Maritime Vessel Tracking Tool for Unusual Trajectories

1. Laurent Etienne, Thomas DevogeleInstitut de Recherche de l’Ecole Navale {laurent.etienne,thomas.devogele}@ecole-navale.frParis, Décembre 2008 Outil d'aide aux décideurs concernant le suivi de navires : détection de trajectoires inhabituelles Analyse de similarité de trajectoires

2. Contexte maritime • Contexte • Augmentation du trafic maritime international • Routes maritimes optimisées(temps, coûts, sécurité) • Généralisation du suivi des navires (AIS) • Conservation longue durée des trajectoires dans des bases de • données + outils d’analyse spatio-temporelle • Problématiques de sécurité • Déplacement relatif de navires, croisements, collisions • Simulation du comportement et prédiction du déplacement futur • Détection des navires au comportement inhabituel Analyse de similarité de trajectoires

3. Problématique • Objectif • Détecter en temps réel les trajectoires de navires se comportant d'une façon inhabituelle par rapport aux trajectoires des navires de même type suivant le même itinéraire • Qualifier le comportement inhabituelle • Définir • Des route type à partir des données historiques • fouille de données • Des outils de comparaison de chaque nouvelle position en temps réel • par rapport à cette route type • Opérateurs de comparaison : Sur la route à l’heure, en Retard, en Avance, à droite, A gauche Analyse de similarité de trajectoires

4. Méthodologie Analyse de similarité de trajectoires

5. Cas d’étude • BD AIS zone de Brest • Données stockées depuis Mai 2007 • 4 821 447 positions AIS • 1005 Navires • Définition d’un route type • Itinéraire Brest Arsenal → Lanvéoc Ecole Navale • Type de navires : Transports de passagers • Les Transrades (5 navires) Analyse de similarité de trajectoires

6. Calcul de routes types • Étapes • Sélection des trajectoires ayant le même itinéraire • Retrait des trajectoires erronées et incomplètes • Recalage des points de départ/arrivée • Filtrage des trajectoires (Douglas & Peucker temporel) • Changement de repaire temporelle • Date → durée depuis le départ • Normalisation temporelle des trajectoires à la durée médiane • Calcul statistique de la route type (médiane des points à tous les temps normalisés) Analyse de similarité de trajectoires

7. Préalable : le Graphe de zones Définition de zones Ports, isthmes, DST Définition d’un Graphe de zones orienté non complet Un itinéraire = une suite d’arcs Analyse de chaque arc Pour notre exemple : A →F Analyse de similarité de trajectoires

8. Les groupes homogènes de trajectoires Groupe homogène de trajectoires d'objets de même type suivant le même itinéraire: GHTIT Pour l’exemple GHT Brest Ecole navale, Navires à Passagers 634 Trajectoires Analyse de similarité de trajectoires

9. Filtrage des trajectoires erronées 554 Trajectoires conservées Analyse de similarité de trajectoires

10. Recalage spatial • Recalage spatial des points de départ et d’arrivée • Calcul du point d’intersection entre les points de départ des trajectoires et une ligne représentant la ligne de départ de la route type (frontière de la zone) • Objectif : Filtrage des manœuvres d’accostage • Biais de 200 m Analyse de similarité de trajectoires

11. Filtrage des trajectoires • Algorithme de Douglas & Peucker spatio-temporel Seuls les points ayant une variation importante du CAP ou de la vitesse sont conservés Taux de compression avec un seuil à 10 m : 84,54 % Analyse de similarité de trajectoires

12. Normalisation temporelle • Objectif : • Travailler en durée depuis le départ • Travailler en % de cette durée • Pour l’exemple : • Durée médiane de l'itinéraire : 23m21s • Normalisation temporelle • Toute les trajectoires commencent à t début = 0 • Toutes les trajectoires finissent à t fin = durée moyenne • Recalage temporelle Analyse de similarité de trajectoires

13. Méthodologie Analyse de similarité de trajectoires

14. Calcul de la route type Agrégation spatiale - Pour chaque temps de chaque position Interpolation de la position des autres trajectoires Calcul d’un position médiane - Ordonnancement temporelle des positions médianes - Filtrage Exemple Position à un même temps : points rouges route type en jaune Analyse de similarité de trajectoires

