海洋運(yùn)輸船舶軌跡分析研究

張迅 房東升

摘 要：船舶軌跡是用來(lái)尋找船舶運(yùn)動(dòng)規(guī)律的計(jì)算方式，是記載船舶資料的重要數(shù)據(jù)，也是海上調(diào)查通過(guò)船舶軌跡調(diào)查數(shù)據(jù)的基本方式，對(duì)調(diào)查研究具有非常重要的價(jià)值。近幾年隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，海上導(dǎo)航技術(shù)得到了進(jìn)步，完善了船舶健康網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，從而獲得覆蓋面廣、聯(lián)系性、有效的船舶數(shù)據(jù)資料，極大的促進(jìn)了船舶應(yīng)用軌跡數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)。本文旨在發(fā)現(xiàn)海洋運(yùn)輸船舶軌跡分析，探討當(dāng)前技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，分析船舶軌跡技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并對(duì)未來(lái)展開(kāi)設(shè)想。

關(guān)鍵詞：船舶軌跡;海洋運(yùn)輸;數(shù)據(jù)分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U692 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

記錄船舶軌跡數(shù)據(jù)的主要目的是發(fā)現(xiàn)船舶的位置和事件，并對(duì)此進(jìn)行跟蹤記錄，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行序列計(jì)算，這是交通運(yùn)輸學(xué)對(duì)船舶軌跡數(shù)據(jù)分析的重點(diǎn)。比如在計(jì)算時(shí)空軌跡計(jì)算時(shí)，除了船舶外，還有車(chē)輛和飛機(jī)也可應(yīng)用此種方式進(jìn)行時(shí)空軌跡計(jì)算，計(jì)算方式是從三維空間的速度、時(shí)間、集合等因素考量，這對(duì)軌跡研究具有重要意義。在計(jì)算船舶運(yùn)動(dòng)時(shí)的軌跡時(shí)，由于船舶運(yùn)行里程、速度、執(zhí)行性、操控性等多重因素。所以，在計(jì)算時(shí)要綜合考慮船舶自身的因素特點(diǎn)，尤其是當(dāng)船舶在水上運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須考慮的因素是時(shí)空跨度與軌跡變化的特征，而這些特征的共同特點(diǎn)是曲線跨度大和軌跡平滑。

傳統(tǒng)觀測(cè)船舶軌跡的方式主要是小樣本的，比如監(jiān)控、雷達(dá)的拍照方式，這種觀測(cè)軌跡的方式是交叉性的，記錄船舶運(yùn)動(dòng)軌跡的方式通過(guò)拍照后合成影像，根據(jù)影像內(nèi)容繪制軌跡圖?？茖W(xué)技術(shù)不斷提高，觀測(cè)手段也得到了完善，船舶交換數(shù)據(jù)技術(shù)手段是采用被動(dòng)式的搭建方式，可以在接受船舶運(yùn)動(dòng)軌跡的同時(shí)記錄數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)與區(qū)域保持聯(lián)系，并建立數(shù)據(jù)庫(kù)。這種記錄方式應(yīng)用靜態(tài)分析與交通流為基礎(chǔ)理論。經(jīng)過(guò)發(fā)展到今天，船舶軌跡分析已經(jīng)發(fā)展為動(dòng)態(tài)觀測(cè)，形成新的海上交通工程學(xué)科。

1 海洋交通運(yùn)輸

（1）從海洋運(yùn)輸?shù)奶卣骱拖嚓P(guān)部門(mén)提供的航道開(kāi)挖、分道通航、錨地配置等，發(fā)現(xiàn)海洋運(yùn)輸?shù)囊?guī)律，結(jié)合船舶在海上行駛軌跡及數(shù)據(jù)分析原因，采取對(duì)海上可能發(fā)生事故進(jìn)行布局和布設(shè)救急設(shè)施。還能避免航路擁擠，減少碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

（2）提高船舶規(guī)劃管理。提高對(duì)港口流動(dòng)船舶的管理和規(guī)劃，采取考察評(píng)價(jià)方式對(duì)港口運(yùn)輸和空間搭建進(jìn)行建模，從而加強(qiáng)對(duì)海洋環(huán)境的研究，減少溢流事件等。根據(jù)船舶形式軌跡數(shù)據(jù)，分析船舶的噪音、排氣、外來(lái)入侵等情況。

2 船舶軌跡分析流程

（1）船舶軌跡是對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的記錄。如船舶自身的航跡、尺寸、變化、姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)等。這些數(shù)據(jù)根據(jù)事件進(jìn)行排序，然后分步處理。然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以分析船舶的運(yùn)動(dòng)軌跡和特征，但受空間和環(huán)境等因素約束。船舶軌跡分析是要嚴(yán)格根據(jù)流程進(jìn)行，采集數(shù)據(jù)、經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作和管理、然后分析數(shù)據(jù)、選擇有用的數(shù)據(jù)信息、再進(jìn)行分析，最后才能產(chǎn)生船舶軌跡分析結(jié)果。

（2）獲得船舶的交通數(shù)據(jù)要采用自動(dòng)識(shí)別、人工監(jiān)測(cè)等方式，獲得軌跡噪音的數(shù)據(jù)要采取提高處理的方式。提高空索引查詢(xún)效率要建立數(shù)據(jù)模型，對(duì)船舶軌跡采取集合處理方式進(jìn)行模特壓縮和改進(jìn)，觀測(cè)軌跡目標(biāo)，包括異常檢測(cè)、相似度度量、探索分析，從而在屏幕輸出分析結(jié)果，對(duì)數(shù)據(jù)拷貝儲(chǔ)存。

