劉宗楊 周春輝* 孫業(yè)峰 譚林旭 趙俊男 肖進(jìn)麗
(武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院1) 武漢 430063) (內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430063)
根據(jù)國際海上避碰規(guī)則(COLREGS),每一船舶在同一時(shí)刻只能屬于在航、錨泊、系岸或擱淺這四種狀態(tài)之一[1],當(dāng)船舶在等候靠泊、潮水、引水、檢疫和錨地裝卸作業(yè)及避風(fēng)等,均需拋錨停泊,因此錨泊狀態(tài)是一種重要的船舶行為狀態(tài).由于近年來海洋經(jīng)濟(jì)的興起與發(fā)展,沿海船舶數(shù)量逐漸增多,而港外錨地大多并未及時(shí)規(guī)劃或規(guī)劃不合理,導(dǎo)致許多船舶錨泊隨意,形成習(xí)慣性錨泊聚集區(qū),聚集區(qū)可能占用航道、習(xí)慣航路、水上重要工程區(qū)(風(fēng)電場(chǎng)、采砂區(qū))等重要通航與工程水域,易給水上船舶通航帶來安全風(fēng)險(xiǎn),而習(xí)慣錨泊聚集區(qū)的分布并不穩(wěn)定,在季節(jié)、風(fēng)向等不同因素影響下習(xí)慣錨泊聚集區(qū)均有所不同,需要對(duì)沿海水域的船舶習(xí)慣錨泊聚集區(qū)進(jìn)行識(shí)別、判定,并對(duì)其聚集性規(guī)律進(jìn)行探究.
目前針對(duì)船舶錨泊的相關(guān)研究主要集中在錨泊船安全管理[2]、錨泊系統(tǒng)性能[3]、港口錨地規(guī)劃[4]、錨地容量[5]等方面,較少關(guān)注船舶的錨泊運(yùn)動(dòng)行為識(shí)別.在船舶行為識(shí)別的相關(guān)研究中,一部分是基于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)船舶狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別和統(tǒng)計(jì)[6],還有一部分基于船舶運(yùn)動(dòng)模型對(duì)船舶行為進(jìn)行判定[7],近年來由于數(shù)據(jù)科學(xué)的發(fā)展,基于海量AIS數(shù)據(jù)對(duì)船舶行為特征識(shí)別和提取[8]研究逐漸發(fā)展,但主要關(guān)注于識(shí)別船舶異常行為[9]或特定航行場(chǎng)景下[10]船舶行為特征的提取,依然缺乏對(duì)船舶錨泊行為的判定和其聚集性行為的識(shí)別相關(guān)研究成果.文中基于船舶AIS數(shù)據(jù),得到水域內(nèi)主要的船舶錨泊聚集區(qū)和分布情況,從而為錨地規(guī)劃、水上工程選址和水上通航風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避提供依據(jù)和參考.
對(duì)某一水域1個(gè)月內(nèi)已知有錨泊行為的船舶從錨泊前的準(zhǔn)備過程至收錨離開水域的全過程AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,觀察錨泊船在拋錨和收錨過程中的運(yùn)動(dòng)特征變化,從而對(duì)船舶錨泊行為識(shí)別模型的構(gòu)建形成支撐.根據(jù)水域內(nèi)已知有錨泊行為的船舶運(yùn)動(dòng)軌跡,選取具有標(biāo)準(zhǔn)特征的軌跡進(jìn)行分析,見圖1.
圖1 某水域內(nèi)錨泊船舶軌跡圖
由此可以分析出錨泊行為具有以下幾點(diǎn)特征:
1)通過觀察可以發(fā)現(xiàn)船舶在錨泊過程中一般會(huì)在一定范圍的水域內(nèi)形成大量密集的AIS軌跡點(diǎn),軌跡點(diǎn)的密集程度和錨泊時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系,根據(jù)ITU-R M.1371-4建議書,錨泊或系泊且移動(dòng)速度不超過3 kn的船舶的AIS報(bào)告間隔為3 min[11],且一般船舶錨泊時(shí)間大于2 h,見圖2,即在錨泊水域內(nèi)拋錨的船舶應(yīng)至少會(huì)發(fā)送40個(gè)錨泊位置報(bào)告.
