文元橋 黃玉宇 周春輝1，，3 隋忠義 張 帆，4

（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)航運(yùn)學(xué)院 武漢430063；3. 武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心 武漢430063；4. 武漢理工大學(xué)內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢430063）

0 引 言

船舶是水上交通的行為主體，對(duì)其行為的研究是識(shí)別水上交通風(fēng)險(xiǎn)、實(shí)施水上交通組織和管控的重要基礎(chǔ)性研究[1]。船舶行為一般是指船舶在駕駛?cè)藛T的操縱下以航行和避讓為目的所采取的行為方式及其規(guī)律。從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，對(duì)船舶行為的研究主要包括以下幾個(gè)方面。

船舶行為特征方面，主要對(duì)船舶行為特征進(jìn)行宏觀分析和微觀分析。宏觀行為分析研究船舶群體在全局尺度下所呈現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通常通過軌跡聚類等方法分析大尺度下的船舶行為特征，胡智輝[2]通過對(duì)船舶軌跡進(jìn)行聚類，得到了船舶的典型運(yùn)動(dòng)軌跡；潘家財(cái)?shù)萚3]、朱飛翔等[4]分別通過AIS 數(shù)據(jù)挖掘船舶軌跡特征并模擬船舶行為特征的空間分布。宏觀分析主要針對(duì)船舶的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，難以描述船舶行為內(nèi)在的演化機(jī)制，不能實(shí)時(shí)表達(dá)船舶行為的當(dāng)前狀態(tài)。微觀分析描述的是船舶個(gè)體在局部尺度下呈現(xiàn)的船舶行為；王立林等[5]、K.Patroumpas 等[6]通過不同的方法對(duì)船舶行為進(jìn)行識(shí)別，但是，其沒有考慮具體場(chǎng)景下的船舶行為、規(guī)則中的船舶行為以及多船行為；因此學(xué)者們進(jìn)行進(jìn)一步深入的研究。He 等[7]給出了國際海上避碰規(guī)則的量化解析模型，明確定義了船舶的各個(gè)會(huì)遇局面和會(huì)遇階段。Lei[8]提出了1 個(gè)名為MT-MAD 的框架并在該框架中定義了船舶活動(dòng)空間、行為順序和行為特征，提出了基于船舶子軌跡評(píng)估的異常檢測(cè)算法。

在行為傳播研究方面，Damon[9]于2010年發(fā)表了關(guān)于行為傳播的研究成果，引起人們對(duì)行為傳播研究的關(guān)注。王新華等[10]基于SIRS信息傳播模型提出了1種礦工不安全行為傳播的SIRS模型，分析了不安全行為在礦工之間的傳播機(jī)制。劉映森[11]基于弓形蟲傳染病模型建立了車輛異常行為傳播模型，分析了傳播過程的主要影響因素如環(huán)境因素、擴(kuò)散能力等。陶琳玲[12]通過對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)及個(gè)體行為決策等理論，構(gòu)建了動(dòng)態(tài)社會(huì)網(wǎng)絡(luò)中行為擴(kuò)散機(jī)制演化模型，探討了不同影響因素對(duì)社會(huì)網(wǎng)絡(luò)中行為擴(kuò)散的影響。

在關(guān)鍵點(diǎn)識(shí)別研究中，航空、道路等交通領(lǐng)域也有很多相關(guān)研究。劉飛等[13]通過建立飛行沖突行為分析網(wǎng)絡(luò)，采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中心性算法結(jié)合AHP 方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的沖突等級(jí)進(jìn)行評(píng)估，并有效地識(shí)別沖突關(guān)鍵點(diǎn)的位置；王斌等[14]將節(jié)點(diǎn)信任度引入PageRank 算法中，構(gòu)建了1 種關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)識(shí)別算法，有效的識(shí)別網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)；袁銀國[15]通過構(gòu)建區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，使用基于OD 熵的區(qū)域重要性評(píng)估方法以及節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中心性度量指標(biāo)對(duì)每1 個(gè)區(qū)域進(jìn)行重要性評(píng)估從而找出排名較高的區(qū)域路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)；陳思等[16]結(jié)合PageRank 與Warshall 方法建立基于節(jié)點(diǎn)隨機(jī)失效下的各階段關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)識(shí)別算法對(duì)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，得到了較好的識(shí)別效果。

