基于AIS數(shù)據(jù)挖掘的受限水域船舶動(dòng)態(tài)領(lǐng)域研究

周田瑞,，，

(集美大學(xué)航海學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021)

0 引言

船舶領(lǐng)域一直以來(lái)被用于海上交通安全危險(xiǎn)評(píng)判[1]，也是中外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。Goodwin[2]考慮國(guó)際海上避碰規(guī)則，構(gòu)建了開(kāi)闊水域的船舶領(lǐng)域，其模型由船舶左右舷以及后方部分的3個(gè)扇形組成，并提出目標(biāo)船位于船舶領(lǐng)域模型中心的左下方；Pietrzykowski等[3]通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)方式，建立了開(kāi)闊水域的船舶領(lǐng)域。齊樂(lè)[4]利用傳統(tǒng)的DCPA(distance to dosest point of approah)、TCPA(time to the closet point of approach)，并結(jié)合模糊理論，建立了瓊州海峽的船舶領(lǐng)域模型；丁法[5]考慮到船舶類(lèi)型和船舶尺度對(duì)船舶領(lǐng)域的影響，建立了成山頭水域的船舶領(lǐng)域模型；周丹[6]采用主成分回歸算法和基于粗糙集的相關(guān)算法，確定了能見(jiàn)度良好時(shí)影響船舶領(lǐng)域因素的重要性。

以上船舶領(lǐng)域的研究水域都是在開(kāi)闊水域，對(duì)受限水域的船舶領(lǐng)域研究較少。向哲等[7]考慮了船舶尺度對(duì)船舶領(lǐng)域的影響，通過(guò)獲取船舶網(wǎng)格頻數(shù)圖，建立了受限水域的船舶領(lǐng)域模型；席朝陽(yáng)等[8]通過(guò)借助可視化技術(shù)和網(wǎng)格技術(shù)，獲得能見(jiàn)度不良情況下受限水域內(nèi)船長(zhǎng)80～100 m的船舶領(lǐng)域模型，但文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]都未考慮在受限水域內(nèi)船舶速度對(duì)船舶領(lǐng)域的影響，而在受限水域內(nèi)由于航道寬度、船舶性能等的影響，船舶長(zhǎng)度和速度對(duì)船舶領(lǐng)域的尺度和形狀影響很大[9-11]。因此，為了準(zhǔn)確建立受限水域的船舶領(lǐng)域，應(yīng)考慮到船舶長(zhǎng)度和速度對(duì)船舶領(lǐng)域的影響。

1 船位分布圖算法設(shè)計(jì)

1.1 定義

受限水域中的船舶領(lǐng)域由處于該水域中的眾多船舶之間的相對(duì)位置決定，該相對(duì)位置通過(guò)選取目標(biāo)船，獲取附近水域他船的分布情況。此外，為了更加準(zhǔn)確計(jì)算該水域的船舶領(lǐng)域，使用上述方法時(shí)需要考慮船舶長(zhǎng)度和航行船速。由于一艘船舶出現(xiàn)在該水域內(nèi)的時(shí)間有限，其周?chē)暗姆植记闆r不完整，可以按照目標(biāo)船的長(zhǎng)度和船速大小進(jìn)行分類(lèi)，將同一類(lèi)型的船位分布圖進(jìn)行疊加，從而獲得特定類(lèi)型的船位分布圖。本文使用的術(shù)語(yǔ)如下：

AIS 數(shù)據(jù)：接受船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，包含連續(xù)時(shí)間內(nèi)船舶的位置，航行狀態(tài)和船舶尺寸等信息；

目標(biāo)船：在受限水域內(nèi)航行超過(guò)一段時(shí)間的船舶；

周?chē)阂阅繕?biāo)船為中心，在其半徑3 n mile以?xún)?nèi)的圓形區(qū)域的航行船舶；

單船疊加圖：隨時(shí)間變化，目標(biāo)船周?chē)隘B加情況；

多船疊加圖：多條目標(biāo)船的單船疊加圖；

特定類(lèi)型船舶疊加圖：對(duì)選取的目標(biāo)船按照船舶長(zhǎng)度和速度大小進(jìn)行分類(lèi)，將同一類(lèi)型的目標(biāo)船周?chē)胺植记闆r進(jìn)行疊加，獲得特定類(lèi)型的船舶疊加圖。