圖2 觀測(cè)水域內(nèi)船舶錨泊時(shí)間統(tǒng)計(jì)圖
2)在拋錨之前船舶一般會(huì)控制安全余速,船速一般小于2 kn船長(zhǎng)才會(huì)下令拋錨,且拋錨及錨泊過程中由于風(fēng)浪流的影響,船速并不一定為0,通過對(duì)水域內(nèi)船舶錨泊過程中的船速變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì),見圖3,綜合考慮數(shù)據(jù)偏差因素及自然環(huán)境對(duì)于錨泊船速的影響,可認(rèn)為錨泊船拋錨以及錨泊過程中的船速在0~2 kn.
圖3 錨泊船軌跡點(diǎn)船速統(tǒng)計(jì)圖
1.2.1AIS數(shù)據(jù)清洗
將AIS數(shù)據(jù)按照MMSI進(jìn)行單船數(shù)據(jù)提取,得到的單船數(shù)據(jù)按照時(shí)間序列排序構(gòu)成單船軌跡,去除AIS點(diǎn)數(shù)量不足40的船舶軌跡,對(duì)錯(cuò)誤的軌跡點(diǎn)進(jìn)行刪除,對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失導(dǎo)致的相鄰軌跡點(diǎn)距離過大的AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行平均插補(bǔ).
1.2.2錨泊軌跡段截取
對(duì)每一船舶的軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和截取,篩選和截取流程見圖4.截取的軌跡段應(yīng)包含至少40個(gè)船速小于2節(jié)的連續(xù)軌跡點(diǎn),且其中船速小于0.3 kn的軌跡點(diǎn)應(yīng)高于一定比例K,且K值與水域內(nèi)的風(fēng)浪流因素相關(guān),根據(jù)文獻(xiàn)[12]則有:
圖4 錨泊軌跡段截取流程圖
K=(1-DS/30)×100%
(1)
式中:DS為水域內(nèi)月度6級(jí)以上風(fēng)(標(biāo)準(zhǔn)風(fēng))的天數(shù).
1.2.3錨泊行為識(shí)別和船舶錨泊核心代表點(diǎn)提取
2.2 家系Ⅱ 檢出致病基因?yàn)镃DH23基因的c.7240-1G>A和c.7252G>A兩個(gè)位點(diǎn)復(fù)合雜合突變;2名耳聾患者(Ⅱ2、Ⅱ3)視力、視野、眼底檢查未見異常。CDH23基因c.7252G>A位點(diǎn)突變?yōu)閲鴥?nèi)首報(bào)新突變位點(diǎn),結(jié)果、家系圖及測(cè)序突變。見表1、表2、圖1、圖2。
根據(jù)軌跡點(diǎn)密集度和軌跡點(diǎn)速度截取的錨泊軌跡段數(shù)據(jù)僅為粗篩數(shù)據(jù),并不完全為船舶錨泊狀態(tài)下的軌跡數(shù)據(jù),還可能包括下錨前的微速運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)和起錨后的微速駛離軌跡點(diǎn).
將截取到的錨泊軌跡段拆解成軌跡點(diǎn),進(jìn)行DBSCAN聚類,因單一軌跡僅為同一船舶錨泊產(chǎn)生,設(shè)置Minpts的數(shù)量設(shè)置為40,Eps的值應(yīng)設(shè)置和錨鏈最大控制水域范圍半徑相同,即
Eps=R
(2)
錨鏈控制的水域范圍主要依據(jù)船舶拋錨后的軌跡圍繞下錨點(diǎn)形成,一般拋錨錨鏈長(zhǎng)度依據(jù)拋錨點(diǎn)水深確定,此處為方便計(jì)算采用錨鏈最大控制范圍半徑為
(3)
式中:R為錨鏈最大控制水域范圍半徑;d為下錨點(diǎn)水深;n為下水錨鏈節(jié)數(shù);L為單節(jié)錨鏈長(zhǎng)度,見圖5.
圖5 錨鏈最大控制水域范圍半徑示意圖
根據(jù)設(shè)置的參數(shù),單一船舶軌跡點(diǎn)僅會(huì)聚為一類,也會(huì)產(chǎn)生少數(shù)的噪聲點(diǎn),在軌跡點(diǎn)中刪除噪聲點(diǎn),將去除噪聲點(diǎn)后的軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行保存.然后將去除噪聲點(diǎn)后的軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行K-medoide算法處理.具體步驟如下.