目前船舶行為的研究大多只行有關(guān)行為特征行為規(guī)律方面的研究分析，如異常行為檢測(cè)、船舶典型行為如轉(zhuǎn)向等識(shí)別以及通過歷史軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)以及航路推薦等；而在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)識(shí)別方面，只對(duì)航空網(wǎng)絡(luò)、道路交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)識(shí)別的研究分析，對(duì)水域中的關(guān)鍵船舶識(shí)別的研究較少，且多數(shù)節(jié)點(diǎn)重要度評(píng)估指標(biāo)為節(jié)點(diǎn)度中心性，對(duì)其他節(jié)點(diǎn)中心性指標(biāo)評(píng)估方法研究較少。鑒于此，針對(duì)船舶航行過程中船舶行為所產(chǎn)生的行為交互影響現(xiàn)象，基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，將船舶作為節(jié)點(diǎn)映射到網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)建面向船舶行為分析的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型（簡(jiǎn)稱船舶行為分析網(wǎng)絡(luò)），將船舶間的交互關(guān)系作為節(jié)點(diǎn)連邊對(duì)節(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系，通過AHP（analytic hierarchy process）方法構(gòu)造關(guān)鍵點(diǎn)綜合重要性評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過節(jié)點(diǎn)綜合重要度排序結(jié)果，識(shí)別船舶航行過程中對(duì)區(qū)域水上交通具有潛在威脅的關(guān)鍵船舶。

1 面向船舶行為分析的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

1.1 行為分析網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

船舶行為在廣義上包括船舶的一般航行行為和船舶的避碰行為，在狹義上一般指船舶在駕駛?cè)藛T的操縱下以航行和避讓為目的所采取的行為方式及其規(guī)律[17]。所謂船舶行為，指的是船舶在時(shí)空間活動(dòng)過程描述，是指船舶受駕駛員潛在意圖的支配而表現(xiàn)出來的活動(dòng)，是識(shí)別水上交通態(tài)勢(shì)[18]的關(guān)鍵。船舶行為包含著十分豐富的船舶航行狀態(tài)信息，在水上交通系統(tǒng)中扮演著“顯影劑”的角色，能夠從客觀上反映出當(dāng)前水上交通的實(shí)時(shí)狀態(tài)[19]。在進(jìn)行行為建模時(shí)，船舶行為通常被抽象為船舶在航行時(shí)所產(chǎn)生的時(shí)空軌跡，從中提取出行為的數(shù)據(jù)模型。從行為認(rèn)知的角度，船舶行為可被視為人類對(duì)軌跡的1 種思維上的理解，這種思維除了會(huì)關(guān)注軌跡本身的運(yùn)動(dòng)特征之外，也會(huì)綜合考慮航行環(huán)境對(duì)船舶的影響，對(duì)行為進(jìn)行認(rèn)知。船舶在運(yùn)動(dòng)過程中與其行駛在其周圍的其他船舶容易產(chǎn)生行為交互影響，構(gòu)成1 個(gè)動(dòng)態(tài)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)；而如何通過這一動(dòng)態(tài)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)描述船舶間行為交互影響對(duì)水上交通狀態(tài)造成的影響，是水上交通監(jiān)管需要重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。

構(gòu)建船舶行為分析網(wǎng)絡(luò)，是將船舶作為節(jié)點(diǎn)映射到網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)，船舶節(jié)點(diǎn)間的連邊關(guān)系不是單一的根據(jù)船舶間距離遠(yuǎn)近或者是船舶間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系判斷，而是結(jié)合船舶間的距離以及舶間形成的相互關(guān)系判斷船舶節(jié)點(diǎn)間是否存在連邊關(guān)系，船舶間的復(fù)雜度[20]作為連邊的權(quán)重。船舶在航行過程中需要1個(gè)隱私空間來保證自身船舶航行安全的需求，本文將其看作船舶的船舶領(lǐng)域[21]。多船船舶領(lǐng)域模型見圖1。

圖1 多船船舶領(lǐng)域模型Fig. 1 Multi-vessel ship domain model

船舶間距離的計(jì)算方法見式（1）。

式中:a ，b 為船舶領(lǐng)域的長半軸長與短半軸長。

由式（1）可知，當(dāng)dij＜1時(shí)，船舶j 位于船舶i 的船舶領(lǐng)域內(nèi)；當(dāng)1 ＜dij＜ 2 時(shí)，船舶j 可能位于船舶i 的船舶領(lǐng)域內(nèi)，也有可能位于船舶i 的船舶領(lǐng)域外，但此時(shí)船舶j 的位置距離船舶i 的船舶領(lǐng)域邊界很近；當(dāng)dij＞ 2 時(shí)，船舶j 位于船舶i 的船舶領(lǐng)域外。當(dāng)船舶間的位置距離越近，船舶間的行為交互影響的概率也就越高。

