基于動(dòng)態(tài)水域網(wǎng)格計(jì)算的船舶領(lǐng)域研究

趙 健，王新建，高飛德，張文拴

(1. 大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026；2. 珠海高速客輪有限公司，廣東 珠海 519015)

基于動(dòng)態(tài)水域網(wǎng)格計(jì)算的船舶領(lǐng)域研究

趙 健1，王新建1，高飛德2，張文拴1

(1. 大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026；2. 珠海高速客輪有限公司，廣東 珠海 519015)

為了滿足現(xiàn)代船舶的發(fā)展需求，結(jié)合船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）數(shù)據(jù)量巨大，包含了豐富的船舶信息等優(yōu)點(diǎn)。本文利用 SQL2012 對(duì) AIS 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立包含船舶靜態(tài)信息和動(dòng)態(tài)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)；借助 C# 程序語(yǔ)言，構(gòu)建以中心船舶為原點(diǎn)的網(wǎng)格坐標(biāo)系，并以船舶間相對(duì)距離方位計(jì)算周圍船舶在網(wǎng)格中的相對(duì)位置坐標(biāo)；對(duì)同長(zhǎng)度和類型的船舶進(jìn)行網(wǎng)格疊加計(jì)算，并以船舶頻數(shù)的方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用數(shù)據(jù)處理軟件 Matlab 以最小二乘法的方式對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行處理；對(duì)研究水域的主要船型不同尺度的船舶領(lǐng)域進(jìn)行對(duì)比和統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)不同船型船舶領(lǐng)域略作討論，總結(jié)得出開闊水域船舶領(lǐng)域的特點(diǎn)。

船舶領(lǐng)域；AIS；網(wǎng)格坐標(biāo)系；網(wǎng)格計(jì)算；頻數(shù)統(tǒng)計(jì)

0 引 言

船舶領(lǐng)域一直被認(rèn)為是研究船舶交通和船舶行為最有效的理論之一，是中外學(xué)者研究的熱點(diǎn)[1]。自 20世紀(jì) 60 年代 Fujii 率先提出船舶橢圓形領(lǐng)域的概念以來，專家學(xué)者對(duì)船舶領(lǐng)域的研究就從未間斷過。時(shí)期的英國(guó)女學(xué)者 Goodwin[2]借助船員培訓(xùn)的機(jī)會(huì)在雷達(dá)模擬器進(jìn)行大量避碰實(shí)驗(yàn)，將避碰規(guī)則的影響考慮進(jìn)內(nèi)，構(gòu)建了開闊水域的扇形船舶領(lǐng)域模型，之后，Coldwell[3]在 Goodwin 船舶領(lǐng)域模型的基礎(chǔ)之上，將 Goodwin 模型進(jìn)行了平滑處理，建立了 Coldwell 平滑不等扇形領(lǐng)域邊界的圓形船舶領(lǐng)域模型。隨后，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者采用不同的方法對(duì)船舶領(lǐng)域進(jìn)行研究，并建立了形狀大小各異的船舶領(lǐng)域模型，據(jù)船舶領(lǐng)域的形狀大致可以分為橢圓形、圓形以及多邊形等[4]。船舶領(lǐng)域理論經(jīng)過近 50 年的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于確保船舶航行安全、船舶碰撞危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)、船舶避碰決策、水上交通規(guī)劃、船舶交通安全預(yù)測(cè)與控制、海上交通容量、航道通航能力、船舶自動(dòng)化智能化等諸多方面[5]。

自 AIS 要求強(qiáng)制配備以來，船舶 AIS 的裝載率以及數(shù)據(jù)精度不斷提高，利用 AIS 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的相關(guān)研究也在 2007 年之后如雨后春筍般出現(xiàn)。例如，文獻(xiàn)[6]利用 AIS 數(shù)據(jù)，通過對(duì)目標(biāo)船與中心船相對(duì)方位及距離進(jìn)行標(biāo)繪，從而確定船舶領(lǐng)域邊界；文獻(xiàn)[4]利用AIS 數(shù)據(jù)，構(gòu)建船舶避讓行為與最近會(huì)遇點(diǎn)位置間關(guān)系的模型，并通過引入避讓度的概念，繼而確定船舶領(lǐng)域邊界。以上研究成果均為船舶領(lǐng)域研究提供了新的思路。

