陶　陽　毛　喆▲　盛　萍　吳　兵

(1.武漢理工大學(xué)國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心　武漢 430063；2.武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心　武漢 430063；3.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　武漢 430063；4.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司　武漢 430056)

0　引　言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展加快，長江干線上橋梁建設(shè)速度也飛速增長，在一定程度上影響了內(nèi)河船舶的通航環(huán)境，提高了船舶航行風(fēng)險(xiǎn)。船舶航行行為主要體現(xiàn)在船舶的航行位置、速度和航向角隨時(shí)間的變化上[1]，而在橋區(qū)水域，不合理的操縱更容易造成通航安全隱患，因此，貨船在橋區(qū)水域通航時(shí)船舶行為受到更嚴(yán)格的限制，比如，上下行航速的限制、水域內(nèi)禁止追越等[2]。在部分橋區(qū)水域，不同水期船舶上下行的通航橋孔也不一致。橋區(qū)水域影響船舶安全通航因素復(fù)雜，因此，開展對(duì)橋區(qū)水域的船舶行為研究，分析船舶過橋前后航速控制、航向角調(diào)整的規(guī)律，為海事部門提供一定指導(dǎo)建議，保障橋區(qū)船舶通航安全，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前AIS數(shù)據(jù)在船舶行為方面的研究應(yīng)用廣泛，Sang等[3]利用AIS數(shù)據(jù)完成異常船舶行為的識(shí)別和缺失船舶航跡的恢復(fù)；Zhang等[4]基于AIS數(shù)據(jù)的時(shí)間和空間屬性完成了新加坡海峽船舶異常航速熱點(diǎn)區(qū)域；Mou等[5]通過線性回歸模型分析港口AIS數(shù)據(jù)與船舶碰撞行為的關(guān)聯(lián)性。除了識(shí)別船舶異常行為和碰撞行為，國內(nèi)外學(xué)者圍繞AIS數(shù)據(jù)在橋區(qū)水域船舶行為分析也開展了相關(guān)研究，主要包括船舶通過能力仿真、船舶通航軌跡研究及航道內(nèi)船舶航速變化規(guī)律分析等。Jiang等[6]統(tǒng)計(jì)分析了蘇通大橋橋區(qū)水域2010年的船舶交通流的月增長率；Wu等[7]基于AIS數(shù)據(jù)從船舶碰撞角度研究了德克薩斯州航道的船舶通航風(fēng)險(xiǎn)；肖方亮和Han等[8]通過將鹿特丹港口和蘇通大橋水域船舶AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析對(duì)比，驗(yàn)證了統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)船舶通航規(guī)律分析的普適性；徐武雄等[9]根據(jù)AIS數(shù)據(jù)分析武橋水域船舶行為分布規(guī)律，提出了船舶生成的仿真方案；桑凌志等[10]依據(jù)主機(jī)功率對(duì)船舶進(jìn)行聚類，結(jié)合柵格法和蟻群算法實(shí)現(xiàn)了通航軌跡的優(yōu)化；朱姣等[11]利用DBSCAN聚類算法挖掘內(nèi)河船舶的不同行為模式和交通態(tài)勢信息；甄榮等[12]采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法定量統(tǒng)計(jì)分析航道內(nèi)不同類型和船長的船舶速度分布范圍，分析了各變量間的關(guān)系；潘家財(cái)?shù)萚13]統(tǒng)計(jì)分析廈門灣的船舶AIS數(shù)據(jù)，根據(jù)航速和航向變化率來描述該水域的通航環(huán)境。

以上的研究側(cè)重于理論算法和仿真模型，而船舶通航是以船舶和航道為整體研究對(duì)象，與航速、航向角等密切相關(guān)的交通行為[14]，因此，以真實(shí)橋區(qū)水域?yàn)榛A(chǔ)，開展對(duì)船舶航速、航向角等船舶行為的分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)該水域船舶通航規(guī)律的研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。筆者以2015年武漢長江大橋段橋區(qū)水域的貨船AIS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從上下行、水期等因素影響下的航速和航向角變化規(guī)律的角度來分析船舶行為特征。

