船舶交通流建模與仿真研究進(jìn)展

徐武雄,初秀民,劉興龍

(1.武漢理工大學(xué) 水路公路交通安全控制與裝備教育部工程研究中心,湖北 武漢 430063;2.湖北科技學(xué)院 電信學(xué)院,湖北 咸寧 437100)

船舶交通流建模與仿真研究進(jìn)展

徐武雄1,2,初秀民1,劉興龍1

(1.武漢理工大學(xué) 水路公路交通安全控制與裝備教育部工程研究中心,湖北 武漢 430063;2.湖北科技學(xué)院 電信學(xué)院,湖北 咸寧 437100)

船舶交通流受到多種因素的影響,難以用精確的數(shù)學(xué)模型描述,人們常用仿真的方法對(duì)其進(jìn)行研究。通過仿真,可以定量或形象地分析船舶的行為特征和規(guī)律,評(píng)價(jià)航道的通過能力、航行風(fēng)險(xiǎn)、組織和管理等能力。對(duì)國內(nèi)外船舶交通流建模和仿真的進(jìn)展情況進(jìn)行分析和總結(jié),回顧了船舶交通流仿真的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,提煉了交通流仿真的核心內(nèi)容和流程。同時(shí)探討了船舶交通流的建模方法,并分析了船舶交通流仿真的關(guān)鍵技術(shù)及典型應(yīng)用。最后展望了交通流仿真的發(fā)展趨勢(shì)。

船舶交通流;建模與仿真;蒙特卡羅方法;智能體

水上運(yùn)輸具有運(yùn)量大、成本低和對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)勢(shì),世界各國都高度重視這種運(yùn)輸方式的發(fā)展,這使得運(yùn)輸船舶的數(shù)量、尺度和速度不斷增加,航線增多,交通流密度增大,可能造成水上交通事故的頻發(fā),導(dǎo)致生命財(cái)產(chǎn)的損失及環(huán)境的污染和破壞。為了應(yīng)對(duì)這種嚴(yán)峻安全形勢(shì)的挑戰(zhàn),需要對(duì)船舶行為進(jìn)行研究,而船舶行為受到人、船、環(huán)境和管理等多種因素的影響和制約,且隨時(shí)空動(dòng)態(tài)變化,難以用精確的數(shù)學(xué)模型來描述,加之水上交通也不適合用實(shí)船做試驗(yàn),這使人們很自然想到利用仿真的方法來模擬船舶行為。交通流是船舶行為最好的表現(xiàn)形式,通過對(duì)交通流的仿真研究,可定量或形象地分析船舶的行為特征和規(guī)律,為評(píng)價(jià)航道的通過能力、航行風(fēng)險(xiǎn)、組織和管理能力提供一種有力的手段和方法。

海上和內(nèi)河的通航環(huán)境、通航規(guī)則和船舶屬性等各有不同,其船舶交通流特征也有所差異,通過對(duì)交通流歷史數(shù)據(jù)的分析獲取其特征的分布規(guī)律模型,就可通過仿真的方式再現(xiàn)其交通流。本文對(duì)國內(nèi)外船舶交通流建模和仿真研究的進(jìn)展情況進(jìn)行分析和總結(jié)。首先回顧船舶交通流仿真的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,提煉交通流仿真研究的核心內(nèi)容和流程;其次,探討船舶交通流的建模方法,分析船舶交通流仿真研究的關(guān)鍵技術(shù)及典型應(yīng)用;最后,展望交通流仿真研究的發(fā)展趨勢(shì),并對(duì)本文進(jìn)行總結(jié)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

船舶交通流仿真研究隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展,綜合了相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)工程和水上交通工程領(lǐng)域的基本理論和專業(yè)技術(shù),世界各國在這個(gè)領(lǐng)域做了大量的研究工作,取得了一些重要成果。

1.1 國外研究

船舶交通仿真研究始于20世紀(jì)60年代,其中,日本在海上交通建模和仿真方面的研究起步較早,對(duì)水上交通的仿真模型、仿真技術(shù)和仿真系統(tǒng)的構(gòu)建等進(jìn)行了比較深入的研究。杉崎昭生[1]建立了各種交通流的宏觀模型和微觀模型,開發(fā)了海上交通模擬器和模擬試驗(yàn)程序設(shè)計(jì)語言MSPL,對(duì)船舶交通流的特性進(jìn)行定量和定性的研究。K.Hasegawa等[2]開發(fā)了一個(gè)智能海上交通仿真器,船舶避碰決策由專家系統(tǒng)和模糊推理來實(shí)現(xiàn),作為一個(gè)仿真工具可以評(píng)估各種海域、航道、交通條件下的船舶交通狀況,確定交通危險(xiǎn)的變化程度。M.Numano等[3]開發(fā)了一個(gè)實(shí)時(shí)的多計(jì)算機(jī)組成的海上仿真系統(tǒng),可以應(yīng)用于船舶安全航行或視覺航標(biāo)布設(shè)的評(píng)估等。