本文基于動(dòng)態(tài)水域網(wǎng)格計(jì)算的船舶領(lǐng)域研究正是在大量 AIS 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上進(jìn)行的研究，借鑒于文獻(xiàn)[7]網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)密度分布的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)參照文獻(xiàn)[8]中利用網(wǎng)格計(jì)算進(jìn)行船舶領(lǐng)域研究的方法，借助于計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，嘗試建立以 AIS 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)；以網(wǎng)格疊加計(jì)算為研究手段的船舶領(lǐng)域模型研究方法。將不同空間、不同時(shí)間船舶間的位置關(guān)系疊加到同一張網(wǎng)格圖中，客觀、真實(shí)地揭示船舶間的行為規(guī)律。

1 船舶相對(duì)位置計(jì)算方法

船舶相對(duì)位置的計(jì)算是疊加計(jì)算的前提，在疊加之前需要計(jì)算他船在網(wǎng)格中的相對(duì)于中心船的位置。為便于計(jì)算，本文選取中心船舶的網(wǎng)格外邊界范圍為m × m，邊界網(wǎng)格個(gè)數(shù)為 n×n，每個(gè)小網(wǎng)格的大小為（m/n）×（m/n）的正方形水域。

假設(shè)某時(shí)刻 t0，中心船航向?yàn)?C，嵌套在中心船上的網(wǎng)格捕捉到他船信息如圖 1 所示，兩船船位假定為 A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)。

圖1中：A 點(diǎn)（φ1，λ1）為中心船船位；B 點(diǎn)（φ2，λ2）為周圍他船船位；φ1為中心船的緯度；λ1為中心船 的經(jīng)度；φ2為周圍他船的緯度；λ2為周圍他船的經(jīng)度；HDG 為中心船的船首向。

由于航程比較短，僅在 10 km 范圍內(nèi)，可以認(rèn)為中心船網(wǎng)格區(qū)域?yàn)槠矫嬲叫螀^(qū)域。

1）求取 B 相對(duì)于中心船 A 的位置坐標(biāo)

2）求取距離 r

A，B 間的距離 r 可按球面三角公式進(jìn)行計(jì)算：

在利用式（2）和式（3）求取 r 和 C 時(shí)，因經(jīng)、緯度均有符號(hào)和名稱，需滿足以下規(guī)律：

① 中心船 A 點(diǎn)不管是南緯還是北緯，緯度一概取“+”；B 點(diǎn)緯度則視 A 點(diǎn)緯度而定，同名為“+”，異名為“–”；

② 經(jīng)差不管是東經(jīng)還是西經(jīng)，均取“+”；

③ 求取的航向 C 是以半圓周法表示的值，命名規(guī)律為：首字母和 A 點(diǎn)緯度同名，尾字母與經(jīng)差同名；

④ 將 C 換算為圓周法表示

3）求取舷角 θ

式中：TB 為真方位，也就是式（2）和式（3）求取的C（換算為圓周法之后的值）；TC 為真航向，也就是AIS 數(shù)據(jù)庫(kù)中的船首向（HDG）。

利用該種算法計(jì)算周圍他船在平面二維網(wǎng)格中的相對(duì)位置坐標(biāo)，即式（1）中的（x，y）。

4）計(jì)算他船所屬網(wǎng)格行數(shù) a，列數(shù) b

以數(shù)組（a，b）來表示，a 表示以中心船舶首向?yàn)檎较虻牡?a 行，b 表示以中心船舶右舷為正方向的第 b 列，a，b 有正負(fù)之分。式（7）表示當(dāng) a，b 均大于 0 時(shí)向上取整的一種情況；當(dāng) a、b 小于 0 時(shí)向下取整。該數(shù)組用于計(jì)算他船所屬網(wǎng)格，便于統(tǒng)計(jì)各網(wǎng)格中他船的數(shù)量。