1　研究區(qū)域選定和數(shù)據(jù)處理

1.1　武漢長江大橋水域

相對(duì)于開闊水域，船舶在橋區(qū)水域通航具有一定特殊性，受到各種復(fù)雜自然條件因素的綜合影響，包括航道條件、橋梁凈高，以及水文條件等，其中武漢長江大橋水域(以下簡稱武橋水域)是典型的內(nèi)河橋區(qū)水域，作為長江干線上重要的交通樞紐，合理規(guī)范該水域內(nèi)船舶的通航行為對(duì)于預(yù)防和減少水上交通事故的發(fā)生具有重要意義。武漢長江大橋?yàn)槿?lián)連續(xù)橋梁，每聯(lián)3孔，共8墩9孔，每孔跨度為128 m，橋墩縱向軸線向右岸偏離18°。武橋水域指橋軸線上游1 500 m到下游1 000 m左右[15]的通航水域，在該水域?qū)嵤┓挚淄ê?，上、下行船舶分別走4號(hào)和6號(hào)橋孔。根據(jù)研究需要，筆者選取橋軸線上游2 000 m到下游1 500 m作為研究水域，如圖1所示。從航道通航環(huán)境來看，武橋水域?qū)儆陧樦焙降?，航道寬度? 500 m左右，全年維護(hù)尺度為4.0 m×150 m，水深維護(hù)保護(hù)率為98%[16-17]。航道通航受水期影響顯著，主要體現(xiàn)在水流條件、橋梁凈高和通航橋孔選擇上。在洪水期橋墩附近橫流現(xiàn)象嚴(yán)重，橋孔通航凈高降低，助航設(shè)施容易失效，駕駛員針對(duì)通航孔和非通航孔的識(shí)別更容易出現(xiàn)失誤；在枯水期容易出現(xiàn)航槽彎曲現(xiàn)象而成為礙航航道。

圖1　武漢長江大橋水域Fig.1　Watersway of Wuhan Yangtze River Bridge

為了深入研究水期因素對(duì)橋區(qū)貨船通航的影響，以漢口水文站為例，統(tǒng)計(jì)了2015年長江武漢大橋段航道上下游的水位信息，同時(shí)綜合長江航道局的規(guī)定和徐武雄等[15]的調(diào)研分析，完成了對(duì)水期的劃分：枯水期(11，12，1，2，3月份)、中水期(4，5，10月份)和洪水期(6，7，8，9月份)。2015年武漢段航道尺度維護(hù)數(shù)據(jù)見表1。由表1中可見，上、下游水域的航道水深在不同水期具有明顯差異，洪水期航道水深遠(yuǎn)高于枯水期；在同一水期上、下游的航道水深也存在差異，在各水期中，下游航道水深均高于上游。

表1　2015年長江武漢段水文信息Tab.1　Hydrology of Wuhan Yangtze River in 2015

1.2　AIS數(shù)據(jù)獲取

筆者采用的AIS數(shù)據(jù)由長江海事局AIS信息服務(wù)平臺(tái)提供。船舶AIS數(shù)據(jù)主要包括靜態(tài)信息和動(dòng)態(tài)信息，其中靜態(tài)信息包括：IMO碼、船名、船舶長度和寬度、船舶類型等；動(dòng)態(tài)信息包括對(duì)地航速、對(duì)地航向、航行狀態(tài)等。研究以其中6類信息作為分析對(duì)象，見表2。

表2　AIS數(shù)據(jù)格式Tab.2　Data format of AIS

1.3　AIS數(shù)據(jù)處理流程

通過對(duì)2015年1月1日—12月31日約120萬條貨船AIS數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行預(yù)處理，得到用來分析武漢長江大橋水域貨船通航規(guī)律的數(shù)據(jù)，預(yù)處理過程見圖2。

