基于滑动时间窗口的内河船舶掉头行为检测方法及装置

技术领域

本发明属于船舶行为识别技术领域，具体涉及一种基于滑动时间窗口的内河船舶掉头行为检测方法及装置。

背景技术

长江“黄金水道”在我国水路运输中的地位日益凸显，而内河船舶交通流等信息的实时获取是保障内河水运畅通高效、安全绿色的关键。船舶行为研究是水上交通研究的重要内容之一。AIS(Automatic Identification System)由岸基(基站)设施和船载设备共同组成，是一种广播式的船-船、船-岸信息自动交互设备，是目前获取船舶交通流信息，进而分析船舶行为特征的重要手段。目前，海事管理部门在长江沿线已经建立了多个AIS基站，极大程度上方便了内河船舶交通流数据的收集。AIS信息主要包括船舶的动、静态数据，分别反映了船舶的在航状态，表现出了内河船舶的行为特征，对于内河水路运输研究有重要作用；从宏观上可掌握船舶在航行、操纵等方面的特征和规律，为进一步研究船舶交通其他内容、制定交通管理规划和有关法规、实施船舶交通管理提供依据。研究基于AIS数据下的船舶行为特征提取方法，可进一步提升海事部门对船舶的动态监管效率，为内河水上交通安全航行提供理论支持。

目前，有关船舶行为识别的主要方法有基于深度学习的方法、基于规则以及基于CCTV视频监控的方法。第一，基于深度学习的方法来进行行为识别准确率较高，但无法保持其实时检测，第二，基于规则的方法进行行为识别能够考虑船舶航行环境对船舶行为的影响，但是这类方法的问题在于主要通过专家知识建立相应的船舶行为规则，存在行为的粒度划分不一致的问题，因此只能定义有限的船舶行为集合，第三，基于CCTV视频监控，需要沿岸布置摄像头，从而导致成本过高，并且单靠CCTV视频分析技术准确率较一般。对于目前存在的方法对行为检测实时性的要求，而且也不具备较高的经济性，是当前掉头行为检测所面临的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于滑动时间窗口的内河船舶掉头行为检测方法及装置，通过结合轨迹驱动和空间语义，实现对内河船舶掉头行为的识别。

为了实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：

一种基于滑动时间窗口的内河船舶掉头行为检测方法，包括以下步骤：

初始化滑动窗口，从轨迹开始点开始判断，若当前轨迹点速度大于停留速度阈值，则当前轨迹点作为滑动窗口起始轨迹点，否则当前轨迹点向后移动一个位置；

计算滑动窗口中当前轨迹点和当前滑动窗口起始轨迹点的距离与滑动窗口当前轨迹点和当前滑动窗口起始轨迹点的方位差；

将当前轨迹点和当前滑动窗口起始轨迹点的距离和方位差分别与掉头距离阈值和掉头方位差阈值进行比较，如果当前轨迹点和当前滑动窗口起始轨迹点的距离小于掉头距离阈值并且当前轨迹点与当前滑动窗口起始轨迹点的方位差小于掉头方位差阈值，则将当前轨迹点添加到掉头候选轨迹点集合中去，同时判断当前轨迹点位置和轨迹点总数的大小，若当前轨迹点位置小于轨迹点总数，并且如果当前轨迹点速度大于停留速度阈值，则把当前轨迹点往后移动一个位置，继续计算滑动窗口中当前轨迹点和当前滑动窗口起始轨迹点的距离与方位差，反之如果当前轨迹点速度小于停留速度阈值，则当前轨迹点作为滑动窗口结束点；若当前轨迹点位置大于等于轨迹点总数，则将当前轨迹点作为滑动窗口结束点；如果当前轨迹点和当前滑动窗口起始轨迹点的距离小于掉头距离阈值与当前轨迹点与当前滑动窗口起始轨迹点的方位差小于掉头方位差阈值不能同时满足，则将当前轨迹点作为滑动窗口结束点；

判断掉头候选轨迹点集合的转向是否满足掉头转向特征；若满足，则基于维扩展9交集模型，通过拓扑计算筛选具有掉头特征的转弯行为，通过计算方位差变化比值判断掉头开始时间和结束时间；

