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基于联邦学习的船舶AIS轨迹预测算法

郑晨俊 曾艳 袁俊峰 张纪林 王鑫 韩猛

计算机工程2024,Vol.50Issue(2):298-307,10.
计算机工程2024,Vol.50Issue(2):298-307,10.DOI:10.19678/j.issn.1000-3428.0067829

基于联邦学习的船舶AIS轨迹预测算法

Ship AIS Trajectory Prediction Algorithm Based on Federated Learning

郑晨俊 1曾艳 2袁俊峰 2张纪林 3王鑫 4韩猛1

作者信息

  • 1. 杭州电子科技大学计算机学院,浙江 杭州 310018
  • 2. 杭州电子科技大学计算机学院,浙江 杭州 310018||杭州电子科技大学复杂系统建模与仿真教育部重点实验室,浙江 杭州 310018
  • 3. 杭州电子科技大学计算机学院,浙江 杭州 310018||杭州电子科技大学复杂系统建模与仿真教育部重点实验室,浙江 杭州 310018||数据安全治理浙江省工程研究中心,浙江 杭州 310018
  • 4. 杭州电子科技大学圣光机联合学院,浙江 杭州 310018
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摘要

Abstract

Federated learning,a distributed machine learning method,effectively addresses the data island problem in environments with weak communication.This study introduces an algorithm for predicting ship trajectories,employing the Fedves federated learning framework and a Convolutional Neural Network-Gated Recurrent Unit(CNN-GRU)model,called E-FVTP.The Fedves framework standardizes dataset sizes and client regularization terms,mitigating the influence of non-independent and identically distributed features on the global model.This approach preserves original client data features,thereby accelerating the convergence speed.In maritime scenarios with limited communication resources,the CNN-GRU model utilizes Automatic Identification System(AIS)data to overcome the computational limitations of vessel terminals.Experimental evaluations on the open-source MarineCadastre and Zhoushan marine ship navigation AIS datasets demonstrate that E-FVTP reduces prediction error by 40%compared to centralized training methods.It also achieves a 67%faster convergence rate and reduces communication costs by 76.32%.These advancements enable accurate vessel trajectory predictions in complex maritime settings,significantly ensuring maritime traffic safety.

关键词

联邦学习/船舶轨迹预测/自动识别系统/深度学习/非独立同分布

Key words

federated learning/ship trajectory prediction/Automatic Identification System(AIS)/deep learning/Non Independent and Identically Distributed(Non-IID)

分类

计算机与自动化

引用本文复制引用

郑晨俊,曾艳,袁俊峰,张纪林,王鑫,韩猛..基于联邦学习的船舶AIS轨迹预测算法[J].计算机工程,2024,50(2):298-307,10.

基金项目

国家自然科学基金(62072146) (62072146)

浙江省重点研发计划项目(2021C03187) (2021C03187)

浙江省自然科学基金(LQ23F020015). (LQ23F020015)

计算机工程

OA北大核心CSTPCD

1000-3428

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