步驟1。研究AIS數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍為2015年1月—12月，空間范圍為武漢長江大橋水域上游2 000 m到下游1 500 m，研究的AIS信息為表2中表征船舶行為的6個(gè)字段，利用以上條件篩選得到符合條件的數(shù)據(jù)有29萬條。

圖2　AIS數(shù)據(jù)預(yù)處理Fig.2　Preprocessing of AIS data

步驟2。貨船過橋行為分為上行過橋和下行過橋，二者的航行規(guī)律有著很大的差別，為了方便發(fā)現(xiàn)規(guī)律，以航向角為依據(jù)[18]對(duì)上行和下行AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，得到AIS數(shù)據(jù)上行14萬條、下行15萬條。

步驟3。將篩選得到的上、下行AIS數(shù)據(jù)從SQLServer數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出到Matlab中進(jìn)行處理，將解析TIME字段提取的月份信息作為每一條AIS記錄的標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)AIS數(shù)據(jù)集按月份的劃分。

步驟4。針對(duì)上下行每個(gè)月的AIS數(shù)據(jù)集，以MMSI為依據(jù)來區(qū)分不同貨船的軌跡，同時(shí)以900 s作為分包的時(shí)間閾值，規(guī)定相鄰AIS記錄的時(shí)間差大于此閾值就可以認(rèn)為是2條子軌跡。

步驟5。結(jié)合上文規(guī)定來分別完成上、下行AIS數(shù)據(jù)集基于水期的劃分。

步驟6。統(tǒng)計(jì)分析上、下行及水期對(duì)貨船在武橋水域航行的影響。

1.4　武橋水域貨船通航情況

對(duì)AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到貨船在武橋水域的軌跡分布，見圖3。該水域貨船上、下行航跡存在明顯區(qū)別，從通航橋孔來看，上行貨船主要通過2，3，4號(hào)橋孔，而下行貨船主要通過6號(hào)橋孔。從貨船航跡來看，部分上行貨船在進(jìn)入橋區(qū)水域時(shí)航跡出現(xiàn)了明顯偏離預(yù)期航線的現(xiàn)象，而下行航跡不存在此現(xiàn)象。從航跡帶分布來看，上行貨船航跡傾向于在緩流水域，而下行貨船傾向于在主流水域。

圖3　貨船航跡分布Fig.3　Trajectory distribution of cargo ships

2　武橋水域貨船過橋通航規(guī)律分析

2.1　武橋水域貨船交通流量

經(jīng)過前期預(yù)處理，統(tǒng)計(jì)分析武橋水域2015年貨船交通流量，其中上行貨船9 147艘，下行貨船10 788艘，其年度分布見圖4。洪水期和中水期貨船交通流量比例遠(yuǎn)大于枯水期，其中上行71%，下行75%，可知上、下行對(duì)貨船交通流量比例影響不大。在洪水期，貨船交通流量比例達(dá)到最大，其中上行38%，下行41%。由此可知，上行、下行、水期與橋區(qū)貨船交通流量具有某種內(nèi)在的聯(lián)系。

圖4　貨船交通流量分布Fig.4　Traffic flow distribution of cargo ships

2.2　武橋水域上、下行貨船航行規(guī)律

不同航向的貨船航速和航向角能在一定程度上反映貨船的航行行為特征，從而為研究橋區(qū)水域貨船航行提供理論依據(jù)。利用正態(tài)分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布分別對(duì)2015年武橋水域上、下行貨船的航速、航向角進(jìn)行擬合，得到的擬合曲線和參數(shù)見圖5～6。