3 船舶軌跡目標(biāo)分析

（1）序列分析，首先是對(duì)船舶的屬類(lèi)進(jìn)行管理和分析。經(jīng)研究顯示，在分類(lèi)時(shí)可根據(jù)船舶軌跡、船舶密度、交通指示作為參考，同時(shí)要記錄各類(lèi)船舶的運(yùn)行速度、行程、轉(zhuǎn)角和路程等數(shù)據(jù)，計(jì)劃離岸距離，評(píng)估獨(dú)木舟、帆船等運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)傳播的特點(diǎn)、尺度、時(shí)間來(lái)描繪傳播軌跡的微觀和宏觀分布。

（2）船舶運(yùn)動(dòng)軌跡主要參考船舶類(lèi)型，而歐氏距離是船舶軌跡的主要參考依據(jù)，如果不考慮應(yīng)用時(shí)序特點(diǎn)，則要采用聚類(lèi)算法，幾何最優(yōu)代表點(diǎn)對(duì)噪音和初始值，得到類(lèi)似的最大相似度，這種計(jì)算方式需要人工迭代次數(shù)的設(shè)定，計(jì)算出的結(jié)果較為敏感。

（3）關(guān)于異常分析，要根據(jù)船舶軌跡的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行計(jì)算，這種計(jì)算方式叫做特征行為計(jì)算。當(dāng)船舶在運(yùn)行時(shí)發(fā)生異常行為，比如橫穿主航道，這時(shí)需要采用去頂性的自身問(wèn)題分析，應(yīng)用現(xiàn)代探測(cè)手段來(lái)分析異常行為及領(lǐng)域，在觀測(cè)過(guò)程中形成高斯模型，在此過(guò)程中建立船舶規(guī)模性。要充分考慮船舶的速度、位置等，然后應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)獲取特征值，在此基礎(chǔ)上計(jì)算船舶在正常情況下的特征和分辨效果。

4 船舶軌跡的發(fā)展和技術(shù)

（1）關(guān)于相似度，要采用搜索的方式對(duì)船舶時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行確定。比如搜集相似船舶時(shí)首先要搜集船舶特征勻速，然后根據(jù)船舶軌跡來(lái)計(jì)算不等長(zhǎng)相似度，從而獲得船舶軌跡相似度的數(shù)據(jù)。如果在計(jì)算過(guò)程中軌跡發(fā)生偏差，要解決缺口問(wèn)題，可采用指定的補(bǔ)償值。然后根據(jù)兩個(gè)船舶軌跡的公共子序計(jì)算度量值的軌跡基準(zhǔn)，將其匹配，如果軌跡差別與噪音處理發(fā)生異常，則顯示噪音背景下的ED更加精確和穩(wěn)定。

（2）關(guān)于概率參數(shù)，可應(yīng)用固定方式將參數(shù)固定，比如在不固定的時(shí)間內(nèi)船舶抵達(dá)港口，這時(shí)可應(yīng)用離散分布模型來(lái)計(jì)算港口航道的流通率和通過(guò)能力等，計(jì)算出航道船舶較少時(shí)船巷道和港口的技能因素。

（3）而在繁忙的交通流區(qū)域，船舶運(yùn)動(dòng)要根據(jù)特定概率分布模型來(lái)標(biāo)識(shí)，可根據(jù)直航段運(yùn)動(dòng)、船舶擴(kuò)展位置特征的原理，采用協(xié)方差矩陣和實(shí)用均值來(lái)代表，以M代表船舶空間分布，以最大規(guī)則標(biāo)識(shí)概率最大參數(shù)，從而確定船舶運(yùn)動(dòng)模式。

（4）關(guān)于高速分布中各航段船舶軌跡的參數(shù)距離計(jì)算，而交通繁忙的港口不可事先假定，首先要根據(jù)參數(shù)密度來(lái)估計(jì)，然后應(yīng)用函數(shù)原理觀測(cè)船舶運(yùn)動(dòng)模式，并從不同維度分析船舶運(yùn)動(dòng)。

（5）在特定模式中，可根據(jù)船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分析聚類(lèi)相似軌跡。以此來(lái)判斷船舶的任務(wù)和運(yùn)動(dòng)軌跡是相似的，通過(guò)研究表明，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和軌跡聚類(lèi)原理，可以將船舶結(jié)點(diǎn)視作相同軌跡，然后規(guī)定有向冷靜，進(jìn)而劃分弧端。

左右界線路與各個(gè)弧端的中心軸線的特征值相等。時(shí)間維度方面包含完善區(qū)域和準(zhǔn)點(diǎn)區(qū)域。構(gòu)建旨在建設(shè)更加完善的船舶運(yùn)動(dòng)軌跡，但受船舶運(yùn)動(dòng)環(huán)境等因素影像。

5 總結(jié)

本文對(duì)海洋運(yùn)輸船舶軌跡分析進(jìn)行研究，當(dāng)前研究還處于發(fā)展階段，雖然近幾年進(jìn)步速度在不斷提升，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一段距離。主要包含：第一，目前研究重點(diǎn)是關(guān)于二維空間的計(jì)算，關(guān)于縱向研究（傳播行為、航道水深、軌跡相似性、時(shí)間屬性等）還沒(méi)有研究出負(fù)荷敏感環(huán)境下的現(xiàn)實(shí)。第二，急需分析船舶異常情況下的成因，如動(dòng)態(tài)環(huán)境下的風(fēng)潮流、氣象信息等。第三，關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)管控還不到位，海上發(fā)生危險(xiǎn)的可能性及交通問(wèn)題無(wú)法評(píng)估，研究還不夠全面。第四，可根據(jù)船舶軌跡分析的結(jié)構(gòu)來(lái)挖掘船舶運(yùn)動(dòng)模式的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

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