者简介：梁民仓(1991—)，男，河南濮阳人，硕士研究生，主要研究方向为航海模拟器的开发.

基金项目：国家863项目(2015AA016404)

收稿日期：2015-11-06