船舶運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)示例見圖2，圖2（a）中的船舶形成匯聚的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，圖2（b）中的船舶運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)為相離的趨勢(shì)。判斷船舶運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的方法見式（2）。

其中:Dij與vij= vi- vj分別為船舶i 與船舶j 之間的相對(duì)距離矢量和相對(duì)速度矢量，通過‖ Dij‖的變化量來描述船舶間的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。當(dāng)dDijdt ＜0 時(shí)，2船間相對(duì)距離逐漸減小，形成匯聚趨勢(shì)；當(dāng)dDijdt ＞0時(shí)，2 船相對(duì)距離增大，形成匯聚趨勢(shì)；當(dāng)dDijdt = 0時(shí)，2 船間相對(duì)距離達(dá)到最小值即最小會(huì)遇距離（DCPA）。

圖2 船舶運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)示例Fig. 2 Examples of ship movement trends

根據(jù)船舶間的距離及2 船間形成的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，當(dāng)2船為匯聚趨勢(shì)，且船舶間的距離dij＜ 2 時(shí)或者是2船呈相離趨勢(shì)而此時(shí)船舶間距離dij＜1時(shí)，船舶間存在連邊關(guān)系?；诖伴g存在行為交互連邊規(guī)則的判定，抽象出圖1 所示水域內(nèi)船舶行為分析網(wǎng)絡(luò)模型，見圖3。

圖3 圖1場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的行為分析網(wǎng)絡(luò)Fig. 3 Behavior analysis network corresponding to the scene of Fig. 1

將行為分析網(wǎng)絡(luò)的鄰接矩陣表示為A ，aij表示船舶i 與船舶j 之間的連邊，當(dāng)船舶i 與船舶j 之間的行為交互關(guān)系滿足上述連邊規(guī)則判定時(shí)，表示船舶i 與船舶j 之間存在連邊，有aij= 1 ，否則aij= 0 ，則圖3所示的網(wǎng)絡(luò)鄰接矩陣可表示見式（3）。

1.2 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)識(shí)別方法

網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是指對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化影響較大的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)候?qū)W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響[22]。同理，在船舶行為分析網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)某一船舶的航行狀態(tài)發(fā)生改變對(duì)網(wǎng)絡(luò)演變產(chǎn)生較大影響時(shí)，該船舶即為船舶行為分析網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。對(duì)于船舶交通監(jiān)管而言，合理調(diào)配這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的船舶能夠保證水上交通安全有序的進(jìn)行，保證船舶航行的安全。接下來主要是介紹找出這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的參數(shù)指標(biāo)與方法。

1.2.1 節(jié)點(diǎn)重要性指標(biāo)

節(jié)點(diǎn)重要性本文選取節(jié)點(diǎn)的度中心性、介數(shù)中心性，以及緊密中心性3 個(gè)指標(biāo)來研究船舶行為分析網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的直接影響力、間接影響力，以及節(jié)點(diǎn)銜接性，節(jié)點(diǎn)重要性指標(biāo)定義如下。

1） 度中心性。度中心性DCi是衡量某一節(jié)點(diǎn)i在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的地位。節(jié)點(diǎn)的度越大，說明該節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)的直接關(guān)聯(lián)能力越大。在船舶行為分析網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)度中心性就是某船舶在網(wǎng)絡(luò)中與其他的船舶存在較多的連邊，其行為改變對(duì)網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的影響越大。節(jié)點(diǎn)度為ki的度中心性計(jì)算方式見式（4）～式（5）。

式中:N 為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)總數(shù)；aij為船舶i 與船舶j之間的連邊。

2） 介數(shù)中心性。介數(shù)中心性BCi由網(wǎng)絡(luò)所有的最短路徑中經(jīng)過節(jié)點(diǎn)i 的最短路徑的數(shù)目來衡量節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中作為連接橋梁的中間銜接性的大小。在船舶行為分析網(wǎng)絡(luò)中，某船舶節(jié)點(diǎn)的介數(shù)中心性越大，表示越多的船舶會(huì)通過該船舶對(duì)其他船舶產(chǎn)生行為交互影響，該船舶在網(wǎng)絡(luò)中的中樞功能越明顯，對(duì)行為傳播的影響越大。節(jié)點(diǎn)度為ki的船舶的介數(shù)中心性計(jì)算方式為

