甄 榮，邵哲平，潘家財(cái)，趙 強(qiáng)

(集美大學(xué)航海學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021)

0 引言

船舶采取安全航速[1]是確保船舶安全和高效航行的先決條件，如何根據(jù)所處的海上交通環(huán)境選擇合適的安全航速是操船者面臨的難題.尤其是船舶在航道內(nèi)航行時(shí)，由于航道狹窄、交通密集，因此通航風(fēng)險(xiǎn)較大.如何恰當(dāng)控制船速是海上交通工程學(xué)與船舶交通管理的一個(gè)重要課題[2].

文獻(xiàn)[2-3]對(duì)船舶速度的研究數(shù)據(jù)都是通過(guò)岸站雷達(dá)對(duì)所轄水域內(nèi)航行船舶觀測(cè)所得，這種數(shù)據(jù)采集方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力、觀測(cè)精度不高，無(wú)法記錄所觀測(cè)船舶的類(lèi)型和大小，研究結(jié)果是將所有類(lèi)型、大小的船舶的速度集中一起進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，無(wú)法體現(xiàn)不同特性的船舶的速度分布狀況.在實(shí)際的海上交通環(huán)境中，不同類(lèi)型、大小的船舶由于其操縱性能的差異，航行時(shí)采取的安全航速應(yīng)該不同.為了體現(xiàn)不同類(lèi)型、大小船舶的速度分布規(guī)律，分別對(duì)不同類(lèi)型、大小的船舶速度分布規(guī)律進(jìn)行研究是非常必要的.

目前海上航行的船舶大多安裝了AIS(Automatic Identification System)[4]設(shè)備，該設(shè)備能夠發(fā)射與航行有關(guān)的船舶動(dòng)態(tài)信息和靜態(tài)信息，其中AIS動(dòng)態(tài)信息包含了船舶航行實(shí)時(shí)的速度信息，通過(guò)岸基設(shè)備可以接收到完整的進(jìn)出港口航道船舶所發(fā)送的實(shí)時(shí)AIS信息，這為研究港口航道水域的船舶速度分布提供了條件.以AIS信息中船舶靜態(tài)信息為索引，可以從船舶種類(lèi)、船舶大小等角度對(duì)船舶速度分布進(jìn)行分維度精細(xì)化研究，得到的結(jié)果可為港口航道區(qū)域船舶操縱時(shí)安全航速的確定、港航管理部門(mén)根據(jù)船舶特性制定限速提供參考.

1 船舶通過(guò)航道門(mén)線的速度計(jì)算

從海上交通工程研究的對(duì)象來(lái)看，所謂的船舶速度不是指單艘船舶的航行速度或者最大速度，而是指在某一水域中活動(dòng)的或通過(guò)某一水道的所有船舶的速度的分布范圍和速度平均值[2].數(shù)據(jù)庫(kù)中海量的AIS信息涵蓋了船舶在整個(gè)航道內(nèi)多個(gè)位置的速度，為了研究方便，選擇典型航道和關(guān)鍵的位置，通過(guò)研究船舶在所選位置時(shí)的速度，從而反映航道內(nèi)船舶交通的速度.筆者選擇垂直于航道的門(mén)線，求取船舶通過(guò)門(mén)線時(shí)所采取的速度，進(jìn)而運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析門(mén)線上的速度分布情況.為獲取船舶在通過(guò)門(mén)線時(shí)的速度，需要搜索在門(mén)線兩端一定距離以?xún)?nèi)且航向與航道內(nèi)的主交通流方向一致的船舶AIS信息，然后求取船舶通過(guò)門(mén)線時(shí)的速度即可.

