李方亮，楊智應(yīng)

(上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院，上海 201306)

0 引言

移動對象數(shù)據(jù)庫是近年來備受關(guān)注的一個相對較新的研究領(lǐng)域，其總目標(biāo)就是允許用戶在數(shù)據(jù)庫中表示移動實體［1］(汽車、船舶、飛機(jī)、手機(jī)用戶等)，并執(zhí)行有關(guān)移動的查詢［2］.運(yùn)動的空間對象需要將其狀態(tài)信息(位置、速度等)傳送給數(shù)據(jù)庫，為數(shù)據(jù)庫中的檢索和查詢提供最新的信息.

針對移動對象的位置更新問題，在現(xiàn)實應(yīng)用中已提出很多解決方法.其中，固定時間和固定距離更新移動對象信息是兩種常見方法.這兩種方法實現(xiàn)簡單，但是都較難選擇一個合適的時間值平衡更新的頻率，以便平衡更新中的通信復(fù)雜度和精確度.除此之外，基于向量的更新方法受到很大關(guān)注，文獻(xiàn)［3］和［4］提出根據(jù)移動對象所在網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路線的幾何形狀實現(xiàn)狀態(tài)更新，文獻(xiàn)［5］和［6］在此基礎(chǔ)上提出 IDTLU(ID－Triggered Location Update)，DTTLU(Distance－Threshold－Triggered Location Update)和 STTLU(Speed－Threshold－Triggered Location Update)方法.

船舶在航行過程中通過船載的黑匣子實時記錄船舶的各項航行信息，目前的通信能力已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)船舶與地面中心通信，以便地面中心能夠?qū)崟r監(jiān)控船舶的狀態(tài).［7－8］利用移動對象數(shù)據(jù)庫存儲移動對象(船舶)的狀態(tài)信息，能更方便地實現(xiàn)對船舶航行的歷史、現(xiàn)在和未來的管理.基于這樣的理念，本文利用基于運(yùn)動矢量的位置更新機(jī)制(Motion－Vector－Based Location Update Mechanisms，MVBLUM)結(jié)合船舶航行中的多項信息，給出航行信息更新頻率方案，并將船舶的實際航跡與通過更新數(shù)據(jù)形成的航跡進(jìn)行比較來證實更新方案的有效性.

1 船舶航線的數(shù)據(jù)模型

船舶在港口間航行受多方面因素的影響［9］，一般會制定多條航線，航行過程中按照既定航線航行，但其實際航跡與預(yù)定航線是有差距的.

下面主要討論如何以移動對象數(shù)據(jù)庫的方式記錄船舶航行信息.在航行中，船舶、港口、航線均以絕對的位置(經(jīng)度、緯度)表示，同時對預(yù)定航線和實際歷史航跡也以實際的絕對記錄方式進(jìn)行.［10－11］

定義1 定義航線

式中:ir為航線(或歷史航跡)的標(biāo)志;g為航線地理集合形狀;l為航線長度;SAR為航線中的原子航段集合.

定義2 移動點是航線中的基本單位，原子航段其實由一個移動點構(gòu)成，示意圖見圖1.

式中:im為移動點標(biāo)志;(θlong，θlati)是移動點的起始位置，一對經(jīng)緯度坐標(biāo);c為移動點在起始位置的航向;d是距離下一個移動點的距離.這樣，一條預(yù)定航線可以由一個移動點集合表示(實際的歷史航跡還包括很多其他信息).

圖1 航線R以及其中的移動點、原子航段

圖1中圓點表示航線中的移動點，以圓點為起始的線段表示航段.

定義3 定義移動對象(船舶)在t時刻的運(yùn)動矢量

式中:t為采集該運(yùn)動矢量的時間;(θlong，θlati)指采集信息時移動對象所在位置;vt為t時刻船舶航行的速度;ct為t時刻船舶的航向;e是指其他的額外信息(包括航首向、航行狀態(tài)、吃水深度、目的地、預(yù)計達(dá)到時間等).

定義4 移動對象的時空軌跡是移動對象在行駛過程中通過位置更新操作提交的運(yùn)動矢量序列，定義為

式中:vm，n是移動對象所提交的最后一個運(yùn)動矢量，稱為活動運(yùn)動矢量，包含計算移動對象現(xiàn)在和將來位置的關(guān)鍵信息.多個移動對象的時空軌跡見圖2。

圖2中整個長方體的下表面是最初時刻移動對象記錄，上表面為最后時刻移動對象記錄.

近年來燃?xì)廨啓C(jī)組、熱電聯(lián)產(chǎn)、電轉(zhuǎn)氣及電轉(zhuǎn)熱等元件推廣應(yīng)用，為多能互補(bǔ)、間歇性可再生能源的消納提供了新的解決方案，同時逐步加深了多能源系統(tǒng)(電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)等)之間耦合。在此背景下，有必要打破傳統(tǒng)多能源系統(tǒng)之間獨立規(guī)劃與運(yùn)行的壁壘，構(gòu)建協(xié)同統(tǒng)一的綜合能源系統(tǒng)投資規(guī)劃、運(yùn)行調(diào)度及市場交易機(jī)制，以推動我國能源系統(tǒng)的改革與轉(zhuǎn)型，為我國低碳可持續(xù)能源系統(tǒng)的構(gòu)建及能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略提供技術(shù)參考。

圖3為整個航線中的一個片段，根據(jù)該片段最后一次更新 vm，n可預(yù)測未來一段時間內(nèi)船舶的航行.

