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基于联邦学习的船舶ais轨迹谱聚类算法研究

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计算机应用研究 2022年第1期39卷 70-74,89页

作者：吕国华胡学先张启慧魏江宏中国人民解放军战略支援部队信息工程大学郑州450001

如何实现数据的安全共享,促进多源数据的碰撞、融合是当前学术界和产业界共同面临的重要技术挑战之一,近年来,联邦学习作为应对这一挑战的新技术受到了广泛的关注,已在智慧医疗、智慧城市建设等领域得到应用,但是在充满潜力的轨迹数据... 详细信息

如何实现数据的安全共享,促进多源数据的碰撞、融合是当前学术界和产业界共同面临的重要技术挑战之一,近年来,联邦学习作为应对这一挑战的新技术受到了广泛的关注,已在智慧医疗、智慧城市建设等领域得到应用,但是在充满潜力的轨迹数据挖掘领域却鲜有研究。为了解决这个问题,提出一种安全的、分布式的基于联邦学习的谱聚类算法框架FSC(federated spectral clustering),并应用于船舶ais(automatic identification system)轨迹数据谱聚类。该算法通过加密样本对齐技术和同态加密技术,在保证用户数据安全的前提下实现了多参与方联合训练机器学习模型。实验部分以合成数据和船舶ais轨迹数据为样本,通过与其他聚类算法对比,验证算法具有良好的聚类性能;聚类结果能够准确提取水域船舶的主要航线,可为海事监管系统智能化提供技术支撑。

关键词：联邦学习谱聚类数据挖掘 ais轨迹同态加密

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基于联邦随机森林的船舶ais轨迹分类算法

信息网络安全 2022年第4期22卷 67-76页

作者：吕国华胡学先杨明徐敏战略支援部队信息工程大学郑州450001 锦州医科大学锦州121000

为了提升船舶ais轨迹数据的分类效果、实现多权属数据安全联合数据挖掘,文章提出一种基于联邦随机森林的船舶ais轨迹分类算法,利用BCP同态加密算法构造平均隐私保护协议,解决联邦学习中多参与方安全协同训练决策树问题。文章通过分析船... 详细信息

为了提升船舶ais轨迹数据的分类效果、实现多权属数据安全联合数据挖掘,文章提出一种基于联邦随机森林的船舶ais轨迹分类算法,利用BCP同态加密算法构造平均隐私保护协议,解决联邦学习中多参与方安全协同训练决策树问题。文章通过分析船舶ais轨迹数据提取最优轨迹特征,并使用相应的特征向量作为联邦学习模型的输入,实现对渔船、客船、货船和油轮4类典型船舶的联邦分类。从准确性和有效性两方面进一步进行验证,结果表明该算法能够在保证数据隐私安全的前提下实现良好的分类效果,降低了参与方客户端的计算开销,实现多权属数据安全联合数据挖掘。同时,此研究成果可应用于船舶航迹模式识别和航迹分析预测等领域。

关键词：联邦学习 ais轨迹随机森林同态加密

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2020年全球鱿钓捕捞的时空特征分析

地球信息科学学报 2024年第4期26卷 1110-1122页

作者：刘广源吴志峰吴波郑子豪曹峥广州大学地理科学与遥感学院广州510006 自然资源部大湾区地理环境监测重点实验室深圳518060 惠州学院地理与旅游学院惠州516000

了解全球鱿钓捕捞的时空特征可为鱿鱼资源的评估与管理提供参考。本文选取2020年全球鱿钓船ais轨迹数据与VIIRS夜间灯光影像,以FAO major Fishing Areas的19个海洋主要捕鱼区为捕捞分区依据,结合GIS空间分析方法开展了全球鱿钓捕捞的时... 详细信息

