文元橋， 李 通, 鄭海濤， 黃 亮,2， 周春輝,2， 肖長詩,2

(1. 武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院， 武漢 430063； 2. 內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430063；3. 國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心， 武漢 430063)

內(nèi)河典型水域船舶領(lǐng)域特征

文元橋1,2,3， 李 通1, 鄭海濤1， 黃 亮1,2， 周春輝1,2， 肖長詩1,2

(1. 武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院， 武漢 430063； 2. 內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430063；3. 國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心， 武漢 430063)

為獲取內(nèi)河典型水域的船舶領(lǐng)域特征，利用船舶歷史軌跡數(shù)據(jù)建立統(tǒng)計(jì)模型。通過網(wǎng)格化目標(biāo)船周圍水域，計(jì)算每一時(shí)刻下目標(biāo)船周圍距其最近的他船所占的網(wǎng)格，疊加每時(shí)刻下他船的網(wǎng)格分布，得到單船的網(wǎng)格密度圖，對(duì)同一長度類型的船舶的網(wǎng)格密度圖進(jìn)行疊加，得到特定類型船舶的網(wǎng)格密度圖。觀測(cè)該網(wǎng)格密度圖和分析該網(wǎng)格密度數(shù)據(jù)，得到特定類型船舶領(lǐng)域的形狀和大小。分析結(jié)果表明：在內(nèi)河典型水域，船舶領(lǐng)域的形狀和尺度均與傳統(tǒng)的基于理論分析的領(lǐng)域形狀和尺度及海上自由航行水域船舶領(lǐng)域的形狀和尺度有較大的區(qū)別。內(nèi)河水域船舶的領(lǐng)域形狀受船舶行為影響明顯，呈非對(duì)稱橢圓狀，且橢圓長軸與船首向平行。船舶領(lǐng)域長度為船長的2.5～3.5倍，船寬的16～21倍；船舶領(lǐng)域?qū)挾葹榇L的1.5～2.0倍，船寬的9～12倍。

船舶領(lǐng)域； 內(nèi)河典型水域； 歷史軌跡數(shù)據(jù)； 網(wǎng)格密度圖

船舶領(lǐng)域[1]是指本船為保證航行安全，不許他船進(jìn)入的本船周圍的一片水域，廣泛應(yīng)用于船舶避碰和船舶航行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等領(lǐng)域中。

在海上船舶研究領(lǐng)域，GOODWIN[2]在對(duì)北海南部水域進(jìn)行海上交通觀測(cè)和利用雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究之后，在考慮國際海上避碰規(guī)則影響的基礎(chǔ)上，建立開闊水域的船舶領(lǐng)域模型，該船舶領(lǐng)域由船舶號(hào)燈劃分的3個(gè)不等扇形組成。此后，DAVIS等[3-4]，VAN DDR TAK等[5]和COLDWELL[6]對(duì)藤井和GOODWIN提出的船舶領(lǐng)域模型進(jìn)行改進(jìn)和完善。KIJIMA等[7-8]提出基于阻擋區(qū)域和瞭望區(qū)域的船舶領(lǐng)域，考慮船舶操縱參數(shù)和船速的影響，但未考慮人和環(huán)境的因素。WANG[9]結(jié)合模糊集理論，提出了模糊四元船舶領(lǐng)域模型，用于船舶空間碰撞危險(xiǎn)度的評(píng)價(jià)，所得結(jié)果具有一定的優(yōu)越性。PIETRZYKOWSKI[10]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提出動(dòng)態(tài)模糊船舶領(lǐng)域模型，將人的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和船舶的因素融入到模型中，但未考慮環(huán)境因素。周丹等[11]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究船舶領(lǐng)域與其影響因素間的關(guān)系，考慮因素比較全面，所得結(jié)果具有較好的擬合度。