1.2 算法原理

對(duì)AIS數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理，選取目標(biāo)船舶，計(jì)算每一時(shí)刻目標(biāo)船舶周?chē)暗南鄬?duì)距離和方位，得到單船疊加圖，然后按照目標(biāo)船的長(zhǎng)度和船速范圍進(jìn)行分類(lèi)，對(duì)同一類(lèi)型的單船疊加圖進(jìn)行疊加，獲得特定類(lèi)型船位分布圖。算法流程圖見(jiàn)圖1。

2 船舶相對(duì)位置計(jì)算方法

船舶相對(duì)位置由相對(duì)距離和相對(duì)方位組成，相對(duì)距離為他船到目標(biāo)船的距離，相對(duì)方位為他船相對(duì)目標(biāo)船的方位，即以目標(biāo)船的船首向?yàn)榛鶞?zhǔn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到他船與本船的連線的夾角。

2.1 目標(biāo)船與周?chē)綋Q算

由于AIS數(shù)據(jù)包含的船舶動(dòng)態(tài)信息在時(shí)間上是離散的，每艘船舶播發(fā)的AIS時(shí)間可能不一致，因此在計(jì)算船間運(yùn)動(dòng)關(guān)系時(shí)需要將他船時(shí)刻的位置換算到本船時(shí)刻的位置。設(shè)船A和船B在研究區(qū)域內(nèi)航行，其AIS數(shù)據(jù)如圖2所示，在0000、0006、0016 三個(gè)時(shí)刻接收到船A動(dòng)態(tài)信息，在0005、0010兩個(gè)時(shí)刻接收到船B動(dòng)態(tài)信息。由此可以求解出時(shí)刻0005、0006、0010 兩船間運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

解算原理如下：

設(shè)t0=0000、t1=0005、t2=0006、t3=0010。船B在t1時(shí)刻動(dòng)態(tài)信息為：坐標(biāo)B1(xB1,yB1),航速VB1,航向CB1。船A在t1時(shí)刻前后最近可確定信息時(shí)刻為t0和t2。t0時(shí)刻船A動(dòng)態(tài)信息為：坐標(biāo)A0(xA0,yA0)，航速VA0,航向CA0；t2時(shí)刻船A動(dòng)態(tài)信息為：坐標(biāo)A2(xA2,yA2)，航速VA2，航向CA2。設(shè)船A在t1時(shí)刻動(dòng)態(tài)信息為：坐標(biāo)A1(xA1,yA1)，航速VA1，航向CA1。在接收到船舶動(dòng)態(tài)信息的兩個(gè)時(shí)刻之間可發(fā)生改變的量有經(jīng)緯度、航速和航向等,由于在航船舶發(fā)射信息頻率較高，間隔時(shí)間內(nèi)船舶轉(zhuǎn)向幅度和船速變化較小，因此用船位點(diǎn)連線方向代替船舶航向，航速和船位近似為線性變化。在t1時(shí)刻船A動(dòng)態(tài)信息經(jīng)緯度坐標(biāo)以及航速可以根據(jù)式(1)和式(2)求解。

VA1=VA0+(VA2-VA0)(t1-t0)/(t2-t0);

(1)

A1=A0+(VA0+VA1)(t1-t0)(A2-A0)/((VA0+VA2)(t2-t0))。

(2)

2.2 船舶間相對(duì)距離求取

設(shè)點(diǎn)A(φ1,λ1) 為目標(biāo)船船位；B點(diǎn)(φ2,λ2)為他船船位；φ1為目標(biāo)船的緯度；λ1為目標(biāo)船的經(jīng)度；φ2為他船的緯度；λ2為他船的經(jīng)度；HDG為目標(biāo)船的船首向。A,B點(diǎn)的距離r可按球面三角公式進(jìn)行計(jì)算，即：

cosS=sinφ1×sinφ2+cosφ1×cosφ2×cosDλ;

