一种计算AIS基站信号覆盖率的方法

向 哲，胡勤友，施朝健

(上海海事大学商船学院，上海 201306)

一种计算AIS基站信号覆盖率的方法

向 哲，胡勤友，施朝健

(上海海事大学商船学院，上海 201306)

船舶自动识别系统 (AIS)通过基站收集附近水域船舶航行数据，用于避碰、航迹追踪、搜救等，是海上交通安全的重要保障。为计算AIS基站的信号覆盖率，提出一种利用网格技术的GridCount算法。将水域网格化，选取目标船，获取其已发送AIS信号所占网格，计算单船已发送信号数量网格图;利用插值算法，计算目标船应发送AIS信号，获取单船应发送信号数量网格图;叠加不同船舶的已/应发送信号，形成多船已/应发送信号数量网格图;比对已/应发送信号数量，获取信号覆盖率网格频数图。利用Grid-Count算法，计算、叠加100 000张网格图，获取成山头AIS基站信号覆盖率，结果表明:AIS基站的最大覆盖半径为4.5 nmile，且信号覆盖率随到基站距离的递增而递减。

信号覆盖率;数据挖掘;AIS数据分析;网格化;插值算法

0 引言

船舶自动识别系统(automatic identification system，AIS)通过基站收集、记录附近水域船舶航行数据，用于避碰、追踪、搜救、数据分析等［1－3］，是海上交通安全的重要保障。AIS信号由船载设备发射，岸基基站接收，信号发射频率［4］如表1所示。

实际上，由于传输特性、发射功率、基站状态、地理特征等影响，AIS基站接收的数据信息往往达不到表1中标准。因此国内外一些学者提出对AIS基站的信号覆盖率进行研究，帮助港口运营方、基站部门有效地选址、安置AIS基站，以提高AIS信号覆盖率。更高的信号覆盖率则有利于港口运营方、监管部门开展船舶追踪、避碰，海上人员搜救等业务的开展，提高海上安全保障。

表1 AIS信息的动态信息更新率Table 1 Replacement rate of dynamic information of AIS

文献［5－6］较早研究了雷达信号数据和AIS信息数据的特点和模式，并进行信号覆盖率研究，但该研究主要集中于雷达数据;文献［7］中提出了一种直接使用基站接收的AIS信号计算沿岸信号覆盖特征的方法，通过计算船舶发出AIS信号的Death、Birth、Active周期统计AIS信号覆盖特征;随后文献［8］还通过一种实时采样方法对大西洋水域进行研究，映射出动态AIS信号网络覆盖特征;文献［9］利用AIS模拟器和动态交通流模型，研究了卫星AIS的覆盖性能和更新频率;文献［10］提出从接收传输端估算AIS信号覆盖特征的新方法，利用基于贝叶斯二项式模型的插值方法来恢复AIS传输中的错误信息;文献［11］着重描述了一种数据的后处理方法，利用具有经验性的历史数据，解决物标间AIS信号重叠的问题;文献［12－13］先后提出了不同的AIS数据插值的方法，前者使用船舶航线上的概率对AIS信号的经、纬度坐标进行插值，而后者方法不仅能对坐标插值，还可对船速进行插值，可用于估算船舶一段时间应该发送的AIS信号数量。

上述研究大致存在两个缺点:其一，研究多通过一段时间内的实时采样AIS数据计算覆盖率，因此受该时间段船舶、气候、环境影响较大，其结果也具有单一性和不可再现性。其二，研究中计算和观测的信号覆盖率往往只是一维的数值，无法全面获取覆盖范围一片水域内的覆盖率，可视化程度也较低。为解决上述问题，本文提出利用海量的AIS历史数据、插值算法和网格化技术的GridCount算法，可较为高效地计算AIS基站信号覆盖率。