除了日本,其他水路運(yùn)輸資源豐富的國家在交通流仿真方面也進(jìn)行了卓有成效的研究。A.N.Ince等[4]設(shè)計(jì)了土耳其海峽船舶交通管理與信息系統(tǒng),提出了船舶操縱、船舶交通流仿真、水文預(yù)測模型,考慮風(fēng)和流的環(huán)境條件下,對(duì)船舶交通安全和有效的航行進(jìn)行模擬試驗(yàn),可確定防止發(fā)生水上交通事故的航行條件。F.Goerlandt等[5]建立船舶碰撞事故風(fēng)險(xiǎn)仿真模型,以芬蘭海灣為例進(jìn)行了仿真試驗(yàn),結(jié)果與實(shí)際的事故數(shù)據(jù)一致。Fang Hui[6]構(gòu)建了一個(gè)水上交通網(wǎng)絡(luò)的船舶航行和交通流仿真系統(tǒng),利用這個(gè)模型分析新加坡水域各種不同條件下的交通流特征以及通過能力。L.A.G.Franzese等[7]建立了一個(gè)巴拿馬運(yùn)河航道和船閘的交通流仿真模型,可完成對(duì)運(yùn)河的通過能力和服務(wù)水平等的仿真研究。

日本和歐洲等水運(yùn)資源豐富的國家在船舶交通流仿真方面的研究起步較早,在建模方法、仿真理論、仿真工具和應(yīng)用領(lǐng)域等方面進(jìn)行了深入研究。海上或運(yùn)河的交通流作為主要的仿真對(duì)象,最初以宏觀交通仿真流研究為主,后來也加強(qiáng)了對(duì)微觀交通流仿真的研究,除了蒙特卡羅建模方法之外,也加入了專家系統(tǒng)和智能體等智能避碰算法,使仿真的可信度不斷增加。這些研究成果不僅僅停留在理論層面,在一些海事管理部門也有成功的應(yīng)用。

1.2 國內(nèi)研究

國內(nèi)在水上交通流的仿真研究方面起步較晚,從20世紀(jì)80年代開始,大連海事大學(xué)方祥麟教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)對(duì)海上交通仿真進(jìn)行了一系列的研究[8-11]。文獻(xiàn)[8]提出了海上交通系統(tǒng)GPSS仿真模擬方法,通過各種子模型的組合構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對(duì)海上交通系統(tǒng)的定性和定量分析;文獻(xiàn)[9]應(yīng)用排隊(duì)論及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立了海上交通微-宏觀仿真模型,該模型的輸入為港口的交通設(shè)計(jì)方案,輸出為該港口的交通參數(shù),從而可以直接在交通模型上研究、驗(yàn)證交通管制方案的可行性,修改交通方案的管制參數(shù),以便選定最佳方案;文獻(xiàn)[10]利用蒙特卡羅仿真方法對(duì)海上交通流進(jìn)行了仿真模擬;文獻(xiàn)[11]利用智能體的方法對(duì)交通流進(jìn)行仿真研究。武漢理工大學(xué)在內(nèi)河和港口交通仿真方面也進(jìn)行了一些研究:朱順應(yīng)等[12]建立了三峽樞紐運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)輸組織方案論證與優(yōu)化的計(jì)算機(jī)仿真模型,對(duì)通過三峽樞紐的船舶交通流進(jìn)行調(diào)度模擬,提出優(yōu)化的調(diào)度方案;楊星等[13]構(gòu)建了基于通航服務(wù)資源的內(nèi)河船舶交通流模型,能實(shí)現(xiàn)對(duì)航道通過能力和服務(wù)水平的評(píng)估;劉敬賢等[14]分析了港口航道系統(tǒng)特征及船舶交通流特征,建立基于船舶行為特征的港口航道通過能力仿真模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)港口航道通過能力的計(jì)算、評(píng)估和預(yù)測。上海海事大學(xué)的楊神化等[15]應(yīng)用Multiagent系統(tǒng)理論和技術(shù),構(gòu)建和開發(fā)了智能港口交通流模擬系統(tǒng),仿真研究了規(guī)劃水域的船舶交通流狀況,為港口規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的評(píng)估論證提供了參考依據(jù)。

國內(nèi)的海上和內(nèi)河航運(yùn)資源比較豐富,海事管理部門和科研人員逐漸認(rèn)識(shí)到船舶交通流仿真研究的重要性,上述的一些大學(xué)分別對(duì)海上、內(nèi)河和港口的船舶交通流仿真的理論、方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)等進(jìn)行了一些研究和探討。與國外相比,國內(nèi)在仿真關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用方面還相對(duì)落后,主要研究如何實(shí)現(xiàn)仿真,真正將仿真應(yīng)用于實(shí)際的案例還不多見。

2 船舶交通流仿真流程

船舶交通流仿真的核心內(nèi)容主要包括:交通流現(xiàn)象的掌握、描述、再現(xiàn)、仿真交通流的驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。掌握是通過收集交通流的實(shí)態(tài)數(shù)據(jù),獲取交通流的統(tǒng)計(jì)規(guī)律;描述是根據(jù)交通流統(tǒng)計(jì)規(guī)律建立相應(yīng)的仿真模型;再現(xiàn)是交通流仿真試驗(yàn)的設(shè)計(jì),根據(jù)仿真目的改變仿真條件,設(shè)計(jì)不同的仿真研究方案;驗(yàn)證和評(píng)價(jià)是根據(jù)仿真研究結(jié)果評(píng)價(jià)模型的可信度。

