In marine surveillance, distinguishing between normal and anomalous vessel movement patterns is critical for identifying potential threats in a timely manner. Once detected, it is important to monitor and track these vessels until a necessary intervention occurs. To achieve this, track association algorithms are used, which take sequential observations comprising geological and motion parameters of the vessels and associate them with respective vessels. The spatial and temporal variations inherent in these sequential observations make the association task challenging for traditional multi-object tracking algorithms. Additionally, the presence of overlapping tracks and missing data can further complicate the trajectory tracking process. To address these challenges, in this study, we approach this tracking task as a multivariate time series problem and introduce a 1D CNN-LSTM architecture-based framework for track association. This special neural network architecture can capture the spatial patterns as well as the long-term temporal relations that exist among the sequential observations. During the training process, it learns and builds the trajectory for each of these underlying vessels. Once trained, the proposed framework takes the marine vessel's location and motion data collected through the Automatic Identification System (AIS) as input and returns the most likely vessel track as output in real-time. To evaluate the performance of our approach, we utilize an AIS dataset containing observations from 327 vessels traveling in a specific geographic region. We measure the performance of our proposed framework using standard performance metrics such as accuracy, precision, recall, and F1 score. When compared with other competitive neural network architectures our approach demonstrates a superior tracking performance.


翻译:在海洋监视中,区分正常和异常船舶运动模式对于及时发现潜在威胁至关重要。一旦检测到异常船只,监视和跟踪这些船只直到必要的干预发生也很重要。为实现这一目标,需要使用轨迹关联算法,该算法将船只的地理和运动参数组成的序列观测与相应船只进行关联。这些序列观测中固有的空间和时间变化使传统的多目标跟踪算法面临挑战。此外,重叠轨迹和缺失数据的存在可以进一步使轨迹跟踪过程复杂化。为解决这些挑战,本研究将此跟踪任务作为多元时间序列问题,并引入基于1D CNN-LSTM架构的轨迹关联框架。这种特殊的神经网络结构可以捕捉顺序观测中存在的空间模式和长期时态关系。在训练过程中,它学习并构建了每个船只的轨迹。一旦训练完成,所提出的框架将通过自动识别系统(AIS)收集的海洋船只位置和运动数据作为输入,并实时返回最可能的船只轨迹。为评估我们的方法性能,我们利用一个包含327艘船只在特定地理区域行驶时的AIS数据集。我们使用标准的性能指标,如准确性、精确度、召回率和F1分数来衡量我们的方法性能。与其他竞争性神经网络结构相比,我们的方法展现出更优秀的跟踪表现。

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