式中:Lxy為船舶x 和船舶y 之間的最短路徑個(gè)數(shù)；Lxy( i )為船舶x 和船舶y 之間的最短路徑中經(jīng)過船舶i 的個(gè)數(shù)。

3） 緊密中心性。緊密中心性CCi根據(jù)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)中其他所有節(jié)點(diǎn)的最短距離，可以判斷該節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置。行為分析網(wǎng)絡(luò)中船舶節(jié)點(diǎn)的緊密中心性越大，表明該船舶在行為分析網(wǎng)絡(luò)中所處的位置越靠近中心位置，對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)演變的影響越大。節(jié)點(diǎn)度為ki的緊密中心性計(jì)算方式為

式中:lij為以節(jié)點(diǎn)i 為起點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)j 為終點(diǎn)的最短路徑所含邊的數(shù)量；N 為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)總數(shù)。

1.2.2 基于AHP的節(jié)點(diǎn)綜合重要度評(píng)估

考慮不同指標(biāo)從不同的角度體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的重要程度，本文引入基于AHP方法構(gòu)造節(jié)點(diǎn)綜合重要度評(píng)估模型進(jìn)行節(jié)點(diǎn)綜合重要度評(píng)估。節(jié)點(diǎn)度中心性相對(duì)于其他2個(gè)指標(biāo)能較好的反映節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的重要程度，其次是介數(shù)中心性，最后是緊密中心性；結(jié)果見表1。

可得節(jié)點(diǎn)中心性指標(biāo)的判斷矩陣M 。

表1 各指標(biāo)比較結(jié)果Tab. 1 Comparison of indicators

計(jì)算矩陣M 的最大特征根λmax所相應(yīng)的特征向量ω ，并進(jìn)行歸一化處理，得該特征向量的權(quán)重向量W =[W1W2W3] =[0 .637 0.258 0.105] 。

為消除所選3個(gè)節(jié)點(diǎn)中心性指標(biāo)之間的數(shù)量級(jí)差異，選取最大最小歸一化方法進(jìn)行處理，如對(duì)度中心性處理見式（9）。

同理，對(duì)其余指標(biāo)采取相同的方法進(jìn)行歸一化處理，最終得到節(jié)點(diǎn)綜合重要度評(píng)價(jià)結(jié)果Pi為Pi= 0.637Dc′i+ 0.258Bc′i+ 0.105Cc′i。

2 關(guān)鍵點(diǎn)識(shí)別流程

基于上述對(duì)行為分析網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建以及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)判斷指標(biāo)與識(shí)別方法的介紹，可以了解到通過節(jié)點(diǎn)綜合重要度評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠識(shí)別出水域內(nèi)的關(guān)鍵船舶，具體識(shí)別流程見圖4。

船舶行為分析網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)即水上交通關(guān)鍵船舶識(shí)別主要分為以下3個(gè)步驟。

1） 數(shù)據(jù)獲取。收集當(dāng)前水域內(nèi)所有船舶的航行數(shù)據(jù)，如船舶位置，航速，航向，等等。

圖4 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)識(shí)別流程圖Fig. 4 Flow chart of Key node identification

2） 行為分析網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。根據(jù)獲取的船舶航行數(shù)據(jù)，結(jié)合船舶領(lǐng)域與船舶運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)判定船舶行為交互關(guān)系，確定節(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系與連邊權(quán)重，構(gòu)建行為分析網(wǎng)絡(luò)。

3） 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)識(shí)別。通過結(jié)合節(jié)點(diǎn)度中心性、介數(shù)中心性以及緊密中心性所構(gòu)建的節(jié)點(diǎn)綜合重要度指標(biāo)，對(duì)行為分析網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重要度評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果確定網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而識(shí)別水上交通關(guān)鍵船舶。

3 實(shí)驗(yàn)分析

針對(duì)上文介紹的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)識(shí)別方法，設(shè)置了仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)證分析，以驗(yàn)證上述方法是否能夠有效識(shí)別區(qū)域水上交通關(guān)鍵船舶。

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)

假設(shè)某一水域范圍內(nèi)分布著不同數(shù)目船舶（船舶數(shù)目設(shè)置為10，20，30，50），船舶位置分布服從正態(tài)分布，分析觀察水域中不同船舶數(shù)目情況下相應(yīng)船舶行為分析網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的分布情況，分析網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目對(duì)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)識(shí)別結(jié)果的影響。網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)識(shí)別結(jié)果見圖5,其中，黑色圓點(diǎn)為船舶節(jié)點(diǎn)，帶有白色五角星圖案為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