根據(jù)仿真的核心內(nèi)容可以確定仿真的流程(見圖1)。其基本步驟如下:①問題描述。經(jīng)過充分地調(diào)查和分析,明確要解決的問題和目標(biāo),確定建模方法、系統(tǒng)邊界、仿真實(shí)現(xiàn)等問題。②數(shù)據(jù)采集和處理。通過助航設(shè)備和現(xiàn)場實(shí)態(tài)調(diào)查等方式,收集船舶交通流相關(guān)的各種數(shù)據(jù),比如船舶類型、尺寸、速度和到達(dá)時(shí)間間隔等;然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪聲、重構(gòu)和分類等處理;最后,用統(tǒng)計(jì)分析的方法處理這些數(shù)據(jù),獲得交通流相關(guān)隨機(jī)變量的概率分布規(guī)律。③建立仿真模型。船舶交通流的有些參數(shù)具有離散的特征,比如船舶到達(dá)觀測線的時(shí)間,有些參數(shù)具有連續(xù)的特征,比如船舶航行的時(shí)空位置,因此,根據(jù)交通流的不同統(tǒng)計(jì)特性建立船舶生成模型、航路模型、航行模型和避碰模型等,并按照固定步長時(shí)間推進(jìn)機(jī)制完成仿真過程。④程序編制和驗(yàn)證。船舶交通仿真還沒有通用的仿真軟件,需自行編制程序?qū)崿F(xiàn)仿真算法,并對(duì)仿真程序的正確性和高效性進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證。⑤仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)和運(yùn)行。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?設(shè)置不同的初始條件和仿真場景,設(shè)計(jì)不同的試驗(yàn)方案,生成相應(yīng)的船舶交通流。⑥仿真研究結(jié)果分析。將仿真研究結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證和評(píng)價(jià)仿真研究的可信度。

圖1 交通流仿真流程Fig.1 Flow chart of simulation for traffic flow

3 建模方法

船舶交通流的建模方法以蒙特卡羅(Monte Carlo)方法為基礎(chǔ),逐漸發(fā)展到利用元胞自動(dòng)機(jī)(Cellular Automaton)和智能體(Agent)等人工智能的方法。

3.1 蒙特卡羅方法

蒙特卡羅方法根據(jù)隨機(jī)變量的概率模型產(chǎn)生隨機(jī)數(shù),模擬隨機(jī)過程,解決隨機(jī)的或確定性問題。船舶交通流的形成是一個(gè)隨機(jī)過程,船舶的速度、長度、到達(dá)時(shí)間和船舶的航行路徑等變量都是隨機(jī)的,用蒙特卡羅方法仿真研究船舶交通流是可行的。其建模方法就是利用概率統(tǒng)計(jì)中的直方圖、曲線擬合和假設(shè)檢驗(yàn)等工具對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,獲得船舶速度、長度和到達(dá)時(shí)間間隔等隨機(jī)變量的概率分布規(guī)律,再根據(jù)其分布規(guī)律確定隨機(jī)數(shù)的生成算法,繼而生成船舶交通流。

蒙特卡羅方法是目前使用最廣泛的一種模擬方法。文獻(xiàn)[5]對(duì)芬蘭海灣船舶的到達(dá)時(shí)間、類型、尺寸和航行路徑這些隨機(jī)變量的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,建立了隨機(jī)變量的概率模型,用蒙特卡羅方法生成交通流。文獻(xiàn)[2]所開發(fā)的智能海上仿真器中,用蒙特卡羅方法生成船舶,實(shí)現(xiàn)對(duì)各種條件下海事交通狀況的評(píng)估。文獻(xiàn)[10]利用蒙特卡羅仿真方法對(duì)海上交通流進(jìn)行了仿真模擬。

蒙特卡羅方法是船舶交通流仿真研究最基本的方法,是生成船舶和航行路徑必不可少的方法,一般蒙特卡羅方法不能單獨(dú)使用,還需要輔之以其他方法進(jìn)行航行避碰的決策研究。

3.2 元胞自動(dòng)機(jī)方法

元胞自動(dòng)機(jī)是將空間按照一定的形狀分割成規(guī)則網(wǎng)格(稱之為元胞),并使這些離散的、有限狀態(tài)的元胞遵守一定的局部規(guī)則,隨離散的時(shí)間不斷演化的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。元胞下一時(shí)刻狀態(tài)的變化不僅與當(dāng)前時(shí)刻元胞自身的狀態(tài)有關(guān),還與當(dāng)前時(shí)刻周圍其他元胞的狀態(tài)有關(guān),元胞之間這種簡單而又相互作用的演化規(guī)則可以用來模擬汽車、自行車和船舶等交通工具的行為。元胞自動(dòng)機(jī)交通流模型是以Wolfram的184號(hào)模型為基礎(chǔ)擴(kuò)展而成的,在這些模型中,空間、時(shí)間和速度都被離散化為整數(shù),道路或航道被劃分成離散的網(wǎng)格(即元胞),元胞可以被交通工具占據(jù),則其狀態(tài)為“1”,也可以是空的,則其狀態(tài)為“0”,速度為整數(shù),表示單位時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的元胞的數(shù)量,在從時(shí)間t向t+1推進(jìn)時(shí),根據(jù)交通規(guī)則進(jìn)行演化。