1.1 AIS數(shù)據(jù)的選取及預(yù)處理

本文所采用的是由集美大學(xué)基于ECDIS和AIS的船舶綜合信息服務(wù)系統(tǒng)[5-7]所采集的船舶AIS數(shù)據(jù).根據(jù)研究需要，在數(shù)據(jù)庫(kù)中經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理后，將AIS信息中以下幾類(lèi)信息作為主要研究對(duì)象:1)船名和MMSI用于標(biāo)識(shí)和區(qū)分船舶;2)船長(zhǎng) (LENGTH)表征船舶的大小;3)船舶的經(jīng)度(LONGUTIDE)、緯度 (LATITUDE)、時(shí)間 (RECDATATIME)用于確定船舶通過(guò)所研究的航道以及船舶實(shí)時(shí)的精確位置;4)船舶對(duì)地航向 (COG)、對(duì)地速度 (SOG)用于判斷航道內(nèi)船舶交通流的方向與速度.

1.2 具體計(jì)算步驟

由于船舶的動(dòng)態(tài)AIS信息更新頻率在2 s～3 min之間，即船舶所發(fā)送的AIS信息所包含的船舶航行位置點(diǎn)是離散的，這樣就不能保證通過(guò)門(mén)線船舶的位置點(diǎn)全部在所選擇的門(mén)線上，因此需要根據(jù)已知的符合條件的船舶AIS信息中的船舶速度求取船舶通過(guò)門(mén)線時(shí)的速度.船舶通過(guò)門(mén)線速度計(jì)算示意圖如圖1所示.

1)獲取同一條船舶位于門(mén)線兩側(cè)的離門(mén)線距離最近的兩個(gè)相鄰的船位點(diǎn)，具體方法是分別求取同一條船舶位于門(mén)線兩側(cè)到門(mén)線兩個(gè)端點(diǎn)距離之和最小的船位點(diǎn).

2)計(jì)算門(mén)線兩側(cè)距門(mén)線最近距離的兩個(gè)船位點(diǎn)到門(mén)線的垂直距離 (單位n mile)，通常情況下在航道內(nèi)航行的船舶是沿著航道的走向航行，且門(mén)線的選取是保證船舶垂直穿越門(mén)線;

圖1 船舶通過(guò)門(mén)線速度計(jì)算示意圖Fi.1 Calculation of speed of ship through the threshold

如圖1，有西北-東南走向的航道，A、B分別為垂直于航道內(nèi)主要交通流的門(mén)線兩個(gè)端點(diǎn)，船舶航向?yàn)槲鞅狈较?，S1，S2分別為同一條船舶位于門(mén)線兩側(cè)，距門(mén)線距離最近的兩個(gè)船位點(diǎn)[8]，距門(mén)線的垂直距離分別為d1、d2，線段S1S2與門(mén)線的交點(diǎn)S即為船舶在門(mén)線上的船位點(diǎn)，所要做的就是根據(jù)已知的S1、S2兩船位點(diǎn)的速度來(lái)計(jì)算船舶在S點(diǎn)的速度．

3)航道內(nèi)船舶速度的變化通常是線性的，用比例 (線性)內(nèi)插法[9]來(lái)求船舶在S點(diǎn)的速度，設(shè)S1點(diǎn)船舶的速度為V1，S2點(diǎn)船舶速度為V2，S點(diǎn)船舶速度為V，根據(jù)內(nèi)插法可由公式 (1)計(jì)算得到船舶通過(guò)門(mén)線時(shí)的速度:

在SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中，將上述數(shù)學(xué)模型寫(xiě)成存儲(chǔ)過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一段時(shí)間內(nèi)所有通過(guò)航道門(mén)線的船舶速度進(jìn)行快速、精確計(jì)算.

2 航道內(nèi)船舶速度分布統(tǒng)計(jì)方法

計(jì)算得到通過(guò)門(mén)線的所有船舶的速度信息后，以每一船舶的MMSI為索引，從AIS靜態(tài)信息表中提取對(duì)應(yīng)船舶的靜態(tài)信息，得到包含通過(guò)航道的船舶類(lèi)型、船長(zhǎng)、船寬等靜態(tài)特性的表FullTable.船舶通過(guò)門(mén)線的速度分布統(tǒng)計(jì)分析步驟:

1)確定速度數(shù)據(jù)處理方法 在SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中計(jì)算得到的船舶通過(guò)航道門(mén)線速度是一系列隨機(jī)數(shù)據(jù)，為了獲得速度分布規(guī)律，需要采用合適的隨機(jī)數(shù)據(jù)處理方法.目前確定船舶交通數(shù)據(jù)的概率分布一般采用啟發(fā)式的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，常用的啟發(fā)式方法有:點(diǎn)統(tǒng)計(jì)法、直方圖法、折線圖法、概率圖法.為了直觀地體現(xiàn)航道速度分布規(guī)律，本文選用直方圖法和折線圖法對(duì)航道內(nèi)船舶的速度分布規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.

