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基于AIS通信量的水上交通事故检测方法

吴建华 彭虎 王辰 付鹏

吴建华, 彭虎, 王辰, 付鹏. 基于AIS通信量的水上交通事故检测方法[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(5): 83-94. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.05.009
引用本文: 吴建华, 彭虎, 王辰, 付鹏. 基于AIS通信量的水上交通事故检测方法[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(5): 83-94. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.05.009
WU Jianhua, PENG Hu, WANG Chen, FU Peng. A Detection Method for Maritime Traffic Accidents Based on AIS Communication Volume[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(5): 83-94. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.05.009
Citation: WU Jianhua, PENG Hu, WANG Chen, FU Peng. A Detection Method for Maritime Traffic Accidents Based on AIS Communication Volume[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(5): 83-94. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.05.009

基于AIS通信量的水上交通事故检测方法

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.05.009
基金项目: 

国家自然科学基金项目 52271366

详细信息
    作者简介:

    吴建华(1963—)博士,教授.研究方向:交通信息工程及控制.E-mail wujh63@sina.com

    通讯作者:

    王辰(1978—),硕士,高级工程师. 研究方向:交通安全.E-mail: 2634543@qq.com

  • 中图分类号: U698.6

A Detection Method for Maritime Traffic Accidents Based on AIS Communication Volume

  • 摘要: 基于数据驱动的交通事故检测对水上交通事故的快速救援与降低事故损失具有重要作用。为实现无自主报告情形下的交通事故自动检测,研究了基于船舶自动识别系统(automatic identification system,AIS) 通信量的水上交通事故检测方法。通常情况下,突发的水上交通事故会扰乱船舶正常航行秩序,事故引起的船舶运动状态改变会导致AIS通信量短时间内产生突变,为挖掘AIS通信量随水上交通事故演变的内在规律,并降低噪声影响,以凸显检测指标的突变特征,引入AIS通信量和船舶总数比值构建水上交通事故检测指标;为确保检测的时效性,采用滑动窗口模型用于划分检测指标数据片段与设定更新时间的间隔,并构建基于卡尔曼滤波的水上交通事故检测模型进行检测指标的短期预测;为保证检测结果的准确性,采用云模型进行检测模型阈值范围的快速划分。使用长江武汉段水域内AIS数据对基于AIS通信量的水上交通事故检测方法进行模型验证和仿真研究,实验结果表明:与采用标准正态偏差和多尺度直线拟合算法的检测模型相比,提出的基于卡尔曼滤波算法的检测模型可在耗时最短的情形下获得最高命中率与最低误检率,分别为97.25%与0.42%;在进一步的仿真实验中,针对3种不同的船舶事故场景,提出的基于AIS通信量的水上交通事故检测方法均能在5 min内检测出水上交通事故的发生。

     

  • 图  1  船舶群组内船舶数占比变化对AIS通信量影响

    Figure  1.  The influence of changes in the proportion of ships in a ship group on AIS communication volume

    图  2  AIS通信量及船舶总数变化趋势图

    Figure  2.  Trend chart of AIS communication volume and total number of ships

    图  3  AIS通信量-船舶总数散点分布图

    Figure  3.  AIS communication volume - total number of ships scatter distribution map

    图  4  AIS通信量和水上交通事故检测指标的变化曲线

    Figure  4.  Variation curves of AIS communication volume and maritime traffic accident detection indicators

    图  5  AIS通信量Ne(t) 分布统计

    Figure  5.  Distribution statistics of AIS communication volume Ne(t)

    图  6  水上交通事故检测指标NeM(t) 分布统计

    Figure  6.  Distribution statistics of NeM(t) detection index for maritime traffic accidents

    图  7  基于云模型的检测阈值确定流程

    Figure  7.  Detection threshold determination process based on cloud model

    图  8  基于AIS通信量的水上交通事故检测方法流程

    Figure  8.  Maritime traffic accident detection method process based on AIS communication volume

    图  9  具有突变特征的模拟时序数据

    Figure  9.  Simulating time series data with abrupt changes

    图  10  3种算法检测结果示意图

    Figure  10.  Schematic diagram of the detection results of the three algorithms

    图  11  水上交通事故检测仿真流程图

    Figure  11.  Flow chart of maritime traffic accident detection simulation

    图  12  船舶运动模拟软件操作流程

    Figure  12.  Operating procedure for ship motion simulation software

    图  13  船载A类和B类AIS设备的数量关系

    Figure  13.  The relationship between the number of class A and class B AIS devices on ships