由圖5可見，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)較小時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的連接較為分散；隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，節(jié)點(diǎn)之間的相互連接增多，逐漸形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，但網(wǎng)絡(luò)也沒有形成完全連接。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，不論網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目大小，網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位置基本上保持在網(wǎng)絡(luò)的中心位置，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)連接越復(fù)雜的位置，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)越多。當(dāng)船舶數(shù)量發(fā)生變化時(shí)，行為分析網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置分布會(huì)發(fā)生變化；在船舶運(yùn)動(dòng)過程中，隨著船舶位置的變化，船舶間的行為交互關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)也在不斷變化，使得網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分布也會(huì)發(fā)生變化。

圖5 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)的網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)識(shí)別Fig. 5 Identification of network key nodes with different number of nodes

3.2 實(shí)證分析

為驗(yàn)證關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)識(shí)別方法是否適用于實(shí)際場(chǎng)景，截取鎮(zhèn)江大港水域中某一時(shí)間段內(nèi)船舶航行過程來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)刻船舶航行狀態(tài)圖及所構(gòu)成的行為分析網(wǎng)絡(luò)見圖6。結(jié)合圖6（a），可知使用船舶mmsi作為節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽時(shí)，容易出現(xiàn)行為分析網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽重疊的情況，因此對(duì)所采用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的船舶進(jìn)行重新編號(hào)，見圖6（b）。

圖6 船舶航行狀態(tài)圖與船舶行為分析網(wǎng)絡(luò)圖Fig. 6 Ship navigation status diagram and ship behavior analysis network diagram

表2 與表3 分別給出了船舶運(yùn)動(dòng)過程開始時(shí)刻與結(jié)束時(shí)刻下水域中所形成的行為分析網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的度中心性、介數(shù)中心性和緊密中心性以及節(jié)點(diǎn)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果。對(duì)比2個(gè)節(jié)點(diǎn)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表，可以看出節(jié)點(diǎn)度中心性相較其他2 個(gè)節(jié)點(diǎn)中心性指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果更加穩(wěn)定，能夠反映出該指標(biāo)在船舶行為分析網(wǎng)絡(luò)中具有較好的評(píng)估效果。但節(jié)點(diǎn)度中心性指標(biāo)主要考慮節(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系，同時(shí)也缺乏了對(duì)節(jié)點(diǎn)間連接的緊密程度以及節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置方面的考慮，因此還需要根據(jù)節(jié)點(diǎn)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)綜合重要度的最終判斷。

表2 開始時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)綜合重要度評(píng)價(jià)Tab. 2 Evaluation of the comprehensive importance of nodes at the star time

行為分析網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵船舶識(shí)別結(jié)果見圖7，其中黑色圓點(diǎn)為船舶節(jié)點(diǎn)，黑色五角星節(jié)點(diǎn)為關(guān)鍵船舶。 從圖7（a）中可以看出，節(jié)點(diǎn)7（mmsi 為413778336）的綜合評(píng)價(jià)是所有節(jié)點(diǎn)評(píng)估結(jié)果中最高的，可以看到其周圍船舶數(shù)量較多，所處的位置交通狀態(tài)最為復(fù)雜，需要重點(diǎn)關(guān)注。同樣，從圖7（b）中可以看出節(jié)點(diǎn)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)最高的船舶節(jié)點(diǎn)28（mmsi為413882404）周圍還分布著2個(gè)距其較近的網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，且該節(jié)點(diǎn)周圍船舶較為聚集，對(duì)整個(gè)船舶行為分析網(wǎng)絡(luò)中船舶的航行安全威脅較高。

本文選擇將排名前5位的船舶節(jié)點(diǎn)識(shí)別為行為分析網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置的船舶對(duì)水域中船舶航行安全的威脅程度較高。此外，可以將這些關(guān)鍵船舶作為重點(diǎn)監(jiān)管對(duì)象，能夠保證水上交通安全有序的進(jìn)行。這些關(guān)鍵船舶往往位于船舶行為分析網(wǎng)絡(luò)的核心部位，同時(shí)與其周圍多艘船舶之間存在關(guān)聯(lián)。所以交通監(jiān)管人員需要對(duì)該位置的船舶進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。通過船舶行為分析網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，避免了對(duì)水域內(nèi)所有船舶進(jìn)行重復(fù)判斷，降低了交通監(jiān)管人員或者船舶駕駛員進(jìn)行水域內(nèi)交通安全態(tài)勢(shì)判斷的復(fù)雜程度。特別是對(duì)關(guān)鍵船舶節(jié)點(diǎn)的識(shí)別，能夠提供更精確的交通安全態(tài)勢(shì)信息，協(xié)助監(jiān)管人員和駕駛員針對(duì)不同的情況作出合理的行為響應(yīng)。

