基于AIS信息的航道内船舶速度分布统计分析

甄 荣，邵哲平，潘家财，赵 强

(集美大学航海学院，福建 厦门 361021)

0 引言

船舶采取安全航速[1]是确保船舶安全和高效航行的先决条件，如何根据所处的海上交通环境选择合适的安全航速是操船者面临的难题.尤其是船舶在航道内航行时，由于航道狭窄、交通密集，因此通航风险较大.如何恰当控制船速是海上交通工程学与船舶交通管理的一个重要课题[2].

文献[2-3]对船舶速度的研究数据都是通过岸站雷达对所辖水域内航行船舶观测所得，这种数据采集方法费时费力、观测精度不高，无法记录所观测船舶的类型和大小，研究结果是将所有类型、大小的船舶的速度集中一起进行统计分析，无法体现不同特性的船舶的速度分布状况.在实际的海上交通环境中，不同类型、大小的船舶由于其操纵性能的差异，航行时采取的安全航速应该不同.为了体现不同类型、大小船舶的速度分布规律，分别对不同类型、大小的船舶速度分布规律进行研究是非常必要的.

目前海上航行的船舶大多安装了AIS(Automatic Identification System)[4]设备，该设备能够发射与航行有关的船舶动态信息和静态信息，其中AIS动态信息包含了船舶航行实时的速度信息，通过岸基设备可以接收到完整的进出港口航道船舶所发送的实时AIS信息，这为研究港口航道水域的船舶速度分布提供了条件.以AIS信息中船舶静态信息为索引，可以从船舶种类、船舶大小等角度对船舶速度分布进行分维度精细化研究，得到的结果可为港口航道区域船舶操纵时安全航速的确定、港航管理部门根据船舶特性制定限速提供参考.

1 船舶通过航道门线的速度计算

从海上交通工程研究的对象来看，所谓的船舶速度不是指单艘船舶的航行速度或者最大速度，而是指在某一水域中活动的或通过某一水道的所有船舶的速度的分布范围和速度平均值[2].数据库中海量的AIS信息涵盖了船舶在整个航道内多个位置的速度，为了研究方便，选择典型航道和关键的位置，通过研究船舶在所选位置时的速度，从而反映航道内船舶交通的速度.笔者选择垂直于航道的门线，求取船舶通过门线时所采取的速度，进而运用数理统计方法分析门线上的速度分布情况.为获取船舶在通过门线时的速度，需要搜索在门线两端一定距离以内且航向与航道内的主交通流方向一致的船舶AIS信息，然后求取船舶通过门线时的速度即可.

1.1 AIS数据的选取及预处理

本文所采用的是由集美大学基于ECDIS和AIS的船舶综合信息服务系统[5-7]所采集的船舶AIS数据.根据研究需要，在数据库中经过数据预处理后，将AIS信息中以下几类信息作为主要研究对象:1)船名和MMSI用于标识和区分船舶;2)船长 (LENGTH)表征船舶的大小;3)船舶的经度(LONGUTIDE)、纬度 (LATITUDE)、时间 (RECDATATIME)用于确定船舶通过所研究的航道以及船舶实时的精确位置;4)船舶对地航向 (COG)、对地速度 (SOG)用于判断航道内船舶交通流的方向与速度.

1.2 具体计算步骤

由于船舶的动态AIS信息更新频率在2 s～3 min之间，即船舶所发送的AIS信息所包含的船舶航行位置点是离散的，这样就不能保证通过门线船舶的位置点全部在所选择的门线上，因此需要根据已知的符合条件的船舶AIS信息中的船舶速度求取船舶通过门线时的速度.船舶通过门线速度计算示意图如图1所示.

1)获取同一条船舶位于门线两侧的离门线距离最近的两个相邻的船位点，具体方法是分别求取同一条船舶位于门线两侧到门线两个端点距离之和最小的船位点.

2)计算门线两侧距门线最近距离的两个船位点到门线的垂直距离 (单位n mile)，通常情况下在航道内航行的船舶是沿着航道的走向航行，且门线的选取是保证船舶垂直穿越门线;

图1 船舶通过门线速度计算示意图Fi.1 Calculation of speed of ship through the threshold

如图1，有西北-东南走向的航道，A、B分别为垂直于航道内主要交通流的门线两个端点，船舶航向为西北方向，S1，S2分别为同一条船舶位于门线两侧，距门线距离最近的两个船位点[8]，距门线的垂直距离分别为d1、d2，线段S1S2与门线的交点S即为船舶在门线上的船位点，所要做的就是根据已知的S1、S2两船位点的速度来计算船舶在S点的速度．

3)航道内船舶速度的变化通常是线性的，用比例 (线性)内插法[9]来求船舶在S点的速度，设S1点船舶的速度为V1，S2点船舶速度为V2，S点船舶速度为V，根据内插法可由公式 (1)计算得到船舶通过门线时的速度:

在SQL Server数据库中，将上述数学模型写成存储过程，可以实现对一段时间内所有通过航道门线的船舶速度进行快速、精确计算.

