基于卫星AIS数据的北极水域我国船舶活动分析

陈嘉豪， 付姗姗， 万 辉， 席永涛， 胡子正

(1.上海海事大学 a.交通运输学院; b.商船学院， 上海 201306; 2.上海电科智能系统股份有限公司， 上海 200063; 3.东海航海保障中心， 上海 200090)

随着全球化气候变暖，海冰的加速融化，在极大程度上促进了北极航道的商业化发展。[1]根据北极理事会海洋环境保护工作组(the Protection of the Arctic Marine Environment Working Group,PAME)2020年最新发布的2013—2019年北极船舶状态报告中可知：北极地区的船舶活动正日益频繁，在2019年已达到1 628艘。船舶活动轨迹可反映出船舶航行范围以及航道位置，船舶点位的密集度则能反映该区域船舶的活跃程度。因此，对船舶活动行为的分析，进一步了解我国船舶活动对北极水域的影响，对制定合理、绿色和安全的北极战略具有指导意义。

卫星船舶自动识别系统(Automatic Identification System, AIS)将数据接收机安装在卫星上，摆脱地域范围限制，能实时接收全球船舶AIS数据，可为国内外学者提供大量数据基础。[2]ZHANG等[3]提出一种新型压缩处理AIS轨迹的算法，并通过交通流试验验证了算法阈值在压缩AIS轨迹时的有效性。PALLOTTA等[4]利用AIS数据提出基于密度的增量式聚类算法(Density Based Spatial Clustering of Applications with Noise, DBSCAN)，用于检测船舶的异常行为，对水上的交通安全管控具有指导作用。刘奥博等[5]利用数据清洗对卫星AIS数据进行处理，并对南极地区的科考、旅游和捕鱼活动进行分析，研究结果对我国南极科考具有指导意义。陈仁丽等[6]利用均匀采样法对渤海区域的船舶AIS数据进行处理，从时空的角度对该区域的船舶活动特征进行分析。朱飞翔等[7]通过地理网格技术降低了船舶AIS轨迹数据的复杂度，建立船舶行为模型以对船舶行为特征进行分析。虽然国内外学者基于地理卫星、船舶AIS等数据利用数据挖掘(Data Mining,DM)算法，对船舶的行为特征进行了广泛的研究，但对卫星AIS数据的处理大多以删除问题数据为主，对修复与清洗工作进行研究鲜少。

北极水域因气温低、纬度高、卫星信号弱和更新频率慢等因素，导致接收到的卫星AIS数据存在船舶属性缺失、船舶信息错误、冗余和地理位置漂移等问题。为确保船舶信息的准确性、更好地进行活动特征分析，还需进行修复处理。

本文采用2015—2017年北极水域(北纬66°32′以上)卫星AIS数据，利用IHS海事综合数据库和数据库结构化查询技术(Structured Query Language, SQL)，对北极卫星AIS数据进行清洗、修复等处理，并结合DM与地理信息系统技术(Geographic Information System, GIS)，对北极水域船舶活动进行可视化分析，旨在为我国能积极应对北极变化所带来的挑战与机遇和加快部署北极战略提供决策基础。

1 研究方法

1.1 研究框架

针对北极卫星AIS数据船舶属性缺失严重、冗余信息较多和整体数据可靠度较差等问题，结合IHS海事综合数据库，采用SQL数据库技术，对北极水域我国船舶的卫星AIS数据进行修复处理，并在此基础上，结合北极水域的通航环境特征，深度挖掘我国船舶的活动行为，研究框架见图1。

图1 研究框架

1.1.1数据处理方法

以北极卫星AIS数据库和IHS海事综合数据库为基础，通过数据清洗、数据抽取、数据修复融合、数据离散化和数据匹配等处理方法，结合SQL数据库技术，对数据中的异常和重复进行清洗，对有效字段进行抽取，对属性缺失和错误进行修复，融合新字段，形成准确无误的船舶静态信息数据库，并匹配构建船舶轨迹数据库。