以滑动窗口结束点下一个点作为新的滑动窗口起始轨迹点，重复上述步骤直到完成所有轨迹点的判断。

进一步的，该方法具体包括以下步骤：

步骤一，假设待检测的船舶AIS数据轨迹集为P＝{P

步骤二，初始化滑动窗口，寻找滑动窗口开始点，从轨迹开始点开始判断，若当前轨迹点速度V

步骤三，计算滑动窗口中P

步骤四，将d、B

步骤五，计算得到掉头候选轨迹点集合Q

步骤六，若满足掉头转向特征，则基于维扩展9交集模型，通过拓扑计算筛选具有掉头特征的转弯行为；

步骤七，计算候选轨迹点集合中每个点的方位差变化比值r

步骤八，以P

步骤九，若end>＝N，此时检测完成；否则进行步骤三。

进一步的，两轨迹点之间的距离d的计算公式如下：

d＝R*arcos[cos(Y1)*cos(Y2)*cos(X1-X2)+sin(Y1)*sin(Y2)]

式中，R为地球半径，X1、X2为两点的经度，Y1、Y2为两点的纬度。

进一步的，两轨迹点之间的方位bearing的计算公式如下：

式中，Lon

两轨迹点之间的方位差B

式中，bearing

进一步的，掉头距离阈值D

进一步的，掉头开始点方位差变化率阈值R

进一步的，维扩展9交集模型DE-9IM的计算矩阵如下：

式中，

维扩展9交集模型分别计算两个空间实体3个区域之间的交集，得出DIM的值；DIM值为0表示两者相交结果为点，DIM值为1表示两者相交结果为线，DIM值为2表示两者相交结果为面，DIM值为F表示两者相交为空集；

将船舶轨迹抽象为线，掉头区域抽象为面，船舶轨迹和掉头区域之间有不同的拓扑关系，分为：船舶横穿了某一面状区域LA1、船舶靠着某一航行区域航行且部分轨迹与区域边界相切LA2、船舶在地理区域外航行LA3、船舶驶进或驶出某一航行地理区域LA4、船舶在某一航行地理区域内航行LA5；

基于维扩展9交集模型，掉头行为形式化表示为：

turn＝{(Traj

式中，Traj表示船舶轨迹，i表示船舶，用唯一的标识符MMSI表示，turn表示掉头行为，CLTC表示连续大幅度转向行为，turn

其中连续大幅度转向行为可形式化表达为：

式中，Traj表示船舶轨迹，i表示船舶，用唯一的标识符MMSI表示，P

进一步的，AIS数据包括船舶的唯一标识符MMSI、时间戳数据、经度坐标、纬度坐标、航向数据、航速数据；转弯区域指转弯水域的顶点经纬度坐标。

一种用于实现上述所述的基于滑动时间窗口的内河船舶掉头行为检测方法的基于滑动时间窗口的内河船舶停泊行为检测装置，其特征在于，包括电源、AIS数据接口、用户接口、电路板、数据处理模块和掉头行为检测模块；

其中，电源用于供电，电路板用于安装各模块，AIS数据接口用于引入外源AIS数据，数据处理模块用于对输入的AIS数据进行预处理，掉头行为检测模块用于对预处理过的AIS数据进行掉头行为检测，得到船舶掉头行为，用户接口用于输出船舶掉头行为。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明在传统轨迹驱动的基础上，结合轨迹驱动和环境信息，通过空间几何拓扑运算，能以较高的准确率向内河水上交通监管人员提供语义层次的在线掉头行为识别结果，具有较高的准确率，大大提高港口水上交通监管效率。

附图说明

图1为本发明提供的内河船舶停泊行为检测方法的流程示意图；

图2为本发明提供的船舶与航行地理环境的拓扑关系图；

图3为本发明提供的维扩展9交集计算矩阵；

图4为本发明提供的内河船舶停泊行为检测装置结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明公开了一种基于滑动窗口的内河船舶掉头行为的检测方法，在本方法检测之前，先提取转弯区域的的空间语义数据，然后基于滑动时间窗口算法进行掉头行为检测，该算法的核心步骤是通过设置一个方位差阈值和距离阈值作为滑动窗口的长度，然判断该窗口的轨迹点是否满足掉头转向条件，接着基于维扩展9交集模型，对窗口轨迹点和转弯区域进行空间几何拓扑计算，筛选具有掉头特征的转弯行为，最后通过方位差变化比值判断掉头开始时间和结束时间，重复上述处理，直到完成所以轨迹点的判断。本发明还公开了一种内河船舶掉头行为检测装置。本方法在轨迹驱动的基础上，通过与环境进行交互，能够向水上交通监管人员提供语义层次的船舶行为在线识别，具有较高准确率，大大提高水上交通监管效率。

