基于AIS的特定船舶會(huì)遇實(shí)況分布

肖 瀟， 趙 強(qiáng)， 邵哲平， 紀(jì)賢標(biāo),2， 潘家財(cái),2

(1.集美大學(xué) 航海學(xué)院， 福建 廈門 361021； 2.廈門大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 福建 廈門 361011)

基于AIS的特定船舶會(huì)遇實(shí)況分布

肖 瀟1， 趙 強(qiáng)1， 邵哲平1， 紀(jì)賢標(biāo)1,2， 潘家財(cái)1,2

(1.集美大學(xué) 航海學(xué)院， 福建 廈門 361021； 2.廈門大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 福建 廈門 361011)

由于單獨(dú)挖掘特定船舶的會(huì)遇信息能夠更加直觀地反應(yīng)出船舶的行為特征規(guī)律，而傳統(tǒng)的采集單船會(huì)遇信息的方法存在費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且效率低的問(wèn)題，因此考慮結(jié)合海上交通工程理論，實(shí)現(xiàn)基于海量AIS數(shù)據(jù)繪制特定船舶會(huì)遇信息的算法。以閩臺(tái)直航船“中遠(yuǎn)之星”為例，利用該算法得到其在臺(tái)灣海峽水域內(nèi)的航跡繪制、會(huì)遇數(shù)目、會(huì)遇態(tài)勢(shì)和會(huì)遇最近距離等信息，并進(jìn)行研究分析。研究結(jié)果可為分析水域的通航環(huán)境以及為主管部門更好地規(guī)劃特定船舶的航路提供理論依據(jù)。

水路運(yùn)輸；特定船舶會(huì)遇；AIS信息；航跡分布；中遠(yuǎn)之星

研究海上交通的主要目的是降低交通事故(主要是碰撞事故)的發(fā)生率。[1]碰撞是船舶會(huì)遇的一個(gè)罕見(jiàn)而不好的結(jié)果，而會(huì)遇是碰撞發(fā)生的必要條件之一。由于船舶會(huì)遇的情況遠(yuǎn)比碰撞多(在絕大多數(shù)會(huì)遇中船舶因采取行動(dòng)，防止了碰撞的發(fā)生)，因此，研究會(huì)遇是研究碰撞與避免碰撞的一個(gè)重要組成部分。根據(jù)海上交通調(diào)查掌握單船會(huì)遇的實(shí)況(即會(huì)遇數(shù)目、會(huì)遇態(tài)勢(shì)和會(huì)遇最近距離)，是實(shí)行交通管制和規(guī)劃交通的基礎(chǔ)?？梢赃\(yùn)用海上交通工程理論，采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，設(shè)計(jì)在海量AIS(Automatic Identification System)數(shù)據(jù)中提取船舶會(huì)遇信息的算法，從時(shí)間分布、空間分布等多個(gè)角度分析海上交通中船舶會(huì)遇的狀況。

AIS[2-3]的出現(xiàn)與廣泛應(yīng)用，不僅提高了船舶的航行效率與安全，而且較好地反應(yīng)了港口水域船舶的交通特征。AIS信息采集系統(tǒng)[4-6]能夠?qū)崟r(shí)接收各個(gè)港口AIS接收點(diǎn)采集到的船載AIS數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、量大、內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，可供基于電子海圖的廣域船舶監(jiān)控系統(tǒng)使用，也可作為歷史數(shù)據(jù)為分析船舶會(huì)遇等交通特征提供依據(jù)。潘家財(cái)?shù)萚7]通過(guò)AIS信息采集系統(tǒng)獲取海量的AIS數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究船舶會(huì)遇算法；唐存寶[8]實(shí)現(xiàn)了AIS信息的在線分析處理系統(tǒng)(OLAP-AIS)?，F(xiàn)在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計(jì)高效的針對(duì)特定船舶的航跡分布與會(huì)遇算法，分析特定船舶的會(huì)遇，并以閩臺(tái)直航船“中遠(yuǎn)之星”為實(shí)例進(jìn)行相關(guān)研究。