15. Couloirs spatio-temporelles • Pour chaque route type • Définir un couloir spatial • Une position à l’intérieur du couloir est considérée comme suivant la route • Largeur fonction de l’espacement des trajectoires associées • Non symétrique • Approche statistique • Définir un couloir spatio-temporel • Après une durée de d secondes, une position suivant la route doit être dans une zone autour de la position de la route type à d. • Définition de bornes de retard et d’avance acceptables • Non symétrique • Approche statistique Analyse de similarité de trajectoires

16. Calcul du couloir spatial • Pour chaque position de la route type • Utilisation d’une droite perpendiculaire au cap • Intersection de cette droite avec les trajectoires du GHT • Classement par coté de la route type (droite/gauche) • Classement par distance à la route type • Sélection des positions correspondant au neuvième décile (90%) à droite et à gauche de la route type • Stockage dans la BD de connaissance du couloir (ligne droite et ligne gauche) • Exemple • Couloir en bleu Analyse de similarité de trajectoires

17. Calcul du couloir temporel • Pour les positions (issues de intersection) à l’intérieur du couloir spatial • Classement par temps (avance/retard) • Classement par écart temporelle • Sélection des écarts correspondant au neuvième décile (90%) • Stockage dans la BD de connaissance des bornes Analyse de similarité de trajectoires

18. Visualisation 3D d’un couloir spatio-temporel(temps : axe altitude) Analyse de similarité de trajectoires

19. Analyse Temps Réel • Analyse temps réel (perspective) • Une nouvelle position AIS est reçue • Associer cette position à un arc • Calculer la durée depuis la zone de départ • Comparer la position avec les 5 zones de la route type à cette instant ? Analyse de similarité de trajectoires

20. Conclusion & Perspectives • Bilan • Définition d’une méthode de fouille de données spatio-temporelle pour définir pour chaque itinéraire, une route type et un couloir spatio-temporel • Expérimentation sur les navires à passagers entre Brest et l’Ecole Navale • 3 min 31 seconde pour le calcul de la routes et des couloirs (85 % temps CPU consacré à l’extraction des trajectoires du GHT) • Perspectives • Analyse spatio-temporelle des positions en temps réels • Analyse spatio-temporelle de parties de trajectoires • Louvoyer, vitesse irrégulière, couper un virage, … • Appariement de positions à une route type sans destination renseignée • Validation sur d’autres zones Analyse de similarité de trajectoires

21. Questions ? • Merci de votre attention • Avez vous des questions ? {laurent.etienne,thomas.devogele}@ecole-navale.fr Analyse de similarité de trajectoires

22. Analyse de résultats • Différences entre moyenne et médiane Analyse de similarité de trajectoires

23. Analyse de résultats • Calcul du couloir (médianes 25%50%95%) Analyse de similarité de trajectoires

24. Problématiques • Durées de calcul • ETAPE 1 : SELECTION DES POINTS DE DEPART ET ARRIVEE DANS LA BASE DE DONNEES T +12110 ms • ETAPE 2 : CREATION DES TRAJECTOIRES A PARTIR DE LA BASE DE DONNEEES T +17306 ms • ETAPE 3 : RECALAGE DES POINTS DE DEPART • ETAPE 4 : RECALAGE DES POINTS D'ARRIVEE • ETAPE 5 : FILTRAGE DES TRAJECTOIRES T +19611 ms • 649 trajectoires trouvées 521 trajectoires utilisables 128 trajectoires ignorées • Durée Max : 0:29:55 Durée Min : 0:18:1 Durée Moy : 0:21:59 • ETAPE 6 : NORMALISATION TEMPORELLE DES TAJECTOIRES • ETAPE 7 : CALCUL ET MISE A JOUR DES CAPS ET VITESSES T +19852 ms • ETAPE 8 : CALCUL DE LA ROUTE TYPE (MOYENNE/MEDIANE) T +30390 ms • ETAPE 9 : POUR TOUS LES POINTS MOYENS : INTERPOLATION SPACIALE T +211644 ms Analyse de similarité de trajectoires

25. Objectifs secondaires • Sélectionner les trajectoires de navires de même type ayant le même itinéraires (idéalement dans des conditions de navigation similaires) • Calculer des routes types suivi par le plus grand nombre de ces navires • En déduire des couloirs spatio-temporels de navigation permettant de qualifier la trajectoire d’un navire (sur la route, en avance, etc...) • Comparer des trajectoires ayant le même itinéraire à un instant ou sur une durée • Détecter en temps réel des comportements inhabituels de navires suivant une route type • Souligner visuellementles trajectoires de navires ayant un comportement inhabituel Analyse de similarité de trajectoires