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Analyse de similarité de trajectoires
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
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Analyse de similarité de trajectoires
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
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Analyse de similarité de trajectoires
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
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Analyse de similarité de trajectoires
Méthodologie
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Analyse de similarité de trajectoires
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)
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Analyse de similarité de trajectoires
Calcul de routes types
Étapes 1) Sélection des trajectoires ayant le même itinéraire
2) Retrait des trajectoires erronées et incomplètes
3) Recalage des points de départ/arrivée
4) Filtrage des trajectoires (Douglas & Peucker temporel)
5) Changement de repaire temporelle– Date → durée depuis le départ
6) Normalisation temporelle des trajectoires à la durée médiane
7) Calcul statistique de la route type (médiane des points à tous les temps normalisés)
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Analyse de similarité de trajectoires
Préalable : le Graphe de zones
Définition de zonesPorts, isthmes, DST
Définition d’un Graphe de zones
orienté non completUn itinéraire
= une suite d’arcsAnalyse de chaque arc
Pour notre exemple :A → F
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Analyse de similarité de trajectoires
Les groupes homogènes de trajectoires
Groupe homogène de trajectoires d'objets de même type suivant le même itinéraire: GHT
IT
Pour l’exemple
GHT Brest Ecole navale,
Navires à Passagers
634 Trajectoires
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Analyse de similarité de trajectoires
Filtrage des trajectoires erronées
554 Trajectoires conservées
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Analyse de similarité de trajectoires
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
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Analyse de similarité de trajectoires
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 %
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Analyse de similarité de trajectoires
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
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Analyse de similarité de trajectoires
Méthodologie
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Analyse de similarité de trajectoires
Calcul de la route type
Agrégation spatiale- Pour chaque temps de chaque position
Interpolation de la position des autres trajectoiresCalcul d’un position médiane
- Ordonnancement temporelle des positions médianes- Filtrage
ExemplePosition à un même temps : points rougesroute type en jaune
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Analyse de similarité de trajectoires
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
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Analyse de similarité de trajectoires
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
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Analyse de similarité de trajectoires
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
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Analyse de similarité de trajectoires
Visualisation 3D d’un couloir spatio-temporel(temps : axe altitude)
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Analyse de similarité de trajectoires
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
?
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Analyse de similarité de trajectoires
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
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Analyse de similarité de trajectoires
Questions ?
Merci de votre attention
Avez vous des questions ?
{laurent.etienne,thomas.devogele}@ecole-navale.fr
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Analyse de similarité de trajectoires
Analyse de résultats
Différences entre moyenne et médiane
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Analyse de similarité de trajectoires
Analyse de résultats
Calcul du couloir (médianes 25% 50% 95%)
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Analyse de similarité de trajectoires
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
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Analyse de similarité de trajectoires
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 visuellement les trajectoires de navires ayant un comportement inhabituel
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