1 算法原理

GridCount算法原理:AIS基站信号覆盖率由基站附近水域内已发送的信号数量和应发送的信号数量确定。将基站附近水域网格化，选取目标船舶，获取其已发送的AIS信息所占的网格，计算单船已发送信号数量网格图;利用插值算法，计算目标船舶应发送的AIS信息，获取单船应发送信号数量网格图;叠加不同船舶的已/应发送信号数量网格图，形成多船已/应发送信号数量网格图;对比各个网格内已/应发送的AIS信号数量，最终形成基站附近水域的AIS信号覆盖率网格频数图;按照频数值的大小为网格频数图填充颜色，可清晰地观测AIS信号覆盖率。算法流程如图1所示。

2 具体步骤

计算AIS信号覆盖率网格频数图分为以下几个步骤:

①数据预处理:从海量AIS数据中处理掉失真、错误的信息。

②网格化水域:将分析水域按照一定标准划分为由多个小网格组成的网格图，每个网格大小固定。实验中将分析水域划分为100×100个小网格，每个网格大小3 000 m×3 000 m。

③选取目标船舶:从AIS数据中选出航向和航速稳定，并在水域内正常航行的船舶。

图1 算法流程Fig.1 Algorithm flow

④获取单船已发送信号数量网格图:数据预处理后的AIS信息可视为已发送的AIS信号，计算其经、纬度值所占据的网格水域，若该网格被占用即为该网格计数值1，原理如图2。

图2 单船已发送信号数量网格图计算原理Fig.2 Calculation grid graph of transmitted signal of single ship

⑤获取单船应发送信号数量网格图:利用单船已发送AIS信号的经、纬度坐标，利用插值算法，为单船恢复向量轨迹，计算单船应发送信号数量网格图。设在任意时间区间［ti，tj］上，ti、tj时刻对应的船舶经、纬度坐标向量及其高阶导矢量分别为，则船舶t时刻向量轨迹为

其中，系数ak、bk、k=0，1，2，…，2n+1，须满足

k值由r(t)导矢量的阶数来确定，当n=1，即导矢量为一阶时，则k=3;当n=2，即导矢量为二阶时，则k=5。利用式(2)进行航速插值:

利用上述插值算法可获取船舶向量轨迹(即每时刻船位)和每时刻船速。依据船位和船速，参照表1中AIS更新频率，可绘制更为精确的单船已发送信号轨迹图。将已发送信号的经、纬度值所占的网格水域计数，可获取单船应发送信号数量网格图，效果图见图3:图3a为使用Matlab显示的单艘目标船舶的已发送信号形成的航迹图;图3b为使用插值算法后单艘目标船舶的应发送信号形成的航迹图;图3c为在获取了单船应发送信号形成的航迹图基础上，计算AIS信息所占网格并获取的单船应发送信号数量网格图。

⑥获取多船已/应发送信号数量网格图:网格数据易于数据处理，只需将不同的单船已/应发送信号数量网格图叠加即可获得，之后运用Matlab将网格图按照网格计数值的大小填充颜色，可获得图4效果。其中图4a～4c分别展示了3艘单船应发送信号数量网格图，图4d则展示若干单船叠加而成的多船应发送信号数量网格图(多船已发送信号网格数量图也用相同方法处理，此处不再累述)。

图3 单船应发送信号数量网格图Fig.3 Calculation grid graph of should-transmitted signal of single ship

⑦获取信号覆盖率网格频数图:在获取了多船已/应发送信号数量网格图的基础上，设网格i中已发送信号总数为Si，应发送信号总数Ti，利用式(3)计算每个网格的信号覆盖率Gi:

将Gi进行归一化处理后，按照频数值的大小为网格频数图填充颜色，最终形成分析水域内信号覆盖率网格频数图。

3 信号覆盖率

选取成山头AIS基站为实验目标，其附近水域为分析水域，以(122°48.12'E，37°24.74'N)为中心，将该水域划分成100×100个网格，每个网格3 000 m×3 000 m。使用 GridCount算法获取100 000张单船信号网格图，最终生成基站信号覆盖率的网格频数图，效果如图5所示。