在內(nèi)河水域船舶研究領(lǐng)域，大多數(shù)研究集中于構(gòu)建船舶領(lǐng)域與船舶自身屬性的關(guān)系方面。賈傳熒[12]通過研究受限水域內(nèi)船舶領(lǐng)域大小與船舶航速、船舶尺度之間的關(guān)系，提出受限水域內(nèi)可變尺度的船舶領(lǐng)域。廖河樹等[13]在考慮船舶操縱性能和航行環(huán)境的影響之后，建立船舶在狹水道航行的球場(chǎng)式船舶領(lǐng)域，其尺寸是與本船船長、船寬和航速相關(guān)的函數(shù)。徐周華等[14]通過對(duì)我國內(nèi)河船舶操縱與避碰的特點(diǎn)進(jìn)行分析之后提出船舶領(lǐng)域三維模型的設(shè)想，該船舶領(lǐng)域與本船的大小、運(yùn)動(dòng)性能、水域及與他船的相互位置關(guān)系等因素有關(guān)。陳厚忠等[15]結(jié)合水動(dòng)力學(xué)和船舶操縱性能，對(duì)船舶通過橋區(qū)的可行性進(jìn)行分析，建立矩形船舶領(lǐng)域模型，其尺寸與橋墩寬度、船寬和單雙向通航等因素有關(guān)。范賢華等[16]基于水流條件對(duì)船舶航行的影響，提出一種改進(jìn)的船舶領(lǐng)域模型。

隨著現(xiàn)代自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)技術(shù)的興起，基于AIS的船舶領(lǐng)域研究變得越來越有意義，齊樂等[17]利用瓊州海峽航行船舶的AIS數(shù)據(jù)，通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)和模糊數(shù)學(xué)方法，獲得不同避讓度下船舶領(lǐng)域的邊界曲線，建立海上船舶領(lǐng)域模型。HANSEN等[18]和向哲等[19]利用AIS數(shù)據(jù)，分別對(duì)丹麥與德國之間的Fehmarn Belt水域和受限水域內(nèi)的船舶領(lǐng)域模型進(jìn)行研究，所得結(jié)果的差異表明航行環(huán)境對(duì)船舶領(lǐng)域模型有較大的影響。

通過以上研究可知，目前對(duì)船舶領(lǐng)域的研究方法主要分為基于統(tǒng)計(jì)分析、基于解析表達(dá)和基于智能技術(shù)等3種，其中：統(tǒng)計(jì)分析法所采用的數(shù)據(jù)為雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)，信息量少，因此所得結(jié)果不夠精確；解析法在構(gòu)建船舶領(lǐng)域模型時(shí)雖然考慮了船舶本身的操縱特性，但忽略了船舶駕駛員和環(huán)境因素對(duì)船舶領(lǐng)域的影響；基于智能技術(shù)的方法還只是使用簡易模型，對(duì)人為因素和航行環(huán)境等復(fù)雜因素還遠(yuǎn)未考慮到。

此外，在海上船舶研究領(lǐng)域已出現(xiàn)相對(duì)較多的基于觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)證研究，但在內(nèi)河船舶研究領(lǐng)域，對(duì)船舶領(lǐng)域模型的研究大多還停留在理論和計(jì)算模型階段，缺乏實(shí)證研究。對(duì)此，選擇內(nèi)河典型水域，采用AIS觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)內(nèi)河船舶的領(lǐng)域特征進(jìn)行研究，以得到領(lǐng)域尺寸與船舶尺寸之間的關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)與算法

1.1 數(shù)據(jù)及研究區(qū)域的選取

研究水域?yàn)殚L江中游武漢段，西起武漢鸚鵡洲長江大橋水域，東至黃岡公鐵兩用長江大橋水域(見圖1),全長44.92 n mile，通航船舶長度主要為60～120 m，包含武漢長江大橋、武漢長江二橋、武漢二七長江大橋、天興洲長江大橋、武漢青山長江大橋和陽邏長江公路大橋等6處橋區(qū)，天興洲水道、牧鵝洲水道、羅湖洲水道等3處彎曲航段，以及漢口港、青山港和陽邏港等多處港口及碼頭，航行環(huán)境特征豐富，為內(nèi)河典型水域。