1.1.2数据分析与应用

以处理完善的船舶静态信息数据库和船舶轨迹数据库为基础，通过数据统计、数据抽稀算法和GIS可视化技术，从时空维度对北极水域我国船舶静态特征和动态特征进行分析。

1)船舶静态特征分析：利用数据库统计分析，从时间维度，结合北极水域的环境特征，对北极水域我国船舶的船舶类型、船龄、吨位和船长等方面进行分析。

2)船舶动态特征分析：利用数据抽稀算法、GIS可视化技术，综合考虑通航水域的影响，从时空角度对我国船舶活动轨迹、航速分布进行分析。

1.2 数据处理

1.2.1数据清洗

数据清洗是指发现和处理数据中异常和重复信息。针对在卫星AIS数据中异常重复数据进行如下操作：

1) 异常数据。针对北极区域高纬度、低气温、更新频率低导致的水上移动通信业务识别码(Maritime Mobile Service Identify, MMSI)编号异常、经纬度超出范围、航速航向错误和轨迹点稀疏等问题，直接删除。

2) 重复数据。针对北极船舶处于靠泊或锚泊状态导致船舶位置长时间未发生变化的数据，直接删除。

1.2.2数据抽取

数据抽取是指从源数据中抽取目的数据或是需要的数据，并建立新表来存储，同时，提高数据加载速度、减少数据运行内存。针对在北极卫星AIS数据库中的冗余字段，抽取船舶身份信息数据建立船舶静态信息数据库，具体表格结构见表1。

表1 中国船舶静态信息数据库

1.2.3数据修复融合

数据修复融合是指通过多源数据库对缺失数据进行修补、复原，并融合多源数据库中的有效字段，形成信息完整的数据。

针对北极卫星AIS数据中存在的大量船舶身份信息缺失和错误数据，以IHS海事综合数据库中国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)编号为修复主要依据，逐一比对原数据库中MMSI、IMO、船舶类型和船长等船舶身份信息，修复缺失数据，剔除错误数据，并将IHS海事综合数据库中船旗国、船舶建造时间和船舶吨位字段，融合到船舶静态信息数据库中。经过修正整合后，中国船舶静态信息数据库中共有292艘船舶，357航次，代表着2015—2017年我国参与北极航行的船舶共有292艘，357航次。

1.2.4数据离散化

数据离散化是指将无限数据映射到有限的空间里，如利用等宽、等区间的方式对特定字段进行分组，来提高算法的处理效率。为对北极水域船舶活动进行分析，对原始卫星AIS数据库中部分字段重新进行数据编码和离散化处理，见表2。

表2 卫星AIS数据离散化处理

在离散化处理过程中，将船舶类型分为货船、集装箱船、客船、油船、渔船、科考船和工程船等7类；船龄分为(0, 5]a、(5, 10]a、(10, 20]a、(20, 30]a和(30, +∞)a等5类；载重量分为(0, 500]t、(500, 3 000]t、(3 000, 10 000]t、(10 000, 30 000]t和(30 000, +∞)t等5类；船长分为(0,50]m、(50, 100]m、(100, 200]m和(200, +∞)m等4类；活动区域分为东半球和西半球两类；航速分为(0, 6]kn、(6, 12]kn和(12, +∞)kn等3类。

1.2.5数据匹配

数据匹配是指按照数据之间某种关系进行配准。以船舶静态信息数据库中MMSI编号为主键，更新匹配构建中国船舶轨迹数据库，见表3。

表3 中国船舶轨迹数据库

1.3 道格拉斯-普克算法

道格拉斯-普克算法(Douglas-Peucker, DP)[8]也称为DP数据抽稀算法[9]，能尽可能保留船舶原始轨迹，具有降低数据存储成本，加快数据处理效率等优点。

假设某船舶的航行轨迹包含了n个连续且密集的轨迹点的点集为

X={X1,X2,X3，…,Xn}

(1)

相邻2个轨迹点间的连线看作一个轨迹片段见图2。一艘船舶所有轨迹片段的集合为

T={X1X2,X3X4,…,XnXn-1}

(2)

DP数据抽稀算法主要是将一条轨迹的首尾两点间相连成一条虚线，并求出每个点到这条虚线的距离，选取所有点到该虚线的距离中最大值与阈值相比，若大于阈值，则将该点作为轨迹特征点[10];若小于阈值，则将直线中所有点舍去。最后，根据保留的特征点进行分段重复计算。