元胞自動(dòng)機(jī)在道路交通流的建模方面應(yīng)用比較多,在水上交通流方面的建模還不多見。Qu Xiao-bo等[16]提出了一種改進(jìn)的元胞自動(dòng)機(jī)模型對(duì)新加坡海峽的船舶交通流進(jìn)行仿真研究。新加坡海峽長42 km,根據(jù)船舶尺寸和速度,將元胞大小設(shè)置為寬60 m,長30 m的格子,航道縱向劃分成1 400個(gè)元胞,橫向元胞的數(shù)量隨航道寬度而變化。船舶速度的單位取整數(shù),單位為cell/min。設(shè)置了10條船舶跟隨規(guī)則和5條交叉避讓規(guī)則用來演化船舶對(duì)各種航行場景的反應(yīng)。通過比較仿真船舶和實(shí)際船舶的通過時(shí)間驗(yàn)證了這個(gè)模型的可行性。A.Blokus-Roszkowska等[17]提出了一個(gè)元胞自動(dòng)機(jī)模型用來模擬環(huán)形和簡單交叉航道的船舶交通流。這個(gè)模型用來描述船舶的運(yùn)動(dòng),考慮了船舶的類型、速度、船長、船舶的行為、操縱性、航道狀態(tài)和交通流密度,可以用來評(píng)估碰撞風(fēng)險(xiǎn)和海事交通組織能力。Feng Hong-xiang[18]構(gòu)建了一個(gè)元胞自動(dòng)機(jī)模型,考慮船舶之間的交互,模擬航道被部分關(guān)閉時(shí)對(duì)船舶交通流的影響。

元胞自動(dòng)機(jī)建模交通流具有許多優(yōu)點(diǎn):能以簡單的演化規(guī)則模擬復(fù)雜的非線性交通現(xiàn)象,且仿真計(jì)算效率高,仿真算法容易實(shí)現(xiàn)。但也有固有的缺陷:①船舶的長度必須是元胞長度的整數(shù)倍,由于船舶長度大小不一,其長度需作近似處理。②船舶速度必須是元胞長度的整數(shù)倍,而速度大小不等,也需作近似處理。③航道被網(wǎng)格離散化,船舶的位置也被固定在網(wǎng)格的中心點(diǎn),船舶的軌跡點(diǎn)只能以這些中心點(diǎn)表示,這與實(shí)際隨機(jī)分布的船舶軌跡不相符。因此,元胞自動(dòng)機(jī)比較適合于海上大范圍的船舶交通流仿真,而對(duì)內(nèi)河小范圍的仿真其誤差比較大。

3.3 智能體方法

基于智能體(Agent)的建模與仿真是20世紀(jì)90年代興起的一種新的建模仿真方法,適合于仿真研究各種復(fù)雜系統(tǒng)。Agent的主要特征有:具有自主性,可以在沒有人或其他Agent的干預(yù)下運(yùn)行,自主控制自己的內(nèi)部狀態(tài)和行為;具有反應(yīng)性,不僅能感知環(huán)境,還能對(duì)環(huán)境的變化做出響應(yīng);具有社會(huì)性,能和人或其他Agent進(jìn)行交互協(xié)作。船舶是由人操縱的,本質(zhì)上船舶行為是人的行為的體現(xiàn),而船舶的行為特征與上述Agent的特征是類似的,利用多個(gè)Agent來模擬船舶交通流是非常合適的。

文獻(xiàn)[3]開發(fā)了一個(gè)實(shí)時(shí)的基于Agent的多計(jì)算機(jī)組成的海上仿真系統(tǒng),每一艘船舶被看作一個(gè)智能體,沿著自己的規(guī)劃路徑運(yùn)動(dòng),系統(tǒng)可以同時(shí)模擬200多條船舶的運(yùn)行狀態(tài),可以應(yīng)用于船舶安全航行的評(píng)估和視覺航標(biāo)的布設(shè)評(píng)估等。O.Vaněk等[19]設(shè)計(jì)了一個(gè)基于多智能體的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)海事流交通仿真系統(tǒng),用來評(píng)估船舶通過受海盜影響的水域的交通狀況。系統(tǒng)構(gòu)建了3種Agent模型:機(jī)械船Agent,海盜船Agent和海軍船Agent,能精確地模擬全球的船運(yùn)模式和海盜攻擊的分布情況。Xiao Fang-liang等[20]開發(fā)了一個(gè)長江船舶交通流多智能體仿真模型,用多智能體仿真船舶之間的交互,模型可以提供船舶如何出錯(cuò)的詳細(xì)信息,還可以幫助航路設(shè)計(jì)、橋梁設(shè)計(jì)和交通管理。文獻(xiàn)[11]針對(duì)海上交通流的特點(diǎn),引入多Agent技術(shù)模擬船舶交通系統(tǒng),對(duì)Agent的描述模型、結(jié)構(gòu)體系決策和學(xué)習(xí)機(jī)制進(jìn)行了研究。

上述文獻(xiàn)利用Agent建模方法對(duì)海上船舶交通流進(jìn)行了模擬,由于船舶具有Agent的人工智能特性,仿真效果比較理想。但國內(nèi)外使用Agent進(jìn)行船舶交通仿真的研究和應(yīng)用并不多見,主要是因?yàn)?①Agent技術(shù)在體系結(jié)構(gòu)、編程語言和開發(fā)工具等方面還沒有統(tǒng)一的規(guī)范,其模型的實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜,很多研究側(cè)重于Agent仿真系統(tǒng)框架的設(shè)計(jì),對(duì)如何編程實(shí)現(xiàn)則研究較少。②一個(gè)復(fù)雜的船舶交通流仿真系統(tǒng),需要定義多個(gè)Agent,每個(gè)Agent的運(yùn)行需要復(fù)雜的計(jì)算,這樣,整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行需花費(fèi)較長的時(shí)間,為了解決這個(gè)仿真效率低的問題,現(xiàn)在正在研究并行Agent仿真技術(shù)。