2 AIS 數(shù)據(jù)分析

2.1 研究水域

成山頭水域被認(rèn)為是中國(guó)海運(yùn)的咽喉和戰(zhàn)略要地，國(guó)際海事組織（IMO）將其稱為成山角，航海界人士則稱之為中國(guó)的“好望角”。成山頭水域特殊的地理位置使得該海上交通流量大、船舶會(huì)遇頻繁、漁船繁多，水文氣象條件復(fù)雜，霧多、流急、風(fēng)大，年平均 8 級(jí)以上大風(fēng)天數(shù)可達(dá) 128 天，年平均海霧天數(shù)約為 90 天。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，2012 年 7 級(jí)及 7 級(jí)以上的大風(fēng)天數(shù)達(dá)到了 139 天，約占全年的 38%，能見度小于1 000 m 的大霧天數(shù)共計(jì) 84 天，約占全年的 23%。近年來該水域發(fā)生多起碰撞事故，其主要原因?yàn)榇皶?huì)遇頻繁、航路交錯(cuò)、能見度不良、航行環(huán)境惡劣等原因[9]。綜上，結(jié)合交通流量大，船舶會(huì)遇頻繁的特點(diǎn)，具有典型中國(guó)沿海水域的特征，因此，本文依據(jù)航經(jīng)成山頭水域船舶的 AIS 信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)水域網(wǎng)格計(jì)算的船舶領(lǐng)域研究。

考慮到 AIS 信息發(fā)送時(shí)間間隔問題，為盡量不遺漏船舶 AIS 信息且 AIS 數(shù)量足夠，選定的研究水域?yàn)椋?7.100 ～ 37.800 0°N，122.600 ～ 123.170 0°E 的海域范圍內(nèi)，選取的數(shù)據(jù)為該海區(qū)范圍內(nèi) 2014年7月～ 9月這 3 個(gè)月的 AIS 數(shù)據(jù)作為研究數(shù)據(jù)。

2.2 成山頭水域 AIS 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

利用 AIS 數(shù)據(jù)研究船舶領(lǐng)域，需要注意的問題就是 AIS 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，即 AIS 數(shù)據(jù)的質(zhì)量。船舶正確設(shè)置與使用 AIS 設(shè)備是對(duì) AIS 數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和使用的前提。在實(shí)際使用過程中，AIS 動(dòng)靜態(tài)信息有時(shí)會(huì)出現(xiàn)以下錯(cuò)誤：MMSI、船名、船舶呼號(hào)、航行狀態(tài)、船舶類型、吃水、船舶長(zhǎng)度、寬度等信息沒有輸入或者輸入不正確；羅經(jīng)（船首向）誤差較大或根本沒有連接羅經(jīng)等[10]。對(duì)本文研究影響較大的是靜態(tài)信息，包括船舶長(zhǎng)度、船舶類型的正確性及完整性和船首向、船位以及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間間隔，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表 1和表 2 所示。

由于部分船舶的羅經(jīng)誤差較大或者船舶未連接羅經(jīng)而導(dǎo)致船首向質(zhì)量一般，因此，本文在考慮航向時(shí)用對(duì)地航向（COG）近似代替船首向。按照規(guī)定配備A 類 AIS 設(shè)備的船舶應(yīng)當(dāng)結(jié)合航行狀態(tài)和航速以 2 s～3 min 的時(shí)間間隔發(fā)送動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)；而配備 B 類 AIS 設(shè)備的船舶應(yīng)當(dāng)結(jié)合船速按照 30 s 或者 3 min 的間隔時(shí)間發(fā)送動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)[11]。由上表 1 和表 2 統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，成山頭水域 AIS 數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，可作為本文船舶領(lǐng)域研究的數(shù)據(jù)來源。

表1 船舶動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)組合Tab. 1 Vessel with both dynamic and static data

表2 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸間隔Tab. 2 Reporting intervals of dynamic information

