基于AIS原始數(shù)據(jù)的天津港交通流模型

李笑晨，唐　皇，尹　勇，王任大

(大連海事大學(xué)航海動態(tài)仿真和控制實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連　116026)

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基于AIS原始數(shù)據(jù)的天津港交通流模型

李笑晨，唐皇，尹勇，王任大

(大連海事大學(xué)航海動態(tài)仿真和控制實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116026)

摘要：基于OD(Origin and Destination)交通流模型理論，使用大連海事大學(xué)動態(tài)仿真和控制實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)的電子海圖顯示軟件與數(shù)據(jù)庫，采用設(shè)置斷面，處理、分析AIS原始數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)船舶通過斷面時(shí)位置的方法，分析天津港航道船舶交通流狀況。利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識，初步建立天津港交通流模型，揭示天津港航道船舶交通流的規(guī)律并生成模擬交通流。研究結(jié)果可以為VTS模擬器的研發(fā)以及天津港船舶交通流的管理提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：天津港；OD交通流模型；AIS原始數(shù)據(jù)；船舶交通流

交通流是道路交通工程研究中提出的概念或交通模型，目的是使人們更加系統(tǒng)、深刻地了解交通的特性與本質(zhì)[1]。交通流理論是一門運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理學(xué)和流體力學(xué)定律來描述交通特性的邊緣科學(xué)。

天津港地處渤海灣西端，位于海河下游及其入?？谔?，主航道長44 km，航道底寬最寬已達(dá)260 m，航道水深最深已達(dá)19.5 m，25萬t級船舶可以隨時(shí)進(jìn)港，30萬t級船舶可以乘潮進(jìn)港。新港航道長27.4 km，主航道寬180 m，水深12 m，5萬t級海船可乘潮進(jìn)港，萬t級船舶可雙向行駛。海河航道長39.5 km，可通行3 000～5 000 t級船舶[2]。天津港具有船舶航行數(shù)量龐大、航行情況復(fù)雜等特點(diǎn)，本文以天津港為目標(biāo)進(jìn)行船舶交通流的研究，為天津港船舶交通流管理提供了科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也為VTS(Vessel Traffic System)模擬器的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

目前，國內(nèi)進(jìn)行船舶交通流研究的學(xué)者和團(tuán)隊(duì)雖然很多，但是研究方向各有側(cè)重。文獻(xiàn)[3]對船舶交通流中的船舶行為和避碰算法方向進(jìn)行重點(diǎn)研究，文獻(xiàn)[4]對船舶交通量與船舶速度方向進(jìn)行重點(diǎn)研究。本文基于OD交通流模型，并依托豐富的AIS(Automatic Identification System)原始數(shù)據(jù)，重點(diǎn)對船舶通過航道中某一橫向斷面時(shí)的位置分布進(jìn)行研究，尋找位置分布的數(shù)學(xué)規(guī)律，從而對船舶交通流進(jìn)行分析，建立船舶交通流模型。

1交通流模型的選擇

目前，海上交通流模型大體有流體模型[5]、MAS(Multi-Agent System)交通仿真模型[6]、CA(Cellular Automata)交通流模型[7]、微-宏觀模型[8]和OD交通流模型[9]等幾種。

每一種交通流模型均有自己的特點(diǎn)，流體模型是基于流體動力學(xué)基本原理的交通流模型，該模型明確了船舶交通效率的量化問題，但不具有仿真效果。MAS交通仿真模型具有自主性、協(xié)調(diào)性和智能性等特點(diǎn)，既分析了實(shí)體本身，又考慮到其他實(shí)體對MAS實(shí)體的影響，但同時(shí)也導(dǎo)致數(shù)據(jù)和信息的冗余，造成系統(tǒng)空間浪費(fèi)。CA交通流模型是公路交通領(lǐng)域一個(gè)非常成熟的模型，但在航海領(lǐng)域還處于研究階段，CA模型中的許多方面目前還不能完全適用于航海交通流。微-宏觀交通流模型比較成熟，既可以從整體上模擬港口交通流狀況，也可以在重點(diǎn)研究的航道內(nèi)設(shè)置微觀模擬，達(dá)到兩全其美，但考慮到AIS原始數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，該模型并非最佳選擇。OD交通流模型具有準(zhǔn)確模擬船舶運(yùn)動軌跡、便于仿真等特點(diǎn)，而且數(shù)據(jù)越豐富，OD交通流模型就越準(zhǔn)確?？紤]到AIS原始數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和仿真的需求，本文采用OD交通流模型。

