摘 要

关键词：船舶，AIS数据，数据采集，数据修复，行为分析；

内河船舶航运事业在国内交通运输中的重要程度越来越高。同时随着内河船舶数量的不断增多，更由于现代船舶发展向大型化高速化发展。内河航道环境的复杂多变性，而且内河航道弯道、狭窄航道众多，视野容易受到障碍物干扰等等因素对内河船舶航行安全带来巨大威胁。为了减少船舶碰撞事故发生的概率，即要增强AIS系统数据处理的精确性，加强智能化程度。促进航海自动化发展进程，保障内河船舶航行安全。

船舶AIS系统作为一种较新的船舶数字导航设备，在船舶导航轨迹追踪、行为预测领域发挥着重要作用。可以从船舶AIS数据中提取出众多信息，从而进一步了解到船舶航行状态。可以将分析后的结果应用到避碰研究，海事机构监管系统，轨迹类型分布研究和船舶交通流的预测。

本文主要完成以下工作：

1. 采集一段航行水域内的AIS数据，描绘出航道电子视图并用函数表示出航道的范围；统一把GPS坐标用matlab转换为经纬高平面坐标；再利用转换后的坐标对数据进行范围异常筛选、航行速度异常筛选、转向角变化速率异常筛选。得出较为准确的船舶AIS数据，便于后续轨迹的修复。
2. 根据筛选后的数据分别用三次样条插值法和卡尔曼滤波的方法修复船舶航行轨迹，三次样条插值里分为直线轨迹的修复和曲线轨迹的修复提出具体的恢复流程。
3. 根据修复的轨迹进行船舶行为分析。通过对航速和转向角的变化率设定阈值的方法找出特征值，对船舶行为进行聚类分析。并根据特征值的类型建立船舶行为模型。本文简单的提出了四个行为模型，根据轨迹图验证了模型的正确性.

Abstract

Key Words：Vessel,AIS data, Data acquisition, Data repair, Dehavior analysis;

Inland waterway shipping industry in the domestic transport in the increasingly important degree. At the same time with the increasing number of inland waterways, but also because of the development of modern ships to large-scale high-speed development. Inland waterway environment complex and variability, and inland waterway corners, narrow channel, the field of view vulnerable to obstacle interference and so on factors in the river ship navigation safety poses a huge threat. In order to reduce the probability of collision occurred in the ship, that is, to enhance the accuracy of AIS system data processing, to enhance the degree of intelligence. Promote the development process of navigation automation, and ensure the navigation safety of inland waterways.

A wide range of information can be extracted from the ship's AIS data to gain a better understanding of the ship's navigational status.

This article mainly completes the following work:

1. Acquire AIS data in a navigation waters, depict the channel electronic view and use the function to show the scope of the channel; unified GPS coordinates with matlab converted to latitude and longitude plane coordinates; re-use the coordinates of the conversion of the data range anomaly screening, Navigation speed anomaly screening, steering angle change rate anomaly screening. To obtain a more accurate ship AIS data, easy to follow the track repair.

2.According to the filtered data, three times the spline interpolation method and Kalman filter method are used to repair the ship sailing trajectory. The three-spline interpolation is divided into the correction of the straight trajectory and the repair of the trajectory.

3. Analyze the ship's behavior according to the trajectory of the repair. Clustering analysis of ship behavior is carried out by setting the threshold value by setting the threshold value of the rate of change of speed and steering angle. And the ship behavior model is established according to the type of eigenvalue. In this paper, four behavior models are proposed, and the correctness of the model is verified by the trajectory diagram.

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第1章 绪论 1

1.1研究的背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1 船舶AIS数据处理技术 2

1.2.2基于AIS数据的船舶行为分析方法 3

1.3 论文组织结构 4

第2章 船舶AIS数据采集处理技术 1

2.1 AIS数据采集 1

2.1.2 船舶航道数字化处理 2

2.2AIS数据预处理 2

2.2.1 对数据进行坐标转换 3

2.2.2根据范围异常筛选数据 4

2.2.3 根据速度异常筛选数据 4

2.2.4根据对地转向率异常筛选数据 5

第3章 船舶AIS数据修复 6

3.1 船舶直线航行轨迹修复 7

3.2船舶转弯轨迹修复 8

3.3 卡尔曼滤波轨迹恢复 10

第4章 根据航行轨迹的船舶行为分析 11

4.1 船舶行为聚类分析 12

4.2船舶超速行为 12

4.3船舶直线航行行为 13

4.4船舶转弯行为 14

4.5船舶停泊行为 15

第5章 总结与展望 16

5.1 结论 16

5.2展望 17

致谢 18

参考文献 19

第1章 绪论

1.1研究的背景及意义

船舶自动识别系统（Automatic Identification System 简称AIS）是一种相对较新的数字导航设备。其工作频段在甚高频（Very high frequency VHF）采用自组织时分多址（self-organized time division multiple access SOTDMA）协议自广播工作。AIS系统的组成为岸台、船台、助航台、转发台、和机载台组成。国际海事组织（International Maritime Organization IMO）已经采取了一系列措施来推广其在船上应用，AIS在船舶航行安全和安保方面的作用越来越重要。AIS数据分为两种：静态数据和动态数据。其中静态数据包括船名、类型、船长、船的宽度、呼号和海上移动服务标识（MMSI）代码。动态数据包含位置，对地航向，对地速度，转向率，以及航向。随着世界船舶数量增加以及船舶逐渐向高速化和大型化发展，世界重要航道变得拥挤不堪，碰撞事故经常发生，给船舶航行安全和海洋生态环境带来了巨大威胁。AIS作为一种保障船舶安全航行、提高航运交通效率的先进工具，其广泛应用为实现海上交通安全的智能信息化管理、提高船舶航行安全、防止及控制船舶对海洋的污染提供了重要的技术支持。《国际海上人命安全公约》(SOLAS公约)要求2002年7月1号之后生产的船舶必须在2008年7月1号之前装备AIS设备。

AIS系统的可靠性是基于AIS数据的准确性之上。AIS数据在采集、预处理、发送、接收、解析时常常会产生误差。这对AIS系统最后输出的结果来说是致命的。不准确的AIS数据对船舶驾驶员和船舶调度台所做出的操作判断带有误导作用。这为船舶在拥挤水域航行时带来巨大的安全威胁。AIS信息的准确性首先依赖于船舶定位系统（GPS）的精度和对信息的正确输入、发送台对信息的编码和传输及接收台对AIS信息的接收和解码。AIS系统采用一种无连接的用户数据报文协议（UDP user datagram protocol）。这种工作模式在AIS报文发送后无法得知是否正确完整的到达接收端。造成UDP报文可靠性较低。另外一些AIS静态信息需要工作人员手动输入，这更造成人为不稳定误差因素。对于内河航道的AIS数据信息的接受和发送在上述产生误差的条件下更会受地形和障碍物影响。而且由于内河航道的狭窄带状水域形态对AIS系统的实时性、准确性有更高的要求。AIS系统要从海上发展到内河的需要做很多的适应和改进工作。