了解全球鱿钓捕捞的时空特征可为鱿鱼资源的评估与管理提供参考。本文选取2020年全球鱿钓船ais轨迹数据与VIIRS夜间灯光影像,以FAO major Fishing Areas的19个海洋主要捕鱼区为捕捞分区依据,结合GIS空间分析方法开展了全球鱿钓捕捞的时空特征分析。结果表明:(1)鱿钓捕捞主要分布在西南大西洋阿根廷专属经济区周边、西北太平洋日本东北部远海、东南太平洋秘鲁西部远海、西北印度洋阿拉伯海以及中西太平洋阿拉弗拉海,集中在中、低纬度离陆地100 km以内和400~700 km范围内,呈现以条带式为主的分布模式;(2)全球鱿钓捕捞的时间规律表现出“两峰两谷”的变化态势,分别于1—4月、6—8月呈上升趋势,而在4—6月、8—12月呈下降趋势。中纬度的鱿钓捕捞于夏秋呈上升趋势,而在冬春呈下降趋势;低纬度的鱿钓捕捞在秋冬季节呈增加态势,而在春季呈减少态势;(3)鱿钓捕捞的时空特征受洋流、鱿鱼繁殖特性及各国远洋鱿钓政策影响,其空间分布走向与主要洋流流向一致,捕捞强度在鱿鱼产卵高峰期、休渔期时减弱;(4)ais轨迹密度与夜间灯光亮度在鱿钓捕捞信号上有良好的时空相关性,ais轨迹密度与夜间灯光亮度的空间相关性越大,则时间变化规律也越相似。研究工作证明了夜间灯光遥感具备良好的鱿钓捕捞度量能力,能与船舶轨迹互补,实现高精度的鱿钓捕捞评估。

关键词：鱿钓捕捞全球联合国粮食及农业组织划分的19个主要海洋捕鱼区 ais轨迹夜间灯光时空特征鱿钓影响因素时空相关

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船舶动态驱动的碳排放时空分布规律

中国环境科学 2024年第3期44卷 1769-1776页

作者：余红楚方庆龙方志祥刘敬贤武汉理工大学航运学院湖北武汉430063 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室湖北武汉430079 武汉理工大学三亚科教创新园海南三亚572025

本文基于2018年全球集装箱船的ais(Automatic Identification System)轨迹数据,采用自下而上的方法,计算2018年全球集装箱船的CO_(2)排放量.进一步,采用地理信息科学基础理论与技术,通过船舶排放量与地图的联动分析,挖掘集装箱船CO_(2)... 详细信息

本文基于2018年全球集装箱船的ais(Automatic Identification System)轨迹数据,采用自下而上的方法,计算2018年全球集装箱船的CO_(2)排放量.进一步,采用地理信息科学基础理论与技术,通过船舶排放量与地图的联动分析,挖掘集装箱船CO_(2)排放的时空分布规律,并分析主要远洋运输航线的排放特征.结果表明,2018年全球集装箱船的CO_(2)年排放量达到1.2355亿t,1月份的排放最高,而11月份排放量全年最低,在时间上呈现明显的分异特性.集装箱船月度排放的空间分布总体较为相似,排放高峰区域主要分布在靠近海岸线和主要远洋航路上,远东-欧洲航线的排放量最高.

关键词：集装箱船 CO_(2)排放 ais轨迹时空分布

基于联邦学习的移动目标轨迹数据挖掘技术研究

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基于联邦学习的移动目标轨迹数据挖掘技术研究

作者：吕国华战略支援部队信息工程大学

学位级别：硕士

大数据时代,随着移动互联网、卫星定位导航等技术的发展,移动目标轨迹数据呈现出爆炸式地增长态势。如何实现多源轨迹数据安全联合挖掘,破解“数据孤岛”,是当前理论学术界和工业产业界共同面临的重点难点问题。具有协作性和隐私性的联... 详细信息