4 關(guān)鍵技術(shù)

船舶交通流建模和仿真研究是一個(gè)復(fù)雜的過程,主要涉及以下關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 數(shù)據(jù)采集和處理

船舶交通流仿真是對(duì)歷史實(shí)際交通流現(xiàn)象的再現(xiàn),采集和處理交通流歷史數(shù)據(jù)是非常關(guān)鍵的一步。隨著信息技術(shù)的發(fā)展,數(shù)據(jù)采集的手段和處理的方法日益多樣化。

4.1.1數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集主要采集船舶的到達(dá)時(shí)間、速度、尺寸、種類、數(shù)量和軌跡分布等信息,這些信息一般通過以下幾種方式獲取:①AIS(Automatic Identification System)數(shù)據(jù)。船載AIS設(shè)備可以自動(dòng)發(fā)送本船和接收它船的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),比如:MMSI號(hào)、船名、船籍、船長、船寬、船舶類型、船位、船速、航向、船舶吃水等信息。海事監(jiān)管部門設(shè)立的岸基端AIS基站可以接收船舶發(fā)送的AIS信息,因此,可通過海事監(jiān)管部門提供的AIS數(shù)據(jù)獲取船舶的交通流信息。②實(shí)地調(diào)查。在我國的內(nèi)河,比如長江,船載AIS的開啟率只有80%,又因?yàn)橛胁糠执dAIS與海事部門的岸基AIS設(shè)備不兼容,實(shí)際上只有60%船舶的AIS信息可以被海事部門接收,所以,對(duì)內(nèi)河交通仿真研究時(shí),為保障數(shù)據(jù)的完整性,還需要實(shí)地對(duì)船舶交通流進(jìn)行調(diào)查。③雷達(dá)數(shù)據(jù)。雷達(dá)數(shù)據(jù)在一定程度上反映目標(biāo)船舶的大小、形狀、位置、航向和航速等信息,這些信息可以從海事監(jiān)管部門的岸基雷達(dá)獲取。

4.1.2數(shù)據(jù)處理 對(duì)于所采集的AIS和雷達(dá)數(shù)據(jù)需進(jìn)行如下處理:①AIS數(shù)據(jù)修復(fù)。AIS數(shù)據(jù)在傳輸過程中會(huì)出現(xiàn)丟包導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失或由于干擾等原因?qū)е聰?shù)據(jù)異常等現(xiàn)象。對(duì)丟失的數(shù)據(jù)如果是處于直線航段通常采用線性插值的方法進(jìn)行修復(fù),如果是在彎曲航段通常采用多項(xiàng)式插值的修復(fù)方法,以保障數(shù)據(jù)的完整性;對(duì)于船舶速度及船舶位置等數(shù)據(jù)如果超出了正常的范圍,需設(shè)定一閾值,將超過該閾值的異常數(shù)據(jù)剔除,以保障數(shù)據(jù)的正確性;②數(shù)據(jù)融合[21]。AIS數(shù)據(jù)和雷達(dá)數(shù)據(jù)具有互補(bǔ)性和冗余性,且這兩種數(shù)據(jù)的采集精度和周期等都有很大的差異,對(duì)這兩種數(shù)據(jù)的位置信息進(jìn)行融合可以提高船舶航跡的精度和可靠性,其融合過程包括坐標(biāo)變換、時(shí)間對(duì)準(zhǔn)、航跡相關(guān)和航跡融合等步驟。

4.2 交通流生成

4.2.1船舶生成 由于船舶的出現(xiàn)時(shí)間和屬性都是隨機(jī)的,所以船舶的生成采用3.1節(jié)所述的蒙特卡羅方法。首先根據(jù)歷史船舶交通流數(shù)據(jù)獲得船舶到達(dá)時(shí)間間隔、船舶速度、船舶長度和船舶類型等隨機(jī)變量的概率統(tǒng)計(jì)規(guī)律;然后確定這些隨機(jī)變量對(duì)應(yīng)的隨機(jī)數(shù)的生成算法;最后根據(jù)這些算法生成時(shí)間間隔即可生成船舶到達(dá)的時(shí)間,生成船舶類型,生成船舶速度和船舶長度和寬度。

4.2.2航路生成 由于航道通常是彎曲的,線段A1A2A3A4,B1B2B3B4是航道的邊界(如圖2),在航道的彎曲處將航道分段,如門線A1B1,A2B2,A3B3,A4B4將航道分成3段,在每一個(gè)航段內(nèi),船舶沿門線上的2點(diǎn)構(gòu)成的連線作為航行路徑,比如連線C1C2是第1航段里的1條路徑。門線上的這些點(diǎn) C1,C2,C3,C4稱之為路點(diǎn)(waypoint),這些路點(diǎn)是用蒙特卡羅方法生成的。首先根據(jù)船舶歷史軌跡經(jīng)過門線的位置坐標(biāo)確定船舶在門線處位置分布的概率分布規(guī)律,比如正態(tài)分布,再利用蒙特卡羅方法就可以隨機(jī)生成這些路點(diǎn),為了避免路點(diǎn)時(shí)而出現(xiàn)在航道中心線的左側(cè)、時(shí)而出現(xiàn)在右側(cè)這種與實(shí)際不符的情況,路點(diǎn)都取航道中心線同一側(cè)的點(diǎn)。