OD交通流模型，可理解為船舶航行起止區(qū)間，狹義上講是指在研究水域內(nèi)某一船舶從起始點(diǎn)到終止點(diǎn)的航行區(qū)間，起始點(diǎn)可以是航道入口、碼頭、錨地或任意點(diǎn)等，終止點(diǎn)可以為航道出口、碼頭、錨地或任意點(diǎn)等[10]。OD交通流模型需要大量的船舶交通流數(shù)據(jù)，而AIS原始數(shù)據(jù)具有船舶位置數(shù)據(jù)豐富的特點(diǎn)，操作員沿交通流方向可指定任意點(diǎn)為起點(diǎn)或終點(diǎn)，并可在起點(diǎn)與終點(diǎn)之間設(shè)置任意數(shù)量的航道橫向斷面進(jìn)行分析。本文依據(jù)概率統(tǒng)計(jì)理論并結(jié)合實(shí)踐情況，設(shè)置合理間隔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最終結(jié)果以曲線圖的形式輸出。把輸出結(jié)果與常見概率密度函數(shù)圖像進(jìn)行對比并計(jì)算驗(yàn)證，選出合適的概率密度函數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)學(xué)模型生成船舶在對應(yīng)斷面上的模擬位置信息，基于OD交通流模型理論建立船舶交通流模型。

2天津港交通流分析

2.1AIS原始數(shù)據(jù)處理

圖1　交通流數(shù)據(jù)處理流程圖

本文使用大連海事大學(xué)動態(tài)仿真和控制實(shí)驗(yàn)室建立的數(shù)據(jù)庫，根據(jù)數(shù)據(jù)處理需求設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將AIS原始數(shù)據(jù)解析后分類存入數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)處理，包括數(shù)據(jù)讀取、整理、分析等操作，由計(jì)算機(jī)與服務(wù)器交互完成，從而避免每次分析數(shù)據(jù)時(shí)都要解析AIS原始數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)處理效率。使用VS2013與MATLAB軟件，對船舶位置坐標(biāo)、船長、船寬、吃水等數(shù)據(jù)分別進(jìn)行篩選、歸類、統(tǒng)計(jì)與分析。天津港航道交通流數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

以2014年第一季度進(jìn)出天津港船舶的船長數(shù)據(jù)為例，從數(shù)據(jù)庫中讀取未加處理的船長數(shù)據(jù)，在某一時(shí)刻出現(xiàn)大量的770數(shù)據(jù)，表明該時(shí)刻出現(xiàn)大量船長為77 m的船舶，與真實(shí)情況明顯存在差異，說明數(shù)據(jù)的有效性有待考證。圖2為原始數(shù)據(jù)未加處理時(shí)的離線統(tǒng)計(jì)結(jié)果，由圖2可以看出，AIS原始數(shù)據(jù)非常龐大，其中船舶數(shù)量超過萬條的數(shù)據(jù)屬于不符合航海實(shí)際的情況，說明AIS原始數(shù)據(jù)中存在大量重復(fù)數(shù)據(jù)和無效數(shù)據(jù)。圖3為經(jīng)過篩選、處理后的船舶長度的數(shù)據(jù)，3個(gè)月船舶進(jìn)出港總量為數(shù)千條，船舶長度分布符合規(guī)律，說明處理后的結(jié)果是合理的。同理，本文對AIS各項(xiàng)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行相似處理，得到可用于天津港交通狀況統(tǒng)計(jì)、分析的合理數(shù)據(jù)。

圖2　AIS原始數(shù)據(jù)分布效果　　　　　　　　　　　　　　　　圖3　處理后數(shù)據(jù)分布效果

2.2天津港航跡分布

圖4　天津港船舶航跡分布

船舶在一定水域內(nèi)運(yùn)動路線的空間分布稱為航跡分布，航跡分布是船舶交通的基本要素[11-14]。本文使用大連海事大學(xué)動態(tài)仿真和控制實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)的電子海圖顯示軟件，將AIS原始數(shù)據(jù)的船舶位置信息進(jìn)行處理后發(fā)送至該軟件，生成船舶航跡分布圖。圖4為2014-02某周天津港進(jìn)出船舶的航跡分布圖。通過圖4首先在視覺上可以對港內(nèi)航道交通擁擠程度與交通危險(xiǎn)程度有一個(gè)感性的認(rèn)識，明確航道狹窄處的位置、船舶密集的位置、可能存在較大危險(xiǎn)性的位置等，從而在交通流模型的具體研究中有所側(cè)重，并可以與仿真結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證；其次，通過分析可以得出船舶交通流的組成、流向和船舶會遇情況等具體信息，為VTS模擬器模擬交通流提供真實(shí)依據(jù)。分析天津港航跡分布是研究天津港船舶交通流的基礎(chǔ)，是建立天津港交通流模型中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。