圖1 長江中游武漢段水域

研究選用的AIS數(shù)據(jù)來自于長江海事局AIS數(shù)據(jù)中心，包含武漢段水域內(nèi)2014年1月份超過1 000萬條在航船舶AIS數(shù)據(jù)記錄，該數(shù)據(jù)為時(shí)間序列數(shù)據(jù)，每時(shí)刻下都包含對(duì)應(yīng)船舶的位置、航向、船首向、航速和船舶尺寸等信息，相對(duì)于雷達(dá)數(shù)據(jù)提供的船舶位置和航向信息顯得更加豐富。由于AIS基站不能同時(shí)發(fā)送每艘船舶的數(shù)據(jù)信息，因此各艘船舶的信息之間存在一定的時(shí)差，且每艘船的AIS數(shù)據(jù)也可能包含有位置異常值和速度異常值，在應(yīng)用前需對(duì)初始AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行插值和異常數(shù)據(jù)剔除。

1.2 算法原理

船舶領(lǐng)域的邊界可由一艘船周圍各方位上允許其他船舶靠近的最近距離來確定；該最近距離可通過選取目標(biāo)船，以目標(biāo)船在航行過程中距離目標(biāo)船最近的他船的相對(duì)位置的分布情況來表示。為更清楚地反映目標(biāo)船周圍距其最近的他船的分布情況，將目標(biāo)船每航行時(shí)刻下的周圍水域網(wǎng)格化，并將他船按其尺寸看作是以其航向?yàn)殚L軸方向的矩形，然后判斷該矩形所占的網(wǎng)格數(shù)，為所占網(wǎng)格計(jì)數(shù)為1，不為所占網(wǎng)格計(jì)數(shù)為0，其原理見圖2。此外，將目標(biāo)船每航行時(shí)刻下網(wǎng)格編號(hào)相同的網(wǎng)格計(jì)數(shù)疊加，以獲得單船的網(wǎng)格密度圖。由于一艘船舶在所選水域的航行時(shí)間有限，其單船網(wǎng)格密度圖所反映的信息通常不夠完整，因此按照目標(biāo)船的長度對(duì)其進(jìn)行分類，通過疊加同一長度類型目標(biāo)船的單船網(wǎng)格密度圖獲得特定類型船舶的網(wǎng)格密度圖，該網(wǎng)格密度圖能比較完整地反映目標(biāo)船周圍距其最近的他船的航行分布情況，可用來對(duì)不同長度類型船舶的領(lǐng)域特征進(jìn)行分析。該計(jì)算流程見圖3。

圖2 單船網(wǎng)格計(jì)算原理

圖3 算法流程

1.3 具體計(jì)算步驟

由于初始AIS數(shù)據(jù)中包含一些異常數(shù)據(jù)，因此需從所選的AIS數(shù)據(jù)中剔除船舶長度和寬度不符合實(shí)際情況、船舶位置異常(不在航行水域內(nèi))、速度異常及航向異常的數(shù)據(jù)信息。此外，AIS數(shù)據(jù)中的位置信息為AIS天線位置，并非船舶中心，因此需將該位置換算到船舶中心。另外，由于AIS基站不能同時(shí)發(fā)送每艘船舶的數(shù)據(jù)信息，使得目標(biāo)船的航行信息與在其附近水域內(nèi)的其他船舶的航行信息之間一定的時(shí)差，因此需采用數(shù)據(jù)插值的方法將其他船舶的位置推算至待研究的目標(biāo)船發(fā)出AIS信息的時(shí)刻，以保證航行信息同步。利用處理好的AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行以下所需的網(wǎng)格密度圖計(jì)算。

