基于船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)數(shù)據(jù)的多汊航道船舶流量預(yù)測(cè)

袁子文

(交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院，北京 100028)

水運(yùn)具有污染小、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是大宗貨物的主要運(yùn)輸方式，為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。隨著國(guó)內(nèi)和國(guó)際經(jīng)濟(jì)貿(mào)易的增長(zhǎng)，我國(guó)到港船舶數(shù)量持續(xù)增加，航道通航需求不斷發(fā)生變化。船舶流量越來越大，以及船舶大型化發(fā)展和到港船舶類型的豐富，給航道的建設(shè)和管理帶來一定的挑戰(zhàn)?？茖W(xué)合理地預(yù)測(cè)航道船舶流量可為航道的建設(shè)規(guī)模提供依據(jù)，并指導(dǎo)航道管理措施的制定和實(shí)施，在現(xiàn)實(shí)中具有重要意義。

國(guó)外專家構(gòu)建了基于灰色理論[1]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、支持向量機(jī)法[2]等航道船舶流量預(yù)測(cè)系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)學(xué)者們也提出了不同的模型和算法進(jìn)行船舶流量預(yù)測(cè)，王正武等[3]利用回歸模型、馬爾科夫預(yù)測(cè)、極大似然估計(jì)等模型進(jìn)行短時(shí)交通流預(yù)測(cè)；張淼等[4]利用灰色預(yù)測(cè)模型進(jìn)行一次有源濾波器諧波補(bǔ)償，減小了內(nèi)部結(jié)構(gòu)本身的延遲。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是科學(xué)合理預(yù)測(cè)的重要前提，特別針對(duì)多汊航道比一般航道更為復(fù)雜、船舶進(jìn)出有更多航路選擇、船流預(yù)測(cè)更加困難的問題，本文將通過應(yīng)用自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(automatic ldentification system，AIS)大數(shù)據(jù)分析，深度挖掘研究航道的港口吞吐量、航道密度、船舶尺度等數(shù)據(jù)，從而為船舶流量預(yù)測(cè)提供豐富的數(shù)據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究思路

針對(duì)多汊航道船舶航路復(fù)雜多變、船舶流量預(yù)測(cè)難度較大的難題，本文通過解析AIS原始報(bào)文，分離出關(guān)鍵字條。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)篩除無效數(shù)據(jù)并匹配其他船舶數(shù)據(jù)源，以便進(jìn)一步識(shí)別船舶類型和劃分噸級(jí)。將大數(shù)據(jù)應(yīng)用于船舶流量預(yù)測(cè)中，通過對(duì)代表船型的航跡跟蹤，總結(jié)船舶航行規(guī)律和運(yùn)營(yíng)情況。結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和宏觀形勢(shì)發(fā)展，綜合預(yù)測(cè)航道貨運(yùn)量，基于對(duì)AIS數(shù)據(jù)的挖掘，通過分配模型預(yù)測(cè)航道船舶流量。研究思路見圖1。

圖1 研究技術(shù)路線

1.2 AIS大數(shù)據(jù)分析

1.2.1AIS發(fā)展及應(yīng)用

AIS是船和岸、船和船之間的海事安全與通信的新型助航系統(tǒng)，一般由甚高頻(VHF)通信機(jī)、全球衛(wèi)星定位儀和與船載顯示器及傳感器等相連接的通信控制器組成，能自動(dòng)交換船位、航速、航向、船名、呼號(hào)等重要信息，有效減少船舶碰撞事故。

AIS數(shù)據(jù)信息量大、內(nèi)容多樣，具有典型的大數(shù)據(jù)特征，對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的整理和挖掘具有廣闊的應(yīng)用前景。但在AIS報(bào)文傳輸和接收的過程中，可能因?yàn)樵O(shè)備故障、信號(hào)問題等原因?qū)е聰?shù)據(jù)缺失、錯(cuò)誤或者重復(fù)。因此在分析AIS數(shù)據(jù)前，應(yīng)進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)解析、篩選等預(yù)處理工作。

1.2.2AIS大數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于AIS原碼報(bào)文不能被常用軟件直接打開，須進(jìn)行必要的預(yù)處理解析數(shù)據(jù)。本文在原碼報(bào)文基礎(chǔ)上添加分隔符以讀取船名、MMSI(水上移動(dòng)通信業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)碼)、航速、航向、IMO(國(guó)際海事組織的識(shí)別碼)等船舶信息。通過在管理平臺(tái)中劃斷面的方式，提取船舶通過斷面的信息并導(dǎo)出Excel文件，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析提供前提基礎(chǔ)。AIS數(shù)據(jù)解析樣例見表1。