大数据时代,随着移动互联网、卫星定位导航等技术的发展,移动目标轨迹数据呈现出爆炸式地增长态势。如何实现多源轨迹数据安全联合挖掘,破解“数据孤岛”,是当前理论学术界和工业产业界共同面临的重点难点问题。具有协作性和隐私性的联邦学习技术是解决这一挑战的有效手段。近年来,联邦学习已经在智慧金融、智慧医疗、智慧交通建设等领域得到应用,但是在充满潜力的轨迹数据挖掘领域却鲜有研究。因此,本文采用联邦学习算法模型,以船舶自动识别系统（Automatic Identification System,ais）轨迹数据为例,对多来源多权属轨迹数据的安全联合挖掘相关问题展开研究,探索数据挖掘的聚类、分类和隐私保护技术,主要完成了以下工作:1.提出一种基于联邦学习的船舶ais轨迹谱聚类算法。数据的收集和使用是人工智能时代数据挖掘技术持续发展的基石。然而当前人工智能技术的仍存在两大挑战:一是各个部门间的行业竞争以及隐私安全,在数据源之间形成的“数据孤岛”导致无法安全共享数据。二是各国相继颁布的新法律法规强化了对数据隐私的安全管理,数据隐私安全已逐渐形成世界性趋势。针对人工智能面临的挑战和轨迹数据挖掘中的隐私保护需求,本文提出一种基于联邦学习的船舶ais轨迹谱聚类算法。该算法在垂直分布的数据集上通过加密样本对齐技术和同态加密技术,保障了用户数据的隐私安全,实现了多参与方安全联合机器学习。通过与其他聚类算法对比,验证算法具有良好的聚类性能。2.设计一种基于BCP同态加密的C4.5决策树外包算法。本文以经典的C4.5决策树算法为例,利用BCP同态加密设计了一种具有隐私保护的C4.5决策树外包算法,将现有的适用于两方的协同训练机制推广到了多个参与方的情形。在水平分布的数据集上的实验结果表明,该算法能够保证数据的隐私性和训练准确率,有效降低参与方客户端的时间开销。安全性分析表明,该算法所采用的BCP同态加密和解密操作不会导致精度上的损失,在诚实且好奇的模型下是安全的,能够为多方数据分类模型提供隐私保护,可以用来解决联邦学习过程中多参与方安全协同训练决策树问题。3.提出一种基于联邦随机森林的船舶ais轨迹分类算法。为提升ais轨迹数据的分类效果、实现多权属数据安全联合数据挖掘,设计一种基于联邦随机森林的船舶ais轨迹分类算法。通过分析船舶ais轨迹数据、提取最优轨迹特征,并使用相应的特征向量作为联邦学习模型的输入,实现了对渔船、客船、货船和油轮4类典型船舶的联邦分类。实验部分设置多个ais岸站参与方,从准确性和效率性进一步验证该算法能够在保证数据隐私安全的前提下表现良好的分类效果,降低了参与方客户端计算开销,实现了多权属数据安全联合数据挖掘。研究成果可应用于船舶航迹模式识别和航迹分析预测等领域。

关键词：联邦学习数据挖掘 ais轨迹同态加密谱聚类随机森林

重要经济发展区域间海运网络时空演变特性分析

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地球信息科学学报 2018年第5期20卷 582-592页

作者：余红楚方志祥陆锋彭澎赵志远冯明翔武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室武汉430079 时空数据智能获取技术与应用教育部工程研究中心武汉430079 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室北京100101

"海上丝绸之路"沿线国家(MSR)、金砖国家(BRICS)、美日韩(AJK)是重要经济发展区域。研究其海运网络的时空演变规律有助于国家层面的贸易竞争均衡分析,对海运战略科学部署和智慧应对具有十分重要的意义。ais(Automatic Identification Sy... 详细信息

"海上丝绸之路"沿线国家(MSR)、金砖国家(BRICS)、美日韩(AJK)是重要经济发展区域。研究其海运网络的时空演变规律有助于国家层面的贸易竞争均衡分析,对海运战略科学部署和智慧应对具有十分重要的意义。ais(Automatic Identification System)数据具有实时性,且已基本覆盖全球港口的近海区域,能为海运网络提供及时分析的数据支撑。本文利用ais数据挖掘MSR、BRICS、AJK的运输网络时空演变规律,结果表明,MSR散货、集装箱、油轮的内部网络结构的变化明显大于AJK和BRICS,说明"一带一路"倡议促进了MSR的内部海运贸易;MSR、AJK和BRICS的外部网络结构变化2013-2016年都较大,说明"一带一路"倡议的实施期间,MSR、AJK和BRICS 3个区域之间的海运贸易变化较大;3个区域的集装箱、油轮吞吐量加权的内外部海运网络结构2015-2016年较2013-2014年更为稳定,随着"一带一路"倡议的实施,这3个区域内部和区域之间的吞吐量加权海运网络结构变化幅度逐步减小。"一带一路"倡议对不同的经济发展区域的影响不同,对MSR的内外部海运网络结构都产生了一定影响,对BRICS散货、集装箱、油轮型海运网络的影响呈现差异化特征,对AJK内部海运网络没有影响,对AJK的外部网络产生了部分影响。提高MSR的海运贸易吞吐量,提升MSR在海运网络中的贸易地位,仍是当前的发展重点。

关键词： ais轨迹经济发展区域海运网络时空演变规律 “一带一路”倡议

基于改进Douglas-Peucker的自适应阈值渔船轨迹数据压缩方法

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计算机与数字工程 2023年第2期51卷 355-360页

