[發(fā)明專利]一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)和AIS數(shù)據(jù)的船舶軌跡預(yù)測(cè)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110586239.1
• 申請(qǐng)日: 2021-05-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113283653A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬寶山;熊桐;張新宇;高宗江
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連海事大學(xué)
• 主分類號(hào): G06Q10/04
• 分類號(hào): G06Q10/04;G06F16/29;G06N5/00
• 代理公司: 大連至誠(chéng)專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 21242
• 代理人: 張海燕;謝冰

1.一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)和AIS數(shù)據(jù)的船舶軌跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括：

對(duì)船舶歷史AIS數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理；

對(duì)預(yù)處理后的AIS數(shù)據(jù)集按軌跡進(jìn)行劃分，以獲取多條軌跡特征數(shù)據(jù)；再對(duì)所述軌跡特征數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)和刪除；

對(duì)每條所述軌跡特征數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，將每條所述軌跡特征數(shù)據(jù)內(nèi)軌跡點(diǎn)的預(yù)測(cè)目標(biāo)劃分為八個(gè)鄰域網(wǎng)格方向；

建立基于xgboost算法的軌跡預(yù)測(cè)模型，通過(guò)所述軌跡預(yù)測(cè)模型對(duì)所述軌跡點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)和AIS數(shù)據(jù)的船舶軌跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述對(duì)船舶歷史AIS數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理，包括：刪除明顯的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)和靜止船舶數(shù)據(jù)；

所述明顯的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包括：MMSI錯(cuò)誤、航速過(guò)大錯(cuò)誤及航向越界錯(cuò)誤；

所述靜止船舶數(shù)據(jù)包括：錨泊、系鏈錨泊、捕撈的船舶數(shù)據(jù)，以及速度和位置在一定時(shí)間內(nèi)變化小于閾值的船舶數(shù)據(jù)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)和AIS數(shù)據(jù)的船舶軌跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述對(duì)預(yù)處理后的AIS數(shù)據(jù)集按軌跡進(jìn)行劃分，以獲取多條軌跡特征數(shù)據(jù)，再對(duì)所述軌跡特征數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)和刪除，包括：

所述軌跡特征數(shù)據(jù)，包括：船長(zhǎng)、航向、船艏向、速度、經(jīng)緯度、軌跡點(diǎn)記錄時(shí)間和轉(zhuǎn)向率；

針對(duì)各條軌跡中出現(xiàn)異常行為的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)和刪除，所述異常行為的數(shù)據(jù)包括：經(jīng)緯度明顯偏離航線、實(shí)際航速和傳回航速值差異超過(guò)閾值；得到經(jīng)過(guò)處理的軌跡數(shù)據(jù)集：

X_T＝[x₁,x₂,…x_j,…x_N]^T∈Rm^M*N (1)

其中，M為每條軌跡包含的軌跡點(diǎn)數(shù)目，N為從數(shù)據(jù)中獲取的軌跡條數(shù)，X_j＝[x₁,x₂,…x_i,…x_M]^T包含了每條軌跡返回的軌跡點(diǎn)；

X_i＝[x_lat,x_lng,x_v,x_d,x_l,x_t,x_h,x_r]^T包含了每個(gè)軌跡點(diǎn)的所有特征信息，其中，x_lat,x_lng記錄了軌跡點(diǎn)的經(jīng)緯度信息。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)和AIS數(shù)據(jù)的船舶軌跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述對(duì)每條所述軌跡特征數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，將每條所述軌跡特征數(shù)據(jù)內(nèi)軌跡點(diǎn)的預(yù)測(cè)目標(biāo)劃分為八個(gè)鄰域網(wǎng)格方向，包括：

對(duì)于每個(gè)軌跡點(diǎn)的經(jīng)緯度信息通過(guò)式(2)和式(3)進(jìn)行離散化處理；

式中，δ_lng,δ_lat為網(wǎng)格在經(jīng)緯度上的分度值，min(x_lng),min(x_lat)為經(jīng)緯度的最小值；

選取AIS數(shù)據(jù)中的速度信息x_v、航向信息x_d、船艏向信息x_r、轉(zhuǎn)向率x_r、船長(zhǎng)信息x_l及軌跡點(diǎn)記錄時(shí)間x_t作為特征，軌跡點(diǎn)記錄時(shí)間x_t＝H(x_t),其中，H(x)表示取一時(shí)間變量x的小時(shí)部分；

基于不同船舶的船長(zhǎng)信息x_l及軌跡點(diǎn)記錄時(shí)間x_t兩項(xiàng)特征為連續(xù)值，進(jìn)一步通過(guò)式(4)進(jìn)行離散化處理；

x_t＝H(x_t) (5)

其中，H(x)表示取一時(shí)間變量x的小時(shí)部分；

根據(jù)軌跡中每個(gè)當(dāng)前軌跡點(diǎn)的位置和后繼軌跡點(diǎn)的位置，計(jì)算其推測(cè)航行方向作為標(biāo)簽值，由式(6)和(7)表示為：

其中為當(dāng)前軌跡點(diǎn)的位置，為后繼軌跡點(diǎn)的位置。