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专利号: 2025103520858
申请人: 山东科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-10-27
缴费截止日期: 暂无
联系人

摘要:

权利要求书:

1.一种船舶速度缺失数据补全方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1. 获取海域航道中船舶的AIS数据信息,包括船舶的经度、纬度、速度和航向角度,检查并找到AIS数据信息中缺失的船舶速度数据;

步骤2. 提取速度缺失数据点前后时间点的船舶动态信息,即未缺失数据点的经度、纬度、速度以及航向角度;同时提取速度缺失数据点的船舶经度、纬度和航向角度;

步骤3. 根据提取得到的船舶动态信息计算空间距离、观测值差异性以及航向角度差;

步骤4. 将计算得到的空间距离、观测值差异性以及航向角度差作为输入值,引入到克里金插值计算中,对提取的速度缺失数据点的速度数据补全;

首先基于观测值差异性和航向角度差计算未缺失数据点之间的第一协方差矩阵,同时基于空间距离并通过高斯拟合计算缺失数据点与未缺失数据点之间的第二协方差矩阵;

基于第一协方差矩阵、第二协方差矩阵搭建克里金插值矩阵,通过将船舶航向变化引入克里金插值中,使其考虑空间数据之间的相关性以及航向变化;

求解所述克里金插值矩阵计算得到各个未缺失数据点的速度权重系数,进而通过加权求和的方式计算得到速度缺失数据点的速度值。

2.根据权利要求1所述的船舶速度缺失数据补全方法,其特征在于,所述步骤2中,船舶的动态信息表示为 ;

其中,、 表示船舶的经度和纬度,表示船舶的速度,表示船舶的航向角度。

3.根据权利要求1所述的船舶速度缺失数据补全方法,其特征在于,所述步骤4具体为:

步骤4.1. 构建未缺失数据点之间的第一协方差矩阵;

首先计算未缺失数据点 和 之间的 和 ,然后根据下述公式计算半方差 ,并构建对应的第一协方差矩阵 ,第一协方差矩阵 中每个元素用 表示;

其中,i、j表示未缺失数据点的编号,n表示未缺失数据点数量; ; 表示方差, 表示船舶速度之间的差异性, 表示航向角度差;

步骤4.2. 构建缺失数据点与未缺失数据点之间的第二协方差矩阵;

计算缺失数据点 与每个未缺失数据点 之间的空间距离 ,根据高斯模拟拟合的半方差函数公式计算半方差 ,并构建相应的第二协方差矩阵 , ;

其中, 表示通过高斯函数拟合得到的半方差, 表示观测值即速度数据的方差;

表示空间自相关性衰减速度,表示缺失数据点与每个未缺失数据点i之间的空间距离;

步骤4.3. 基于第一协方差矩阵、第二协方差矩阵搭建克里金插值矩阵,克里金插值法通过解线性方程组得到各个未缺失数据点的速度权重系数 ,公式如下:;

其中, 是克里金插值的权重系数; 是拉格朗日乘子,用于处理无偏性约束;

步骤4.4. 通过将船舶航向变化引入克里金插值中,使其考虑空间数据之间的相关性以及航向变化性,通过加权求和的方式计算得到缺失数据点的速度值。

4.根据权利要求3所述的船舶速度缺失数据补全方法,其特征在于,所述步骤4.1中,船舶速度之间的差异性 的计算公式如下:;

其中, 、 表示船舶的未缺失数据点i、j的速度。

5.根据权利要求3所述的船舶速度缺失数据补全方法,其特征在于,所述步骤4.1中,航向角度差 的计算公式如下: ;

其中, 、 表示未缺失速度点船舶i、j的航向角度;如果计算出的 ,则通过下列公式改写 的值: ;其中mod表示取余。

6.根据权利要求3所述的船舶速度缺失数据补全方法,其特征在于,所述步骤4.2中,采用Haversine 公式计算两点之间的空间距离,公式表达如下:;

其中,表示缺失数据点与未缺失数据点i之间的空间距离, 表示缺失数据点的经度和纬度; 表示未缺失数据点的经度和纬度; 表示地球半径; 表示反正切函数; 表示经度差, ; 表示纬度差, 。

7.根据权利要求3所述的船舶速度缺失数据补全方法,其特征在于,所述步骤4.4中,通过加权求和计算得到缺失数据点的速度值的公式如下:;

其中,表示缺失数据点的船舶速度值; 表示未缺失数据点的速度值。

8.一种船舶速度缺失数据补全系统,其特征在于,包括如下模块:AIS数据信息获取模块,用于获取海域航道中船舶的AIS数据信息,包括船舶的经度、纬度、速度和航向角度,检查并找到AIS数据信息中缺失的船舶速度数据;

提取模块,用于提取速度缺失数据点前后时间点的船舶动态信息,即未缺失数据点的经度、纬度、速度以及航向角度;同时提取速度缺失数据点的船舶经度、纬度和航向角度;

预处理模块,用于根据船舶动态信息计算空间距离、观测值差异性以及航向角度差;

以及速度补全模块,用于将计算得到的空间距离、观测值差异性以及航向角度差作为输入值,引入到克里金插值计算中,对提取的速度缺失数据点的速度数据补全;

具体而言,首先基于观测值差异性和航向角度差计算未缺失数据点之间的第一协方差矩阵,同时基于空间距离计算缺失数据点与未缺失数据点之间的第二协方差矩阵;

基于第一协方差矩阵、第二协方差矩阵搭建克里金插值矩阵,通过将船舶航向变化引入克里金插值中,使其考虑空间数据之间的相关性以及航向变化;

求解所述克里金插值矩阵计算得到各个未缺失数据点的速度权重系数,进而通过加权求和的方式计算得到速度缺失数据点的速度值。

9.一种计算机设备,包括存储器和一个或多个处理器;在存储器中存储有可执行代码;

其特征在于,当处理器执行可执行代码时,用于实现上述权利要求1至7中任一项所述的船舶速度缺失数据补全方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质,其上存储有程序;其特征在于,该程序被处理器执行时,用于实现上述权利要求1至7任一项所述的船舶速度缺失数据补全方法的步骤。