本发明的基于时间滑动窗口的内河船舶掉头行为检测方法，包括以下步骤：

步骤一，初始化滑动窗口，从轨迹开始点开始判断，若当前轨迹点速度大于停留速度阈值，则当前轨迹点就作为滑动窗口起始轨迹点，否则当前轨迹点向后移动一个位置；

步骤二，计算滑动窗口中当前轨迹点和当前滑动窗口起始轨迹点的距离与滑动窗口当前轨迹点和当前滑动窗口起始轨迹点的方位差；

步骤三，将当前轨迹点和当前滑动窗口起始轨迹点的距离和方位差分别与掉头距离阈值和掉头方位差阈值进行比较，如果当前轨迹点和当前滑动窗口起始轨迹点的距离小于掉头距离阈值并且当前轨迹点与当前滑动窗口起始轨迹点的方位差小于掉头方位差阈值，则将当前轨迹点添加到掉头候选轨迹点集合中去，同时判断当前轨迹点位置和轨迹点总数的大小，若当前轨迹点位置小于轨迹点总数，并且如果当前轨迹点速度大于停留速度阈值，则把当前轨迹点往后移动一个位置，执行步骤二，反之如果当前轨迹点速度小于停留速度阈值，则当前轨迹点就是滑动窗口结束点，执行步骤四，若当前轨迹点位置大于等于轨迹点总数，则将当前轨迹点作为滑动窗口结束点，执行步骤四，如果当前轨迹点和当前滑动窗口起始轨迹点的距离小于掉头距离阈值与当前轨迹点与当前滑动窗口起始轨迹点的方位差小于掉头方位差阈值不能同时满足，则将当前轨迹点作为滑动窗口结束点，执行步骤四；

步骤四，接着判断掉头候选轨迹点集合的转向是否满足掉头转向条件；

步骤五，基于维扩展9交集模型，通过拓扑计算筛选具有掉头特征的转弯行为；

步骤六，通过计算方位差变化比值判断掉头开始时间和结束时间；

步骤七，重复进行步骤2至6，直到完成所有轨迹点的判断；

进一步的，如图1所示，该方法具体包括以下步骤：

步骤一，假设待检测的AIS数据轨迹集为P＝{P

步骤二，初始化滑动窗口，寻找滑动窗口开始点，从轨迹开始点开始判断，若当前轨迹点速度V

步骤三，计算滑动窗口中P

步骤四，将d、B

步骤五，计算得到的掉头候选轨迹集合Q

步骤六，最后通过拓扑计算筛选掉具有掉头特征的转弯行为；

步骤七，计算候选轨迹集合中每个点的方位差变化比值r

步骤八，以P

步骤九，若end>＝N，此时检测完成；否则进行步骤三。

其中，距离的判断是计算滑动窗口开始点和当前轨迹点两个之间的距离d与根据航海经验确定的停留距离阈值D

d＝R*arcos[cos(Y1)*cos(Y2)*cos(X1-X2)+sin(Y1)*sin(Y2)]

式中，R为地球半径(km)，X1、X2为两点的经度，Y1、Y2为两点的纬度。

两轨迹点之间的方位计算如下：

式中，Lon

方位差判断时计算滑动窗口开始点和当前轨迹点两个之间的方位差B

式中，bearing

优选的，掉头距离阈值D

进一步的，船舶与转弯区域的交互特征主要为拓扑特征，即船舶被抽象为点，船舶轨迹被抽象为线，转弯水域被抽象为面，根据拓扑交互的不同特征确定不同的拓扑关系。因此，本发明基于维扩展9交集模型，对船舶轨迹点与掉头区域进行空间几何拓扑计算。

维扩展9交集模型通过判断空间对象之间的内部、外部及边界区域的相交结果来判断两对象间的拓扑关系。9交模型能够很好地将两个空间目标的交集是空、点、线或面4种情况区分开，可用于分析船舶轨迹与航行环境之间的拓扑关系，维扩展9交集模型的计算矩阵如下：

矩阵中

空间几何拓扑计算是指因船舶与航行地理环境间的拓扑交互特征不同而产生不同的拓扑关系；根据船舶与航行地理环境之间的拓扑关系可分为点-线关系、点-面关系、线-线关系和线-面关系，即一共有4类船舶与航行地理环境之间的维扩展9交集计算矩阵，具体可分为为15种，本发明所涉及到的拓扑关系是线-面关系，其中：