1.3.1單艘目標(biāo)船的網(wǎng)格圖

以目標(biāo)船為正中心，以其艏向?yàn)榭v軸方向，將其附近水域被等分為300×100個(gè)網(wǎng)格，為更加準(zhǔn)確地記錄目標(biāo)船周圍水域距其最近的他船的航行情況，劃定每個(gè)網(wǎng)格的長度和寬度均為10 m，從位于該矩形水域的其他船舶中選出距離目標(biāo)船最近的船舶的AIS數(shù)據(jù)，按船舶長度和寬度計(jì)算矩形，并判明該矩形所占的網(wǎng)格，可獲得目標(biāo)船各航行時(shí)刻的單船網(wǎng)格圖。此外，為將目標(biāo)船作為中心視角，保證目標(biāo)船在各航行時(shí)刻下的艏向始終為網(wǎng)格圖的縱軸方向，須解決由于目標(biāo)船處于航行狀態(tài)，使得其他船舶的相對(duì)方位一直在變的問題，從而對(duì)該矩形水域內(nèi)的所有其他船舶的航向和目標(biāo)船的航向進(jìn)行換算，以保證所選統(tǒng)計(jì)樣本的準(zhǔn)確性。

1.3.2獲取單船網(wǎng)格密度圖

為更加準(zhǔn)確地反映單艘目標(biāo)船在航行過程中距離其最近的他船的航行情況，同時(shí)考慮到內(nèi)河船舶實(shí)際航速的分布范圍，將目標(biāo)船在每航段內(nèi)的航行信息插值到每2 s一個(gè)間隔。隨著目標(biāo)船航行時(shí)間的推移，可獲得大量的單船網(wǎng)格圖，累加這些網(wǎng)格圖可獲得單船的網(wǎng)格密度圖。

1.3.3獲取特定類型船舶的網(wǎng)格密度圖

對(duì)目標(biāo)船進(jìn)行分類，對(duì)特定類型的目標(biāo)船的單船網(wǎng)格密度圖進(jìn)行疊加，以獲得比較完整的反映目標(biāo)船周圍距離其最近的他船的航行分布信息。本文只考慮船舶尺度對(duì)船舶領(lǐng)域的影響，因此根據(jù)內(nèi)河水域船舶的長度分布，將目標(biāo)船劃分為60～69 m，70～79 m，80～89 m，90～99 m，100～109 m和110～119 m等6類，對(duì)每類船舶的網(wǎng)格密度圖進(jìn)行疊加，獲得特定類型船舶的網(wǎng)格密度圖，通過觀測(cè)該密度圖和分析該密度數(shù)據(jù)來得到各類船舶領(lǐng)域的形狀和大小。

2 船舶領(lǐng)域統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

2.1 船舶領(lǐng)域統(tǒng)計(jì)結(jié)果

利用武漢段AIS數(shù)據(jù)獲得超過4 000萬張網(wǎng)格圖，并將其按船舶長度進(jìn)行分類和疊加，最終獲得特定類型船舶的網(wǎng)格密度圖，按密度大小填充顏色，可清晰地顯示船舶領(lǐng)域的形狀。6類船舶的船舶領(lǐng)域見圖4，其中橫軸和縱軸均表示網(wǎng)格數(shù)。

a) 60～69 m船舶的領(lǐng)域

b) 70～79 m船舶的領(lǐng)域

c) 80～89 m船舶的領(lǐng)域

d) 90～99 m船舶的領(lǐng)域

e) 100～109 m船舶的領(lǐng)域

f) 110～119 m船舶的領(lǐng)域

圖4中，網(wǎng)格密度圖中心(橫軸50個(gè)網(wǎng)格，縱軸150個(gè)網(wǎng)格，即圖中實(shí)線的交點(diǎn))即目標(biāo)船周圍一小片水域，其網(wǎng)格密度遠(yuǎn)低于其他水域，可將該水域認(rèn)為是船舶領(lǐng)域。