圖2 航段分段示意Fig.2 Waterway divided into several sections

4.2.3避碰策略 船舶沿著航路航行時(shí),會(huì)遭遇追越、對(duì)遇和交叉相遇等態(tài)勢(shì),為了避免發(fā)生碰撞,需要采取避碰措施,不同的仿真系統(tǒng)采用的避碰策略也不一樣。通常采用的避碰策略主要有:①專家系統(tǒng)避碰策略。賀波[22]根據(jù)船舶間的會(huì)遇最小距離TCPA(Distance to Closest Point Approach)和船舶間會(huì)遇的最小時(shí)間TCPA(Time to Closest Point Approach)作為主要依據(jù)建立專家系統(tǒng),對(duì)會(huì)遇情況作為避碰決策。②元胞自動(dòng)機(jī)避碰。文獻(xiàn)[16-17]將航道分割成元胞,船舶依據(jù)元胞的局部相互作用和演化規(guī)則實(shí)現(xiàn)避碰和航行。③Agent避碰。楊神化[23]對(duì)船舶避碰算法進(jìn)行了深入研究,提出了基于Agent的船舶避碰決策支持系統(tǒng),對(duì)多船避碰進(jìn)行了仿真研究;文獻(xiàn)[3,19]也采用Agent的方法實(shí)現(xiàn)避碰生成船舶交通流。④人工勢(shì)場避碰。張鳴鳴等[31]利用人工勢(shì)場法對(duì)海上船舶進(jìn)行勢(shì)場力的分析,根據(jù)船舶所受斥力和引力合力的大小和方向來確定船舶轉(zhuǎn)向和速度的變化,實(shí)現(xiàn)避碰;Xiao Fang-liang等[20]對(duì)人工勢(shì)場進(jìn)行改進(jìn),提出了人工力場的概念,對(duì)內(nèi)河的船舶實(shí)現(xiàn)避碰,生成交通流。前3種方法都帶有人工智能的特征,能較好地模擬船舶的避碰行為,但算法實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜;最后一種方法算法比較簡單,容易實(shí)現(xiàn),但確定斥力和引力大小缺乏理論的支撐,需通過仿真試驗(yàn)確定。

4.3 實(shí)現(xiàn)技術(shù)

船舶交通流仿真模型建立后,如何實(shí)現(xiàn)這些模型是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。在道路交通仿真方面有許多成熟的商業(yè)仿真軟件供人們選擇,而在水上交通仿真方面還沒有類似的比較成熟的軟件出現(xiàn)。由于水上交通具有離散事件的特征,有些研究者利用離散事件仿真軟件來模擬船舶的調(diào)度和通過能力。比如, E.K?se等[24]利用SlamⅡ軟件構(gòu)建了伊斯坦布爾海峽的仿真模型,對(duì)不同條件下的交通流進(jìn)行了仿真研究;文獻(xiàn)[25-26]使用Arena軟件對(duì)海峽和內(nèi)河船舶的通過能力進(jìn)行仿真研究。這些離散仿真軟件更多地是從宏觀層面對(duì)船舶交通進(jìn)行仿真研究,無法反應(yīng)船舶之間的交互和避碰等微觀行為,具有一定局限性。

為了從微觀層面更逼真地模擬船舶行為,人們更多地自主編程實(shí)現(xiàn)仿真。常用的編程語言有Visual C++及Java,使用數(shù)據(jù)Access,SQL和Oracle等對(duì)生成的船舶數(shù)據(jù)進(jìn)行管理,使用電子海圖或電子江圖作為可視化顯示背景。文獻(xiàn)[22]中船舶交通量的模擬通過Visual C++編程實(shí)現(xiàn),文獻(xiàn)[11]用Java實(shí)現(xiàn)了基于Agent的船舶交通流仿真模型。C++和Java均為面向?qū)ο缶幊陶Z言,而船舶行為可以用對(duì)象來描述,所以,這兩種語言適合于船舶交通流的編程,而基于微軟的Visual Studio開發(fā)平臺(tái)的C++使用更加普遍。在編制程序時(shí),將每艘船舶看作一個(gè)對(duì)象,用對(duì)象來表示船舶的屬性和行為,仿真時(shí)間的推進(jìn)采用固定時(shí)間步長,以秒為單位。實(shí)現(xiàn)的主要流程為:①確定仿真邊界、仿真持續(xù)的時(shí)間及仿真的時(shí)間步長等初始條件。②仿真時(shí)間按時(shí)間步長向前推進(jìn),如果達(dá)到生成船舶的時(shí)間則生成船舶對(duì)象,并加入在航船舶數(shù)據(jù)庫,接著生成航路,然后對(duì)已生成的在航船舶對(duì)象進(jìn)行逐一掃描,根據(jù)船舶所處的航行環(huán)境及與周圍其他船舶的會(huì)遇狀態(tài)作出避碰和航行決策,并更新自己的位置、速度和航向等狀態(tài)信息;③如果船舶到達(dá)了終點(diǎn)則從在航船舶數(shù)據(jù)中刪除,如果仿真時(shí)間到了則結(jié)束仿真,并統(tǒng)計(jì)仿真數(shù)據(jù)生成仿真報(bào)告。