2)確定速度統(tǒng)計(jì)原則 為了對(duì)不同類(lèi)型船舶速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在FullTable表中以船舶類(lèi)型為索引，查詢(xún)得到不同類(lèi)型船舶的速度.對(duì)于同一類(lèi)型的船舶，在航道內(nèi)航行時(shí)安全速度的選擇應(yīng)在遵守航道航行速度規(guī)定的前提下，根據(jù)船舶自身的特性決定安全航速的大小.為了體現(xiàn)不同長(zhǎng)度船舶的安全航速，在得到各種類(lèi)型船舶速度分布后，繼續(xù)對(duì)同一種類(lèi)型不同長(zhǎng)度船舶的速度分組查詢(xún)，得到同種類(lèi)型不同長(zhǎng)度船舶的速度分布規(guī)律.

3)速度分布特征值計(jì)算 得到各種類(lèi)型、長(zhǎng)度的船舶速度數(shù)據(jù)后，為了體現(xiàn)速度分布數(shù)值特征，對(duì)速度分布的均值和方差進(jìn)行計(jì)算分析，揭示船舶類(lèi)型、長(zhǎng)度對(duì)速度分布的影響.

3 以廈門(mén)港青嶼水道為例的船舶速度分布規(guī)律統(tǒng)計(jì)分析

青嶼水道位于青嶼和五擔(dān)島之間，是500總噸以上的船舶進(jìn)出廈門(mén)港的主航道，也是進(jìn)出廈門(mén)港的船舶必經(jīng)的航道，通常情況下該水道內(nèi)交通繁忙，通航密度較大，進(jìn)出水道的船舶在采取安全航速時(shí)需要考慮的不確定因素較多.根據(jù)青嶼水道的特點(diǎn)，選擇垂直于航道交通走向的門(mén)線AB，如圖2所示.

A 點(diǎn)緯度24°22.312'N，經(jīng)度118°07.874'E，B點(diǎn)緯度24°22.403'N，經(jīng)度118°08.02'E，采集廈門(mén)灣水域2013年6月1日至6月30日的船舶AIS數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理[10]，得到研究時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)青嶼水道的1906艘次船舶的AIS信息.

圖2 青嶼水道門(mén)線選擇示意圖Fig.2 Threshold of Qingyu channel

在計(jì)算得到船舶通過(guò)門(mén)線時(shí)的速度基礎(chǔ)上，根據(jù)速度分布的上下限劃定區(qū)間，采用直方圖法表征水道內(nèi)的速度分布情況.

在FullTable表中檢索得到通過(guò)青嶼水道有貨船、油船、帆船、拖船、港口供應(yīng)船、地效翼船、搜救船、執(zhí)法船、客船、游艇等種類(lèi)的船舶，其中貨船和油船所占的比例最大.現(xiàn)以貨船為例，通過(guò)直方圖法分析貨船的速度分布規(guī)律，如圖3所示.

由圖3可以看出，有將近80%貨船在通過(guò)青嶼水道所選門(mén)線的速度位于6～12 kn范圍內(nèi)，分布范圍符合青嶼水道實(shí)際的航行規(guī)定;有18.5%的貨船速度在12～20 kn范圍內(nèi)，主要是由于集裝箱船速度較高所致.

選用折線圖法對(duì)不同船長(zhǎng)的貨船速度分布規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖4所示.

圖3 貨船速度分布直方圖Fig.3 Distribution of cargo ship's speed

由圖4a可以看出，船長(zhǎng)小于200 m時(shí)速度較為集中，主要分布在8～10 kn，隨著船長(zhǎng)的增加，占最大比例速度區(qū)間有增大趨勢(shì)，速度分布變分散，這主要是由于長(zhǎng)度小的船舶在6～8 kn速度時(shí)可以很好地維持舵效.