步驟1任意選取1個(gè)對(duì)象作為medoids(單一軌跡僅存在一個(gè)簇).
步驟2計(jì)算余下的軌跡點(diǎn)到這個(gè)中心點(diǎn)的距離,并把每個(gè)點(diǎn)到這個(gè)中心點(diǎn)最短的聚簇作為自己所屬的聚簇.
步驟3在聚簇中按照順序依次選取點(diǎn),計(jì)算該點(diǎn)到當(dāng)前聚簇中所有點(diǎn)距離之和,最終距離之和最小的點(diǎn),則視為新的中心點(diǎn).
步驟4重復(fù)上述步驟,直至軌跡點(diǎn)集簇的中心點(diǎn)不再改變.
步驟5將此中心點(diǎn)作為此船舶錨泊核心代表點(diǎn)并提取其數(shù)據(jù).
通過K-medoide算法處理提取出的單船核心代表點(diǎn)可用于錨泊聚集區(qū)挖掘,以環(huán)形軌跡為例,對(duì)其軌跡點(diǎn)進(jìn)行船舶錨泊核心代表點(diǎn)的提取結(jié)果見圖6,可以發(fā)現(xiàn),提取到的核心代表點(diǎn)基本上能夠完成對(duì)相應(yīng)錨泊船的位置代表.
圖6 環(huán)形錨泊軌跡的核心代表點(diǎn)提取
步驟1對(duì)水域內(nèi)提取到的所有船舶錨泊核心代表點(diǎn)進(jìn)行DBSCAN算法聚類,得到主要的分類結(jié)果和噪聲點(diǎn)情況.
步驟2去除噪聲點(diǎn).
步驟3對(duì)所有的分類簇內(nèi)的船舶錨泊核心代表點(diǎn)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì),根據(jù)簇內(nèi)船舶錨泊核心代表點(diǎn)數(shù)量對(duì)分類簇大小進(jìn)行排序,每一分類簇視作一個(gè)錨泊聚集區(qū).
步驟4對(duì)每一錨泊聚集區(qū)的船舶信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì),從而挖掘出水域錨泊熱點(diǎn)及錨泊船舶信息.
閩江口通航水域是船舶進(jìn)出福州閩江口內(nèi)港區(qū)的必經(jīng)之路,也是各類船舶進(jìn)出福州港和中小型船舶常航行的南北主要航路,且該水域內(nèi)島嶼眾多,航行條件復(fù)雜,航道狹窄,水深淺,淺灘、暗礁和礙航物多,氣象條件十分惡劣,自古以來就是海上事故的多發(fā)區(qū),該水域內(nèi)目前僅有七星礁錨地一處,且避風(fēng)條件較差,水域內(nèi)船舶錨泊較為隨意,不規(guī)范的錨泊行為給該水域的船舶管理造成困難、通航安全造成風(fēng)險(xiǎn).為探究閩江口水域的船舶錨泊聚集區(qū)分布情況,文中選取閩江口水域作為實(shí)驗(yàn)水域,以閩江口水域2019年9月—2020年9月采集的船舶AIS數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),挖掘該水域內(nèi)船舶錨泊特征和主要錨泊聚集區(qū)的時(shí)空變化規(guī)律.
閩江口水域的水深多在10~20 m,取15 m水深、6節(jié)(1節(jié)為27.5 m)錨鏈計(jì)算錨鏈最大控制范圍半徑R=164 m,并根據(jù)閩江口水域氣象信息計(jì)算出單月K值,通過DBSCAN+K-medoide聚類算法的錨泊行為識(shí)別和船舶錨泊核心代表點(diǎn)提取,并以2020年6月為例,得到閩江口水域的船舶錨泊行為識(shí)別結(jié)果見圖7.
圖7 2020年6月閩江口水域的船舶錨泊行為識(shí)別結(jié)果
通過船舶錨泊行為識(shí)別結(jié)果直接觀察水域內(nèi)船舶主要聚集區(qū)并不容易,識(shí)別出的船舶錨泊軌跡的核心代表點(diǎn)繁多且分布雜亂,分區(qū)并不明顯,在進(jìn)行DBSCAN算法聚類后,得到圖8的初步處理結(jié)果,可以看到船舶錨泊軌跡核心代表點(diǎn)根據(jù)分布的地理空間密度分割為不同的聚集區(qū),并采用不同的顏色予以區(qū)分.
