基于AIS數(shù)據(jù)的船舶行為特征分析

王桐明 許鑰 周春華

摘要：掌握海上船舶行為特征是實(shí)現(xiàn)海上交通、船舶自動(dòng)化和智能化的基礎(chǔ)。由于海上船舶通航環(huán)境非常復(fù)雜，一般無(wú)法直接獲得準(zhǔn)確可靠的全部通航環(huán)境要素。因此，通過(guò)分析船舶行為大數(shù)據(jù)，認(rèn)識(shí)船舶的行為特征，進(jìn)而掌握微觀(guān)上的船舶的行為規(guī)律和宏觀(guān)上的海上交通規(guī)律。這是船舶操縱自動(dòng)化的研究基礎(chǔ)，也是一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。本文主要研究利用船舶AIS數(shù)據(jù)分析船舶行為特征的方法。分析的方法為利用船舶會(huì)遇算法提取AIS數(shù)據(jù)中船舶行為。這項(xiàng)研究為船舶行為特征分析提供新的思路。

關(guān)鍵詞：船舶AIS數(shù)據(jù);海上交通;船舶行為;會(huì)遇

1引言

海上交通是指特定水域內(nèi)各類(lèi)船舶運(yùn)動(dòng)的組合和各類(lèi)船舶行為的總體。船舶行為研究是從船舶運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)出發(fā)，分析船舶行為特征，是海上交通工程學(xué)重要內(nèi)容。通過(guò)對(duì)船舶行為的研究，可以宏觀(guān)上和微觀(guān)上掌握海上交通，特別是船舶行為的基本特征和一般規(guī)律，對(duì)各相關(guān)單位管理措施的制定、港航工程建設(shè)、導(dǎo)助航設(shè)施設(shè)備的投入和各類(lèi)船舶定線(xiàn)制的實(shí)施等都具有指導(dǎo)意義。

2會(huì)遇時(shí)空分析

船舶會(huì)遇是船舶間發(fā)生海上交通事故的必要前提，會(huì)遇形勢(shì)的復(fù)雜程度與船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)大小緊密相關(guān)，因而船舶會(huì)遇狀況在一定程度上表征海上船舶碰撞危險(xiǎn)程度?？傮w上，會(huì)遇樣本數(shù)目相對(duì)較大，而船舶碰撞概率小、樣本少，因而研究船舶會(huì)遇是減少海上交通事故，特別是船舶碰撞事故的有效、可行的方法，對(duì)認(rèn)識(shí)和改善海上船舶通航環(huán)境具有重要意義。

2.1會(huì)遇定義分類(lèi)

在海上交通工程中，由于研究目的和可利用的研究數(shù)據(jù)不同，會(huì)遇的定義也有所區(qū)別，大致有下列四種：

（1）會(huì)遇是如果不采取避讓行動(dòng)，兩船的會(huì)遇最近距離就小于某一給定距離（如0.5海里）的一種實(shí)際情況。

（2）會(huì)遇是如果兩船同時(shí)處于某一給定距離以?xún)?nèi)的一種實(shí)際狀態(tài)。這種方法被大多數(shù)的海上交通工程研究人員采用。

（3）會(huì)遇是假如兩艘船舶都不采取避讓行動(dòng)，則兩艘船舶的會(huì)遇最近距離就會(huì)小于某一給定距離的一種情況。

（4）會(huì)遇是船舶在海上相遇后，進(jìn)而導(dǎo)致其中一艘船舶或兩艘船舶都采取實(shí)際避讓行動(dòng)。

船舶會(huì)遇率是指一個(gè)區(qū)域、單位時(shí)間內(nèi)船舶會(huì)遇次數(shù)。本節(jié)采用第二種會(huì)遇定義，會(huì)遇的研究數(shù)據(jù)為船舶AIS。

