基于AIS數(shù)據(jù)的船舶流量觀測(cè)修正算法研究

黃第科 潘慶宏 黃瑞

摘 要：本文分析了內(nèi)河航道在航船舶的AIS運(yùn)行狀況和數(shù)據(jù)特點(diǎn)，針對(duì)AIS數(shù)據(jù)隨時(shí)間和空間變化的特性，對(duì)船舶數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，以滿足航道管理所需的船舶流量觀測(cè)業(yè)務(wù)要求，實(shí)現(xiàn)高精度的區(qū)域內(nèi)多斷面船舶流量觀測(cè)目標(biāo)，并進(jìn)行應(yīng)用示范。

關(guān)鍵詞：AIS數(shù)據(jù);船舶流量;修正系數(shù)

中圖分類號(hào)：U666 ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2020）07-0070-02

1 概述

船舶流量是指單位時(shí)間內(nèi)通過水域中某一地點(diǎn)的所有船舶的數(shù)量、方向、船速、總噸等，是表征某水域水上交通狀況的最基本量，也是航道發(fā)展定位、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及航道管理策略制定等決策的重要依據(jù)之一。

目前船舶流量一般采取人工、VTS、微波、激光[1]等方式進(jìn)行觀測(cè)，但在觀測(cè)精度、觀測(cè)范圍、建設(shè)成本等方面尚不能完全滿足航道管理的要求。

AIS（Automatic Identification System船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)），是由艦船飛機(jī)之?dāng)澄易R(shí)別器發(fā)展而成、在高精度衛(wèi)星定位技術(shù)和甚高頻無線電數(shù)字傳輸技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的船舶信息化技術(shù)，可用于船舶數(shù)據(jù)的采集。我國(guó)作為國(guó)際海事組織（IMO）的成員國(guó)，已基本實(shí)現(xiàn)300總噸以上船舶的AIS終端部署，AIS岸基系統(tǒng)主要由海事部門建設(shè)和管理，其數(shù)據(jù)可用于船舶流量觀測(cè)[2]。

目前，AIS數(shù)據(jù)可獲取的途徑包括國(guó)家/地方海事部門提供的官方數(shù)據(jù)、航運(yùn)信息服務(wù)企業(yè)提供的商業(yè)數(shù)據(jù)，以及通過自建基站獲取數(shù)據(jù)等。但由于多方面原因，船舶雖都裝有AIS終端，但在航船舶的開啟率達(dá)不到100%，特別是內(nèi)河航行船舶，其開啟率隨地域和船型的波動(dòng)率較大，某些區(qū)域的小噸位貨運(yùn)船舶開啟率甚至不到50%[2]。因此，依據(jù)AIS觀測(cè)到的船舶流量數(shù)據(jù)與實(shí)際流量數(shù)據(jù)存在較大的偏差，需要通過修正方可實(shí)現(xiàn)船舶流量的觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)。由于基于船舶AIS數(shù)據(jù)的方式具有成本低、建設(shè)周期短、覆蓋范圍廣的優(yōu)勢(shì)，通過修正實(shí)現(xiàn)精度較高的船舶流量觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)采集與分析

為了解目前內(nèi)河船舶AIS終端的實(shí)際工作狀況，對(duì)廣東省東江下游及倒運(yùn)海水道的船舶AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集和分析[3]，這兩條航道具有顯著代表性，對(duì)內(nèi)河航道中AIS開啟率研究具有普適性，故選擇兩點(diǎn)進(jìn)行分析。本文分別通過激光觀測(cè)方式和AIS觀測(cè)方式同步進(jìn)行720小時(shí)連續(xù)觀測(cè);其中，激光觀測(cè)方式經(jīng)檢測(cè)，其數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率優(yōu)于95%，在實(shí)驗(yàn)中以其測(cè)量值作為相對(duì)真值。

在倒運(yùn)海水道中，取倒運(yùn)海特大橋作為船舶流量觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)結(jié)果如下：

激光觀測(cè)結(jié)果共計(jì)10412艘船舶，AIS觀測(cè)結(jié)果共計(jì)5378艘：

3 修正系數(shù)研究

根據(jù)以上觀測(cè)數(shù)據(jù)研究修正系數(shù)計(jì)算算法，先通過聚類算法提取特征元素，根據(jù)相似特征元素進(jìn)行分類，根據(jù)聚類后的數(shù)據(jù)系統(tǒng)計(jì)算動(dòng)態(tài)權(quán)重，最終計(jì)算得出修正系數(shù)。具體算法如下：

修正系數(shù)設(shè)置用于設(shè)置統(tǒng)計(jì)船舶流量時(shí)的加權(quán)系數(shù)，對(duì)于安裝有實(shí)體船舶流量觀測(cè)系統(tǒng)（如基于激光傳感器的船舶流量觀測(cè)系統(tǒng)等）的觀測(cè)斷面，可以自動(dòng)根據(jù)AIS數(shù)據(jù)占實(shí)體觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的比例自動(dòng)設(shè)置比例系數(shù)，當(dāng)修改比例系數(shù)后，在此之前統(tǒng)計(jì)的報(bào)表不受影響，只對(duì)修改時(shí)間以后統(tǒng)計(jì)的報(bào)表和數(shù)據(jù)有影響。

4 觀測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證修正系數(shù)計(jì)算結(jié)果的正確性，本文在倒運(yùn)海特大橋上游8公里處和石龍東橋上游15公里處采取人工觀測(cè)一天的觀測(cè)結(jié)果如下：

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，兩處實(shí)際誤差小于0.1，接近真實(shí)船舶流量觀測(cè)數(shù)據(jù)，故AIS識(shí)別船舶經(jīng)修正后可作為較高精度的船舶流量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

本研究通過對(duì)AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性采集和分析，構(gòu)建修正函數(shù)對(duì)AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，并根據(jù)基準(zhǔn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同時(shí)間范圍、不同地理位置的參數(shù)自動(dòng)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)以船舶流量觀測(cè)為目標(biāo)的AIS數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)修正。本項(xiàng)目在廣東省進(jìn)行示范應(yīng)用，經(jīng)修正的AIS數(shù)據(jù)與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果誤差較小，可作為真實(shí)船舶流量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。本研究結(jié)果可推廣應(yīng)用于與相似特征航道的船舶流量觀測(cè)。

未來根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果，深入探索船舶AIS數(shù)據(jù)與航道管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融合的可能性，擴(kuò)充算法類型，提高基于AIS數(shù)據(jù)的船舶流量觀測(cè)精度，為航道管理業(yè)務(wù)提供更大的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈世宏.基于激光傳感器的船舶特征提取和流量檢測(cè)[D].江蘇：南京理工大學(xué)，2013. DOI：10.7666/d.Y2275975.

[2]邵哲平，周國(guó)瑞，潘家財(cái)，等.基于 AIS 數(shù)據(jù)挖掘的受限水域船舶動(dòng)態(tài)領(lǐng)域研究 [J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)， 2018， 20（5）：564–570.

[3]周毅.AIS信息解碼和顯示[J].航海技術(shù)，2006（2）：34-36.