4.4 仿真驗(yàn)證

仿真研究結(jié)果是否可信是一個(gè)仿真系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵,一個(gè)可信度不高的系統(tǒng)是沒有意義的,對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行校核(Verification)和驗(yàn)證(Validation)是仿真過程不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)。模型的校核就是確定實(shí)現(xiàn)模型的計(jì)算機(jī)程序及其實(shí)現(xiàn)是否正確的過程;模型的驗(yàn)證是確定模型代表實(shí)際系統(tǒng)是否精確的過程。人們往往只注重對(duì)仿真程序的校驗(yàn),而將仿真結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行比較驗(yàn)證這一根本性問題還缺乏從方法學(xué)的高度進(jìn)行研究。船舶交通常采用以下方法對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證:①可視化驗(yàn)證。仿真場景以電子海圖或電子江圖為背景,生成的船舶隨時(shí)間運(yùn)動(dòng),觀察其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和軌跡是否符合實(shí)際情況和符合預(yù)期的目標(biāo)。②對(duì)比驗(yàn)證。將仿真數(shù)據(jù)與歷史或當(dāng)前的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,比如,船舶數(shù)量、長度和速度等,可以采用表格、條形圖和曲線等比較直觀的方式比較數(shù)據(jù)的接近程度。③統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)驗(yàn)證。采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的統(tǒng)計(jì)和假設(shè)檢驗(yàn)方法對(duì)仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn),分別看其均值與方差是否有明顯差異。

5 典型應(yīng)用

水上船舶交通流仿真可以動(dòng)態(tài)和逼真地模擬復(fù)雜的船舶行為和各種交通現(xiàn)象,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和仿真技術(shù)的發(fā)展,船舶交通流仿真作為一種研究水上交通的重要手段和工具,正逐步應(yīng)用于評(píng)價(jià)航道的通過能力、航行風(fēng)險(xiǎn)、組織和管理能力等方面。

(1)通過能力 航道通過能力受到航道、船舶和運(yùn)輸組織形式等多種因素的影響,在仿真時(shí),通常可以設(shè)置一些因素不變,其余因素變化時(shí)的仿真場景,比如:航道和運(yùn)輸組織形式不變的,改變船舶類型或速度,然后改變船舶到達(dá)的時(shí)間間隔分布,統(tǒng)計(jì)通過航段的船舶數(shù)量,在單位時(shí)間內(nèi),當(dāng)通過的船舶數(shù)量不再明顯增加時(shí),這時(shí)通過的船舶數(shù)量可看作為通過能力。D.Mavrakis等[27]提出了Bosporus海峽的海事交通仿真隊(duì)列模型,航道的物理特性和通航規(guī)則被集成到這個(gè)模型中,基于歷史數(shù)據(jù)的幾個(gè)交通仿真場景被完成,得出了相應(yīng)的船舶交通通過能力。

(2)航行風(fēng)險(xiǎn) 航行風(fēng)險(xiǎn)同樣受到船、人、通航環(huán)境和通航規(guī)則等多種因素的影響,通過仿真來評(píng)價(jià)航行風(fēng)險(xiǎn),通常的做法是設(shè)置不同影響因素下的仿真場景,統(tǒng)計(jì)船舶之間和船舶與礙航物會(huì)遇的次數(shù),次數(shù)越多,風(fēng)險(xiǎn)越高。文獻(xiàn)[5]以碰撞探測算法為基礎(chǔ),提出了一個(gè)給定區(qū)域的船舶交通流微觀仿真模型,應(yīng)用蒙特卡羅仿真技術(shù)計(jì)算船舶會(huì)遇的次數(shù),并以此為基礎(chǔ)預(yù)測船舶碰撞事故發(fā)生次數(shù),事故發(fā)生時(shí)間和地點(diǎn)。

(3)調(diào)度管理 在港口、海峽、運(yùn)河、橋區(qū)和壩區(qū)等限制通航水域,為保障通航的安全和效率,通常需要對(duì)船舶交通進(jìn)行調(diào)度管理,制定調(diào)度規(guī)則,配置駁船、拖船和引航員等調(diào)度資源。為了評(píng)估調(diào)度規(guī)則和資源配置的合理性,通常采用仿真的方法來實(shí)現(xiàn),根據(jù)不同的調(diào)度規(guī)則和資源配置設(shè)計(jì)仿真場景,通過考察通航的安全和效率指標(biāo)確定優(yōu)化的調(diào)度規(guī)則和資源配置。O.S.Uluscu Tutun[28]建立了伊斯坦布爾海峽的船舶交通模型,設(shè)計(jì)了船舶調(diào)度算法,研究各種不同的船舶到達(dá)頻率,引航員的數(shù)量和拖船的數(shù)量等對(duì)系統(tǒng)行為的影響,并檢驗(yàn)調(diào)度算法的性能。

6 研究展望

系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)在不斷發(fā)展,也推動(dòng)船舶交通流仿真技術(shù)不斷進(jìn)步,其研究的熱點(diǎn)主要包含如下內(nèi)容。

