基于模糊結(jié)構(gòu)元方法的船舶航跡擬合

陳婷婷

(上海海事大學(xué)商船學(xué)院　上?！?01306)

基于模糊結(jié)構(gòu)元方法的船舶航跡擬合

陳婷婷

(上海海事大學(xué)商船學(xué)院上海201306)

摘要在采用船舶AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行船舶航跡擬合時(shí)，傳統(tǒng)的航跡擬合方法如最小二乘法或插值法等會(huì)平滑掉船舶位置波動(dòng)的偏差，不能真實(shí)地反映出船舶位置的波動(dòng)現(xiàn)象而失去其意義。提出基于模糊結(jié)構(gòu)元的船舶航跡擬合方法，不僅能夠描述船舶位置變化趨勢(shì)，而且能夠直觀反映出這種變化趨勢(shì)的不確定性程度，并通過(guò)實(shí)例進(jìn)行了分析驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞航跡擬合模糊結(jié)構(gòu)元AIS最小二乘法

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(automatic identification system，AIS)信息能夠直觀地反映出船舶的位置變化情況[1]，基于船舶AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可以獲取船舶的航跡線。但是，由于船舶航行受風(fēng)、流、浪等一些環(huán)境因素的影響，尤其是要采取船舶避讓行為時(shí)，船舶的航跡變化較大，通過(guò)AIS觀測(cè)到的船舶航跡數(shù)據(jù)點(diǎn)的波動(dòng)會(huì)比較大，數(shù)據(jù)出現(xiàn)復(fù)雜混亂的現(xiàn)象，采用最小二乘法或插值法等一些常用的函數(shù)擬合方法將會(huì)平滑掉這些偏差，而不能將它們表示出來(lái)，這將失去實(shí)際的意義，不能反映數(shù)據(jù)波動(dòng)現(xiàn)象及其不確定性問(wèn)題[2-3]。因此，本文提出基于模糊結(jié)構(gòu)元的船舶航跡擬合方法，既能描述船舶位置散點(diǎn)所反映的位置變化趨勢(shì)，同時(shí)還能夠反映出變化趨勢(shì)的不確定性程度。

1　模糊結(jié)構(gòu)元方法

設(shè)E為實(shí)數(shù)域R上的模糊集，隸屬函數(shù)記為E(x)，x∈R，如果E(x)滿(mǎn)足下列性質(zhì)：①E(0)=1，E(1+0)=E(-1-0)=0；②在區(qū)間[-1,0)上E(x)是單調(diào)遞增右連續(xù)函數(shù)，在區(qū)間(0,1]上是單調(diào)遞減左連續(xù)函數(shù)；③當(dāng)-∞

模糊結(jié)構(gòu)元是R上的正規(guī)凸模糊集，是表示模糊零概念的特殊模糊數(shù)，它可以具有各種形態(tài)。如果模糊結(jié)構(gòu)元的隸屬函數(shù)在區(qū)間(-1,1)上有E(x)>0，且在(-1,0)內(nèi)是嚴(yán)格單增連續(xù)函數(shù)，在區(qū)間(0,1)內(nèi)是嚴(yán)格單降連續(xù)函數(shù)，則稱(chēng)E為正則的模糊結(jié)構(gòu)元。

設(shè)模糊集E具有隸屬度函數(shù)：

通過(guò)AIS數(shù)據(jù)解析得出船舶各點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)x和y值，船舶位置數(shù)據(jù)點(diǎn)為(x1，y1)，(x2，y2)，…，(xn，yn)，經(jīng)過(guò)經(jīng)典數(shù)據(jù)擬合方法可以在直角坐標(biāo)系中描繪出船舶航跡，得出船舶航跡變化的趨勢(shì)函數(shù)f(x)。

令ω(xi)=|yi-f(xi)|，ω(x)，由表1中的數(shù)據(jù)序列得到。

表1　ω(x)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

對(duì)(xi,ω(xi))(i=1,2,…,n)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行擬合，確定出模糊度函數(shù)ω(x)。

