遠(yuǎn)洋船舶數(shù)據(jù)監(jiān)控模型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄧梓昭

摘要：綜合船舶報(bào)文到報(bào)情況、氣象觀測(cè)要素質(zhì)量，以船舶報(bào)文到報(bào)率、氣象要素實(shí)有率及正確率作為評(píng)估指標(biāo)，形成一套基于加乘混合法的多指標(biāo)評(píng)價(jià)模型，對(duì)船舶進(jìn)行量化評(píng)估，及時(shí)反饋問題，從而完善對(duì)遠(yuǎn)洋船舶數(shù)據(jù)的日常監(jiān)視。模型的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，從單一數(shù)據(jù)到報(bào)率監(jiān)控考核轉(zhuǎn)變?yōu)獒槍?duì)氣象要素有效性的監(jiān)視，同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)視和評(píng)估，解決了以往業(yè)務(wù)中人工考核繁瑣、時(shí)效性差、數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控力度不足等問題，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)洋船舶數(shù)據(jù)精細(xì)化運(yùn)維監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)監(jiān)控；遠(yuǎn)洋船舶；氣象要素；監(jiān)控評(píng)估

一、前言

2009年，為了彌補(bǔ)我國海上氣象信息觀測(cè)工作基礎(chǔ)薄弱、海上氣象信息不足的狀況，提高海上天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率及氣象服務(wù)能力，在中國氣象局相關(guān)職能部門協(xié)調(diào)下，國家氣象信息中心與相關(guān)航運(yùn)部門開展了海上船舶氣象觀測(cè)資料收集傳輸工作[1]。目前遠(yuǎn)洋船舶數(shù)據(jù)的監(jiān)視考核仍停留在定期手工匯總整理、人工干預(yù)的階段，考核繁瑣、時(shí)效性差等不足因素導(dǎo)致對(duì)船舶數(shù)據(jù)的監(jiān)控頻次不足，不能很好滿足業(yè)務(wù)需要。與此同時(shí)，船舶觀測(cè)資料以人工觀測(cè)、人工發(fā)報(bào)為常見形式，往往受人為因素、網(wǎng)絡(luò)故障、船舶靠岸等不可預(yù)測(cè)情況影響[2]，出現(xiàn)由于缺測(cè)、手工錄入錯(cuò)誤數(shù)據(jù)以及探測(cè)設(shè)備故障等因素導(dǎo)致的數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，而傳統(tǒng)的針對(duì)單一完整率、及時(shí)率的考核監(jiān)控模式并不能保證這些數(shù)據(jù)質(zhì)量問題及時(shí)被監(jiān)控、發(fā)現(xiàn)并反饋，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法使用。

二、船舶數(shù)據(jù)監(jiān)控模型構(gòu)建

監(jiān)控模型在綜合船舶報(bào)文到報(bào)情況、氣象觀測(cè)要素質(zhì)量的基礎(chǔ)上，基于海洋氣象要素質(zhì)量控制方法及質(zhì)控碼信息，以報(bào)文到報(bào)率、要素實(shí)有率、要素正確率為評(píng)估指標(biāo)，形成一套基于加乘混合法的多指標(biāo)評(píng)價(jià)模型，對(duì)船舶數(shù)據(jù)進(jìn)行量化評(píng)估，從而對(duì)船舶數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)反饋問題船舶。監(jiān)控模型詳見圖1。

（一）完整性監(jiān)控

通過梳理船舶報(bào)文業(yè)務(wù)時(shí)次、應(yīng)到船舶數(shù)量信息，將遠(yuǎn)洋船舶監(jiān)控納入目前信息中心業(yè)務(wù)化運(yùn)行的“天鏡”綜合氣象監(jiān)控系統(tǒng)[3]中，按照船舶呼號(hào)及到報(bào)時(shí)間對(duì)考核船舶進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，并設(shè)置合理告警閾值，及時(shí)反饋到報(bào)情況并跟進(jìn)。

（二）數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估

監(jiān)控模型對(duì)船舶探測(cè)要素的質(zhì)量控制碼以月為周期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在此基礎(chǔ)上對(duì)船舶數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。模型主要針對(duì)報(bào)文到報(bào)率、氣象要素綜合實(shí)有率以及綜合正確率進(jìn)行評(píng)估，并基于加乘混合法得到船舶綜合考核結(jié)果，以此作為判定船舶質(zhì)量情況的重要依據(jù)。