表1 AIS數(shù)據(jù)解析樣例

1.2.3數(shù)據(jù)加工

在解析AIS數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，源碼報(bào)文中缺少船舶載質(zhì)量、船舶吃水等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并且存在部分船舶填報(bào)數(shù)據(jù)與實(shí)際脫節(jié)的問題。本文通過收集VTS(船舶交通管理系統(tǒng))、船舶簽證、實(shí)地調(diào)研、查詢船級(jí)社和海事局?jǐn)?shù)據(jù)庫，通過船舶的MMSI或者船舶的英文名稱將其他船舶數(shù)據(jù)庫與AIS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫匹配，匹配的結(jié)果補(bǔ)足碼報(bào)文缺少的數(shù)據(jù)，同時(shí)校核船舶類型的劃分。另外，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將如航速100 kn等部分不合理數(shù)據(jù)篩除，確保數(shù)據(jù)的有效性及合理性。加工后的數(shù)據(jù)樣表見表2。

表2 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)后樣表

1.2.4船舶軌跡追蹤

多汊航道相較于一般航道船舶航路更為復(fù)雜多樣，掌握不同船舶類型各噸位的航運(yùn)需求是船舶流量預(yù)測(cè)和航道建設(shè)的關(guān)鍵因素，特別是對(duì)于長(zhǎng)江口三級(jí)分汊、四口入海，沿岸分布多處碼頭的復(fù)雜格局，更是重中之重。通過AIS大數(shù)據(jù)分析，可篩選代表船型，觀察它們的航行軌跡，便于總結(jié)船舶航行規(guī)律，見圖2、表3。

圖2 某船舶通過南槽航行軌跡(單位：m)

表3 船舶軌跡數(shù)據(jù)導(dǎo)出樣例

1.3 船流分配模型

1.3.1航道貨運(yùn)量預(yù)測(cè)

本文貨運(yùn)量預(yù)測(cè)采用比較成熟的運(yùn)輸強(qiáng)度法、區(qū)域權(quán)重法、彈性系數(shù)法和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)法，并通過德爾菲法綜合取值，對(duì)于各預(yù)測(cè)方法的判斷矩陣和結(jié)果見表4。

表4 綜合預(yù)測(cè)法比重

1.3.2船舶流量預(yù)測(cè)

依據(jù)預(yù)測(cè)的貨運(yùn)量以及基于AIS大數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)的不同噸級(jí)船舶承運(yùn)貨運(yùn)量比例，并同時(shí)考慮船舶大型化發(fā)展趨勢(shì)、航道條件和港口規(guī)劃等因素進(jìn)行預(yù)測(cè)。計(jì)算公式如下：

N=∑[Tα(β·DWT)]

(1)

式中：N為船舶通過量；T為分貨類貨運(yùn)量；DWT為不同噸級(jí)船舶的載質(zhì)量；α為不同噸級(jí)船舶承運(yùn)運(yùn)量比例；β為船舶實(shí)載率。

2 實(shí)例分析

以長(zhǎng)江口南槽一期航道整治工程為例，開展實(shí)際應(yīng)用研究。長(zhǎng)江口航道呈現(xiàn)三級(jí)分汊、四口入海格局，根據(jù)規(guī)劃將重點(diǎn)建設(shè)“一主兩輔一支”航道，并于2014年開展南槽一期航道整治工程的研究工作。南槽航道上接南港航道，下至南槽口外B警戒區(qū)，定位為長(zhǎng)江口主航道(北槽航道)的輔助航道。

2.1 AIS數(shù)據(jù)分析結(jié)論

通過對(duì)歷年長(zhǎng)江口航道AIS大數(shù)據(jù)的解析、加工，得到2015年前后南槽航道通航規(guī)律。

2.1.1需要候潮的進(jìn)出口船一般規(guī)律

根據(jù)南槽航道水深條件，一般實(shí)際吃水≥7.0 m，船舶需要乘潮進(jìn)出南槽航道，乘高潮船舶約占南槽航道船舶總量12。船舶乘潮集中進(jìn)港，同向多線通航特點(diǎn)突出，常出現(xiàn)4～5線并行通航的情況。

南槽航道進(jìn)口船通常集中在中浚高潮前3～4 h到達(dá)長(zhǎng)江口南槽燈船，一般于中浚高潮前1 h至高潮時(shí)刻通過S19燈浮附近最淺航段。進(jìn)口船駛過南槽航道下段，進(jìn)入九段燈船上游的南槽航道上段，此時(shí)正處于中浚高潮后1～2 h時(shí)段。

