基于AIS原始数据的天津港交通流模型

李笑晨，唐　皇，尹　勇，王任大

(大连海事大学航海动态仿真和控制实验室，辽宁大连　116026)



基于AIS原始数据的天津港交通流模型

李笑晨，唐皇，尹勇，王任大

(大连海事大学航海动态仿真和控制实验室，辽宁大连116026)

摘要：基于OD(Origin and Destination)交通流模型理论，使用大连海事大学动态仿真和控制实验室自主开发的电子海图显示软件与数据库，采用设置断面，处理、分析AIS原始数据，统计船舶通过断面时位置的方法，分析天津港航道船舶交通流状况。利用数理统计知识，初步建立天津港交通流模型，揭示天津港航道船舶交通流的规律并生成模拟交通流。研究结果可以为VTS模拟器的研发以及天津港船舶交通流的管理提供科学依据。

关键词：天津港；OD交通流模型；AIS原始数据；船舶交通流

交通流是道路交通工程研究中提出的概念或交通模型，目的是使人们更加系统、深刻地了解交通的特性与本质[1]。交通流理论是一门运用数学、物理学和流体力学定律来描述交通特性的边缘科学。

天津港地处渤海湾西端，位于海河下游及其入海口处，主航道长44 km，航道底宽最宽已达260 m，航道水深最深已达19.5 m，25万t级船舶可以随时进港，30万t级船舶可以乘潮进港。新港航道长27.4 km，主航道宽180 m，水深12 m，5万t级海船可乘潮进港，万t级船舶可双向行驶。海河航道长39.5 km，可通行3 000～5 000 t级船舶[2]。天津港具有船舶航行数量庞大、航行情况复杂等特点，本文以天津港为目标进行船舶交通流的研究，为天津港船舶交通流管理提供了科学依据，同时也为VTS(Vessel Traffic System)模拟器的研发奠定基础。

目前，国内进行船舶交通流研究的学者和团队虽然很多，但是研究方向各有侧重。文献[3]对船舶交通流中的船舶行为和避碰算法方向进行重点研究，文献[4]对船舶交通量与船舶速度方向进行重点研究。本文基于OD交通流模型，并依托丰富的AIS(Automatic Identification System)原始数据，重点对船舶通过航道中某一横向断面时的位置分布进行研究，寻找位置分布的数学规律，从而对船舶交通流进行分析，建立船舶交通流模型。

1交通流模型的选择

目前，海上交通流模型大体有流体模型[5]、MAS(Multi-Agent System)交通仿真模型[6]、CA(Cellular Automata)交通流模型[7]、微-宏观模型[8]和OD交通流模型[9]等几种。

每一种交通流模型均有自己的特点，流体模型是基于流体动力学基本原理的交通流模型，该模型明确了船舶交通效率的量化问题，但不具有仿真效果。MAS交通仿真模型具有自主性、协调性和智能性等特点，既分析了实体本身，又考虑到其他实体对MAS实体的影响，但同时也导致数据和信息的冗余，造成系统空间浪费。CA交通流模型是公路交通领域一个非常成熟的模型，但在航海领域还处于研究阶段，CA模型中的许多方面目前还不能完全适用于航海交通流。微-宏观交通流模型比较成熟，既可以从整体上模拟港口交通流状况，也可以在重点研究的航道内设置微观模拟，达到两全其美，但考虑到AIS原始数据结构复杂，该模型并非最佳选择。OD交通流模型具有准确模拟船舶运动轨迹、便于仿真等特点，而且数据越丰富，OD交通流模型就越准确。考虑到AIS原始数据的特点和仿真的需求，本文采用OD交通流模型。

