基于AIS信息的航道內船舶速度分布統(tǒng)計分析

甄 榮，邵哲平，潘家財，趙 強

(集美大學航海學院，福建 廈門 361021)

0 引言

船舶采取安全航速[1]是確保船舶安全和高效航行的先決條件，如何根據(jù)所處的海上交通環(huán)境選擇合適的安全航速是操船者面臨的難題.尤其是船舶在航道內航行時，由于航道狹窄、交通密集，因此通航風險較大.如何恰當控制船速是海上交通工程學與船舶交通管理的一個重要課題[2].

文獻[2-3]對船舶速度的研究數(shù)據(jù)都是通過岸站雷達對所轄水域內航行船舶觀測所得，這種數(shù)據(jù)采集方法費時費力、觀測精度不高，無法記錄所觀測船舶的類型和大小，研究結果是將所有類型、大小的船舶的速度集中一起進行統(tǒng)計分析，無法體現(xiàn)不同特性的船舶的速度分布狀況.在實際的海上交通環(huán)境中，不同類型、大小的船舶由于其操縱性能的差異，航行時采取的安全航速應該不同.為了體現(xiàn)不同類型、大小船舶的速度分布規(guī)律，分別對不同類型、大小的船舶速度分布規(guī)律進行研究是非常必要的.

目前海上航行的船舶大多安裝了AIS(Automatic Identification System)[4]設備，該設備能夠發(fā)射與航行有關的船舶動態(tài)信息和靜態(tài)信息，其中AIS動態(tài)信息包含了船舶航行實時的速度信息，通過岸基設備可以接收到完整的進出港口航道船舶所發(fā)送的實時AIS信息，這為研究港口航道水域的船舶速度分布提供了條件.以AIS信息中船舶靜態(tài)信息為索引，可以從船舶種類、船舶大小等角度對船舶速度分布進行分維度精細化研究，得到的結果可為港口航道區(qū)域船舶操縱時安全航速的確定、港航管理部門根據(jù)船舶特性制定限速提供參考.

1 船舶通過航道門線的速度計算

從海上交通工程研究的對象來看，所謂的船舶速度不是指單艘船舶的航行速度或者最大速度，而是指在某一水域中活動的或通過某一水道的所有船舶的速度的分布范圍和速度平均值[2].數(shù)據(jù)庫中海量的AIS信息涵蓋了船舶在整個航道內多個位置的速度，為了研究方便，選擇典型航道和關鍵的位置，通過研究船舶在所選位置時的速度，從而反映航道內船舶交通的速度.筆者選擇垂直于航道的門線，求取船舶通過門線時所采取的速度，進而運用數(shù)理統(tǒng)計方法分析門線上的速度分布情況.為獲取船舶在通過門線時的速度，需要搜索在門線兩端一定距離以內且航向與航道內的主交通流方向一致的船舶AIS信息，然后求取船舶通過門線時的速度即可.

1.1 AIS數(shù)據(jù)的選取及預處理

本文所采用的是由集美大學基于ECDIS和AIS的船舶綜合信息服務系統(tǒng)[5-7]所采集的船舶AIS數(shù)據(jù).根據(jù)研究需要，在數(shù)據(jù)庫中經過數(shù)據(jù)預處理后，將AIS信息中以下幾類信息作為主要研究對象:1)船名和MMSI用于標識和區(qū)分船舶;2)船長 (LENGTH)表征船舶的大小;3)船舶的經度(LONGUTIDE)、緯度 (LATITUDE)、時間 (RECDATATIME)用于確定船舶通過所研究的航道以及船舶實時的精確位置;4)船舶對地航向 (COG)、對地速度 (SOG)用于判斷航道內船舶交通流的方向與速度.

1.2 具體計算步驟

由于船舶的動態(tài)AIS信息更新頻率在2 s～3 min之間，即船舶所發(fā)送的AIS信息所包含的船舶航行位置點是離散的，這樣就不能保證通過門線船舶的位置點全部在所選擇的門線上，因此需要根據(jù)已知的符合條件的船舶AIS信息中的船舶速度求取船舶通過門線時的速度.船舶通過門線速度計算示意圖如圖1所示.

1)獲取同一條船舶位于門線兩側的離門線距離最近的兩個相鄰的船位點，具體方法是分別求取同一條船舶位于門線兩側到門線兩個端點距離之和最小的船位點.

2)計算門線兩側距門線最近距離的兩個船位點到門線的垂直距離 (單位n mile)，通常情況下在航道內航行的船舶是沿著航道的走向航行，且門線的選取是保證船舶垂直穿越門線;

圖1 船舶通過門線速度計算示意圖Fi.1 Calculation of speed of ship through the threshold

如圖1，有西北-東南走向的航道，A、B分別為垂直于航道內主要交通流的門線兩個端點，船舶航向為西北方向，S1，S2分別為同一條船舶位于門線兩側，距門線距離最近的兩個船位點[8]，距門線的垂直距離分別為d1、d2，線段S1S2與門線的交點S即為船舶在門線上的船位點，所要做的就是根據(jù)已知的S1、S2兩船位點的速度來計算船舶在S點的速度．

3)航道內船舶速度的變化通常是線性的，用比例 (線性)內插法[9]來求船舶在S點的速度，設S1點船舶的速度為V1，S2點船舶速度為V2，S點船舶速度為V，根據(jù)內插法可由公式 (1)計算得到船舶通過門線時的速度:

在SQL Server數(shù)據(jù)庫中，將上述數(shù)學模型寫成存儲過程，可以實現(xiàn)對一段時間內所有通過航道門線的船舶速度進行快速、精確計算.