1 定義會(huì)遇及研究特定船舶會(huì)遇的意義

1.1基于AIS的船舶會(huì)遇定義

由于會(huì)遇[1]的定義不同，研究的思路及獲得研究數(shù)據(jù)的方法也不盡相同。此處采用的會(huì)遇定義是：如果不采取避讓行動(dòng)，兩船的會(huì)遇最近距離(Distance to Closest Point of Approach, DCPA)將小于某一給定距離的一種情況。該定義不考慮船舶是否采取行動(dòng)及其行動(dòng)效果。作為會(huì)遇判據(jù)的兩船距離應(yīng)根據(jù)水域條件的不同進(jìn)行設(shè)置。在沿海或其他寬敞水域，該值可取大些，已有研究文獻(xiàn)[7，9]取為0.5 n mile；在港外或其他開(kāi)闊水域，也應(yīng)適當(dāng)取大些。

1.2研究特定船舶會(huì)遇的意義

1.2.1更具針對(duì)性

研究所有船舶的會(huì)遇，可以總體了解海上交通環(huán)境的特點(diǎn)，但對(duì)于特定船舶及特殊航線，潛在信息會(huì)存在較大的遺漏與缺失，仍利用整體局面來(lái)分析存在較多不合理因素。因此，單獨(dú)研究特定船舶會(huì)遇，能夠更好地還原船舶在此航次中的實(shí)況，更加直觀地反應(yīng)航行過(guò)程中各階段的通航環(huán)境危險(xiǎn)程度。

1.2.2會(huì)遇數(shù)目

由于海上交通環(huán)境的復(fù)雜程度不同，船舶的會(huì)遇分布也不盡相同。如在交通流交匯區(qū)域、轉(zhuǎn)向區(qū)域、有礙航物及淺灘等區(qū)域，船舶發(fā)生會(huì)遇的幾率較大。在航行過(guò)程中，根據(jù)該船附近船舶會(huì)遇的數(shù)量即可定量反映該航線各階段通航環(huán)境的危險(xiǎn)程度。

1.2.3會(huì)遇態(tài)勢(shì)

相關(guān)研究[1]表明，碰撞事故與當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐慕煌骱痛皯B(tài)勢(shì)有關(guān)。如果該水域的會(huì)遇態(tài)勢(shì)主要為對(duì)遇，則表明在該水域采取分道通航制的方法分隔方向相反的交通流的必要性更大。如果該水域的主要會(huì)遇態(tài)勢(shì)為交叉相遇(可分大角度和小角度兩種情況)，說(shuō)明船舶可能穿越交通流。因此，通過(guò)實(shí)際挖掘該船航行過(guò)程中的會(huì)遇態(tài)勢(shì)分布，可為主管當(dāng)局合理規(guī)劃特定船舶的航路提供理論依據(jù)。

1.2.4DCPA的分布

采取避碰行動(dòng)時(shí)，目標(biāo)船DCPA表征廣大海員對(duì)碰撞危險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)，其大小表示存在碰撞危險(xiǎn)而需采取避碰行動(dòng)的程度，可為船舶的避讓提供參考。

2 特定船舶會(huì)遇信息繪制的實(shí)現(xiàn)及步驟

2.1基于AIS特定船舶會(huì)遇實(shí)況的實(shí)現(xiàn)流程

特定船舶會(huì)遇實(shí)況繪制的實(shí)現(xiàn)流程見(jiàn)圖1。

圖1 基于AIS特定船舶會(huì)遇實(shí)況實(shí)現(xiàn)的流程

2.2基于AIS特定船舶會(huì)遇實(shí)況分布步驟

2.2.1AIS信息采集與預(yù)處理

定時(shí)從AIS數(shù)據(jù)接收服務(wù)器中取出所需AIS消息報(bào)文文件，運(yùn)用AIS信息解碼模塊實(shí)現(xiàn)解碼和數(shù)據(jù)入庫(kù)，并在數(shù)據(jù)庫(kù)中預(yù)處理使用前的無(wú)效數(shù)據(jù)，以提高AIS信息的有效性,從而得到AIS信息基本表。預(yù)處理的主要工作有：刪除動(dòng)態(tài)信息表中海上移動(dòng)通信業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)(Maritime Mobile Service Identity,MMSI)為0的記錄；刪除明顯錯(cuò)誤的AIS數(shù)據(jù)(如出現(xiàn)負(fù)值、速度gt;100 kn、經(jīng)度gt;180°、緯度gt;90°等)；根據(jù)AIS_NAME表刪除超過(guò)研究水域范圍的記錄等。

