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专利号: 2019103760752
申请人: 杭州电子科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于深度学习的船舶行为识别方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤S1:获取原始船舶轨迹数据,通过数据预处理以及轨迹分割方法自建船舶行为识别数据集;

步骤S2:设计多尺度卷积模块与长短期记忆网络级联的船舶行为识别网络,使用自建船舶行为识别数据集训练的船舶行为识别网络,实现对船舶轨迹数据的行为识别;

其中,所述步骤S1进一步包括:

步骤S11:选取船舶自动识别系统AIS具有行为判别力的信息,作为数据的特征;选取特征为基准时间,经度,纬度以及对地速度,对地航向作为数据的特征,其中,基准时间仅在数据预处理阶段使用;

步骤S12:通过位置异常处理方法与速度异常处理方法对步骤S11得到的AIS数据中的异常数据进行处理;

其中,所述步骤S12进一步包括:步骤S121:对位置明显偏离航线的AIS数据点进行位置异常处理,先将异常点删除,再使用插入中值的方法将失去的点近似还原;

步骤S122:对速度明显异常的AIS数据点进行速度异常处理,将船舶行为距离与根据速度计算的距离进行比较,根据差值的置信区间来判别速度是否发生异常;

步骤S13:使用多特征距离融合的方法来描述a,b两个数据点之间的距离,包括时间距离dt、空间距离ds、速度距离dv以及航向距离dc;

其中,Pi(<T>)表示点i的特征<T>的值,t表示时间,v表示对地速度,c表示对地航向;Pa(x)与Pa(y)分别表示a点的经度与纬度,Pb(x)与Pb(y)分别表示b点的经度与纬度;a与b两点之间的多特征融合距离d(a,b):d(a,b)=ωt×dt(a,b)+ωs×ds(a,b)+ωv×dv(a,b)+ωc×dc(a,b)其中,ωt,ωs,ωv,ωc分别为各个特征距离的权重;

步骤S14:采用固定长度的方式来划分运动轨迹;通过判别步骤S13得到的两点之间的距离,若距离大于设定阈值时,则将第二个点设置为切割点;若两个切割点之间的距离大于

64,则取两点之间连续的64个点作为一段轨迹数据集;

步骤S15:归一化处理;通过步骤S14得到若干轨迹数据集后,选择经度、纬度、对地速度、对地航向作为数据特征,对其进行归一化处理,让数据分布在[0,1]之间:其中, 表示归一化后点i特征<T>的值,Pi(<T>)表示点i特征<T>的值,max<T>表示特征<T>的最大值,min<T>表示特征<T>的最小值;x,y,v,c分别表示经度,纬度,对地速度以及对地航向;

步骤S16:将步骤S15得到的轨迹片段,根据AIS数据中对应的状态值进行标注,标注的行为类别分别为正常航行,捕鱼,锚泊,系泊,并将数据按照一定比例划分为训练集和测试集;

其中,所述步骤S2进一步包括:

步骤S21:根据AIS数据的特性,设计基于AIS数据的卷积操作,多尺度卷积模块以及通道加权模块;

所述步骤S21进一步包括:

步骤S211:设计基于AIS数据的卷积操作,使用一维卷积操作对固定长度的时间序列进行特征提取;

步骤S212:设计多尺度卷积提高模型对特征的表达能力,卷积模块有四个通道,其中一个通道传入原始特征信号,另外三个通道的一维卷积核大小分别为2,3和5;

步骤S213:设计基于AIS数据的压缩与激活SE操作,对数据中的每个特征进行通道加权,通过显式地构建特征通道的相互依赖关系来提高网络的表达能力;定义输入为U=[u1,u2,...,uN],其中N表示数据的特征数量,u为该特征在时间长度T上的向量;使用压缩操作得到一个通道相关的统计信息s=[s1,s2,...,sN]:使用激活操作得到一个具有特征通道依赖性权重的向量w:w=Fex(s,W)=σ(W2δ(W1s))其中,W1与W2分别表示两个全连接层的参数;σ为sigmoid函数,δ为激活函数ReLU;最后将d与原有特征结合得到输出U′=[u′1,u′2,...,u′N]:u′n=Fscale(un,wn)=wn·un其中,·表示两个向量的乘积;

步骤S214:语义特征学习分支有三层卷积模块,前两个卷积模块为步骤S211中的一维卷积加上批标准化层以及激活函数ReLU再加上步骤S213的ESE操作;第三层卷积为步骤S212中得到的多尺度卷积层,该多尺度卷积层每条分支有两层卷积;多尺度卷积的多个通道级联后得到的特征经过池化层,最终得到一个一维向量;

步骤S22:使用长短期记忆网络LSTM作为网络的时序特征学习分支;

所述步骤S22进一步包括:

步骤S221:时序特征学习分支首先通过维度变换层,将维度变换后的向量输入LSTM网络;LSTM核心内部有三个控制门,分别为输入门、输出门以及遗忘门,ht表示t时刻LSTM内部的隐含状态,t时刻的输入pt和上一时刻隐含状态ht-1共同决定当前时刻的遗忘单元Ft、输入单元It、输出单元Ot以及中间单元Gt:Ft=σ(wfpt+ufht-1+bf)It=σ(wipt+uiht-1+bi)Ot=σ(wopt+uoht-1+bo)Gt=tanh(wgpt+ught-1+bg)其中,wf,wi,wo,wg分别为遗忘门,输入门,输出门以及中间状态与输入pt相乘时的权重,bf,bi,bo,bg分别为遗忘门、输入门、输出门以及中间状态与输入pt相乘时的偏置,σ(·)表示sigmoid函数;当前时刻记忆单元中的保留状态St与隐含状态ht:St=Gt⊙It+St-1⊙Ftht=tanh(St)⊙Ot

其中,⊙表示矩阵对应元素相乘;最后LSTM的输出通过dropout层,输出一个一维向量;

步骤S222:将步骤S21得到的语义特征向量与S222得到的时序特征向量合并为一维向量,再通过全连接层,最后使用softmax分类器进行分类;

步骤S23:使用步骤S1得到船舶行为识别数据集对步骤S22得到的船舶行为识别网络进行训练,得到最终船舶识别网络模型。