對(duì)網(wǎng)格密度圖進(jìn)行切割,得到各類船舶領(lǐng)域的大小[19]，分別選取該網(wǎng)格密度圖中心周圍的長軸方向幾列網(wǎng)格密度數(shù)據(jù)和短軸方向幾行網(wǎng)格密度數(shù)據(jù)，生成的斷面見圖5。以密度最大值的20%為閾值來對(duì)該斷面圖進(jìn)行切割，由該斷面圖可知:6類船舶領(lǐng)域長度分別占24個(gè)、25個(gè)、26個(gè)、28個(gè)、30個(gè)和32個(gè)網(wǎng)格，寬度分別占11個(gè)、13個(gè)、15個(gè)、17個(gè)、20個(gè)和22個(gè)網(wǎng)格；6類船舶本身長度分別占7個(gè)、8個(gè)、9個(gè)、10個(gè)、11個(gè)和12個(gè)網(wǎng)格，寬度分別占1.16個(gè)、1.28個(gè)、1.42個(gè)、1.58個(gè)、1.70個(gè)和1.91個(gè)網(wǎng)格。船舶領(lǐng)域長度與船長的比值分別為3.43，3.13，2.89，2.80，2.73和2.67；船舶領(lǐng)域?qū)挾扰c船長的比值分別為1.55，1.63，1.69，1.74，1.78和1.81；船舶領(lǐng)域長度與船寬的比值分別為20.69，19.53，18.31，17.72，17.65和16.75；船舶領(lǐng)域?qū)挾扰c船寬的比值分別為9.37，10.19，10.72，11.01，11.51和11.38。

a) 60～69 m船舶領(lǐng)域長軸斷面

b) 70～79 m船舶領(lǐng)域長軸斷面

c) 80～89 m船舶領(lǐng)域長軸斷面

d) 90～99 m船舶領(lǐng)域長軸斷面

e) 100～109 m船舶領(lǐng)域長軸斷面

f) 110～119 m船舶領(lǐng)域長軸斷面

g) 60～69 m船舶領(lǐng)域短軸斷面

h) 70～79 m船舶領(lǐng)域短軸斷面

i) 80～89 m船舶領(lǐng)域短軸斷面

j) 90～99 m船舶領(lǐng)域短軸斷面

k) 100～109 m船舶領(lǐng)域短軸斷面

l) 110～119 m船舶領(lǐng)域短軸斷面

圖5 各類船舶的領(lǐng)域長軸及短軸斷面

2.2 結(jié)果分析

由圖4可知：所劃分的6類船舶領(lǐng)域均呈非對(duì)稱橢圓狀，且橢圓長軸與艏向平行，領(lǐng)域尺寸與船舶尺寸的比值均有所變化。隨著目標(biāo)船舶尺度的增大，船舶領(lǐng)域尺度和領(lǐng)域右邊的密度也逐漸增大，這表明船舶越大，其右舷船舶追越情況更加頻繁，這也符合內(nèi)河航行水域大船在占據(jù)主航道之后，他船多從其右舷追越的情況，這種船舶行為使得領(lǐng)域左右密度不對(duì)稱，從而形成領(lǐng)域形狀的非對(duì)稱性；隨著目標(biāo)船舶尺度的增大，領(lǐng)域前后高密度區(qū)域逐漸變廣，領(lǐng)域左邊的密度逐漸增大，這表明船舶越大，其艏艉跟馳現(xiàn)象和左舷對(duì)遇情況更加明顯，這種不同大小船舶的行為差異使得領(lǐng)域長度與船舶尺度的比值逐漸減小，領(lǐng)域?qū)挾扰c船舶尺度的比值逐漸增加。因此，在內(nèi)河典型水域，船舶領(lǐng)域的形狀和尺度均與傳統(tǒng)的基于理論分析的領(lǐng)域形狀和尺度及海上自由航行水域船舶領(lǐng)域的形狀和尺度有較大區(qū)別，領(lǐng)域的形狀受船舶行為的影響明顯。

令目標(biāo)船長為x1，目標(biāo)船寬為x2，領(lǐng)域長度與船長的比值為y1，領(lǐng)域?qū)挾扰c船長的比值為y2，領(lǐng)域長度與船寬的比值為y3,領(lǐng)域?qū)挾扰c船寬的比值為y4(見圖6)，其相互之間的擬合關(guān)系為