2 航道内船舶速度分布统计方法

计算得到通过门线的所有船舶的速度信息后，以每一船舶的MMSI为索引，从AIS静态信息表中提取对应船舶的静态信息，得到包含通过航道的船舶类型、船长、船宽等静态特性的表FullTable.船舶通过门线的速度分布统计分析步骤:

1)确定速度数据处理方法 在SQL Server数据库中计算得到的船舶通过航道门线速度是一系列随机数据，为了获得速度分布规律，需要采用合适的随机数据处理方法.目前确定船舶交通数据的概率分布一般采用启发式的方法来实现，常用的启发式方法有:点统计法、直方图法、折线图法、概率图法.为了直观地体现航道速度分布规律，本文选用直方图法和折线图法对航道内船舶的速度分布规律进行统计分析.

2)确定速度统计原则 为了对不同类型船舶速度进行统计，在FullTable表中以船舶类型为索引，查询得到不同类型船舶的速度.对于同一类型的船舶，在航道内航行时安全速度的选择应在遵守航道航行速度规定的前提下，根据船舶自身的特性决定安全航速的大小.为了体现不同长度船舶的安全航速，在得到各种类型船舶速度分布后，继续对同一种类型不同长度船舶的速度分组查询，得到同种类型不同长度船舶的速度分布规律.

3)速度分布特征值计算 得到各种类型、长度的船舶速度数据后，为了体现速度分布数值特征，对速度分布的均值和方差进行计算分析，揭示船舶类型、长度对速度分布的影响.

3 以厦门港青屿水道为例的船舶速度分布规律统计分析

青屿水道位于青屿和五担岛之间，是500总吨以上的船舶进出厦门港的主航道，也是进出厦门港的船舶必经的航道，通常情况下该水道内交通繁忙，通航密度较大，进出水道的船舶在采取安全航速时需要考虑的不确定因素较多.根据青屿水道的特点，选择垂直于航道交通走向的门线AB，如图2所示.

A 点纬度24°22.312'N，经度118°07.874'E，B点纬度24°22.403'N，经度118°08.02'E，采集厦门湾水域2013年6月1日至6月30日的船舶AIS数据，经过数据预处理[10]，得到研究时间内经过青屿水道的1906艘次船舶的AIS信息.

图2 青屿水道门线选择示意图Fig.2 Threshold of Qingyu channel

在计算得到船舶通过门线时的速度基础上，根据速度分布的上下限划定区间，采用直方图法表征水道内的速度分布情况.

在FullTable表中检索得到通过青屿水道有货船、油船、帆船、拖船、港口供应船、地效翼船、搜救船、执法船、客船、游艇等种类的船舶，其中货船和油船所占的比例最大.现以货船为例，通过直方图法分析货船的速度分布规律，如图3所示.

由图3可以看出，有将近80%货船在通过青屿水道所选门线的速度位于6～12 kn范围内，分布范围符合青屿水道实际的航行规定;有18.5%的货船速度在12～20 kn范围内，主要是由于集装箱船速度较高所致.

选用折线图法对不同船长的货船速度分布规律进行对比分析，结果如图4所示.

图3 货船速度分布直方图Fig.3 Distribution of cargo ship's speed

由图4a可以看出，船长小于200 m时速度较为集中，主要分布在8～10 kn，随着船长的增加，占最大比例速度区间有增大趋势，速度分布变分散，这主要是由于长度小的船舶在6～8 kn速度时可以很好地维持舵效.

由图4b可以看出，船长大于200 m时速度大部分位于8～14 kn，其中10～12 kn所占比例最多.随着船舶长度的增加，速度在12～16 kn间内的船舶数量增加，这说明船长大于200 m的船舶倾向于用较高的速度来维持舵效，确保其有良好的操纵性.

图4 不同船长的货船速度分布图Fig.4 The speed distribution figure of different length in cargo ship

通过计算得到不同船长的货船速度的数学期望、方差[11]等特征值，结果如下表所示.由表1可知，随着船长区间的增加，速度分布的数学期望值和方差值都在增大，说明在青屿水道中通过门线的货船速度大小与船舶长度呈正相关.

表1 不同长度区间内货船速度期望、方差统计表Tab.1 Distribution of mean and variance value of cargo ship's speed

4 结论

以船舶AIS信息为数据来源，可以计算不同类型、长度船舶的速度分布规律，以厦门港青屿水道内航行的货船为例，用直方图法和折线图法分析不同长度区间货船的速度分布情况，计算各长度区间货船速度的均值和方差，得出航道内货船速度大小与船舶长度呈正相关，定量地揭示出厦门港青屿水道内航行货船的速度分布规律与船长的关系.

本研究可以为港航部门根据船舶不同类型、长度制定相应具体的限速提供决策依据，也可以为不同类型、长度的船舶在采取安全航速时作为参考.

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