圖6　航向角分布特性概率分布擬合Fig.6　Probability distribution fitting of course

由圖5～6可見，無論對(duì)于貨船航速還是航向角，對(duì)數(shù)正態(tài)分布的擬合優(yōu)度均要優(yōu)于正態(tài)分布，能更準(zhǔn)確地反映武漢大橋水域貨船航速的分布特征。其中，上行貨船航速期望和標(biāo)準(zhǔn)差均低于下行，說明在武橋水域貨船下行時(shí)航速整體均值與波動(dòng)性更大，這與貨船下行時(shí)航速偏高，受到水流作用影響更大，需要頻繁變換航速來抵消水流作用有關(guān)。下行貨船航向角標(biāo)準(zhǔn)差為5.33°，遠(yuǎn)低于上行的11.47°，說明貨船下行時(shí)航向角分布更集中，波動(dòng)性更小，這與貨船航速的規(guī)律是不同的。這是因?yàn)樨洿闲袝r(shí)主要通過2號(hào)和4號(hào)橋孔，而下行時(shí)只能通過6號(hào)橋孔，因此貨船下行過橋時(shí)不需要頻繁調(diào)節(jié)航向角，航向角整體分布也更為集中。

2.3　不同水期貨船航行規(guī)律

為了研究水期對(duì)貨船航行的影響，以貨船航行時(shí)距離大橋的航程為橫軸來分別統(tǒng)計(jì)貨船在各水期中上、下行航速和航向角的散點(diǎn)分布。

2.3.1上、下行貨船各水期航速分析

統(tǒng)計(jì)得到上、下行貨船在各水期中航速散點(diǎn)分布如圖7。由圖7可見，航速散點(diǎn)整體分布與上、下行關(guān)系不大，且各水期貨船航速散點(diǎn)整體分布具有相似性，散點(diǎn)整體不具備較大波動(dòng)性。

圖7　各水期貨船航速散點(diǎn)分布Fig.7　Distribution of speed scatters in different water period

采用對(duì)數(shù)正態(tài)分布對(duì)上、下行貨船航向角進(jìn)行擬合，通過擬合結(jié)果得到航向角主要分布區(qū)間,即為主要研究對(duì)象，其中上行研究區(qū)間為[2.5,5.5] kn，下行為[4,10] kn。將此區(qū)間作為主要研究對(duì)象，采用合適的區(qū)間梯度來分別統(tǒng)計(jì)上、下行各水期航速散點(diǎn)比例，其中上行區(qū)間梯度為0.5 kn，下行為1 kn。得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果和擬合參數(shù)分別見表3。

表3　上下行航速統(tǒng)計(jì)分析Tab.3　Statistical analysis of speed in upside anddownside

由表3可見，從波動(dòng)性角度來看，無論是上行還是下行，各水期航向角標(biāo)準(zhǔn)差基本無差異，說明上、下行航速分布波動(dòng)性與水期無關(guān)。從區(qū)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，上行時(shí)水期對(duì)各航速區(qū)間影響不大，說明貨船上行時(shí)航速受水期因素影響較小。而下行時(shí)水期對(duì)5～9 kn航速的各子區(qū)間影響較顯著，其中對(duì)期望區(qū)間(包含航速期望值的區(qū)間)附近航速區(qū)間影響更為明顯，枯水期在區(qū)間[5,6) kn比例為22.36%，遠(yuǎn)低于中水期和洪水期；而區(qū)間[7,9) kn比例為37.29%,高于中水期和洪水期，說明枯水期貨船下行時(shí)航速傾向于由區(qū)間[5,6) kn向區(qū)間[7,9) kn轉(zhuǎn)移，航速整體有增大趨勢。

2.3.2上、下行貨船各水期航向角分析

上、下行貨船在各水期中航向角散點(diǎn)分布見圖8，上行時(shí)各水期航向角散點(diǎn)整體均有先減小后增大的趨勢，且過橋后航向角散點(diǎn)的均值水平要高于過橋前；而下行時(shí)航向角在過橋前已經(jīng)減小到恒定值，并在過橋后保持該恒定值進(jìn)行安全航行。說明下行貨船過橋后傾向于保向航行，這與下行時(shí)航速較高、下游通航環(huán)境相對(duì)簡單有關(guān)。