圖8 2020年6月閩江口水域船舶錨泊聚集區(qū)分布
通過算法初步處理可以挖掘到水域內(nèi)存在49個(gè)大小不同的錨泊聚集區(qū),各個(gè)聚集區(qū)內(nèi)的船舶數(shù)量不同,存在諸多小型錨泊聚集區(qū)內(nèi)僅存在10個(gè)以內(nèi)的船舶錨泊軌跡的核心代表點(diǎn),且水域內(nèi)存在一定數(shù)量的噪點(diǎn),為確定水域內(nèi)主要錨泊聚集區(qū)的分布和時(shí)空變化過程,本文根據(jù)聚集區(qū)內(nèi)船舶數(shù)量?jī)H保留前10大船舶錨泊聚集區(qū),并去除噪點(diǎn),得到閩江口水域內(nèi)的主要船舶錨泊聚集區(qū)分布情況,見圖9.
圖9 2020年6月閩江口水域船舶主要錨泊聚集區(qū)分布
閩江口水域?yàn)檠睾:絽^(qū),存在多條航線、航道、習(xí)慣航路,水域內(nèi)因漁業(yè)、風(fēng)力、海砂資源豐富而分布著大小漁場(chǎng)、風(fēng)電場(chǎng)、采砂區(qū)等海上漁場(chǎng)和工程區(qū).水域內(nèi)運(yùn)輸、捕撈、施工船舶繁多,錨泊聚集區(qū)分布也隨季節(jié)、風(fēng)向等不同因素變化而變化,對(duì)閩江口錨泊聚集區(qū)域時(shí)空變化進(jìn)行分析能夠更好的把握水域內(nèi)的船舶錨泊規(guī)律,為水域內(nèi)的安全管理提供技術(shù)參考依據(jù).為此分別選擇2019年9月、12月、2020年3月、6月的AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行船舶錨泊行為識(shí)別和聚集區(qū)挖掘,以便對(duì)閩江口水域內(nèi)1年內(nèi)的船舶錨泊情況進(jìn)行分析.
1)閩江口水域船舶錨泊聚集區(qū)域基本分布 綜合圖9~10,可以看出閩江口水域的船舶習(xí)慣性錨泊聚集區(qū)雖然在相關(guān)因素影響下發(fā)生變化,但總體而言,水域存在5個(gè)常年基本錨泊聚集分布區(qū),分別為馬祖島西北錨泊聚集區(qū)(A區(qū))、西犬島西側(cè)和南側(cè)錨泊聚集區(qū)(B區(qū))、黃岐灣及坪嶼附近錨泊聚集區(qū)(C區(qū))、可門口外錨泊聚集區(qū)(D區(qū))、東洛島南側(cè)錨泊聚集區(qū)(E區(qū)).
圖10 閩江口水域船舶主要錨泊聚集區(qū)分布
2)錨泊聚集區(qū)域內(nèi)船舶錨泊數(shù)量與錨泊時(shí)間變化情況 錨泊聚集區(qū)域內(nèi)船舶錨泊數(shù)量變化情況是需要被首先關(guān)注的,通過對(duì)上文中確定的閩江口水域五個(gè)主要錨泊聚集區(qū)內(nèi)錨泊數(shù)量進(jìn)行挖掘,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖11,由圖11可知,在1年的時(shí)間過程中A區(qū)、C區(qū)、D區(qū)、E區(qū)均在3月份出現(xiàn)了錨泊峰值,B區(qū)卻相反,在2019年12月和2020年3月錨泊數(shù)量處于一個(gè)相對(duì)低的水平,而在A區(qū)、C區(qū)、D區(qū)、E區(qū)錨泊數(shù)量相對(duì)偏低的9月份和6月份,B區(qū)錨泊數(shù)量在高位運(yùn)行.
圖11 五個(gè)主要錨泊聚集區(qū)內(nèi)船舶數(shù)量隨時(shí)間變化情況
對(duì)閩江口水域主要聚集區(qū)內(nèi)的船舶平均錨泊時(shí)間進(jìn)行挖掘,得到表1的結(jié)果,閩江口水域主要聚集區(qū)內(nèi)的船舶平均錨泊時(shí)間總體而言較短,船舶的平均錨泊時(shí)間普遍在2~9 h以內(nèi).