由圖4b可以看出，船長(zhǎng)大于200 m時(shí)速度大部分位于8～14 kn，其中10～12 kn所占比例最多.隨著船舶長(zhǎng)度的增加，速度在12～16 kn間內(nèi)的船舶數(shù)量增加，這說(shuō)明船長(zhǎng)大于200 m的船舶傾向于用較高的速度來(lái)維持舵效，確保其有良好的操縱性.

圖4 不同船長(zhǎng)的貨船速度分布圖Fig.4 The speed distribution figure of different length in cargo ship

通過(guò)計(jì)算得到不同船長(zhǎng)的貨船速度的數(shù)學(xué)期望、方差[11]等特征值，結(jié)果如下表所示.由表1可知，隨著船長(zhǎng)區(qū)間的增加，速度分布的數(shù)學(xué)期望值和方差值都在增大，說(shuō)明在青嶼水道中通過(guò)門(mén)線的貨船速度大小與船舶長(zhǎng)度呈正相關(guān).

表1 不同長(zhǎng)度區(qū)間內(nèi)貨船速度期望、方差統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Distribution of mean and variance value of cargo ship's speed

4 結(jié)論

以船舶AIS信息為數(shù)據(jù)來(lái)源，可以計(jì)算不同類(lèi)型、長(zhǎng)度船舶的速度分布規(guī)律，以廈門(mén)港青嶼水道內(nèi)航行的貨船為例，用直方圖法和折線圖法分析不同長(zhǎng)度區(qū)間貨船的速度分布情況，計(jì)算各長(zhǎng)度區(qū)間貨船速度的均值和方差，得出航道內(nèi)貨船速度大小與船舶長(zhǎng)度呈正相關(guān)，定量地揭示出廈門(mén)港青嶼水道內(nèi)航行貨船的速度分布規(guī)律與船長(zhǎng)的關(guān)系.

本研究可以為港航部門(mén)根據(jù)船舶不同類(lèi)型、長(zhǎng)度制定相應(yīng)具體的限速提供決策依據(jù)，也可以為不同類(lèi)型、長(zhǎng)度的船舶在采取安全航速時(shí)作為參考.

[1]吳兆麟，趙月林.船舶值班與避碰[M].3版.大連:大連海事大學(xué)出版社，2009.

[2]吳兆麟，朱軍.海上交通工程[M].2版.大連:大連海事大學(xué)出版社，2004.

[3]牟軍敏，齊傳新，鄒早建，等.船舶運(yùn)輸流理論在船舶運(yùn)行中的運(yùn)用 [J].武漢職業(yè)船舶技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005(3):33-34.

[4]孫文力，孫文強(qiáng).船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)[M].大連:大連海事大學(xué)出版社，2004.

[5]邵哲平，孫騰達(dá)，潘家財(cái).基ECDIS和AIS的船舶綜合信息服務(wù)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā) [J].中國(guó)航海，2007(2):30-33.

[6]SHAO Z P，SUN T D，PAN J C，et al.Vessel information service system based on ECDIS and AIS [C]//Proceedings of ICTE，ASCE.Chengdu:Southwest Jiaotong University，2007.

[7]JI X B，SHAO Z P，P J C.A new AIS-based way to conduct OLAP of maritime traffic flow [C]//ASCE.Proceeding of ICTE 2009.Chengdu:Southwest Jiaotong University，2009.

[8]HUANG X X，SHAO Z P，JI X B，et al.Mining algorithm of time-interval between the ships based on AIS data[C].Korea Busan:Asia Navigation Conference，2013.

[9]郭禹.航海學(xué)[M].大連:大連海事大學(xué)出版社，2005.

[10]唐存寶，邵哲平，潘家才，等.基于 AIS的船舶航跡分布算法 [J].集美大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，17(2):110-111.

[11]同濟(jì)大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)系.工程數(shù)學(xué)下冊(cè) (數(shù)理統(tǒng)計(jì)與隨機(jī)過(guò)程)[M]上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2004.