2 船舶航線的位置更新機(jī)制

結(jié)合船舶的航行特點，采用運(yùn)動矢量實現(xiàn)船舶在航行過程中的狀態(tài)信息更新.根據(jù)更新規(guī)則，移動對象向服務(wù)器傳輸必要的信息，服務(wù)器記錄船舶航行的整個歷史軌跡以及當(dāng)前狀態(tài).更新規(guī)則保證服務(wù)器記錄的信息能夠真實反映航行軌跡并且盡可能減少通信代價.

2.1 位置更新機(jī)制

移動對象(船舶)在海平面上航行時會不斷將船舶當(dāng)前的各項參數(shù)與最后一次更新的運(yùn)動矢量進(jìn)行比較.如果滿足更新條件，那么當(dāng)前運(yùn)動矢量的信息會被傳送到服務(wù)器.

考慮船舶航行信息的特點［4］，對那些不常變化并對船舶位置沒有影響的信息采用相等對比的方式.對向量分量中與船舶航行軌跡關(guān)聯(lián)較為緊密的位置坐標(biāo)、速度、航向，定義以下更新規(guī)則作為更新觸發(fā)條件:

移動對象在時刻 ti的運(yùn)動矢量 vm，vi= (ti，(xti，yti)，vti，cti，hti，nti，dti，sti，Tti)，其中:位置(xti，yti)是經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的位置;vti為速度;cti為運(yùn)動方向;hti為航首向;nti為航行狀態(tài);dti為航行中的吃水深度;sti為航行目的地;Tti為航行到達(dá)時間.

ti時刻的加速度為ati，對于下一個時刻ti+1，通過上次的更新記錄預(yù)測在時刻ti+1的位置(xm，ym)和速度vm.

更新規(guī)則1 xti+1根據(jù)ti+1時刻的(xti+1，yti+1)位置，知道預(yù)測位置和船舶實際所在位置距離s為兩點(xm，ym)與(xti+1，yti+1)的歐幾里德距離.定義距離超過一定閾值則觸發(fā)更新.

更新規(guī)則3 對于船舶方向在規(guī)則1和規(guī)則2中雖已有體現(xiàn)，但是精確記錄船舶轉(zhuǎn)彎，同樣對船舶航行的航向角設(shè)置差值的閾值，以控制航向的陡變.

更新規(guī)則4 對船舶的其他動態(tài)信息(航首向、航行狀態(tài)、吃水深度、目的地、預(yù)計到達(dá)時間)直接利用等量對比方式觸發(fā)更新.

更新規(guī)則中的閾值可以根據(jù)船舶的航行特點和所需監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度確定，因為與常見交通路網(wǎng)中的汽車相比，船舶的航行狀態(tài)更穩(wěn)定.

除了上述更新規(guī)則之外，為避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)通信過程中的碰撞，兩次更新的時間差應(yīng)大于3 s.在移動對象更新過程中，確定更新規(guī)則1，2和3之后，另外的操作就是進(jìn)行字符對比.通過這些規(guī)則形成完整的船舶航行的整個信息更新機(jī)制如下:

算法1.航行信息更新算法

3 實驗結(jié)果和分析

3.1 實驗結(jié)果

為了驗證整個更新機(jī)制可節(jié)省的通信量和能夠達(dá)到的精確度，做一系列實驗并對其結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.為真實反映船舶航行的實際狀況，從以往船舶實際航行的歷史數(shù)據(jù)中選取4條船的狀態(tài)記錄作為當(dāng)前活動的移動對象每次獲得航行信息的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用上述更新策略進(jìn)行處理得到結(jié)果數(shù)據(jù)，見表1。表中:MMSI_Number為船舶的標(biāo)號;原始數(shù)據(jù)是移動對象(船舶)通過所載設(shè)備獲取的航行信息次數(shù);更新后數(shù)據(jù)是更新到移動對象數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)庫中記錄的船舶航行軌跡;節(jié)省通信量為與船舶當(dāng)前通信頻率相比可減少的通信量.這4條船中:110603267為正常航行;123456778基本靜止，受風(fēng)力等非人為影響的晃動;200804300時而靜止時而航行;209075000為正常航行情況下往返于兩個目的地.

表1 更新前后船舶通信代價對比

為展示更新后所記錄船舶航行軌跡的精確性，對比船舶的航行軌跡和數(shù)據(jù)庫記錄軌跡.圖4為船110603267的軌跡.從圖4中可以看出，更新過程中只是過濾掉不必要的數(shù)據(jù)，更新后的數(shù)據(jù)可真實反映船舶的實際航行軌跡.結(jié)合算法1可以得出結(jié)論:查詢精度取決于其中的距離閾值、速度閾值和航向閾值，實驗中的這些值根據(jù)船舶實際航行的特點不難適當(dāng)確定.根據(jù)算法1的更新條件可以斷定，在對歷史軌跡進(jìn)行查詢的過程中，其位置誤差不會超過距離閾值.

圖4 移動對象更新前后軌跡對比

4 結(jié)束語

國內(nèi)外移動對象數(shù)據(jù)庫方面的研究已經(jīng)趨于成熟，但對移動對象數(shù)據(jù)庫在航海領(lǐng)域的應(yīng)用缺乏探索.船舶的航行更具有規(guī)律性特點，針對這一移動對象的特性，更深一步地利用其航行的歷史數(shù)據(jù)，可能會達(dá)到更好的效果.進(jìn)一步的研究將針對船舶的航行特點，在移動對象的數(shù)據(jù)更新、存儲和查詢優(yōu)化方面讓移動對象數(shù)據(jù)庫對航海領(lǐng)域的移動對象數(shù)據(jù)管理發(fā)揮更大作用.

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