3天津港航道交通流模型

理想的VTS模擬器應(yīng)能模擬在規(guī)定時(shí)刻、起始位置、船型、吃水等條件下的船舶交通流。因此，基于OD交通流模型理論，本文設(shè)計(jì)了基于AIS原始數(shù)據(jù)的交通流統(tǒng)計(jì)分析算法：

1)設(shè)置時(shí)刻、起始位置、船型、吃水等初始條件，設(shè)置斷面位置。

2)根據(jù)初始條件，從數(shù)據(jù)庫中篩選出符合條件的所有數(shù)據(jù)存入程序中。

3)對程序中的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步篩選，去除無效數(shù)據(jù)，合并重復(fù)數(shù)據(jù)，得到最終數(shù)據(jù)。

4)利用最終數(shù)據(jù)求解每一條船在經(jīng)過該斷面時(shí)的位置并予以記錄。

5)統(tǒng)計(jì)每個(gè)斷面上的船位信息。

6)將統(tǒng)計(jì)結(jié)果以圖像的形式輸出。

該算法可以實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫內(nèi)任意時(shí)刻、船型、吃水等條件下船舶通過某一航道橫斷面的情況，從而得出船舶位置分布規(guī)律。在建立交通流模型時(shí)，可根據(jù)需要選取多個(gè)航道橫斷面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出斷面上船位的數(shù)學(xué)分布規(guī)律，建立數(shù)學(xué)模型。利用建立好的數(shù)學(xué)模型生成模擬船舶位置，將每條船在各個(gè)斷面的模擬位置對應(yīng)相連接，構(gòu)成船舶運(yùn)動軌跡，建立符合實(shí)際的交通流模型并在電子海圖軟件中模擬。

圖5為某一時(shí)間段內(nèi)離線統(tǒng)計(jì)通過某斷面所有船舶在該斷面上的位置分布情況，大量船舶通過斷面時(shí)的位置約在斷面0.85位置處，峰值約為550條左右。圖6為同一時(shí)間段根據(jù)設(shè)定條件實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)出的結(jié)果。

圖5　某斷面船舶位置分布(離線)　　　　　　　　　　　　　　　圖6　某斷面船舶位置分布(實(shí)時(shí))

由圖6可知，經(jīng)過條件限制后，船舶通過斷面的位置大約集中于斷面0.8位置處，峰值僅有253條船舶，其余的船舶則被剔除，但是兩種條件下船舶通過斷面的位置分布是相似的。由此可見，由軟件實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)出的船舶位置規(guī)律符合船舶真實(shí)的位置規(guī)律。

圖7　某斷面模擬船舶分布位置

數(shù)據(jù)處理得出的圖像與常見概率密度函數(shù)圖像的對比并計(jì)算驗(yàn)證，證明船舶在斷面中位置分布符合高斯分布，計(jì)算出某斷面船舶位置期望為0.792 117，方差為0.068 129，建立該斷面船舶分布數(shù)學(xué)模型為

模擬結(jié)果如圖7所示，模擬結(jié)果與實(shí)際情況基本一致。

4結(jié)語

1)與傳統(tǒng)基于雷達(dá)觀測建立船舶交通流模型等方法相比[15-17]，本文基于AIS原始數(shù)據(jù)建立天津港交通流模型的方法更為準(zhǔn)確。該方法不需要人員值守，不存在觀測誤差，允許全天候連續(xù)觀測且不受天氣狀況影響，巨大數(shù)據(jù)量處理由計(jì)算機(jī)完成，可以更真實(shí)、準(zhǔn)確地反映出船舶交通流的真實(shí)情況，該模型更具實(shí)用價(jià)值。