2.2.2特定船舶航跡的繪制

基于唐存寶等[10]對(duì)AIS船舶航跡分布算法的論述，在集美大學(xué)自主研發(fā)的電子海圖顯示系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“平臺(tái)”)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，通過(guò)選擇MMSI對(duì)特定船舶的航跡進(jìn)行繪制。為提高算法的高效性，根據(jù)設(shè)定的條件將目標(biāo)船的信息在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中選出并導(dǎo)入獨(dú)立的一張表，且按時(shí)間順序排列。在平臺(tái)上直接對(duì)表的數(shù)據(jù)進(jìn)行畫線，以提高運(yùn)行效率。圖2線條“·…·”表示“中遠(yuǎn)之星”(MMSI=477 559 700)在某時(shí)段的航跡分布。

2.2.3會(huì)遇點(diǎn)分布圖的繪制

由AIS信息更新率[2-3]可知，AIS動(dòng)態(tài)信息一般在2～180 s廣播一次。兩船要構(gòu)成會(huì)遇，必須在此時(shí)發(fā)布的AIS信息的一段時(shí)間與距離之內(nèi)，因此關(guān)鍵性問(wèn)題是首先通過(guò)限定條件進(jìn)行第一階段的篩選。航跡分布從圖2轉(zhuǎn)化為圖3，極大地減輕了運(yùn)算量，提升了算法效率，具體步驟：

(1) 預(yù)處理AIS數(shù)據(jù)后，在數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索所研究船舶實(shí)時(shí)發(fā)布的AIS信息的一定時(shí)間與水域空間范圍內(nèi)的船舶AIS動(dòng)態(tài)表數(shù)據(jù)，存入臨時(shí)表A中；

(2) 對(duì)臨時(shí)表A按MMSI分組查詢，每組按時(shí)間先后排序，計(jì)算前后，船舶AIS記錄的時(shí)間差、經(jīng)度差、維度差小于設(shè)置的最大閾值，即時(shí)間差lt;λtime，經(jīng)度差lt;λlong，維度差lt;λlat，且航速小于設(shè)置的最大閾值，刪除不符合上述條件的數(shù)據(jù)，存入臨時(shí)表B中；

(3) 將表B中的所有MMSI按時(shí)間排列，根據(jù)研究水域的不同，搜索兩船距離小于一定值的兩船相遇作為一次會(huì)遇，并將其存入會(huì)遇表C中；

(4) 為消除兩船多次會(huì)遇的影響，選出表C中距離最近時(shí)的一個(gè)數(shù)據(jù)，并修正兩船的經(jīng)緯度與距離到同一時(shí)間；

(5) 根據(jù)研究需要，對(duì)船舶會(huì)遇表C進(jìn)行會(huì)遇數(shù)目、會(huì)遇態(tài)勢(shì)、會(huì)遇最近距離等的深入分析。

經(jīng)分析，該會(huì)遇算法的時(shí)間復(fù)雜度為O(n)，n為AIS記錄數(shù)。

圖2 臺(tái)灣海峽船舶交通流

圖3 臺(tái)灣海峽特定船舶附近船舶交通流

2.2.4會(huì)遇態(tài)勢(shì)的判別

碰撞態(tài)勢(shì)用來(lái)描述目標(biāo)船與本船的相遇局面。根據(jù)《國(guó)際海上避碰規(guī)則》，以會(huì)遇兩船的航向差ΔC(其中航向采用實(shí)際的對(duì)地航向COG)為依據(jù)劃分船舶的會(huì)遇態(tài)勢(shì)(見(jiàn)表1)。