2.2基于AIS的船舶會(huì)遇定義

本船舶會(huì)遇研究的數(shù)據(jù)是船舶AIS動(dòng)態(tài)信息。這些數(shù)據(jù)包括有船舶的位置（經(jīng)緯度）、航向、航速等信息，并從AIS靜態(tài)信息中提取船舶的長(zhǎng)度、寬度、船舶識(shí)別碼等信息。

2.3船舶會(huì)遇時(shí)空分析的意義

船舶會(huì)遇的時(shí)空間分布、會(huì)遇船舶類(lèi)型、會(huì)遇態(tài)勢(shì)是船舶行為特征分析的重要方面。船舶會(huì)遇研究所取得的成果是進(jìn)行船舶交通管理、港航交通規(guī)劃的理論基礎(chǔ)。

（1）會(huì)遇空間分布

船舶會(huì)遇在不同水域的空間分布體現(xiàn)了船舶碰撞危險(xiǎn)的空間分布。因此船舶會(huì)遇空間分布分析是有針對(duì)性地優(yōu)化港航設(shè)計(jì)和海上交通整治的重要理論依據(jù)。

（2）會(huì)遇時(shí)間分布

一天不同時(shí)段，海上通航環(huán)境存在較大的不同，船舶的行為特征也隨之不同。如在良好的白天，船員了望視野寬闊，比較容易發(fā)現(xiàn)存在的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，因而避讓措施采取會(huì)比較及時(shí)。相反地，在夜晚，船員值班時(shí)比較不易發(fā)現(xiàn)燈光微弱的小型船舶，就會(huì)造成較多的船舶會(huì)遇。因此船舶會(huì)遇頻率分布會(huì)根據(jù)一天之中的不同時(shí)段而呈現(xiàn)不同特點(diǎn)。

（3）會(huì)遇船舶類(lèi)型

船舶類(lèi)型不同、噸位不同，則船舶的操縱行為習(xí)慣就會(huì)存在區(qū)別，不同類(lèi)型船舶的會(huì)遇情形就存在各自特點(diǎn)。本研究從不同船舶的長(zhǎng)度、船舶種類(lèi)等角度分析船舶會(huì)遇，為針對(duì)不同船舶類(lèi)型的交通管理與服務(wù)提供理論依據(jù)。

3船舶會(huì)遇算法

3.1數(shù)據(jù)預(yù)處理

有些AIS信息是有錯(cuò)誤，因而需要進(jìn)行預(yù)處理，以提高數(shù)據(jù)精度和工作效率。

3.2船舶會(huì)遇算法

船舶AIS數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是播發(fā)時(shí)間間隔短、數(shù)據(jù)量龐大。因而需要精心設(shè)計(jì)會(huì)遇提取算法，以便高效地分析舶會(huì)遇情況。

3.3算法分析和特點(diǎn)

第一步，會(huì)遇兩艘船舶在會(huì)遇時(shí)，他們的AIS記錄時(shí)間是相同的。

第二步，利用數(shù)據(jù)庫(kù)的SQL語(yǔ)言，可很方便進(jìn)行兩船間的距離計(jì)算。

第三步，兩船會(huì)遇距離值（EncDist）需要按照不同具體情況進(jìn)行分析確定。

第四步，進(jìn)行會(huì)遇重復(fù)項(xiàng)檢查并刪除。

根據(jù)上述分析，本節(jié)設(shè)計(jì)的船舶會(huì)遇算法的時(shí)間復(fù)雜度為O（n），n為所有船舶AIS記錄數(shù)。

4實(shí)驗(yàn)與分析

4.1以長(zhǎng)江口為例的船舶會(huì)遇分析

1.研究范圍和數(shù)據(jù)整理

利用己建立的船舶AIS信息服務(wù)平臺(tái)采集長(zhǎng)江口的船舶AIS數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)長(zhǎng)江口的情況，本文以緯度31°13′.4N至30°52′.3N，經(jīng)度122°23′.0E至122°47′.3E之間的水域?yàn)檠芯克颉?/p>