    图  14  A类船舶数量关系

    Figure  14.  The number of class A ships relationship

    图  15  B类船舶数量关系

    Figure  15.  The number of class B ships relationship

    图  16  航行速度概率密度分布

    Figure  16.  Probability density distribution of navigational speed

    图  17  场景1输出的水上交通事故检测指标及预测残差

    Figure  17.  The detection indicators and prediction residuals of maritime traffic accidents output in Scenario 1

    图  18  场景2输出的水上交通事故检测指标及预测残差

    Figure  18.  The detection indicators and prediction residuals of maritime traffic accidents output in Scenario 2

    图  19  场景3输出的水上交通事故检测指标及预测残差

    Figure  19.  The detection indicators and prediction residuals of maritime traffic accidents output in Scenario 3

    表  1  AIS动态信息更新间隔表

    Table  1.   AIS dynamic information update interval table

    AIS终端类型 船舶状态 更新间隔
    A类AIS 抛锚、停泊且速度≤ 3 n mile/h 3 min
    抛锚、停泊且速度 > 3 n mile/h 10 s
    航行速度0~14 n mile/h 10 s
    航行速度0~14 n mile/h并改变航向 3.3 s
    航行速度14~23 n mile/h 6 s
    航行速度14~23 n mile/h并改 2 s
    变航向 2 s
    航行速度 > 23 n mile/h 2 s
    航行速度 > 23 n mile/h并改变航向 3 min
    B类AIS(SOTDMA) 航行速度≤ 2 n mile/h 3 min
    辅助导航 30 s
    航行速度2~14 n mile/h 15 s
    航行速度14~23 n mile/h 5 s
    航行速度 > 23 n mile/h 3 min
    B类AIS(CSTDMA) 航行速度≤ 2 n mile/h 30 s
    航行速度 > 2 n mile/h
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    表  2  突变数据流片段设定

    Table  2.   Mutation data flow fragment setting

    突变数据流片段 开始时间 结束时间
    片段1 09∶20 10∶10
    片段2 12∶40 13∶30
    片段3 16∶00 16∶50
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    表  3  3种算法的阈值范围

    Table  3.   Threshold ranges for the three algorithms

    参数名称 SND检测算法 多尺度直线拟合算法 Kalman滤波算法
    期望 -1.7×10-2 -2.6×10-5 -4.2×10-4
    1.274 4 0.016 5 0.146 3
    超熵 0.060 1 4.7×10-4 0.005 3
    阈值上限 3.806 2 0.047 8 0.438 6
    阈值下限 -3.840 3 -0.047 9 -0.439 4
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    表  4  3种检测算法模拟测试的评价指标统计表

    Table  4.   Statistical table of evaluation indicators for simulation tests of three detection algorithms

    算法 命中率/% 误检率/% 时耗/s
    SND算法 92.00 1.25 0.027
    多尺度直线拟合算法 66.67 1.67 2.199
    卡尔曼滤波算法 97.25 0.42 0.005
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    表  5  事故时间及位置设置

    Table  5.   Accident time and location setting

    场景设置 事故发生时刻 事故消失时刻 事故位置
    场景1 08:00 08:30 114.3384°E,30.6233°N
    场景2 11:27 11:55 114.3671°E,30.6436°N
    场景3 16:22 16:55 114.4177°E,30.6632°N
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    表  6  船舶分配及航速设置

    Table  6.   Ship allocation and speed setting

    船舶类型 船舶总数/艘 具有救援能力船舶/艘 初始航速/(n mile/h)
    A类AIS设备船舶 9 2 7
    B类AIS设备船舶 21 3 4
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    表  7  仿真场景1中预设时间和检测结果时间对比

    Table  7.   Comparison of preset time and detection result time in simulation scenario 1

    时间设定 预设时间 报警时间 差值/min
    产生时间 08:00 08:03 +3
    恢复时间 08:30 08:32 +2
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    表  8  仿真场景2中预设时间和检测结果时间对比

    Table  8.   Comparison of preset time and detection result time in simulation scenario 2

    时间设定 预设时间 报警时间 差值/min
    产生时间 11:27 11:31 +4
    恢复时间 11:55 11:58 +3
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    表  9  仿真场景3中预设时间和检测结果时间对比

    Table  9.   Comparison of preset time and detection result time in simulation scenario 3

    时间设定 预设时刻 报警时刻 差值/min
    产生时刻 16:22 16:25 +3
    恢复时刻 16:55 16:56 +1
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  • 收稿日期:  2023-05-11
  • 网络出版日期:  2024-01-18

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