潘榮友 韋揚(yáng) 李超 胡景峰

摘要：文章提出了一種基于AIS大數(shù)據(jù)的內(nèi)河船舶航線推薦方法，根據(jù)本船參數(shù)、出發(fā)港和目的港等信息，提取AIS大數(shù)據(jù)池中最近時(shí)間段的航路船舶軌跡，進(jìn)行匹配分析和智能排序，給出推薦航線。測試結(jié)果表明，該方法簡捷實(shí)用，對減少內(nèi)河船舶航行風(fēng)險(xiǎn)和提高航行效率方面具有顯著效果。

關(guān)鍵詞：內(nèi)河航運(yùn)；AIS大數(shù)據(jù)；航線推薦；航行安全

中圖分類號：U612.1+5? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文意編號，1673-4874（2024）04-0210-03

0 引言

內(nèi)河航運(yùn)是我國重要的物流運(yùn)輸方式［1］。由于內(nèi)河航道狹窄、水流湍急、船舶密集等特點(diǎn)，內(nèi)河航運(yùn)存在諸多挑戰(zhàn)?？茖W(xué)合理地進(jìn)行航線規(guī)劃是保障船舶航行安全和提升效率的重要環(huán)節(jié)，目前已有許多方法可以利用航道水深值、邊界線和障礙物等信息自動地為船舶規(guī)劃出可通航的航線［2-6］。然而，在實(shí)際的內(nèi)河航運(yùn)場景中，由于缺少實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的水上地理信息數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的航線規(guī)劃方法往往無法滿足實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和安全性需求。

目前，廣西已建立港航大數(shù)據(jù)池，涵蓋了廣西內(nèi)河航道中絕大多數(shù)船舶的AIS數(shù)據(jù)，能夠掌握航道中船舶的實(shí)時(shí)動態(tài)和歷史軌跡。為了避免內(nèi)河航道環(huán)境復(fù)雜、航道和水位變化快等不確定性的影響，本文提出一種基于AIS大數(shù)據(jù)的船舶航線推薦算法，從已經(jīng)被驗(yàn)證過安全的船舶軌跡中，處理和過濾出與本船參數(shù)以及出發(fā)港目的港能夠匹配的最優(yōu)航線，為不熟悉航路的駕駛員提供經(jīng)驗(yàn)性的參考，從而避開潛在的航行風(fēng)險(xiǎn)。算法基于對眾多西江船員調(diào)研設(shè)計(jì)，并通過廣西船舶導(dǎo)航APP實(shí)現(xiàn)和推廣應(yīng)用，不僅避免了傳統(tǒng)算法因航道環(huán)境變化無法通過數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反映的不足，而且簡便實(shí)用，得到船員廣泛歡迎，對提升廣西內(nèi)河船舶航行安全和效率具有重要意義。

1 航線推薦思路

1.1 AIS大數(shù)據(jù)

AIS大數(shù)據(jù)來自于廣西港航大數(shù)據(jù)資源池，匯聚了廣西海事局和廣西港航發(fā)展中心的所有船舶數(shù)據(jù)，覆蓋廣西內(nèi)河和北部灣航道。AIS信息分為四類［7］：（1）船舶靜態(tài)信息：包括船名、MMSI、IMO編號、船型、船長、船寬等；（2）船舶動態(tài)信息：包括航速、航向、經(jīng)緯度、航艏向、時(shí)間等；（3）航次相關(guān)信息：包括目的地、預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間、吃水深度等；（4）安全相關(guān)信息：包括與船舶安全相關(guān)的文本或二進(jìn)制信息。靜態(tài)信息存入船舶基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，其他類信息存入船舶動態(tài)歷史數(shù)據(jù)庫，船舶動態(tài)信息以數(shù)十秒級間隔不斷更新。

本文方法根據(jù)航線規(guī)劃的起始位置、結(jié)束位置、前推時(shí)間段參數(shù)（通常選1 h或2 h），從船舶基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和船舶動態(tài)歷史數(shù)據(jù)庫中查詢和提取滿足條件的船舶信息，每條船舶信息如表1所示。

對查詢獲取的數(shù)據(jù)按船舶進(jìn)行分組，并按時(shí)間進(jìn)行排序，形成各個(gè)船舶的軌跡數(shù)據(jù)序列，然后按如下規(guī)則進(jìn)行清洗處理：

