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

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 Analyse de similarité de trajectoires

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 Analyse de similarité de trajectoires

Analyse de similarité de trajectoires Méthodologie Analyse de similarité de trajectoires

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) Analyse de similarité de trajectoires

Analyse de similarité de trajectoires 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

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

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

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

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 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 % 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 Analyse de similarité de trajectoires

Analyse de similarité de trajectoires Méthodologie Analyse de similarité de trajectoires

Analyse de similarité de trajectoires 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

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 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 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 Analyse de similarité de trajectoires

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

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 ? 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 Analyse de similarité de trajectoires

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

Analyse de similarité de trajectoires Analyse de résultats Différences entre moyenne et médiane Analyse de similarité de trajectoires

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

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 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 Analyse de similarité de trajectoires