2)由于AIS原始數(shù)據(jù)量巨大，存在重復(fù)數(shù)據(jù)與無效數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有待優(yōu)化以提高效率。在AIS原始數(shù)據(jù)中，沒有給出船舶航向、航速、進(jìn)出港信息，需要自行設(shè)計(jì)算法進(jìn)行計(jì)算、判斷，雖然船舶交通流模型的建立與船舶交通流的模擬對實(shí)時(shí)性要求不高，但還是會降低程序效率。模擬結(jié)果過于理想化，需引入干擾。

3)在未來的研究工作中需著眼于優(yōu)化算法，提高程序效率，以便盡快地完善船舶交通流模型并應(yīng)用于VTS模擬器。

參考文獻(xiàn)：

[1]俞潔，楊成斌.交通流理論發(fā)展分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，27(2):163-167.

[2]毛振華.天津今年將投160億元建設(shè)天津港[EB/OL].(2015-03-04)[2015-12-18].http://news.xinhuanet.com/local/2015-03/04/c_1114521549.htm.

[3]李曉松，馬瑞鑫，孔憲衛(wèi).VTS交通流模型中船舶航行與避碰算法的研究[J].中國水運(yùn)(下半月)，2014，14(12):107-109，147.

[4]金興賦，付玉慧，張連東.基于AIS數(shù)據(jù)的成山頭水域船舶交通流研究[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，38(4):33-36.

[5]李曉松.VTS模擬器中交通流模型的研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2012.

[6]方祥麟，姚杰，卓永強(qiáng).船舶交通及操縱安全系統(tǒng)評價(jià)模型與方法[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2003.

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

[8]高巖松.臺灣海峽船舶交通流的調(diào)查與分析[J].中國航海，2005(3):37-40.

[9]萬輝.老鐵山水道船舶交通流的調(diào)查與分析[J].天津航海，2010(2):14-15，41.

[10]張連東.基于AIS數(shù)據(jù)的成山頭水域船舶交通流研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2010.

[11]許鵬.基于大數(shù)據(jù)環(huán)境下的船舶交通流特征統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2014.

[12]QUXiaobo，MENGQiang.DevelopmentandapplicationsofasimulationmodelforvesselsintheSingaporeStraits[J].ExpertSystemswithApplications，2012，39(9):8430-8438.

[13]FENGHongxiang.Cellularautomatashiptrafficflowmodelconsideringintegratedbridgesystem[J].InternationalJournalofu-ande-Service,ScienceandTechnology，2013，6(6):111-120.

[14]徐武雄，初秀民，劉興龍.船舶交通流建模與仿真研究進(jìn)展[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2014(6):91-99.

[15]楊星，李鍵，陳巍博,等.內(nèi)河船舶交通流建模與仿真研究[J].中國航海，2013(3):80-85.

[16]ERCANKse，ERSANBaar，EMRULLAHDemirci.SimulationofmarinetrafficinIstanbulStrait[J].SimulationModellingPractice&Theory，2003(11)：597-608.

[17]DIMITRIOS Mavrakis，NIKOLAOS Kontinakis.A queueing model of maritime traffic in Bosporus Straits[J].Simulation Modelling Practice & Theory，2008，16(3):315-328.

(責(zé)任編輯：劉勇波)

Tianjin Port Traffic Flow Model Based on AIS Raw data

LIXiaochen,TANGHuang,YINYong,WANGRenda

(NavigationDynamicSimulationandControlLaboratory,DalianMaritimeUniversity,Dalian116026,China)

Abstract:Based on OD (Origin and Destination) traffic flow model theory, using the electronic chart display software and database independently developed by Dalian Maritime University Dynamic Simulation and Control Laboratory, AIS raw data are processed by setting a section to calculate vessels passing the section, so as to study the traffic flow of Tianjin Port. Making use of mathematical statistics knowledge, the Tianjin Port traffic flow model is preliminarily built to reveal the rules of the traffic flow and generate the simulation traffic flow. The results can be deemed as a pre-research for VTS simulator, and provide scientific basis for traffic flow management of Tianjin Port.

Key words:Tianjin Port; OD traffic flow model; AIS raw data; vessel traffic flow

文章編號：1672-0032(2015)04-0068-04

中圖分類號：U692

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2015.04.013

作者簡介：李笑晨(1990—)，男，河南洛陽人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹胶ＤM器研究.

基金項(xiàng)目：國家863項(xiàng)目(2015AA016404)

收稿日期：2015-11-01