（1）剔除船舶編號異常的數(shù)據(jù)，即MMSI編號不是九位數(shù)字的船舶信息。

（2）根據(jù)航線方向（上行或下行），剔除與本船反方向的船舶信息。

（3）剔除航跡點(diǎn)數(shù)量較少的船舶信息。

（4）剔除平均速度過低的船舶信息。

經(jīng)過上述處理，即可從港航大數(shù)據(jù)池中獲取對本次航線規(guī)劃有用的AIS數(shù)據(jù)。

1.2 航線推薦算法

內(nèi)河航道環(huán)境變化快，航標(biāo)、水深數(shù)據(jù)等通航相關(guān)信息更新時(shí)間長，航道中水深及其他狀態(tài)數(shù)據(jù)難以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲取。針對這一問題，航線推薦算法繞開基于地理信息的傳統(tǒng)思路，而是充分借助船舶AIS大數(shù)據(jù)的海量性和時(shí)效性，通過歷史軌跡分析，為船舶推薦安全的經(jīng)驗(yàn)航線。其核心流程如下：

（1）根據(jù)某船航線規(guī)劃需求，從港航大數(shù)據(jù)池中提取最近一段時(shí)間內(nèi)（用戶設(shè)定出發(fā)地和目的地）的船舶軌跡，航跡時(shí)間段可通過參數(shù)設(shè)置靈活選擇，如1 h或2 h等。

（2）對選出的所有船舶軌跡進(jìn)行上述的數(shù)據(jù)清洗和處理，剔除異常數(shù)據(jù)，得到多條該航段當(dāng)前時(shí)段的完整軌跡線，形成候選航線。

（3）根據(jù)船舶類型、尺度和吃水的信息，對候選航線進(jìn)行自動評價(jià)排序，評價(jià)的指標(biāo)和原則包括：①船舶尺度：通常船舶越大，吃水越深，因此可給予更高優(yōu)先級；②定期班輪：通過大數(shù)據(jù)分析船舶是否定期或者頻繁航行于該航段，頻繁航行的船舶則給與更高優(yōu)先級。

（4）從評價(jià)排序后的候選航線中選取前4條（可自定義）高分航線，作為推薦航線。

2 航線推薦方法實(shí)現(xiàn)

2.1 主要流程

航線推薦算法基于廣西內(nèi)河船舶導(dǎo)航APP實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，其流程如圖1所示。

廣西內(nèi)河船舶導(dǎo)航APP是廣西數(shù)字港航一體化應(yīng)用體系［8］的重要組成部分，集成航道綜合數(shù)據(jù)，包括電子航道圖和航道運(yùn)行狀態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（如航標(biāo)、水位和航道尺度等），并實(shí)現(xiàn)船舶導(dǎo)航功能。其系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)主要包括數(shù)據(jù)庫層、服務(wù)層和應(yīng)用層。

（1）數(shù)據(jù)庫層依托廣西港航大數(shù)據(jù)資源池，存儲所有航運(yùn)相關(guān)數(shù)據(jù)，包括電子航道圖數(shù)據(jù)、航標(biāo)和水位數(shù)據(jù)，以及航線推薦算法所需的船舶AIS數(shù)據(jù)。

（2）應(yīng)用層基于Spring Cloud開發(fā)，提供中臺微服務(wù)，包括電子航道圖、船舶AIS、航標(biāo)動態(tài)等RESTFulWeb Service API接口，通過網(wǎng)關(guān)對接Web端和APP端應(yīng)用。航線推薦算法核心功能主要在該層實(shí)現(xiàn)。

（3）應(yīng)用層包括船舶導(dǎo)航APP和港航信息發(fā)布網(wǎng)站等應(yīng)用系統(tǒng)。推薦航線在船舶導(dǎo)航APP端顯示和應(yīng)用。

2.2 航線推薦微服務(wù)接口

航線推薦算法主要在中臺微服務(wù)層實(shí)現(xiàn)。廣西數(shù)字港航一體化應(yīng)用體系面向船舶通航的其他已有信息服務(wù)接口，如水位、航標(biāo)及電子航道圖數(shù)據(jù)的微服務(wù)均基于REST架構(gòu)開發(fā)。針對本文航線推薦服務(wù)需求，開發(fā)專門的微服務(wù)接口，同樣基于REST架構(gòu)，采用Spring Boot開發(fā)實(shí)現(xiàn)。為了保證安全性，應(yīng)用端系統(tǒng)調(diào)用航線推薦微服務(wù)接口時(shí)，必須通過用戶access_token加簽名的方式進(jìn)行驗(yàn)證，只有通過驗(yàn)證后才可訪問接口，獲取JSON格式的推薦航線數(shù)據(jù)，其格式如圖2所示。

