本模型結(jié)合頻繁模式常用算法FP-tree 算法進(jìn)行頻繁線路預(yù)測，同時對頻繁線路進(jìn)行相關(guān)屬性聚類，采用DBSCAN，進(jìn)行線段聚類（相關(guān)的FP-tree和DBSCAN會后續(xù)總結(jié)）

一、需求分析

主要針對①每艘船舶經(jīng)常走的起止港口及經(jīng)停港口；②每類船舶（分不同噸位等級、分不同長度等級、分不同寬度等級、分不同吃水等級）經(jīng)常走的真實(shí)航跡線。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)周期為每個季度和每年。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)內(nèi)容如下：

1、每艘船舶

（1）?? 常走起止港口、經(jīng)停港口

（2）?? 常走航跡線

（3）?? 港口平均停留時間

（4）?? 經(jīng)停港口間的平均行駛時間

（5）?? 從某個泊位出來經(jīng)常到某個港口（主要用于船舶在運(yùn)送不同類型的貨物的時候，可能目的港口不同，這個作為后續(xù)優(yōu)化方向）

2、港口間真實(shí)航跡線

（1）?? 港口與港口間的真實(shí)航跡線

（2）?? 航跡線的屬性：①可以航行哪些類型的船舶；②分類型的船舶的最大噸位；③可以航行船舶的最大長度；④可以航行船舶的最大寬度；⑤可以航行船舶的最大吃水深度。

二、輸入輸出輸出

2.1 輸入數(shù)據(jù)

1）船舶的OD數(shù)據(jù)；

2）船舶的AIS數(shù)據(jù)；

3）船舶的類型數(shù)據(jù)；

三、模型

3.1 模型主要思路

1. 通過OD數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)船只在一個季度/年內(nèi)的所有抵達(dá)港口，并統(tǒng)計(jì)其在該港口的平均時間、到港的次數(shù)、以及該船只在所有港口停留的平均時間。按照到港的次數(shù)進(jìn)行排序，得到到港次數(shù)大于等于2次（若數(shù)量少于3個，則取前三個；次數(shù)出現(xiàn)一次的港口排序按照在港時間，時間長的排在前邊）的港口為標(biāo)記港口；

2. 統(tǒng)計(jì)船只的航線的起始港口，并記錄途中經(jīng)停港口。

3. 通過統(tǒng)計(jì)的起始航線，運(yùn)用FP-tree頻繁統(tǒng)計(jì)方式來計(jì)算船只的頻繁線路。

4. 通過船只OD數(shù)據(jù)和AIS數(shù)據(jù)來確定港口間的真實(shí)航跡線；

5. 通過相同港口間的航跡線聚類，生成該港口間的航道信息，根據(jù)航道內(nèi)的航跡線數(shù)據(jù)來進(jìn)行屬性統(tǒng)計(jì)，并關(guān)聯(lián)相應(yīng)的航跡線屬性表上。

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3.2 模型流程框圖

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3.3 模型的流程詳細(xì)說明

流程說明：

（一）輸入OD數(shù)據(jù)

（二）OD數(shù)據(jù)輸入后先進(jìn)行OD數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，基于OD數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，再分別對OD數(shù)據(jù)進(jìn)行完整航線統(tǒng)計(jì)（三）和真實(shí)航跡線生成處理（四）。

（三）完整航線統(tǒng)計(jì)——1）根據(jù)OD數(shù)據(jù)和OD節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息判斷船只航行過程中起始、經(jīng)停、終止港口，起始港口到終止港口為完整一條航線，統(tǒng)計(jì)該條船所有的航線；2）根據(jù)FP-tree方法對該條船的航線進(jìn)行頻繁統(tǒng)計(jì)（具體統(tǒng)計(jì)過程見下文）；3）根據(jù)2）中統(tǒng)計(jì)結(jié)果，確定該船只的頻繁線路，輸出該船的頻繁線路數(shù)據(jù)。

（四）真實(shí)航跡線生成——1）輸入處理港口間的所有船只OD數(shù)據(jù)和對應(yīng)的船只AIS數(shù)據(jù)；2）以船只的original_out_utc 時間對應(yīng)的時間點(diǎn)開始，到destination_in_utc時間點(diǎn)結(jié)束，對該船只AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行稀疏化——每隔兩海里保留一個AIS點(diǎn)。該段內(nèi)的稀疏點(diǎn)跡作為該船在這兩個港口間航行的真實(shí)航跡線，保存該航跡線。

（五）航道屬性統(tǒng)計(jì)：1）基于（四）的真實(shí)航跡線數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)該條航跡線數(shù)據(jù)的特征點(diǎn)，根據(jù)特征點(diǎn)對OD數(shù)據(jù)進(jìn)行分段處理，且特征點(diǎn)的連線作為該段的特征直線；2）對所有OD的特征直線根據(jù)DBSCAN方法進(jìn)行聚類；3）統(tǒng)計(jì)每類航道的屬性（船只最大噸位、船只最大寬度、船只最大長度、船只最大吃水深度），保存相應(yīng)航道信息；4）相同類別內(nèi)航跡線段共享該類內(nèi)的屬性，填充航跡線對應(yīng)的屬性信息。

（六）對（一）~（五）進(jìn)行循環(huán)處理，直到所有船只頻繁模式和所有港口真實(shí)航跡線處理完畢。

流程中具體操作解釋說明：

1. OD數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：

1）統(tǒng)計(jì)該船只一年的OD數(shù)據(jù)，記錄所有的抵達(dá)港口、抵達(dá)港口的次數(shù)、抵達(dá)港口的平均停留時間 ，以及其在所有港口的平均停留時間 ；