2.會(huì)遇船舶分析

根據(jù)上述的船舶會(huì)遇算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)表2-1中船舶AIS數(shù)據(jù)的會(huì)遇信息提取。根據(jù)船舶種類(lèi)和船舶長(zhǎng)度，統(tǒng)計(jì)分析獲得了如圖2～圖3的會(huì)遇船舶種類(lèi)和尺度分布圖。

普通貨船（集裝箱、散雜船等）占有所有船舶比例大，因而這類(lèi)船舶的會(huì)遇次數(shù)也在總會(huì)遇次數(shù)中占有相當(dāng)大的比重。而圖4則呈現(xiàn)了會(huì)遇中船舶長(zhǎng)度的分布特點(diǎn)。船長(zhǎng)在50m～200m之間的會(huì)遇船舶占船舶總數(shù)的63.2%，200m米及以下小型船舶的會(huì)遇，則占的比例高達(dá)88.9%。

3.船舶會(huì)遇的空間分析

如在長(zhǎng)江口內(nèi)，存在很多的中小型船舶航行于北槽航道外，長(zhǎng)江口的錨地也在附近，因而此水域周邊存在較多的船舶會(huì)遇現(xiàn)象，可見(jiàn)此處船舶通航環(huán)境較為復(fù)雜，存在的安全隱患較大。

在長(zhǎng)江口主航道通航環(huán)境相對(duì)較好，所以該區(qū)域船舶平均速度較大。

各來(lái)往的船舶在此和主航道上的航行船舶產(chǎn)生會(huì)遇，水域較為寬闊，次數(shù)相對(duì)較少。

4.船舶會(huì)遇的時(shí)間分布

深夜12點(diǎn)到4點(diǎn)是長(zhǎng)江口內(nèi)的船舶會(huì)遇時(shí)間較為集中的時(shí)段。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，深夜中的船舶會(huì)遇次數(shù)比重大，占30.1%，發(fā)生在夜間總的船舶會(huì)遇數(shù)量占57.9%。而15點(diǎn)和20點(diǎn)之間的船舶會(huì)遇數(shù)量相對(duì)小。夜間航行存在較多的不安全因素，從而導(dǎo)致船舶之間的會(huì)遇數(shù)量較多。

5.船舶會(huì)遇態(tài)勢(shì)分析

船舶相互駛近的會(huì)遇態(tài)勢(shì)有三種，即對(duì)遇、追越和交叉相遇。其中交叉相遇又分為大角度和小角度兩種情況，如表2-1所示。本節(jié)采用AIS數(shù)據(jù)中的實(shí)際航向（Course 0ver Ground，COG）來(lái)判斷船舶的會(huì)遇態(tài)勢(shì)，并以此進(jìn)行船舶會(huì)遇態(tài)勢(shì)統(tǒng)計(jì)。

根據(jù)分析結(jié)果，長(zhǎng)江口水域的船舶會(huì)遇中交叉相遇和追越居多，分別占總的會(huì)遇次數(shù)的56.3%和34.3%;而其中的小角度交叉相遇則占了44.2%。

4.2性能評(píng)估與分析

船舶會(huì)遇是船舶行為特征的重要方面，挖掘船舶會(huì)遇信息是研究海上船舶交通行為的一種的效手段。傳統(tǒng)的船舶會(huì)遇研究的數(shù)據(jù)收集較為費(fèi)時(shí)費(fèi)力，基于船舶AIS數(shù)據(jù)的船舶會(huì)遇信息挖掘具有很大的優(yōu)勢(shì)。

5小結(jié)

船舶行為是海上交通工程的重要概念，也是深入理解海上交通的重要內(nèi)容，也是制定海上交通規(guī)則、航路規(guī)劃、完善船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的重要途徑。而船舶AIS數(shù)據(jù)中包含的船舶行為數(shù)據(jù)，如船舶位置、速度、航向、轉(zhuǎn)向等，以及船舶交通流等信息，為研究船舶行為提供了極大的便利和可靠性。本文從船舶航速變化率和航向變化率、船舶會(huì)遇、船舶交通流相似性等多方面研究船舶行為特征。

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