表3 結(jié)束時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)綜合重要度評(píng)價(jià)Tab. 3 Evaluation of comprehensive importance of nodes at the end time

圖7 不同時(shí)刻關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)Fig. 7 Key node identification at different moments

將開始時(shí)刻下節(jié)點(diǎn)度中心性節(jié)點(diǎn)重要性評(píng)價(jià)結(jié)果與節(jié)點(diǎn)綜合重要度評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果見表4?？梢钥闯?，2種方法的排序結(jié)果基本一致，僅個(gè)別節(jié)點(diǎn)的排序結(jié)果出現(xiàn)差異。根據(jù)上文以排序結(jié)果前5 的節(jié)點(diǎn)作為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的假設(shè)，將排序結(jié)果每5個(gè)節(jié)點(diǎn)為1組進(jìn)行對(duì)比，可以看出其中重要度等級(jí)排序結(jié)果出現(xiàn)較大差異的節(jié)點(diǎn)分別為6，11，12，31，產(chǎn)生該差異的原因主要是由于本文所采用的研究方法不僅考慮了節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)度，同時(shí)也考慮了節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中所處的位置與其與網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系，較為全面地考慮了節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的重要性。除去排序結(jié)果差異較大的節(jié)點(diǎn)，2種方法的分析結(jié)果中排序結(jié)果相同的節(jié)點(diǎn)數(shù)占節(jié)點(diǎn)總數(shù)的比例達(dá)到77.8%。對(duì)比出現(xiàn)差異的節(jié)點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，通過節(jié)點(diǎn)綜合重要度來識(shí)別關(guān)鍵船舶節(jié)點(diǎn)，比單純使用節(jié)點(diǎn)度死別的方法考慮因素更多，更為全面的考慮了周圍航行環(huán)境在船舶航行過程中的不同影響。例如，對(duì)比節(jié)點(diǎn)6與節(jié)點(diǎn)11，雖然二者節(jié)點(diǎn)度中心性指標(biāo)相同，但由于節(jié)點(diǎn)6 在網(wǎng)絡(luò)中所處的位置是網(wǎng)絡(luò)中2 個(gè)社團(tuán)（網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間相互連接較為緊密的小團(tuán)體）中間，即處于連接2個(gè)社團(tuán)的位置，故節(jié)點(diǎn)6在整個(gè)船舶行為分析網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)承擔(dān)著更為重要的網(wǎng)絡(luò)連接功能。因此，節(jié)點(diǎn)6 的重要度等級(jí)應(yīng)高于節(jié)點(diǎn)11的重要度等級(jí)。

而對(duì)比相同排序級(jí)別的節(jié)點(diǎn)，本文所采用的方法得出的結(jié)果更為細(xì)致，即根據(jù)節(jié)點(diǎn)綜合重要度，可以在同一重要度等級(jí)中識(shí)別出更為關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)。綜上，本文所采用方法得出的結(jié)果，相對(duì)而言能較全面地說明節(jié)點(diǎn)在行為分析網(wǎng)絡(luò)中的重要性，且所得數(shù)據(jù)更為精確。

4 結(jié)束語

本文對(duì)區(qū)域水上交通關(guān)鍵船舶識(shí)別進(jìn)行了研究，基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析和AHP方法分別建立了船舶行為分析網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)綜合重要度評(píng)估方法，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)重要度評(píng)估，找出網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)證分析證明，該方法能夠?qū)⒕C合節(jié)點(diǎn)性質(zhì)指標(biāo)識(shí)別網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，并能夠?qū)Υ靶袨榉治鼍W(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵船舶進(jìn)行識(shí)別。同時(shí)對(duì)比分析結(jié)果驗(yàn)證，與單一節(jié)點(diǎn)度指標(biāo)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)重要度評(píng)價(jià)相比，節(jié)點(diǎn)綜合重要度綜合考慮節(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)指標(biāo)，其評(píng)價(jià)結(jié)果更為全面。但研究并未考慮水域中其他因素對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響，在后續(xù)的研究中可以考慮水域中其他因素對(duì)關(guān)鍵船舶識(shí)別的影響。

表4 開始時(shí)刻2 種分析結(jié)果比較Tab. 4 Comparison between two analytical results at the start time