2 航道內船舶速度分布統(tǒng)計方法

計算得到通過門線的所有船舶的速度信息后，以每一船舶的MMSI為索引，從AIS靜態(tài)信息表中提取對應船舶的靜態(tài)信息，得到包含通過航道的船舶類型、船長、船寬等靜態(tài)特性的表FullTable.船舶通過門線的速度分布統(tǒng)計分析步驟:

1)確定速度數(shù)據(jù)處理方法 在SQL Server數(shù)據(jù)庫中計算得到的船舶通過航道門線速度是一系列隨機數(shù)據(jù)，為了獲得速度分布規(guī)律，需要采用合適的隨機數(shù)據(jù)處理方法.目前確定船舶交通數(shù)據(jù)的概率分布一般采用啟發(fā)式的方法來實現(xiàn)，常用的啟發(fā)式方法有:點統(tǒng)計法、直方圖法、折線圖法、概率圖法.為了直觀地體現(xiàn)航道速度分布規(guī)律，本文選用直方圖法和折線圖法對航道內船舶的速度分布規(guī)律進行統(tǒng)計分析.

2)確定速度統(tǒng)計原則 為了對不同類型船舶速度進行統(tǒng)計，在FullTable表中以船舶類型為索引，查詢得到不同類型船舶的速度.對于同一類型的船舶，在航道內航行時安全速度的選擇應在遵守航道航行速度規(guī)定的前提下，根據(jù)船舶自身的特性決定安全航速的大小.為了體現(xiàn)不同長度船舶的安全航速，在得到各種類型船舶速度分布后，繼續(xù)對同一種類型不同長度船舶的速度分組查詢，得到同種類型不同長度船舶的速度分布規(guī)律.

3)速度分布特征值計算 得到各種類型、長度的船舶速度數(shù)據(jù)后，為了體現(xiàn)速度分布數(shù)值特征，對速度分布的均值和方差進行計算分析，揭示船舶類型、長度對速度分布的影響.

3 以廈門港青嶼水道為例的船舶速度分布規(guī)律統(tǒng)計分析

青嶼水道位于青嶼和五擔島之間，是500總噸以上的船舶進出廈門港的主航道，也是進出廈門港的船舶必經的航道，通常情況下該水道內交通繁忙，通航密度較大，進出水道的船舶在采取安全航速時需要考慮的不確定因素較多.根據(jù)青嶼水道的特點，選擇垂直于航道交通走向的門線AB，如圖2所示.

A 點緯度24°22.312'N，經度118°07.874'E，B點緯度24°22.403'N，經度118°08.02'E，采集廈門灣水域2013年6月1日至6月30日的船舶AIS數(shù)據(jù)，經過數(shù)據(jù)預處理[10]，得到研究時間內經過青嶼水道的1906艘次船舶的AIS信息.

圖2 青嶼水道門線選擇示意圖Fig.2 Threshold of Qingyu channel

在計算得到船舶通過門線時的速度基礎上，根據(jù)速度分布的上下限劃定區(qū)間，采用直方圖法表征水道內的速度分布情況.

在FullTable表中檢索得到通過青嶼水道有貨船、油船、帆船、拖船、港口供應船、地效翼船、搜救船、執(zhí)法船、客船、游艇等種類的船舶，其中貨船和油船所占的比例最大.現(xiàn)以貨船為例，通過直方圖法分析貨船的速度分布規(guī)律，如圖3所示.

由圖3可以看出，有將近80%貨船在通過青嶼水道所選門線的速度位于6～12 kn范圍內，分布范圍符合青嶼水道實際的航行規(guī)定;有18.5%的貨船速度在12～20 kn范圍內，主要是由于集裝箱船速度較高所致.

選用折線圖法對不同船長的貨船速度分布規(guī)律進行對比分析，結果如圖4所示.

圖3 貨船速度分布直方圖Fig.3 Distribution of cargo ship's speed

由圖4a可以看出，船長小于200 m時速度較為集中，主要分布在8～10 kn，隨著船長的增加，占最大比例速度區(qū)間有增大趨勢，速度分布變分散，這主要是由于長度小的船舶在6～8 kn速度時可以很好地維持舵效.

由圖4b可以看出，船長大于200 m時速度大部分位于8～14 kn，其中10～12 kn所占比例最多.隨著船舶長度的增加，速度在12～16 kn間內的船舶數(shù)量增加，這說明船長大于200 m的船舶傾向于用較高的速度來維持舵效，確保其有良好的操縱性.

圖4 不同船長的貨船速度分布圖Fig.4 The speed distribution figure of different length in cargo ship

通過計算得到不同船長的貨船速度的數(shù)學期望、方差[11]等特征值，結果如下表所示.由表1可知，隨著船長區(qū)間的增加，速度分布的數(shù)學期望值和方差值都在增大，說明在青嶼水道中通過門線的貨船速度大小與船舶長度呈正相關.

表1 不同長度區(qū)間內貨船速度期望、方差統(tǒng)計表Tab.1 Distribution of mean and variance value of cargo ship's speed

4 結論

以船舶AIS信息為數(shù)據(jù)來源，可以計算不同類型、長度船舶的速度分布規(guī)律，以廈門港青嶼水道內航行的貨船為例，用直方圖法和折線圖法分析不同長度區(qū)間貨船的速度分布情況，計算各長度區(qū)間貨船速度的均值和方差，得出航道內貨船速度大小與船舶長度呈正相關，定量地揭示出廈門港青嶼水道內航行貨船的速度分布規(guī)律與船長的關系.

本研究可以為港航部門根據(jù)船舶不同類型、長度制定相應具體的限速提供決策依據(jù)，也可以為不同類型、長度的船舶在采取安全航速時作為參考.

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