基于AIS數據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現海上交通、船舶自動化和智能化的基礎。由于海上船舶通航環(huán)境非常復雜，一般無法直接獲得準確可靠的全部通航環(huán)境要素。因此，通過分析船舶行為大數據，認識船舶的行為特征，進而掌握微觀上的船舶的行為規(guī)律和宏觀上的海上交通規(guī)律。這是船舶操縱自動化的研究基礎，也是一個難點問題。本文主要研究利用船舶AIS數據分析船舶行為特征的方法。分析的方法為利用船舶會遇算法提取AIS數據中船舶行為。這項研究為船舶行為特征分析提供新的思路。

關鍵詞：船舶AIS數據;海上交通;船舶行為;會遇

1引言

海上交通是指特定水域內各類船舶運動的組合和各類船舶行為的總體。船舶行為研究是從船舶運動特點出發(fā)，分析船舶行為特征，是海上交通工程學重要內容。通過對船舶行為的研究，可以宏觀上和微觀上掌握海上交通，特別是船舶行為的基本特征和一般規(guī)律，對各相關單位管理措施的制定、港航工程建設、導助航設施設備的投入和各類船舶定線制的實施等都具有指導意義。

2會遇時空分析

船舶會遇是船舶間發(fā)生海上交通事故的必要前提，會遇形勢的復雜程度與船舶碰撞風險大小緊密相關，因而船舶會遇狀況在一定程度上表征海上船舶碰撞危險程度?？傮w上，會遇樣本數目相對較大，而船舶碰撞概率小、樣本少，因而研究船舶會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，對認識和改善海上船舶通航環(huán)境具有重要意義。

2.1會遇定義分類

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

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

（2）會遇是如果兩船同時處于某一給定距離以內的一種實際狀態(tài)。這種方法被大多數的海上交通工程研究人員采用。

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

（4）會遇是船舶在海上相遇后，進而導致其中一艘船舶或兩艘船舶都采取實際避讓行動。

船舶會遇率是指一個區(qū)域、單位時間內船舶會遇次數。本節(jié)采用第二種會遇定義，會遇的研究數據為船舶AIS。

2.2基于AIS的船舶會遇定義

本船舶會遇研究的數據是船舶AIS動態(tài)信息。這些數據包括有船舶的位置（經緯度）、航向、航速等信息，并從AIS靜態(tài)信息中提取船舶的長度、寬度、船舶識別碼等信息。

2.3船舶會遇時空分析的意義

船舶會遇的時空間分布、會遇船舶類型、會遇態(tài)勢是船舶行為特征分析的重要方面。船舶會遇研究所取得的成果是進行船舶交通管理、港航交通規(guī)劃的理論基礎。

（1）會遇空間分布

船舶會遇在不同水域的空間分布體現了船舶碰撞危險的空間分布。因此船舶會遇空間分布分析是有針對性地優(yōu)化港航設計和海上交通整治的重要理論依據。

（2）會遇時間分布

一天不同時段，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)現存在的碰撞風險，因而避讓措施采取會比較及時。相反地，在夜晚，船員值班時比較不易發(fā)現燈光微弱的小型船舶，就會造成較多的船舶會遇。因此船舶會遇頻率分布會根據一天之中的不同時段而呈現不同特點。

（3）會遇船舶類型

船舶類型不同、噸位不同，則船舶的操縱行為習慣就會存在區(qū)別，不同類型船舶的會遇情形就存在各自特點。本研究從不同船舶的長度、船舶種類等角度分析船舶會遇，為針對不同船舶類型的交通管理與服務提供理論依據。

3船舶會遇算法

3.1數據預處理

有些AIS信息是有錯誤，因而需要進行預處理，以提高數據精度和工作效率。

3.2船舶會遇算法

船舶AIS數據的特點是播發(fā)時間間隔短、數據量龐大。因而需要精心設計會遇提取算法，以便高效地分析舶會遇情況。

3.3算法分析和特點

第一步，會遇兩艘船舶在會遇時，他們的AIS記錄時間是相同的。

第二步，利用數據庫的SQL語言，可很方便進行兩船間的距離計算。

第三步，兩船會遇距離值（EncDist）需要按照不同具體情況進行分析確定。

第四步，進行會遇重復項檢查并刪除。

根據上述分析，本節(jié)設計的船舶會遇算法的時間復雜度為O（n），n為所有船舶AIS記錄數。

4實驗與分析

4.1以長江口為例的船舶會遇分析

1.研究范圍和數據整理

利用己建立的船舶AIS信息服務平臺采集長江口的船舶AIS數據作為實驗數據。根據長江口的情況，本文以緯度31°13′.4N至30°52′.3N，經度122°23′.0E至122°47′.3E之間的水域為研究水域。

2.會遇船舶分析

根據上述的船舶會遇算法，實現對表2-1中船舶AIS數據的會遇信息提取。根據船舶種類和船舶長度，統計分析獲得了如圖2～圖3的會遇船舶種類和尺度分布圖。

普通貨船（集裝箱、散雜船等）占有所有船舶比例大，因而這類船舶的會遇次數也在總會遇次數中占有相當大的比重。而圖4則呈現了會遇中船舶長度的分布特點。船長在50m～200m之間的會遇船舶占船舶總數的63.2%，200m米及以下小型船舶的會遇，則占的比例高達88.9%。

3.船舶會遇的空間分析

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

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

各來往的船舶在此和主航道上的航行船舶產生會遇，水域較為寬闊，次數相對較少。

4.船舶會遇的時間分布

深夜12點到4點是長江口內的船舶會遇時間較為集中的時段。經統計，深夜中的船舶會遇次數比重大，占30.1%，發(fā)生在夜間總的船舶會遇數量占57.9%。而15點和20點之間的船舶會遇數量相對小。夜間航行存在較多的不安全因素，從而導致船舶之間的會遇數量較多。

5.船舶會遇態(tài)勢分析

船舶相互駛近的會遇態(tài)勢有三種，即對遇、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數據中的實際航向（Course 0ver Ground，COG）來判斷船舶的會遇態(tài)勢，并以此進行船舶會遇態(tài)勢統計。

根據分析結果，長江口水域的船舶會遇中交叉相遇和追越居多，分別占總的會遇次數的56.3%和34.3%;而其中的小角度交叉相遇則占了44.2%。

4.2性能評估與分析

船舶會遇是船舶行為特征的重要方面，挖掘船舶會遇信息是研究海上船舶交通行為的一種的效手段。傳統的船舶會遇研究的數據收集較為費時費力，基于船舶AIS數據的船舶會遇信息挖掘具有很大的優(yōu)勢。

5小結

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容，也是制定海上交通規(guī)則、航路規(guī)劃、完善船舶運動數學模型的重要途徑。而船舶AIS數據中包含的船舶行為數據，如船舶位置、速度、航向、轉向等，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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