(3)

r=S×60。

(4)

其中：S為他船到目標(biāo)船的距離；Dλ為A,B兩點(diǎn)的經(jīng)差。

2.3 求取舷角θ

他船相對(duì)目標(biāo)船的方位可以根據(jù)式(5)～式(7)求得。

tanC=sinDλ/(cosφ1×tanφ2-sinφ1×cosDλ)；

(5)

TB=TC+Q；

(6)

(7)

式中：TB為他船的真方位，也就是式(5)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)當(dāng)中的船首向(HDG)；Q取正值，則他船在目標(biāo)船的右舷，Q取負(fù)值，則他船在目標(biāo)船的左舷；θ表示他船與本船的相對(duì)方位(換算為圓周法之后的值)。

3 舟山港螺頭水道AIS數(shù)據(jù)分析

3.1 研究區(qū)域

舟山港南部海域的螺頭水道是舟山南部水域船舶航道的重要組成部分，航道寬1.2 n mile，航道全長(zhǎng)8 n mile，其分布情況如圖3所示。[13]。首先篩選、剔除AIS數(shù)據(jù)中的不完整信息和錯(cuò)誤信息數(shù)據(jù)之后，選取的研究區(qū)域?yàn)?9°55′.01N～29°57′.94N，121°59′.45E～122°7′.18E，選取2016年1月,3月,5月這3個(gè)月該海區(qū)范圍內(nèi)的AIS數(shù)據(jù)作為研究數(shù)據(jù)，對(duì)AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理之后，有608 276條AIS數(shù)據(jù)。

3.2 交通流分析

建立螺頭水道水域的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)AIS信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可知該水域的船舶種類(lèi)分布、船舶長(zhǎng)度分布以及船舶速度分布，如圖4～圖6所示。

由圖4～圖6可知，螺頭水道航行的船舶以普通貨船為主,占比為58%；船舶長(zhǎng)度L主要集中在50～300 m之間，占比接近85%；船速主要介于6～16 kn，占到95%以上。因此本文只研究船舶長(zhǎng)度為100 m以下，100～200 m，200～300 m；船速為6～8 kn，8～10 kn，10～12 kn，12～14 kn，14～16 kn,共15種類(lèi)型的貨船船舶領(lǐng)域模型。

4 船舶領(lǐng)域

4.1 船舶領(lǐng)域邊界的確定

采用文獻(xiàn)[12]“將某一比率船舶距離排除在外”的方法來(lái)確定領(lǐng)域邊界。本文選取95%臨界值作為案例進(jìn)行研究，具體步驟是：首先得出目標(biāo)船附近3 n mile區(qū)域的船舶疊加圖，以目標(biāo)船為中心，以船首向?yàn)榭v軸建立坐標(biāo)系，以5°為步長(zhǎng)將目標(biāo)船的坐標(biāo)系均分為72個(gè)扇區(qū)，然后分別統(tǒng)計(jì)每一扇區(qū)的船舶點(diǎn)數(shù)并按他船距目標(biāo)船距離大小排序，最后根據(jù)距離大小，找出每個(gè)扇區(qū)第5%的點(diǎn)作為臨界點(diǎn)(如第一個(gè)扇區(qū)有100個(gè)船舶點(diǎn)數(shù)，按照距離大小進(jìn)行排序，距離目標(biāo)船最近的那個(gè)點(diǎn)為第1個(gè)點(diǎn)，則第5個(gè)點(diǎn)就是臨界點(diǎn))，然后利用MATLAB軟件將這72個(gè)點(diǎn)采用最小二乘法擬合成橢圓，其擬合公式[13]為:

F= @(p,x)p(1)*x(:,1).2+p(2)*x(:,1).*x(:,2)+

p(3)*x(:,2).2+p(4)*x(:,1)+p(5)*x(:,2)+p(6)。

(8)