2.3 成山頭水域交通流分析

篩選、剔除完 AIS 中的不完整信息和錯(cuò)誤信息數(shù)據(jù)之后，建立成上頭水域 SQL 數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì) AIS 信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可知成山頭水域的船舶種類分布、航速以及船舶長(zhǎng)度分布情況如圖 2 ～ 圖 4 所示。

由圖可看出，成山頭水域航行的船舶以普通貨船為主，占 65%，。船舶速度介于 8 ～ 14 kn 之間，占到90% 以上，船舶長(zhǎng)度主要集中在 50 ～ 200 m之間，占75% 以上。

3 以成山頭水域?yàn)槔乃惴▽?shí)現(xiàn)

借助 C# 程序語(yǔ)言，構(gòu)建以中心船舶為原點(diǎn)的網(wǎng)格坐標(biāo)系，并以船舶間相對(duì)距離方位計(jì)算周圍船舶在網(wǎng)格中的相對(duì)位置坐標(biāo)；而后對(duì)同長(zhǎng)度和類型的船舶進(jìn)行網(wǎng)格疊加計(jì)算，并以船舶頻數(shù)的方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

將導(dǎo)出的最大頻數(shù)、平均頻數(shù)數(shù)據(jù)分別利用 Matlab 進(jìn)行最小二乘法的橢圓曲線擬合的方法，擬合公式[12]：

3.1 成山頭水域船舶領(lǐng)域邊界與船長(zhǎng)的關(guān)系

根據(jù)第 2.3 節(jié)對(duì)交通流的分析，本文以占比例最高的貨船作為案例進(jìn)行分析，船長(zhǎng)范圍分為＜100 m，100～200 m，200～300 m，＞300 m 四檔進(jìn)行研究。

1）貨船船長(zhǎng) 100 m以下的船舶領(lǐng)域邊界（見圖 5）

擬合公式中 p（1），p（2），p（3），p（4），p（5），p（6）的值分別為：1.531 4E–28，–3.834 3E–29，6.667 2E–29，–8.488 1E–29，–7.785 6E–29，–1.651 9E–27。利用 Matlab 測(cè)量工具量取擬合領(lǐng)域邊界長(zhǎng)分別為：長(zhǎng)半軸為 502.26 m，短半軸為329.58 m，船首向與領(lǐng)域長(zhǎng)軸之間的夾角為 16.7°。

2）貨船船長(zhǎng) 100～200 m的船舶領(lǐng)域邊界（見圖 6）

擬合公式中 p（1），p（2），p（3），p（4），p（5），p（6）的值分別為：2.636 7E–27，–7.030 1e–28，1.222 4E–27，–9.817 7E–28，–1.896 8E–27，–4.017 9E–26。利用 Matlab 測(cè)量工具量取擬合領(lǐng)域邊界長(zhǎng)分別為：長(zhǎng)半軸為 615.01 m，短半軸為 398.76 m，船首向與領(lǐng)域長(zhǎng)軸之間的夾角為 14.4°。

3）貨船船長(zhǎng) 200～300 m 的船舶領(lǐng)域邊界（見圖 7）

擬合公式中 p（1），p（2），p（3），p（4），p（5），p（6）的值分別為：3.281 6E–27，–1.031 5E–27，1.407 2E–27，–1.192 1E–27，–2.691 4E–27，–6.254 2E–26。利用 Matlab 測(cè)量工具量取擬合領(lǐng)域邊界長(zhǎng)分別為：長(zhǎng)半軸為 725.83 m，短半軸為 438.64 m，船首向與領(lǐng)域長(zhǎng)軸之間的夾角為 12.2°。

4）貨船船長(zhǎng) 300 m以上的船舶領(lǐng)域邊界（見圖 8）

擬合公式中 p（1），p（2），p（3），p（4），p（5），p（6）的值分別為：2.693 1E–28，–7.685 0E–29，9.912 2E–29，–5.121 5E–29，–2.675 7E–28，–6.260 2E–27。利用 Matlab 測(cè)量工具量取擬合領(lǐng)域邊界長(zhǎng)分別為：長(zhǎng)半軸為 865.18 m，短半軸為 505.94 m，船首向與領(lǐng)域長(zhǎng)軸之間的夾角為 11.5°。