OD交通流模型，可理解为船舶航行起止区间，狭义上讲是指在研究水域内某一船舶从起始点到终止点的航行区间，起始点可以是航道入口、码头、锚地或任意点等，终止点可以为航道出口、码头、锚地或任意点等[10]。OD交通流模型需要大量的船舶交通流数据，而AIS原始数据具有船舶位置数据丰富的特点，操作员沿交通流方向可指定任意点为起点或终点，并可在起点与终点之间设置任意数量的航道横向断面进行分析。本文依据概率统计理论并结合实践情况，设置合理间隔进行统计，最终结果以曲线图的形式输出。把输出结果与常见概率密度函数图像进行对比并计算验证，选出合适的概率密度函数建立数学模型，根据数学模型生成船舶在对应断面上的模拟位置信息，基于OD交通流模型理论建立船舶交通流模型。

2天津港交通流分析

2.1AIS原始数据处理

图1　交通流数据处理流程图

本文使用大连海事大学动态仿真和控制实验室建立的数据库，根据数据处理需求设计数据结构，将AIS原始数据解析后分类存入数据库。数据处理，包括数据读取、整理、分析等操作，由计算机与服务器交互完成，从而避免每次分析数据时都要解析AIS原始数据，提高了数据处理效率。使用VS2013与MATLAB软件，对船舶位置坐标、船长、船宽、吃水等数据分别进行筛选、归类、统计与分析。天津港航道交通流数据处理流程如图1所示。

以2014年第一季度进出天津港船舶的船长数据为例，从数据库中读取未加处理的船长数据，在某一时刻出现大量的770数据，表明该时刻出现大量船长为77 m的船舶，与真实情况明显存在差异，说明数据的有效性有待考证。图2为原始数据未加处理时的离线统计结果，由图2可以看出，AIS原始数据非常庞大，其中船舶数量超过万条的数据属于不符合航海实际的情况，说明AIS原始数据中存在大量重复数据和无效数据。图3为经过筛选、处理后的船舶长度的数据，3个月船舶进出港总量为数千条，船舶长度分布符合规律，说明处理后的结果是合理的。同理，本文对AIS各项原始数据进行相似处理，得到可用于天津港交通状况统计、分析的合理数据。

图2　AIS原始数据分布效果　　　　　　　　　　　　　　　　图3　处理后数据分布效果

2.2天津港航迹分布

图4　天津港船舶航迹分布

船舶在一定水域内运动路线的空间分布称为航迹分布，航迹分布是船舶交通的基本要素[11-14]。本文使用大连海事大学动态仿真和控制实验室自主开发的电子海图显示软件，将AIS原始数据的船舶位置信息进行处理后发送至该软件，生成船舶航迹分布图。图4为2014-02某周天津港进出船舶的航迹分布图。通过图4首先在视觉上可以对港内航道交通拥挤程度与交通危险程度有一个感性的认识，明确航道狭窄处的位置、船舶密集的位置、可能存在较大危险性的位置等，从而在交通流模型的具体研究中有所侧重，并可以与仿真结果进行对比验证；其次，通过分析可以得出船舶交通流的组成、流向和船舶会遇情况等具体信息，为VTS模拟器模拟交通流提供真实依据。分析天津港航迹分布是研究天津港船舶交通流的基础，是建立天津港交通流模型中必不可少的一个环节。

3天津港航道交通流模型

理想的VTS模拟器应能模拟在规定时刻、起始位置、船型、吃水等条件下的船舶交通流。因此，基于OD交通流模型理论，本文设计了基于AIS原始数据的交通流统计分析算法：

1)设置时刻、起始位置、船型、吃水等初始条件，设置断面位置。

2)根据初始条件，从数据库中筛选出符合条件的所有数据存入程序中。

3)对程序中的数据进行进一步筛选，去除无效数据，合并重复数据，得到最终数据。

4)利用最终数据求解每一条船在经过该断面时的位置并予以记录。

5)统计每个断面上的船位信息。

6)将统计结果以图像的形式输出。

该算法可以实时统计数据库内任意时刻、船型、吃水等条件下船舶通过某一航道横断面的情况，从而得出船舶位置分布规律。在建立交通流模型时，可根据需要选取多个航道横断面进行统计分析，得出断面上船位的数学分布规律，建立数学模型。利用建立好的数学模型生成模拟船舶位置，将每条船在各个断面的模拟位置对应相连接，构成船舶运动轨迹，建立符合实际的交通流模型并在电子海图软件中模拟。