2）對統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，按照港口抵達(dá)次數(shù)進(jìn)行排序，將到港次數(shù)大于等于2次（若數(shù)量少于3個，則取前三個）的港口作為標(biāo)記港口。

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2. 船只完整航線統(tǒng)計(jì)：1）根據(jù)OD數(shù)據(jù)和OD節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)來判斷船只航行起始港口、經(jīng)停港口、終止港口；2）起始到終止港口為一個完整的航線。

起始港口判斷：

①OD數(shù)據(jù)的起始點(diǎn)港口（original_port）；

②之前的OD已經(jīng)標(biāo)記為終止，則線路重新開始時的original_port為起始港口；

經(jīng)停港口判斷：

①OD中的destination_port港口對應(yīng)的node_type為泊位，且在港停留時間T滿足 ；

終止港口判斷：

①OD中的destination_port港口對應(yīng)的node_type為泊位，且在港停留時間T滿足 ；

②若起始港或之前的經(jīng)停港出現(xiàn)過該港口，則對該條線路拆分為兩條；第一條為起始港到該港之前的經(jīng)停港，第二條為該港之前的經(jīng)停港轉(zhuǎn)為起始港，該港作為終止港保存。

根據(jù)上述的起始港口、經(jīng)停港口、終止港口來判斷船只的起止港口，。

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3. FP-tree統(tǒng)計(jì)港口（泊位）到港口的頻繁線路：

1）統(tǒng)計(jì)港口到港口：

2中統(tǒng)計(jì)的船只航線，按照1中的標(biāo)記港口對起止港口進(jìn)行排序，出現(xiàn)次數(shù)多的排在前邊；統(tǒng)計(jì)相同線路數(shù)據(jù)。

2）泊位出發(fā)統(tǒng)計(jì)：

根據(jù)1）獲取的港口到港口頻繁數(shù)據(jù)，增加泊位數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，統(tǒng)計(jì)相同泊位出發(fā)到達(dá)的港口的次數(shù)，出現(xiàn)次數(shù)大于等于2次則記錄。

4. 根據(jù)OD數(shù)據(jù)和AIS數(shù)據(jù)生成港口間的真實(shí)航跡線：

根據(jù)港口間OD數(shù)據(jù)和AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行稀疏化表示，以original_out_utc對應(yīng)點(diǎn)為起始點(diǎn)，每隔2海里記錄一個新的點(diǎn)，直到destination_out_utc。

5. 基于DBSCAN線段聚類方法，對所有在此港口間航行的航跡線進(jìn)行聚類，獲取兩個港口間真實(shí)航道信息，統(tǒng)計(jì)航道屬性，并關(guān)聯(lián)相應(yīng)的航跡線。

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注：

DBSCAN線段聚類算法：

1）軌跡特征點(diǎn)提取：

兩點(diǎn)P1(x1,y1)，P2(x2,y2)的正向直線方程F12的表達(dá)式為

F12(x,y) = (y2 - y1)(x –x1)+(x2 – x1)(y – y1);

P1(x1,y1)，P2(x2,y2), P3(x3,y3)，P4(x4,y4)是連續(xù)的四個點(diǎn)。連接P1，P2的直線方程F12(x,y)，計(jì)算F12(x3,y3);連接P2，P3的直線方程F23（x,y），計(jì)算F23（x4,y4）。若F23（x,y）* F23（x4,y4）< 0 ，則P3（x3,y3）為特征點(diǎn)。

軌跡線的起止點(diǎn)為特征點(diǎn)，起止點(diǎn)之間的點(diǎn)則通過上述方法生成。

2）計(jì)算兩段特征直線間的距離

軌跡線中兩特征點(diǎn)P1，P2；另一條軌跡線中兩特征點(diǎn)A,B。θ為兩特征線段的夾角，A點(diǎn)到P1P2的距離為L1，B點(diǎn)到P1P2的距離為L2.

條件處理：

①AB與P1P2相交則，兩線段間距離為0；

②若A,B兩點(diǎn)的x坐標(biāo)在P1P2內(nèi)，則分別計(jì)算L1和L2，AB到P1P2的距離為 ；

③若A,B兩點(diǎn)的x坐標(biāo)與P1P2所在x范圍有交集，則需要計(jì)算L1和L2，以及P1，P2到AB的距離L3和L4，此時AB到P1P2的距離為L1、L2、L3、L4中最小的一個；

④若A,B兩點(diǎn)x坐標(biāo)與P1P2所在的x范圍沒有交集，則分別計(jì)算P1,A；P1，B；P2，A；P2，B的距離，取最小的距離作為兩線段的最小距離。

3）軌跡間聚類

①以某條軌跡為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算該軌跡所在的航道數(shù)據(jù)。

②起始線段為起始，開始計(jì)算：該線段與其它軌跡線線段的距離，若軌跡線段間的距離小于5海里，則將其歸為一類。統(tǒng)計(jì)所有與該軌跡線段距離小于5海里的線段，并將其歸為一類。

③依次循環(huán)所有未分類的軌跡線，統(tǒng)計(jì)其軌跡線內(nèi)的分類。

如果該軌跡內(nèi)部分線段屬于A類，部分線段屬于B類，則該軌跡需要記錄兩類的分界點(diǎn)和屬性值。

④統(tǒng)計(jì)各個分類內(nèi)，船只的類型、船舶的最大噸位、船舶的最大長度船舶的最大寬度、船舶的最大吃水深度。

⑤對于該類內(nèi)的線段就行屬性與軌跡線進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的船舶频繁模式模型的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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