作者：段浩然刘明剑朱云鹤张思佳大连海洋大学信息工程学院大连116023 设施渔业教育部重点实验室大连116023

针对现有渔船轨迹压缩算法在设置距离阈值时存在采用基于经验设置阈值的问题,在Douglas-Peucker(DP)算法的基础上提出了自适应阈值算法(Auto-Douglas-Peucker,ADP)。首先,利用航向属性筛选轨迹点,保留信息时序性的同时压缩冗余点;其次,... 详细信息

针对现有渔船轨迹压缩算法在设置距离阈值时存在采用基于经验设置阈值的问题,在Douglas-Peucker(DP)算法的基础上提出了自适应阈值算法(Auto-Douglas-Peucker,ADP)。首先,利用航向属性筛选轨迹点,保留信息时序性的同时压缩冗余点;其次,拟合出所有子轨迹段临界阈值的曲线;最后,通过曲线中相邻两点的最大角度变化率来确定最优阈值。该研究中提出的ADP算法与DP算法相比压缩率从99%下降到96%,在保留较多特征点基础上,避免了Sliding Window算法压缩后出现轨迹不完整的问题,取得了良好的轨迹压缩效果。

关键词： ais轨迹船舶轨迹轨迹特征点数据压缩

基于海洋遥感与渔船轨迹数据的多任务鱼情预测

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计算机系统应用 2022年第4期31卷 333-340页

作者：徐文进孙允超黄海广青岛科技大学信息科学技术学院青岛266061 温州大学计算机与人工智能学院温州325035

渔情预测,即预测未来鱼群的位置和该区域内鱼量的丰富度.通过了解未来的渔情信息,管理者可以制定行之有效的策略,对渔民来说也可以节省捕鱼过程中的资源消耗.本文从海洋环境遥感数据与ais渔船轨迹数据着手,分析挖掘鱼群的分布状况,进而... 详细信息

渔情预测,即预测未来鱼群的位置和该区域内鱼量的丰富度.通过了解未来的渔情信息,管理者可以制定行之有效的策略,对渔民来说也可以节省捕鱼过程中的资源消耗.本文从海洋环境遥感数据与ais渔船轨迹数据着手,分析挖掘鱼群的分布状况,进而对未来的渔情进行预测.根据作业方式的不同,渔船可以分为多种类型,如围网、刺网、拖网、张网等,针对装备不同渔具的渔船预测出未来作业的区域,进行精细化管理具有重要意义.以往的单任务学习能够对各渔具实现单独预测,但不能捕获各种渔具之间的相互影响.为此,本文提出了一种基于海洋遥感数据与ais渔船轨迹数据的时空神经网络的多任务预测方法,在对每种渔具单独预测的同时捕获各渔具之间的相互影响.同时,将诸如海洋温度、盐度等环境遥感数据嵌入到模型中,进一步提高了预测的准确度.在浙江海域的ais渔船轨迹数据集上进行了实验,结果证明了该方法相对于经典和最新的基于海洋遥感与ais轨迹预测鱼群分布状况的优越性.

关键词：渔情预测多任务预测海洋遥感 ais轨迹

基于改进LSTM的航运物流路径轨迹修复研究

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包装工程 2023年第17期44卷 152-159页

作者：白响恩方明权徐笑锋肖英杰吴永明上海海事大学商船学院上海201306 宁波引航站浙江宁波315000

目的提高航运物流路径轨迹信息的挖掘精度和安全效率。方法对宁波舟山港条帚门水域窄口航道船舶的类型、数量、长度进行统计分析,对货运船ais物流路径轨迹异常进行识别与修复。考虑船舶实际航行的环境因素,提出一种新的数据纠偏方法... 详细信息

目的提高航运物流路径轨迹信息的挖掘精度和安全效率。方法对宁波舟山港条帚门水域窄口航道船舶的类型、数量、长度进行统计分析,对货运船ais物流路径轨迹异常进行识别与修复。考虑船舶实际航行的环境因素,提出一种新的数据纠偏方法。考虑船舶属性与环境因素,以通航宽度和三自由度运动学的转向能力识别异常数据,然后运用Bi-LSTM法对筛选后航运物流路径进行轨迹修复。结果所提筛选方法不需要轨迹聚类或建立额外的模型进行判别,筛选数据量占总数量的34.26%,修复后的ais货船物轨迹数据量在原有基础上提升了115.34%。结论使用文中方法可以有效纠偏和修复异常航运物流路径轨迹数据,为航运物流轨迹数据挖掘提供一定的基础方法。

关键词：物流路径货运船舶 ais轨迹船舶特性 Bi-LSTM修复

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