2　基于模糊結(jié)構(gòu)元的船舶航跡擬合實(shí)例分析

本文選取了上海港長(zhǎng)江口深水航道2014年某一天的船舶AIS數(shù)據(jù)，篩選出其中2條船舶的一段航跡點(diǎn)作為實(shí)例分析。Ship1，船長(zhǎng)143 m、寬22 m；Ship2，船長(zhǎng)200 m、寬32 m。根據(jù)實(shí)際的船舶AIS數(shù)據(jù)點(diǎn)，采用傳統(tǒng)最小二乘法獲取了船舶航跡點(diǎn)的趨勢(shì)線，采用模糊結(jié)構(gòu)元方法進(jìn)行了船舶航跡擬合。分別擬合得出2船位置點(diǎn)的趨勢(shì)函數(shù)和模糊度函數(shù)。

對(duì)于Ship1：

f(x)= -6.459 0×10-7x2-

0.381 9x+4.676 2×104

ω(x)= 2.578 6×10-8x2+

0.001 2x+56.369 2

對(duì)于Ship2：

f(x)= -8.231 5×10-6x2-

1.119 2x+2.897 8×104

ω(x)= 1.471 4×10-6x2+0.147 3x+

3.731 5×103+38.311

對(duì)Ship1和Ship2分別采用MATLAB繪制曲線，見(jiàn)圖1和圖2。

圖1　基于模糊結(jié)構(gòu)元的船舶航跡擬合(Ship1)

圖2基于模糊結(jié)構(gòu)元的船舶航跡擬合(Ship2)

圖1和圖2中分別給出了λ=0和λ=0.5的擬合效果。當(dāng)λ=0時(shí)，航跡點(diǎn)全部落在上下曲線包圍的范圍內(nèi)。從圖中可以直觀看出船位點(diǎn)的波動(dòng)情況，上下邊界線之間的距離即為船舶的航跡偏移量。模糊度函數(shù)值越高，說(shuō)明船舶波動(dòng)越明顯，則船舶的航跡偏移量就越大，是在研究船舶運(yùn)行特性時(shí)特別值得注意的位置點(diǎn)。且以Ship2為例，通過(guò)Matlab計(jì)算，上圖2中所選取的船舶航跡擬合的模糊度函數(shù)ω(x)的最大值是在第2個(gè)位置點(diǎn)取得的，最小值是在第156個(gè)點(diǎn)取得的，這些特殊點(diǎn)的獲取，為研究船舶運(yùn)動(dòng)情況以及通航安全等方面提供了參考依據(jù)。

3　結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于模糊結(jié)構(gòu)元的船舶航跡擬合方法，依據(jù)船舶AIS數(shù)據(jù)獲取的船位點(diǎn)進(jìn)行航跡擬合，并基于MATLAB進(jìn)行了實(shí)例分析。與傳統(tǒng)的航跡擬合方法相比，本文提出的方法不僅能夠反映出船舶運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)線，而且能夠直觀反映出船位點(diǎn)的波動(dòng)情況。研究成果能夠?yàn)榇斑\(yùn)動(dòng)以及通航安全等方面的研究提供直觀的參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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Ship Track Fitting Based on Fuzzy Structured Element Method

ChenTingting

(Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

Abstract： When adopting theship track fitting based on AIS data, the traditional method, such as least square algorithm or interpolation method, would smooth the deviation caused by ship position's fluctuation. This kind of the fitting may lose its significance because the fluctuation phenomenon could not be reflected really and directly. Then, the ship track fitting method based on fuzzy structured element was proposed The method not only described the variation tendency of ship position, but also reflected visually the uncertain degree of this variation tendency.Finally we could analyse and verify the method by an real example.

Key words: track fitting; fuzzy structured element; AIS; least square algorithm

收稿日期：2015-05-07

Thinking on Simulation of Drifting Trajectories of Sea Object

YeWeiqiang，YuLongfei

(Guangzhou Maritime Institute, Navigation Department, Guangzhou 510725, China)

Abstract：By analyzing the results of the search and rescue work and the corresponding states of 21st century maritime accidents occurred in china, comparing the relatively research work, the author put forward the ideal of the numerical simulation method for sea crash drift trajectories in different sea area and different sea condition, give the research ideas and procedures to improve and enhance the early maritime search and rescue system.

Key words:maritime accident; drifting trajectory; simulation

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.053