线-面关系中，将船舶轨迹抽象为线，掉头区域抽象为面，船舶轨迹和掉头区域之间有不同的拓扑关系，如图2和图3所示，分为船舶横穿了某一面状区域(LA1)、船舶靠着某一航行区域航行且部分轨迹与区域边界相切(LA2)、船舶在地理区域外航行(LA3)、船舶驶进或驶出某一航行地理区域(LA4)、船舶在某一航行地理区域内航行(LA5)。

连续大幅度转向行为可形式化表达为：

式中，Traj表示船舶轨迹，i表示船舶，用唯一的标识符MMSI表示，P

基于维扩展9交集模型，掉头行为可形式化表示为：

turn＝{(Traj

式中Traj表示船舶轨迹，i表示船舶，用唯一的标识符MMSI表示，berth表示掉头行为，CLTC表示连续大幅度转向行为，turn

进一步的，AIS数据包括船舶的唯一标识符MMSI、时间戳数据、经度坐标、纬度坐标、航向数据、航速数据；转弯区域指转弯水域的顶点经纬度坐标。

一种用于实现上述所述方法的基于滑动时间窗口的内河船舶掉头行为检测装置，包括电源、AIS数据接口、用户接口、电路板、数据处理模块和掉头行为检测模块；

其中，电源用于供电，电路板用于安装各模块，AIS数据接口用于引入外源AIS数据，数据处理模块对输入的AIS数据进行预处理，掉头行为检测模块用于对预处理过的AIS数据进行掉头行为检测，得到船舶掉头行为，用户接口用于输出船舶掉头行为。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步阐述：

第一步，设待检测的AIS数据轨迹集为P＝{P

P1(114.32156，30.60615333)，P2(114.3221733，30.60698333)，

P3(114.3224133，30.60728667)，P4(114.32276，30.60767333)，

P5(114.32328，30.60826333)，P6(114.3235467，30.60855)，

P7(114.32428，30.60939667)，P8(114.3245333，30.60967333)，

P9(114.32476，30.60993667)，P10(114.3249867，30.61018333)，

P11(114.3252133，30.61041333)，P12(114.32568，30.61085667)，

P13(114.3258667，30.61104333)，P14(114.3260933，30.61131667)，

P15(114.3261733，30.61144667)，P16(114.3262267，30.61158)，

P17(114.3262533，30.61188667)，P18(114.3262，30.61208)，

P19(114.3260667，30.61227)，P20(114.3258，30.61241333)，

P21(114.3250667，30.61197)，P22(114.3246667，30.61154333)，

P23(114.3236933，30.61065333)，P24(114.32332，30.61027333)，

P25(114.32288，30.60988667)；

令滑动窗口为{P

第二步，初始化滑动窗口，从P

第三步，计算P

第四步，将d和B

第五步，计算P

第六步，将d和B

第七步，计算P

第八步，将d和B

第九步，计算P

第十步，将d和B

第十一步，计算P

第十二步，将d和B

第十三步，直到temp＝21，计算P

第十四步，将d和B

第十五步，计算候选掉头轨迹点集合Q

第十六步，将候选掉头轨迹段与掉头水域的转弯区域做线与面关系的拓扑计算，以此筛选掉具有掉头特征的转弯行为，可以知道当前候选轨迹段与掉头水域的转弯区域并没有相交关系。

第十七步，计算候选轨迹集合中每个点的方位差变化比值r

第十八步，由于end＝21，即end

第十九步，初始化滑动窗口，从P

第二十步，计算P

第二十一步，将d和B

第二十二步，以此类推，直到temp＝26，即temp>N，检测结束，Q

本发明还提供了一种内河船舶掉头行为检测装置，如图4所示，该装置包括AIS数据接口，电源，数据处理模块，行为检测模块，电路板和用户接口。

AIS数据接口将外源AIS数据接入装置。

电路板上装置数据处理模块，行为检测模块。

数据处理模块对输入进来的AIS数据进行数据预处理工作，包括数据去噪，去重，插值等操作。

行为检测模块用于对预处理过的AIS数据进行掉头行为检测，得到船舶掉头行为。

电源用于为上述装置的各个电路或器件供电。

用户接口用于输出船舶的掉头行为。

本发明结合轨迹驱动和空间语义，通过空间几何拓扑计算，就能以较高的准确率向内河水上交通监管人员提供语义层次的在线掉头行为识别。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。