圖8　各水期貨船航向角散點(diǎn)分布Fig.8　Distribution of course scatters in different water period

采用對(duì)數(shù)正態(tài)分布對(duì)上下行貨船航向角進(jìn)行擬合，通過擬合結(jié)果得到航向角主要分布區(qū)間,即為主要研究對(duì)象。其中上行研究區(qū)間為[241°，247°]，下行為[62°,65°]。將此區(qū)間作為主要研究對(duì)象，采用合適的區(qū)間梯度來分別統(tǒng)計(jì)上、下行各水期航向角散點(diǎn)比例，其中上行區(qū)間梯度為1°，下行為0.5°。得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果和擬合參數(shù)分別見表4。

表4　上下行航向角統(tǒng)計(jì)分析Tab.4　Statistical analysis of course in upside and downside

由表4可見，從波動(dòng)性角度來看，無論是上行還是下行，各水期航向角標(biāo)準(zhǔn)差基本無差異，說明上、下行航向角分布波動(dòng)性與水期無關(guān)。從區(qū)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，無論是上行還是下行，水期對(duì)期望區(qū)間(包含航向角期望值的區(qū)間)散點(diǎn)比例影響不大，其中上行期望區(qū)間[243°,244°)在各水期均為25.38%左右，下行期望區(qū)間[63.5°,64°)均為29.66%左右。水期對(duì)期望區(qū)間附近散點(diǎn)比例影響相對(duì)顯著，尤其在洪水期上行時(shí)區(qū)間[242°,243°)比例為25.83%，低于枯水期和中水期；區(qū)間[244°,245°)比例為16.28%，高于枯水期和中水期。說明洪水期貨船上行時(shí)航向角傾向于由區(qū)間[242°,243°)向區(qū)間[244°,245°)轉(zhuǎn)移，整體航向角有增大的趨勢。而下行時(shí)具有相反的趨勢，在洪水期區(qū)間[63°,63.5°)和[64°,65°]比例分別為27.17%和22.85%，說明洪水期貨船下行時(shí)航向角傾向于由區(qū)間[64°,65°]向區(qū)間[63°,63.5°)轉(zhuǎn)移，整體航向角有減小的趨勢。

針對(duì)航向角而言，在洪水期變化顯著性高于其他2個(gè)水期，其中上行時(shí)航向角整體傾向于增大，而下行時(shí)具有相反趨勢。

3　結(jié)束語

筆者以貨船AIS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)來研究武橋水域貨船通航規(guī)律，分別從上行、下行、水期角度對(duì)航速、航向角進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和擬合分析，從分析的結(jié)果來看，上行、下行和水期對(duì)橋區(qū)貨船通航均存在一定影響。

1) 從貨船通航數(shù)量來看，水期的影響比上下行更顯著，其中在洪水期貨船交通流量達(dá)到最大。

2) 從貨船航速來看，上行時(shí)航速受水期影響較小，同時(shí)航速整體均值和波動(dòng)性均低于下行；下行時(shí)在枯水期航速整體有增大的趨勢。

3) 從貨船航向角來看，上行時(shí)航向角受水期影響較顯著，其中在洪水期整體有增大的趨勢；而下行時(shí)在洪水期具有相反的趨勢，同時(shí)下行航向角整體波動(dòng)性遠(yuǎn)低于上行。

鑒于采集數(shù)據(jù)有限，筆者僅以航速、航向角作為船舶行為特征來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，深入挖掘了上行、下行、水期因素對(duì)其的影響。后續(xù)研究需要進(jìn)一步結(jié)合船舶的靜態(tài)信息和環(huán)境因素來拓展研究的分析維度，同時(shí)可以將研究目標(biāo)由單個(gè)橋區(qū)水域拓展到連續(xù)橋區(qū)水域，以期建立更完善的橋區(qū)船舶行為分析模型。

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