表1 船舶平均錨泊時(shí)間
3)臺(tái)風(fēng)月船舶錨泊情況變化 閩江口海域在夏季易受臺(tái)風(fēng)影響,臺(tái)風(fēng)來臨將會(huì)對(duì)船舶錨泊行為形成影響,2020年8月多個(gè)臺(tái)風(fēng)影響或登陸福建沿海地區(qū),對(duì)閩江口水域船舶作業(yè)和航行造成影響,因而選擇2020年8月份數(shù)據(jù)進(jìn)行錨泊聚集區(qū)挖掘,觀察和分析閩江口水域在臺(tái)風(fēng)月的船舶錨泊變化情況,挖掘結(jié)果見圖12.
圖12 臺(tái)風(fēng)月船舶主要錨泊聚集區(qū)分布情況
主要錨泊聚集區(qū)中A聚集區(qū)消失,B區(qū)面積和錨泊船也有所減少,在前10大錨泊聚集區(qū)中,有三處位于風(fēng)浪較小的閩江口內(nèi)港區(qū),兩處位于羅源灣內(nèi),還有一處位于黃岐灣內(nèi),一處位于過嶼南部港灣內(nèi),外海僅有B區(qū)和D區(qū)兩處錨泊聚集區(qū),且錨泊船數(shù)量和聚集區(qū)面積均小于六月份,見圖13.
圖13 2020年8月和6月B區(qū)錨泊熱力圖變化情況
4)船舶錨泊情況變化原因分析 閩江口水域較為核心的錨泊聚集區(qū)即為A、B、C區(qū),A區(qū)2019年9月和12月錨泊數(shù)量較少,而在2020年3月和6月份錨泊船增多,甚至與定海灣、黃岐灣附近的錨泊船相互銜接形成同一聚集區(qū),見圖14a),此處多為待泊進(jìn)港船舶.B區(qū)位于西犬島西南側(cè)、七星礁南側(cè),見圖14b),這一錨泊聚集區(qū)在冬季錨泊船較少,夏季錨泊船較多,主要是由于冬季閩江口水域多大風(fēng)天氣,此處錨泊無港灣阻擋冬季盛行東北風(fēng),避風(fēng)效果較差.C區(qū)位于黃岐灣及坪嶼附近,因黃岐灣內(nèi)建有黃岐國家級(jí)中心漁港,此聚集區(qū)的船舶主要為漁船,漁船的錨泊行為受福建禁漁期和大風(fēng)天氣影響較大,而呈現(xiàn)出C區(qū)錨泊數(shù)量并不穩(wěn)定,禁漁期此區(qū)錨泊船數(shù)量較多.
圖14 2020年3月A、B區(qū)錨泊密度熱力圖
除此之外,在部分月份存在錨泊聚集區(qū)占用航線、航路的情況(見圖15),2020年6月份的A、B區(qū)均有不同程度的占用福建沿海推薦內(nèi)航路甚至占用閩江口水域定線制警戒區(qū)水域,這對(duì)于沿定線制和內(nèi)航路正常航行的船舶構(gòu)成一定程度的航行風(fēng)險(xiǎn),錨泊船暫時(shí)性無動(dòng)力情況下易與航路內(nèi)直線航行或轉(zhuǎn)向的船舶形成緊迫危險(xiǎn).
船舶的錨泊行為會(huì)產(chǎn)生聚集性,而對(duì)船舶錨泊行為識(shí)別和聚集區(qū)的挖掘?qū)τ谒騼?nèi)船舶通航安全具有一定意義,通過對(duì)閩江口水域的錨泊聚集區(qū)進(jìn)行算法挖掘,可以發(fā)現(xiàn)水域內(nèi)的錨泊聚集熱點(diǎn)區(qū)域在不同月份并不相同,聚集區(qū)域并未完全位于規(guī)定的錨地內(nèi),且部分錨泊聚集區(qū)占用定線制水域和水上航路,這為閩江口錨泊聚集熱點(diǎn)水域的管理和水域通航安全政策制定提供了技術(shù)參考.