2.3 船舶導(dǎo)航APP應(yīng)用

廣西內(nèi)河船舶導(dǎo)航APP通過調(diào)用推薦航線的微服務(wù)接口獲取推薦航線數(shù)據(jù)。用戶在APP輸入本船信息，以及出發(fā)港和目的港（或者在航道圖上選擇出發(fā)地和目的地），APP將這些參數(shù)發(fā)送到應(yīng)用層微服務(wù)中臺，微服務(wù)從數(shù)據(jù)庫層獲取符合要求的軌跡數(shù)據(jù)并通過評價(jià)排序，形成推薦航線數(shù)據(jù)，再通過接口返回APP。APP通過列表顯示獲取的推薦航線，并在電子航道圖上進(jìn)行繪制。

駕駛員根據(jù)推薦航線的排序，并參考各個(gè)航線對應(yīng)船舶的尺度、船舶類型、船舶吃水等信息，結(jié)合船舶實(shí)際，人為選擇一條航線用于指導(dǎo)船舶航行。APP將基于所選航線和船位，實(shí)時(shí)動態(tài)計(jì)算航行安全預(yù)警信息，如發(fā)現(xiàn)偏離航線將會給出報(bào)警信息，以保障船舶沿航線安全航行。

3 應(yīng)用前景

基于船舶AIS大數(shù)據(jù)的航線推薦方法基于船長需求調(diào)研分析進(jìn)行設(shè)計(jì)，并已通過廣西內(nèi)河船舶導(dǎo)航APP上線應(yīng)用，為西江航道上的船舶提供助航服務(wù)，得到了許多船長的肯定和好評，具有重要實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景：

（1）提升廣西內(nèi)河航運(yùn)安全性和效率。航線推薦系統(tǒng)能夠根據(jù)船舶位置和航道環(huán)境變化，實(shí)時(shí)調(diào)整策略給出具有實(shí)效性的可航經(jīng)驗(yàn)軌跡，降低碰撞風(fēng)險(xiǎn)，提高航行安全性。而且，及時(shí)為內(nèi)河船舶提供高效可行的航線，還可提升船員信心，做好配貨方案，提升運(yùn)輸效率。

（2）推動內(nèi)河航運(yùn)智能化發(fā)展。航線推薦系統(tǒng)的應(yīng)用將推動內(nèi)河航運(yùn)行業(yè)向數(shù)字化和智能化方向邁進(jìn)，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析手段可為內(nèi)河航運(yùn)提供智能化解決方案，提高服務(wù)質(zhì)量，提升行業(yè)競爭力。

此外，本文方法可為相關(guān)領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)研究和實(shí)踐提供借鑒和參考，具有重要的理論和實(shí)踐意義。

4 結(jié)語

內(nèi)河航道狀態(tài)變化快，航道數(shù)據(jù)不能及時(shí)更新，傳統(tǒng)算法難以基于實(shí)時(shí)航道數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的航線規(guī)劃。針對這一問題，本文提出了一種基于AIS大數(shù)據(jù)的船舶航線推薦方法，根據(jù)本船參數(shù)、出發(fā)港和目的港等信息，提取AIS大數(shù)據(jù)池中最近時(shí)間段的航路船舶軌跡，進(jìn)行處理和自動評價(jià)排序，給出優(yōu)先推薦航線，并基于廣西數(shù)字港航一體化應(yīng)用體系和船舶導(dǎo)航APP進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。

本文提出的航線推薦方法充分利用了船舶AIS大數(shù)據(jù)資源的海量和時(shí)效性特點(diǎn)，可有效避免無法實(shí)時(shí)獲取航道狀態(tài)數(shù)據(jù)帶來的弊端，從數(shù)十秒級間隔更新的AIS大數(shù)據(jù)中挑選出安全航行過的即時(shí)軌跡，能夠?yàn)椴皇煜ず铰返鸟{駛員提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)性指導(dǎo)，從而降低船舶擱淺等事故的發(fā)生，提高內(nèi)河船舶航行安全和效率。

隨著廣西內(nèi)河船舶導(dǎo)航APP的廣泛推廣應(yīng)用，航線推薦方法將不斷從軌跡補(bǔ)齊、打分評價(jià)和智能聚合等方面進(jìn)行優(yōu)化，以發(fā)揮越來越重要的作用。

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作者簡介：潘榮友（1965—），高級工程師，主要從事港航工程、信息化建設(shè)和科研管理工作。