图5为某一时间段内离线统计通过某断面所有船舶在该断面上的位置分布情况，大量船舶通过断面时的位置约在断面0.85位置处，峰值约为550条左右。图6为同一时间段根据设定条件实时统计出的结果。

图5　某断面船舶位置分布(离线)　　　　　　　　　　　　　　　图6　某断面船舶位置分布(实时)

由图6可知，经过条件限制后，船舶通过断面的位置大约集中于断面0.8位置处，峰值仅有253条船舶，其余的船舶则被剔除，但是两种条件下船舶通过断面的位置分布是相似的。由此可见，由软件实时统计出的船舶位置规律符合船舶真实的位置规律。

图7　某断面模拟船舶分布位置

数据处理得出的图像与常见概率密度函数图像的对比并计算验证，证明船舶在断面中位置分布符合高斯分布，计算出某断面船舶位置期望为0.792 117，方差为0.068 129，建立该断面船舶分布数学模型为

模拟结果如图7所示，模拟结果与实际情况基本一致。

4结语

1)与传统基于雷达观测建立船舶交通流模型等方法相比[15-17]，本文基于AIS原始数据建立天津港交通流模型的方法更为准确。该方法不需要人员值守，不存在观测误差，允许全天候连续观测且不受天气状况影响，巨大数据量处理由计算机完成，可以更真实、准确地反映出船舶交通流的真实情况，该模型更具实用价值。

2)由于AIS原始数据量巨大，存在重复数据与无效数据，所以数据库数据结构有待优化以提高效率。在AIS原始数据中，没有给出船舶航向、航速、进出港信息，需要自行设计算法进行计算、判断，虽然船舶交通流模型的建立与船舶交通流的模拟对实时性要求不高，但还是会降低程序效率。模拟结果过于理想化，需引入干扰。

3)在未来的研究工作中需着眼于优化算法，提高程序效率，以便尽快地完善船舶交通流模型并应用于VTS模拟器。

参考文献：

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[2]毛振华.天津今年将投160亿元建设天津港[EB/OL].(2015-03-04)[2015-12-18].http://news.xinhuanet.com/local/2015-03/04/c_1114521549.htm.

[3]李晓松，马瑞鑫，孔宪卫.VTS交通流模型中船舶航行与避碰算法的研究[J].中国水运(下半月)，2014，14(12):107-109，147.

[4]金兴赋，付玉慧，张连东.基于AIS数据的成山头水域船舶交通流研究[J].大连海事大学学报(自然科学版)，2012，38(4):33-36.

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(责任编辑：刘勇波)

Tianjin Port Traffic Flow Model Based on AIS Raw data

LIXiaochen,TANGHuang,YINYong,WANGRenda

(NavigationDynamicSimulationandControlLaboratory,DalianMaritimeUniversity,Dalian116026,China)

Abstract:Based on OD (Origin and Destination) traffic flow model theory, using the electronic chart display software and database independently developed by Dalian Maritime University Dynamic Simulation and Control Laboratory, AIS raw data are processed by setting a section to calculate vessels passing the section, so as to study the traffic flow of Tianjin Port. Making use of mathematical statistics knowledge, the Tianjin Port traffic flow model is preliminarily built to reveal the rules of the traffic flow and generate the simulation traffic flow. The results can be deemed as a pre-research for VTS simulator, and provide scientific basis for traffic flow management of Tianjin Port.

Key words:Tianjin Port; OD traffic flow model; AIS raw data; vessel traffic flow

文章编号：1672-0032(2015)04-0068-04

中图分类号：U692

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2015.04.013

作者简介：李笑晨(1990—)，男，河南洛阳人，硕士研究生，主要研究方向为航海模拟器研究.

基金项目：国家863项目(2015AA016404)

收稿日期：2015-11-01