表1 船舶會(huì)遇態(tài)勢(shì)劃分表

3 實(shí)例研究

3.1會(huì)遇距離的確定

閩臺(tái)直航船“中遠(yuǎn)之星”最大航速為23 kn，根據(jù)最新統(tǒng)計(jì),2013年6月、7月臺(tái)灣海峽船舶航速分布見(jiàn)圖4和圖5，其中每個(gè)方格邊長(zhǎng)為5 n mile，顯示了該月份的平均航速。現(xiàn)將航速劃分為4個(gè)區(qū)間，分別為0～5 kn，5～10 kn，10～15 kn及15 kn以上，可以得到主要航速分布為10～15 kn區(qū)間，因此在考慮會(huì)遇距離時(shí)，假定來(lái)船航速15 kn，用相對(duì)速度最快的對(duì)遇局面進(jìn)行分析，即此時(shí)的相對(duì)速度為38 kn，根據(jù)實(shí)際海上經(jīng)驗(yàn)，從本船當(dāng)前位置至最近會(huì)遇距離的時(shí)間大約為6 min計(jì)算，此時(shí)定義的會(huì)遇距離為3.8 n mile。

圖4 臺(tái)灣海峽6月份航速分布

圖5 臺(tái)灣海峽7月份航速分布

3.2會(huì)遇結(jié)果展示及分析

3.2.1結(jié)果展示

根據(jù)研究的重點(diǎn)，只對(duì)臺(tái)灣海峽內(nèi)且船長(zhǎng)gt;50 m的會(huì)遇點(diǎn)進(jìn)行研究，港內(nèi)的會(huì)遇不作為主要研究對(duì)象。“中遠(yuǎn)之星”9月直航臺(tái)中與基隆的4個(gè)航次的航跡與會(huì)遇分布見(jiàn)圖6。

3.2.2會(huì)遇數(shù)目分析

結(jié)合圖2與圖6并按會(huì)遇數(shù)目由多至少分析，A區(qū)處于臺(tái)灣海峽內(nèi)航路，穿越臺(tái)灣海峽的中小型船舶主要在此區(qū)域內(nèi)航行，且進(jìn)出廈門港的船舶主要在此區(qū)域轉(zhuǎn)向；B區(qū)處于臺(tái)灣海峽外航路，南來(lái)北往的大型船舶通過(guò)東海區(qū)或穿過(guò)臺(tái)灣海峽主要在此區(qū)域；C區(qū)主要是來(lái)自日本與韓國(guó)的船舶穿越臺(tái)灣海峽所引起的會(huì)遇；D區(qū)與E區(qū)主要是來(lái)自日本與韓國(guó)的船舶靠泊臺(tái)灣島西側(cè)港口所引起的會(huì)遇。

圖6 “中遠(yuǎn)之星”航跡與會(huì)遇分布

綜上所述，閩臺(tái)直航船“中遠(yuǎn)之星”在臺(tái)灣海峽內(nèi)的主要會(huì)遇區(qū)域?yàn)閳D6所示區(qū)域的附近水域。海事主管機(jī)關(guān)在管理與規(guī)劃航路時(shí)，要對(duì)上述水域重點(diǎn)關(guān)注，尤其是交通流大且通航環(huán)境復(fù)雜的A區(qū)域與B區(qū)域，需要過(guò)往船舶特別謹(jǐn)慎，以確保安全航行。

3.2.3會(huì)遇態(tài)勢(shì)分析

根據(jù)“3.2.4”的會(huì)遇態(tài)勢(shì)判別，經(jīng)處理得到會(huì)遇態(tài)勢(shì)餅狀圖(見(jiàn)圖7)。從圖中可看出，“中遠(yuǎn)之星”在臺(tái)灣海峽的會(huì)遇以交叉相遇最多，占會(huì)遇總數(shù)的64%，其中大角度交叉相遇占總數(shù)的55%。