(1)

由圖5可知：領(lǐng)域長度和船長的比值在2.5～3.5，船舶越長，比值相對(duì)越?。活I(lǐng)域?qū)挾群痛L的比值在1.5～1.9，船舶越長，比值相對(duì)越大；領(lǐng)域長度和船寬的比值在16～21，船舶越寬，比值相對(duì)越?。活I(lǐng)域?qū)挾群痛瑢挼谋戎翟?～12，船舶越寬，比值相對(duì)越大。

a) 船舶領(lǐng)域長度和船長的比值與船長的擬合關(guān)系

b) 船舶領(lǐng)域?qū)挾群痛L的比值與船長的擬合關(guān)系

c) 船舶領(lǐng)域長度和船寬的比值與船寬的擬合關(guān)系

d) 船舶領(lǐng)域?qū)挾群痛瑢挼谋戎蹬c船寬的擬合關(guān)系

圖6 船舶領(lǐng)域長度、寬度與船長、船寬的擬合關(guān)系

3 結(jié)束語

本文提出利用船舶歷史軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)河典型水域船舶領(lǐng)域特征研究的統(tǒng)計(jì)方法，并選取武漢段內(nèi)的航行船舶的實(shí)際軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過獲取的網(wǎng)格密度圖和網(wǎng)格密度數(shù)據(jù)得到所劃分的6類船舶的領(lǐng)域的形狀、長度和寬度，結(jié)果表明：在內(nèi)河典型水域，船舶領(lǐng)域的形狀和尺度均與傳統(tǒng)的基于理論分析的領(lǐng)域形狀和尺度及海上自由航行水域船舶領(lǐng)域的形狀和尺度有較大區(qū)別，領(lǐng)域尺度與船舶尺度的比值并非定值，領(lǐng)域的形狀受船舶行為的影響明顯，呈非對(duì)稱橢圓狀，且橢圓長軸與艏向平行。該船舶領(lǐng)域特征研究只考慮船舶尺度的影響，為獲得更加準(zhǔn)確的內(nèi)河典型水域船舶領(lǐng)域模型，今后需考慮船舶速度、航行環(huán)境等更多因素對(duì)船舶領(lǐng)域的影響。

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CharacteristicsofShipDomaininTypicalInlandWaters

WENYuanqiao1,2,3，LITong1,ZHENGHaitao1，HUANGLiang1,2，ZHOUChunhui1,2，XIAOChangshi1,2

(1. School of Navigation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063， China; 2. Hubei Key Laboratory of Inland Shipping Technology, Wuhan 430063， China; 3. National Engineering Research Center for Water Transport Safety, Wuhan 430063， China)

In order to understand the characteristics of the ship domain in typical inland waters, the historical trajectory data of ships are studied, and the statistic model is constructed. Meshes are created in the vicinity of the target ship and the cells occupied by the closest ship at sampling time are recorded. In this way the diagram of ship number of each cell for single ship can be plotted. Overlying the diagrams of same type ships gives a diagram for ships of particular type. Looked into the resultant diagram, the shape and size of the ship domain can be determined. An interesting fact is seen in the investigation that the ship domain in real life is quite different from the theoretical prediction. The shape of the ship domain in typical inland waters takes the form of an asymmetrically shaped ellipse, with its major axis coinciding with the ship’s central line. The ratio of ship domain length to ship length is 2.5～3.5,and 16～21 to ship breadth; the ratio of ship domain width to ship length is 1.5～2.0 and 9～12 to ship breadth.

ship domain; typical inland waters; historical trajectory data; density-in-cell diagram

2017-11-24

國家自然科學(xué)基金(51579204; 51679180;51709218);武漢理工大學(xué)國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助(20171049712005)

文元橋(1975—)，男，湖北松滋人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)樗辖煌ò踩c環(huán)境。E-mail：3444324@qq.com

1000-4653(2018)01-0043-05

U675

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