南支航道進(jìn)口船舶多乘潮流初漲時(shí)進(jìn)口，南支航道通航密度大，進(jìn)口船可在安全水域標(biāo)連線500 m以外的水域航行，但不可進(jìn)入南槽航道下段，且在通過A29燈浮后，應(yīng)與在南槽航道下段內(nèi)航行的有關(guān)船舶加強(qiáng)聯(lián)系，以小角度切入該航道，在其進(jìn)口航道上行駛進(jìn)口。

南槽航道出口船于中浚高潮前1～2 h抵九段燈船。

2.1.2南槽航道船舶流向規(guī)律

自南槽、南支航道進(jìn)口的船舶，其船流可分成：

1)一股為大中型船舶，抵南槽航道上段圓圓沙燈船后進(jìn)入圓圓沙警戒區(qū)，穿越圓圓沙警戒區(qū)進(jìn)入外高橋航道，上駛?cè)ネ虾８鄹鞔a頭或進(jìn)長(zhǎng)江。

2)另一股為小型船舶，橫越圓圓沙警戒區(qū)穿越長(zhǎng)江口北槽深水航道，進(jìn)入主航道北側(cè)寬100 m的小船航道，下駛?cè)ネ鶛M沙島或通過橫沙通道去往崇明。

中浚高潮前2 h、高潮和高潮后2 h船舶航行情況見圖3。

圖3 2017-02-13船舶航行情況

2.1.3長(zhǎng)江口航道船舶運(yùn)營(yíng)規(guī)律

由于航道位置的特殊性，進(jìn)出海運(yùn)船舶將會(huì)原路返回，因此上水、下水船舶按各占50%測(cè)算。由于煤炭、鐵礦石及石油等大宗散貨以上水為主，因此上水的散貨船、油船約97%為重載船舶，實(shí)載率為95%，下水97%為空載船舶；由于集裝箱運(yùn)輸?shù)奶厥庑?，集裝箱船上下水幾乎全為重載船舶，實(shí)載率為80%；雜貨船上下水基本平衡，上下水各50%為重載船舶，實(shí)載率為90%。

2.1.4分配參數(shù)推導(dǎo)

通過對(duì)大數(shù)據(jù)中各上下行船舶的載質(zhì)量和實(shí)際吃水間的分析，可推導(dǎo)出船舶的載貨量和實(shí)載率。將各噸級(jí)船舶分類匯總即可得出散貨船各噸級(jí)的載貨量，并以此為基礎(chǔ)做出合理預(yù)測(cè)。以2014年南槽散雜貨船為例，主要參數(shù)見表5。

表5 散貨船分配參數(shù)推導(dǎo)結(jié)果

2.2 航道貨運(yùn)量預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)南槽航道歷年海運(yùn)量數(shù)據(jù)的收集，綜合預(yù)測(cè)得出其特征年海運(yùn)總量和分貨類運(yùn)量見表6。

表6 長(zhǎng)江口南槽航道海運(yùn)量預(yù)測(cè)

2.3 船舶預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)運(yùn)量預(yù)測(cè)結(jié)果和基于AIS大數(shù)據(jù)分析得出的船舶航行、運(yùn)營(yíng)規(guī)律，通過分配模型預(yù)測(cè)船舶流量，結(jié)果見表7。

表7 長(zhǎng)江口南槽航道船舶流量預(yù)測(cè)

3 結(jié)語

1)通過運(yùn)用AIS大數(shù)據(jù)，能有效分析多汊航道船舶航路復(fù)雜多變，不同類型、噸級(jí)的船舶上下行運(yùn)營(yíng)情況不一的現(xiàn)實(shí)問題，更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)船舶流量。將大數(shù)據(jù)運(yùn)用于水運(yùn)領(lǐng)域能為航道規(guī)劃、建設(shè)、整治和管理提供更加高效便捷的技術(shù)支撐。

2)研究中也發(fā)現(xiàn)，在數(shù)據(jù)源方面，AIS原始報(bào)文存在部分填報(bào)不實(shí)、不具體的情況，缺少實(shí)時(shí)吃水等數(shù)據(jù)。在預(yù)測(cè)方面，本質(zhì)仍然是基于歷史和未來趨勢(shì)的判斷，通過預(yù)測(cè)模型得出結(jié)論，后期應(yīng)加強(qiáng)考慮對(duì)短期國(guó)際形勢(shì)以及國(guó)際船隊(duì)運(yùn)營(yíng)變化產(chǎn)生的波動(dòng)影響。