將以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表 3 所示。

表3 長(zhǎng)短軸與船長(zhǎng)的比值Tab. 3 The ratio of the axis and of the length

5）不同船長(zhǎng)貨船船舶領(lǐng)域邊界

將不同尺度貨船船舶領(lǐng)域在一個(gè)圖形中顯示，如圖 9 所示。由圖可知，船舶領(lǐng)域的尺寸隨船長(zhǎng)的增大而增大。

3.2 同尺度油船與貨船船舶領(lǐng)域的關(guān)系

結(jié)合上文得到的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，現(xiàn)將同尺度不同船型的船舶領(lǐng)域略作討論。200～300 m油船與 200～300 m貨船的船舶領(lǐng)域?qū)Ρ确治鋈鐖D 10 所示。

由圖 10 可知，200～300 m油船的船舶領(lǐng)域比200～300 m貨船的船舶領(lǐng)域要大，這也印證了油船航行相比普通貨船航行更加危險(xiǎn)，需要更大安全水域的客觀事實(shí)。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于動(dòng)態(tài)水域網(wǎng)格計(jì)算的船舶領(lǐng)域研究是建立在大量 AIS 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上進(jìn)行的，借助于 AIS 提供的靜態(tài)信息和動(dòng)態(tài)信息，利用網(wǎng)格計(jì)算模型對(duì)成山頭水域主要船型——貨船的船舶領(lǐng)域進(jìn)行的研究，分別研究了船長(zhǎng) 100 m以下的船舶領(lǐng)域模型、船長(zhǎng) 100～200 m的船舶領(lǐng)域模型、船長(zhǎng) 200～300 m的船舶領(lǐng)域模型、船長(zhǎng) 300 m以上的船舶領(lǐng)域模型，接著對(duì) 200～300 m油船與 200～300 m貨船的船舶領(lǐng)域進(jìn)行了對(duì)比研究。通過以上研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）貨船船舶領(lǐng)域?yàn)閮A斜的非對(duì)稱橢圓形，其橢圓長(zhǎng)軸與船首向有一個(gè)向右的偏角該偏角的大小取值約在 15° 左右，并且隨船長(zhǎng)的增加該偏角逐漸減?。?/p>

2）貨船船舶領(lǐng)域模型隨船長(zhǎng)的增大而增大；

3）貨船船舶領(lǐng)域的長(zhǎng)度與船舶長(zhǎng)度的比值并非定值，它是隨著船舶長(zhǎng)度的增加而遞減；

4）200～300 m油船船舶領(lǐng)域比 200～300 m貨船船舶領(lǐng)域大。

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Research on grid computing in ship domain based on dynamic water

ZHAO Jian1, WANG Xin-jian1, GAO Fei-de2, ZHANG Wen-shuan1
(1. Navigation College of Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 2. Zhuhai High Speed Ferry Company, Zhuhai 519015, China)

In light of meeting the needs of developing modern ships and considering the advantage of AIS which could provide massive data and ample ship information, dataset containing both static and dynamic ship information was established through processing AIS data by using SQL2012. The grid coordinate of which origin is taken as ship' s center was constructed by C# programming language, and coordinate of relative position was calculated based on the inter-ship relative bearing and distance. After that, the superimposed calculation was applied to those ships with the same length and type, statistics was made to the ship's frequency, and then the final statistics was processed by using data processing software Matlab with the least square method. Finally, the comparison and statistical analysis were carried out to the ship domain of prevailing ship type with different dimensions in defined water. The features of ship domain in open water were concluded based on the discussion of ship domains of different ship type.

ship domain；AIS；grid coordinate；grid computing；frequency statistics

U675

A

1672–7619(2017)05–0152–05

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.05.031

2016–08–08；

2016–09–13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61401057)；大連市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015A11GX018)

趙健(1980–)，男，講師，主要從事交通信息工程、海事安全及自動(dòng)控制領(lǐng)域的教學(xué)和研究。