4.2 船舶領(lǐng)域計(jì)算

為了研究方便，選擇船長(zhǎng)100 m以下，船速分別為6～8 kn，8～10 kn，10～12 kn，12～14 kn，14～16 kn共5檔作為案例進(jìn)行分析，對(duì)于其他類(lèi)型的船舶領(lǐng)域本文不再進(jìn)行陳述。以目標(biāo)船為中心，船首向?yàn)閅軸正方向，船舶右舷為X軸正方向建立坐標(biāo)系，采用4.1節(jié)的方法確定船舶領(lǐng)域的邊界，其船舶領(lǐng)域邊界為圖7a～圖7e所示。其中長(zhǎng)軸長(zhǎng)分別為0.54，0.56，0.65，0.68，0.79 n mile，短軸長(zhǎng)分別為0.25，0.27，0.30，0.31，0.33 n mile,可以得出船舶領(lǐng)域的長(zhǎng)度隨著船速的增加而增加。

4.3 船舶領(lǐng)域長(zhǎng)度與船舶長(zhǎng)度，船速之間的關(guān)系

圖8是船舶領(lǐng)域長(zhǎng)短軸長(zhǎng)與船長(zhǎng)和船速之間的關(guān)系，可以得出船舶領(lǐng)域的長(zhǎng)度與船長(zhǎng)、船速呈正相關(guān)關(guān)系。領(lǐng)域的長(zhǎng)度隨著船長(zhǎng)、船速的增加而增加，當(dāng)船舶長(zhǎng)度相等時(shí)，船舶速度越大，船舶領(lǐng)域增加的幅度越大，且在長(zhǎng)軸上增加的幅度要大于短軸上增加的幅度。

4.4 船舶領(lǐng)域長(zhǎng)度與船舶長(zhǎng)度比值的變化規(guī)律

Fujii等[1]認(rèn)為船舶領(lǐng)域?yàn)闄E圓，設(shè)船舶長(zhǎng)度為L(zhǎng)，長(zhǎng)軸長(zhǎng)為7L,追越時(shí)為8L；陳厚忠等[14]將船舶分為進(jìn)江船舶、頂推船隊(duì)以及高速雙體船，其船舶領(lǐng)域長(zhǎng)度分別為3L～4L、2L～3L、3L/2～2L；Hensen[15]認(rèn)為船舶領(lǐng)域長(zhǎng)度為8L。船舶領(lǐng)域長(zhǎng)度與船舶長(zhǎng)度比值的結(jié)果為圖9，傳統(tǒng)的計(jì)算方法中船舶領(lǐng)域長(zhǎng)度與船舶長(zhǎng)度的比值均為定值，即船舶領(lǐng)域長(zhǎng)度可描述為nL(n為常數(shù))[1,14-15]，而本文中由于考慮了船舶長(zhǎng)度和船速的影響，結(jié)果顯示在受限水域內(nèi)船舶領(lǐng)域長(zhǎng)度與船舶長(zhǎng)度的比值并非為定值，而是呈線性遞減的規(guī)律，隨著船舶長(zhǎng)度、船速的增加而遞減，當(dāng)船舶速度相等時(shí)，船舶長(zhǎng)度越大，船舶領(lǐng)域長(zhǎng)度遞減的幅度越大，并且在長(zhǎng)軸方向上遞減的幅度要大于短軸方向。

5 結(jié)語(yǔ)

本文的船舶領(lǐng)域研究是建立在海量AIS數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的，考慮到在受限水域內(nèi)船舶長(zhǎng)度和速度對(duì)船舶領(lǐng)域的影響，以舟山港螺頭水道為例，共挖掘出15種不同類(lèi)型的船舶動(dòng)態(tài)領(lǐng)域模型，結(jié)果表明，船舶領(lǐng)域的長(zhǎng)度隨著船長(zhǎng)、船速的增加而增加，當(dāng)船舶長(zhǎng)度相等時(shí)，船舶速度越大，船舶領(lǐng)域增加的幅度越大；船舶領(lǐng)域長(zhǎng)度與船舶長(zhǎng)度的比值并非為定值，而是隨著船長(zhǎng)、船速的增加而遞減，船速越大，遞減的幅度越大。

本文僅討論了船舶長(zhǎng)度和速度對(duì)船舶領(lǐng)域的影響，船舶所處的航行環(huán)境以及人為因素的影響將是下一步要研究的方向。

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