其中不同颜色的网格代表了水域内不同位置的信号覆盖率，其信号覆盖率大小与颜色对应关系可参考图5a中的色谱。图5b则使用flex技术将网格图直接对应于实际坐标，利于观测，地图上无网格的范围即采样船舶数据中无船驶过的区域，其信号覆盖率为空。警戒区下沿位于图的正中，红色箭头所示。图5的特点如下:

1)分析水域内可明显观测到陆地区域等无船经过水域无AIS数据，其覆盖率也为0;

图4 多船应发送信号数量网格图的获取过程Fig.4 Calculation grid graph of transmitted signal of ships

2)分析水域随着离AIS基站距离的递增，信号覆盖率递减。将网格频数图绘制成三维图，以正中心位置(网格坐标50，50)沿真北方向切割，可获取断面信息，以便观测覆盖率递减趋势，结果如图6所示。图6a为图5网格频数图的1/4(按正中心切割)，图6b为图6a旋转至断面处的平面图，可清晰观测到AIS信号覆盖率的衰减趋势。由于每个网格大小为3 000m×3 000 m，可观测到分析水域内AIS信号的最大覆盖半径为45 nmile，若以网格频数大于0.5作为有效覆盖标准，则有效覆盖半径为30 nmile。

图5 基站信号覆盖率网格频数图Fig.5 Grid frequency diagrams of AISbase station

图6 信号覆盖率衰减趋势Fig.6 Attenuation of signal coverage

4 结束语

(1)通过计算船舶已/应发送信号数量网格图可以计算出AIS信号的覆盖率。

(2)计算AIS信号覆盖率，利用船舶已发送信号，使用插值算法获取应发送信号，并获取应发送信号数量网格图。

(3)信号覆盖率随着离岸基基站距离的递增，信号覆盖率递减，且基站最大覆盖半径为45 nmile。

今后工作方向为优化智能技术，提高研究水域的丰富性，考虑多基站覆盖下的AIS信号覆盖率。

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Calculation method for AIS signal coverage

XIANG Zhe，HU Qin-you，SHIChao-jian
(Merchant Marine College，Shanghai Maritime University，Shanghai201306，China)

Ship Automatic Identification System(AIS)，which recordes ship navigation data through the base station for collision avoidance and path tracking，has been an important guarantee formaritime traffic safety．This paper，by postGridCountalgorithm，calculates the coverage of AISsignal．Through griddingwaters according to certain standards，selecting target ships，calculating and summarizing its already-transmitted AIS signal in each grid，the already-transmitted AISgrid diagram of single ship can bemade．Through interpolation algorithm，calculating and summarizing ship’s should-transmitted AIS signal in each grid，then the should-transmitted AIS grid diagram of single ship can be acquired．Overlying different ships already-transmitted AIS number and its should-transmitted AIS number，the already/should transmitted AIS grid diagram can bemade．Divided alreadytransmitted AISnumber and should-transmitted AISnumber in each grid，the grid frequenxy diagram of AIS signal coverage can be acquired．Then the grid frequency diagram of AISsignal coverage can be acquired．The experiment uses AIS data from ships sailing in Chengshantou waters，the result shows that themaximum coverage radius of AIS base station is 45 nmile，and the signal coverage decreaseswith increasing distance from the AIS base station．

coverage of AIS signal;datamining;AIS data analysis;gridding;interpolation algorithm

TP399

:A

2015－09－23

上海市人才发展资金项目 (201436)

向 哲 (1984—)，男，博士研究生，研究方向:AIS数据控掘，240648795@qq.com。

施朝健，教授，cjshi@shmtu.edu.cn。

向哲，胡勤友，施朝健．一种计算AIS基站信号覆盖率的方法［J］．桂林理工大学学报，2016，36(4):844－848．

1674－9057(2016)04－0844－05

10.3969/j．issn.1674－9057.2016.04.033