(1)智能化建模和仿真 船舶交通受到人、船、環(huán)境和管理等多種因素影響,是一個(gè)典型的復(fù)雜系統(tǒng),船舶是由人操控的,既要感知環(huán)境,對(duì)環(huán)境作出反應(yīng),還要能與其它船舶進(jìn)行交互避碰,船舶行為具有明顯的智能性,需要采用人工智能的方法對(duì)其建模,才能獲得可信度比較高的仿真效果。基于Agent的建模和仿真是今后研究熱點(diǎn),現(xiàn)在雖有很多文獻(xiàn)提出了Agent的建模方法,但真正商業(yè)化應(yīng)用的還不多見,尤其是國內(nèi)的研究大多只是提出想法和架構(gòu),還沒有自己的比較成功的開發(fā)平臺(tái)。

(2)仿真算法優(yōu)化 對(duì)于船舶交通流仿真系統(tǒng),如果生成的在航船舶較多,需要對(duì)每一條船舶進(jìn)行計(jì)算處理,會(huì)導(dǎo)致程序運(yùn)行時(shí)間很長,因此,需要研究新的仿真算法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,提高模型的運(yùn)算速度、模型的正確性和有效性。

(3)可視化分析技術(shù) 可視化分析是通過可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,從大量的、動(dòng)態(tài)的、模糊的甚至是混亂的數(shù)據(jù)中合成和抽取預(yù)期的或意外的有價(jià)值的信息,并以直觀和形象的方式呈現(xiàn),為決策評(píng)估提供及時(shí)、明確和易于理解的參考?？梢暬治黾夹g(shù)是一個(gè)相對(duì)較新的研究領(lǐng)域,交通流信息可視化分析技術(shù)更是處于一個(gè)起步和發(fā)展階段,交通流仿真研究會(huì)產(chǎn)生大量的船舶信息和交通流時(shí)空數(shù)據(jù),通過對(duì)這些信息進(jìn)行可視化分析,可以直觀地考察船舶交通流的分布規(guī)律以及探究交通信息中隱藏的船舶行為模式。N.Willems[29]對(duì)海上船舶交通信息可視技術(shù)進(jìn)行了深入研究,開發(fā)了一個(gè)海事監(jiān)管和決策支持系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)船舶交通時(shí)空特征以及相關(guān)屬性的可視化,能對(duì)船舶軌跡的時(shí)空匯集、異常、速度變化和安全評(píng)估等進(jìn)行可視化分析。目前船舶交通流可視化基本上都是基于電子海圖或電子航道圖的二維可視化,這種可視化效果與實(shí)際場景差異較大,很難滿足人們的需求。將GIS、3D和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合構(gòu)建三維海事可視化場景是發(fā)展的必然趨勢(shì),能使仿真過程更加逼真,更容易理解。

(4)仿真工具 船舶交通仿真還沒有成熟的開發(fā)工具,這給海事科研人員造成很大的困擾。人們期望開發(fā)一款船舶交通通用仿真平臺(tái),將航道、錨地、港口和橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施模塊化,通過簡單的鼠標(biāo)拖放操縱即可建立仿真模型,這使開發(fā)人員把主要精力放在仿真算法和試驗(yàn)設(shè)計(jì)上,而不用操心去如何實(shí)現(xiàn)這些。

7 結(jié) 語

船舶交通流建模和仿真技術(shù)對(duì)水路運(yùn)輸系統(tǒng)的評(píng)價(jià)、規(guī)劃和設(shè)計(jì)等具有指導(dǎo)作用,世界各國都高度重視這種技術(shù)的研究和應(yīng)用。船舶交通流仿真研究無論是建模理論和方法還是實(shí)現(xiàn)技術(shù)等方面還不成熟,還有許多難題需要解決,尤其是國內(nèi),在這些方面的研究和應(yīng)用都落后于國外,必需下大力氣推進(jìn)這方面的研究,為綠色、安全和高效的海事事業(yè)提供技術(shù)支持。

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Review of modeling and simulation of vessel traffic flow

XU Wu-xiong1,2,CHU Xiu-min1,LIU Xing-long1
(1.Engineering Research Center for Transportation Safety,Ministry of Education,Wuhan University of Technology, Wuhan 430063,China;2.The School of Electronic and Information Engineering,Hubei University of Science and Technology,Xianning 437100,China)

The vessel traffic flow is affected by many factors and it is difficult to describe it with an accurate mathematic model.So it is studied by means of simulation in order to analyze quantitatively or visually the behavior characteristics and laws of vessels and to evaluate the transit capacity of channels,navigation risk,organization and management ability and so on.In this paper,a review is made on the modeling and simulation of the vessel traffic flow.Firstly the research status of simulating the vessel traffic flow is introduced;secondly its core content and process are refined;thirdly its modeling methods are discussed;fourthly its key technologies are analyzed;fifthly its main applications are summed up and finally its development trends are presented.Simulation modeling theory and method as well as implementation technology for the vessel traffic flow are not mature,and there are many problems to be solved.The domestic research lags behind that of foreign countries,therefore it is necessary to promote the relevant research to provide technical support to the development of a green,safe and efficient maritime traffic.

vessel traffic flow;modeling and simulation;Monte Carlo method;agent

U675;TP391.9

A

1009-640X(2014)06-0091-09

2014-05-12

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61273234,51479155);湖北省自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目(2013CFA007);交通運(yùn)輸部信息化技術(shù)研究項(xiàng)目(2013-364-548-200)

徐武雄(1971-),男,湖北咸寧人,副教授,博士研究生,主要從事交通流仿真及可視化研究。E-mail:xwxiong@qq.com 通信作者:初秀民(E-mail:chuxm@whut.edu.cn)