1.指標(biāo)選取及構(gòu)建

船舶觀測(cè)要素包括10種，分別是天氣情況、海平面氣壓、干球溫度、濕球溫度、風(fēng)速、海水溫度、能見度、云狀、云量及浪高觀測(cè)。涉及的質(zhì)量控制結(jié)果均依據(jù)現(xiàn)有信息中心業(yè)務(wù)化使用的氣象要素質(zhì)量控制方法和質(zhì)控信息[4-5]。質(zhì)控碼信息詳見表1。

參照相關(guān)研究及數(shù)據(jù)集研制所采用的評(píng)估方法[6-8]，模型對(duì)每月考核船舶所觀測(cè)氣象要素的質(zhì)控碼信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，涉及船舶應(yīng)觀測(cè)數(shù)據(jù)量、實(shí)有觀測(cè)數(shù)據(jù)量、正確觀測(cè)數(shù)據(jù)量。其中，應(yīng)觀測(cè)數(shù)據(jù)量包含每艘船舶所有的探測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)量；實(shí)有觀測(cè)數(shù)據(jù)量為氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)質(zhì)控碼信息為非“8”的數(shù)量；正確觀測(cè)數(shù)據(jù)量為氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)質(zhì)控碼信息為“0”的數(shù)量。

實(shí)有率和正確率計(jì)算方法如下：

（1）

（2）

（1）-（2）式中，

i表示第i艘船舶；

j表示日期，j=M1，M1+1，M1+2，……M2，M1為起始日期，M2為截止日期。

模型選取報(bào)文到報(bào)率、船舶綜合實(shí)有率、船舶綜合正確率3個(gè)一級(jí)指標(biāo)，干濕球溫度、天氣情況、海平面氣壓、風(fēng)速、浪高、海水溫度、能見度、云狀云量的實(shí)有率、正確率等20個(gè)二級(jí)指標(biāo)。船舶評(píng)估指標(biāo)體系詳見表2。

2.評(píng)價(jià)方法及結(jié)果

依據(jù)相關(guān)綜合評(píng)價(jià)理論，在多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)中，評(píng)估結(jié)果是通過將多個(gè)指標(biāo)對(duì)事物不同方面的評(píng)價(jià)值綜合在一起，得到一個(gè)整體性的評(píng)價(jià)。用于合成的數(shù)學(xué)方法較多，根據(jù)相關(guān)研究方法[9]，大致分為加權(quán)線性和法、乘法合成法、加乘混合法等綜合評(píng)價(jià)方法。本文在現(xiàn)有指標(biāo)參數(shù)及體系基礎(chǔ)上，基于加乘混合法對(duì)遠(yuǎn)洋船舶進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析。

由于加乘混和法需要明確各計(jì)算要素之間的相關(guān)性強(qiáng)弱，本文首先分析了參與評(píng)價(jià)的各數(shù)據(jù)指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系。

（1）指標(biāo)相關(guān)性分析

利用Pearson相關(guān)系數(shù)法來分析綜合評(píng)價(jià)體系中涉及的指標(biāo)之間相關(guān)性。Pearson相關(guān)系數(shù)分析法主要用于研究客觀事物之間相互關(guān)聯(lián)的數(shù)量特征，使用相關(guān)系數(shù)對(duì)相關(guān)關(guān)系的存在性給出判斷，同時(shí)對(duì)相關(guān)關(guān)系的強(qiáng)度給出度量和分析[10]。

首先將船舶探測(cè)各氣象要素正確率以及實(shí)有率進(jìn)行等權(quán)重計(jì)算，得到每艘船舶綜合正確率以及實(shí)有率評(píng)估指標(biāo)，然后計(jì)算其對(duì)應(yīng)報(bào)文到報(bào)率、綜合實(shí)有率以及綜合正確率之間的相關(guān)性系數(shù)。

（2）加乘混合評(píng)價(jià)方法

根據(jù)相關(guān)性分析，報(bào)文到報(bào)率與綜合實(shí)有率之間相關(guān)性較強(qiáng)，而報(bào)文到報(bào)率與綜合正確率、綜合實(shí)有率與正確率之間呈現(xiàn)弱相關(guān)性，按照加乘混合評(píng)價(jià)模型相關(guān)性較強(qiáng)指標(biāo)相乘、差異較大指標(biāo)相加原則，本文將船舶報(bào)文到報(bào)率與綜合實(shí)有率相乘，再與綜合正確率相加，最終得到船舶綜合評(píng)估數(shù)值。