圖7 會(huì)遇態(tài)勢(shì)分布

3.2.4會(huì)遇最近距離(DCPA)分析

統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖8，從中可以得出船舶DCPA主要為1.0～2.0 n mile，避碰專著[11]普遍建議，在海上能見(jiàn)度良好時(shí)，大船間的安全會(huì)遇距離在白天應(yīng)≥1 n mile，夜間應(yīng)≥2 n mile，能見(jiàn)度不良時(shí)應(yīng)≥2 n mile；反之，DCPA小于上述數(shù)值時(shí)會(huì)不安全或存在碰撞危險(xiǎn)，需采取行動(dòng)。這一對(duì)比結(jié)果與研究結(jié)果基本相符。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于AIS數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與電子海圖顯示系統(tǒng)共同分析特定船舶的航跡及會(huì)遇點(diǎn)分布，對(duì)如何提高單航跡繪制效率與查找會(huì)遇點(diǎn)效率步驟進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明。對(duì)閩臺(tái)直航船“中遠(yuǎn)之星”在臺(tái)灣海峽水域內(nèi)的航跡分布及會(huì)遇實(shí)況中的會(huì)遇數(shù)目、會(huì)遇態(tài)勢(shì)及會(huì)遇最近距離進(jìn)行研究分析，得出了該船在臺(tái)灣海峽應(yīng)主要關(guān)注的區(qū)域、主要會(huì)遇態(tài)勢(shì)及避讓距離參考等數(shù)據(jù)。該研究可為特定船舶指出航行中應(yīng)關(guān)注的要點(diǎn)或船舶行駛的特殊航線上的主要關(guān)注點(diǎn)，并可為在臺(tái)灣海峽行駛的特定船舶更好地實(shí)行船舶交通管理，保障船舶交通安全，規(guī)范船舶航路，以降低海上交通事故發(fā)生率提供理論依據(jù)。

圖8 會(huì)遇最近距離分布

[1] 吳兆麟，朱軍．海上交通工程[M]．2版.大連：大連海事大學(xué)出版社，2004．

[2] 孫文力，孫文強(qiáng).船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2004.

[3] 國(guó)際海事組織.通用船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)匯編[G].袁安存，張淑芳,譯.大連：大連海事大學(xué)出版社，2005.

[4] 邵哲平，孫騰達(dá)，潘家財(cái)，等.基于ECDIS和AIS的船舶綜合信息服務(wù)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[J].中國(guó)航海，2007，30(2):30-33.

[5] 紀(jì)賢標(biāo)，邵哲平，潘家財(cái)，等.AIS信息分布式采集系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及關(guān)鍵技術(shù)[J].上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，28(1)：28-31.

[6] 潘家財(cái)，邵哲平，姜青山.數(shù)據(jù)挖掘在海上交通特征分析中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)航海，2010,33(2)：60-62.

[7] 潘家財(cái)，姜青山，邵哲平.船舶會(huì)遇的時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘算法及應(yīng)用[J].中國(guó)航海，2010,33(4)：57-60.

[8] 唐存寶.基于AIS信息的在線分析處理系統(tǒng)的研究[D].廈門：集美大學(xué),2010.

[9] GOODWIN E M. Marine Encounter Rates[J]. Journal of Navigation, 1978,31(3):357-369.

[10] 唐存寶,邵哲平,唐張榮,等.基于AIS的船舶航跡分布算法[J].集美大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,17(2):109-112.

[11] 吳兆麟,趙月林.海上避碰與值班[M].3版.大連：大連海事大學(xué)出版社，2008.

SpecificShip’sEncounterLiveDistributionBasedonAIS

XIAOXiao1,ZHAOQiang1,SHAOZheping1,JIXianbiao1,2,PANJiacai1,2

(1.Navigation College, Jimei University, Xiamen 361021, China; 2.School of Information Science and Engineering, Xiamen University, Xiamen 361011, China)

Due to the specific ship’s encounter can be more intuitive to reflect the characteristic pattern of the ship’s behavior. But the time and energy waste and low efficiency issues of the traditional information collection for specific ship’s encounter, the algorithm for specific ship’s encounter information is achieved based on the intensive AIS data to combine marine traffic engineering theory. Taking the direct route “COSCO STAR” between Fujian and Taiwan for example, the specific ship’s track drawing, encounter times, encounter situation and encounter closest range in Taiwan Strait are studied and analyzed, whose results show a theoretical basis for the navigation environment of the water analyzed and authorities’ better channel planning.

waterway transportation; specific ship’s encounter; AIS data; track distribution; COSCO STAR

2014-04-17

國(guó)家自然科學(xué)基金(51109090)；福建省重點(diǎn)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012H0030)；福建省教育廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(JB11103)

肖 瀟(1988—)，男，福建將樂(lè)人，碩士生，從事交通信息工程及控制研究。E-mail:23252920@qq.com

趙 強(qiáng)(1970—)，男，浙江建德人，講師，碩士，從事航海技術(shù)及海油工程研究。E-mail：johnzhao@jmu.edu.cn

1000-4653(2014)03-0050-04

U675.96

A