具體公式如下：

（3）

（4）

Uj表示第i艘船舶第j個(gè)要素的實(shí)有率；

Vj表示第i艘船舶第j個(gè)要素的正確率；

Yi表示第i艘船舶的要素綜合實(shí)有率；

Zi表示第i艘船舶的要素綜合正確率；

n為船舶探測(cè)要素個(gè)數(shù)。

（5）

Ai表示第i艘船舶的綜合評(píng)估值；

Xi表示第i艘船舶的報(bào)文到報(bào)率。

（3）評(píng)估結(jié)果

經(jīng)過評(píng)估計(jì)算，最終得到每月遠(yuǎn)洋船舶綜合評(píng)價(jià)數(shù)值及排序情況，依據(jù)評(píng)判數(shù)值選取綜合評(píng)估值域的后10%進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。評(píng)價(jià)體系中涉及各指標(biāo)的評(píng)價(jià)值均在［0，1］范圍內(nèi)，經(jīng)過加乘混合評(píng)價(jià)后，綜合評(píng)估值的值域在［0，2］范圍內(nèi)。

每月動(dòng)態(tài)對(duì)考核船舶進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估值較低的船舶需要與數(shù)據(jù)提供方協(xié)商溝通，考慮是否存在船舶數(shù)據(jù)傳輸中斷、數(shù)據(jù)缺報(bào)或者儀器設(shè)備故障等因素，進(jìn)而判斷是否需要替換船舶。

三、 船舶監(jiān)控模型實(shí)現(xiàn)

（一）功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)由數(shù)據(jù)接入層、功能層和展示層組成。數(shù)據(jù)接入層包含數(shù)據(jù)接入和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，確保船舶監(jiān)控模型從數(shù)據(jù)庫中采集實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。功能層包括船舶完整性、要素質(zhì)控情況統(tǒng)計(jì)及評(píng)估功能模塊。展示層主要對(duì)功能層評(píng)估數(shù)據(jù)做進(jìn)一步展示，主要為數(shù)據(jù)圖表、地圖軌跡可視化等功能模塊。模型系統(tǒng)架構(gòu)詳見圖2。

系統(tǒng)模型流程設(shè)計(jì)方面，監(jiān)控評(píng)估流程包括業(yè)務(wù)庫實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)完整性監(jiān)控、質(zhì)控信息統(tǒng)計(jì)與評(píng)估、船舶軌跡可視化。系統(tǒng)模型流程詳見圖3。

（二）完整性監(jiān)控

獲取實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)后，通過與考核船舶清單進(jìn)行對(duì)比，監(jiān)控模型及時(shí)統(tǒng)計(jì)當(dāng)日船舶到報(bào)情況。

（三）質(zhì)量評(píng)估

基于觀測(cè)要素質(zhì)控結(jié)果，以月為考核周期，對(duì)船舶傳輸及質(zhì)量情況進(jìn)行綜合評(píng)估。船舶評(píng)估結(jié)果詳見表3。

通過評(píng)估結(jié)果，可以看出船舶呼號(hào)為VRDQ5、SVCL9的評(píng)估數(shù)值為0，在［0，0.2］區(qū)間，屬于存在問題船舶，需進(jìn)一步核查數(shù)據(jù)缺收、觀測(cè)要素質(zhì)量問題，及時(shí)與數(shù)據(jù)提供方進(jìn)行反饋，判斷是否存在船舶退租或其他觀測(cè)設(shè)備問題。

四、結(jié)語

本文以國家氣象信息中心實(shí)時(shí)傳輸?shù)倪h(yuǎn)洋船舶氣象數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，通過構(gòu)建監(jiān)控模型，對(duì)其數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾砸约百|(zhì)量情況進(jìn)行更為及時(shí)、有效的運(yùn)維監(jiān)控工作，驗(yàn)證模型可行性。系統(tǒng)模型通過對(duì)船舶數(shù)據(jù)的監(jiān)控、評(píng)估結(jié)果表明，文中的監(jiān)控和評(píng)估模式簡(jiǎn)明且適用，可以對(duì)船舶報(bào)文傳輸及所探測(cè)的氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量情況進(jìn)行及時(shí)、有效的運(yùn)維監(jiān)控，確保數(shù)據(jù)有效應(yīng)用。

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作者單位：國家氣象信息中心

■ 責(zé)任編輯：王穎振、楊惠娟