图2 DP数据抽稀算法示意

2 我国船舶活动分析

根据卫星AIS数据处理结果，对北极水域我国船舶静态特征和动态特征进行可视化分析。

2.1 卫星AIS数据处理

根据文献[11]～文献[13]制定数据清洗规则对2015—2017年北极水域中国船舶卫星AIS数据进行清洗，并利用IHS海事综合数据库对问题数据进行修复，数据处理结果见表4。

表4 2015—2017年北极水域中国船舶轨迹数据清洗结果

由表4可知：2015年因为航行经验少，船舶能力有限，导致2015年北极水域我国船舶卫星AIS数据量最少；2016年我国总结北极航行经验并实施“永盛+”项目，当年卫星AIS数据量明显增多；2017年基本实现了北极航线常态化运营。从数据清洗结果看，整体数据质量相对较好，数据利用率均保持在60%以上，其中以2015年的数据质量最好，数据利用率可达70%。

2.2 船舶静态特征分析

从船舶类型、船舶船龄、船舶吨位和船舶船长等4个方面，对2015—2017年北极水域中国航行船舶静态特征进行分析，见图3～图6。

1) 由图3可知:我国船舶在北极水域的类型分布随时间变化，由属性的单一化向多元化发展，说明我国正不断尝试北极水域船舶的多元化运营；北极东半球水域相较于西半球水域，船舶种类更丰富，分布更具特色；其中对于航运热点的东半球水域来说依旧以货物运输为主，希望借助航道优势以获得更高的经济效益；西半球水域以客船、油船居多，北极丰富的石油、天然气等自然资源对我国经济发展至关重要。船舶类型的分析能为我国提供更高效的航运安全保障而服务。

2)由图4可知:在北极水域中通过的我国船舶中，整体船龄分布随年份的变化愈发多样；2015年由于航行经验不足，常使用船龄小于20 a的船舶来进行北极探索以保证航行安全，这一现象在西半球水域中更为明显；随着北极航行的船舶、航次的增多、航行经验的不断积累以及海冰融化速度的日益加快，北极水域中船龄大于20 a的船舶占比逐年上升，说明北极水域对大龄船舶更加兼容且我国的北极船舶建造水平正不断提升。船龄特征的分析能为我国北极船舶制造厂商以及各行业减少制造运营成本、提高经济效益提供有力的数据依据。

3)由图5可知：在2017年之前，我国通过北极水域的航次较少，为保证成本收益，基本选择载重量大于10 000 t的万吨级大型船舶，因为大型船舶在船舶设备水平、人员配备等各方面更能保证航行安全；但在2017年，由于北极水域航道夏季通航期的延长和我国北极航行经验的积累，小吨位船舶在短距离运输和复杂通航环境等方面具有更高的适航性，且由于东北三省的港口和上海港吞吐量的不断上升，航道压力越来越大，难以满足大吨位船舶的通行。因此，通过北极水域的我国船舶开始从大于万吨级的船舶向以小吨位船舶为主的格局转变。

4)由图6可知：船长在一定程度上可反映一艘船舶的吨位情况，所以2015—2017年的我国船长分布和第3)节中吨位分布情况几乎相同；2015年和2016年基本以船长大于100 m的船舶为主，2017年则以船长小于200 m的中小型船舶数量较多。如“永盛”“夏之远6”和“天禧”等中国船舶，通过在北极的船长都小于200 m，因此，对我国来说，中小型船舶在北极水域中更具有更好的适航性。

图3 2015—2017年北极水域中国船舶类型分布

图4 2015—2017年北极水域中国船舶船龄分布

图5 2015—2017年北极水域中国船舶吨位分布

图6 2015—2017年北极水域中国船舶船长分布

船舶吨位和船舶长度特征的分析能为我国航运企业计划航次、制定航运计划等运输策略提供理论依据。

2.3 船舶动态特征分析

结合GIS可视化技术进一步对2015—2017年北极水域我国航行船舶轨迹分布、船舶航速分布进行分析。

2.3.1船舶轨迹分布

北极东半球水域选用俄罗斯北方海航道管理局所记录的2015—2017年通过的中国船舶航行数据；西半球水域则使用2016年的船舶航行数据，利用DP抽稀算法结合Python的folium模块将船舶轨迹显示在地图上，压缩阈值设置为0.2。

从2015—2017年北极东半球水域和西半球水域的中国船舶航行轨迹上可知：我国船舶多次横跨东半球水域，航行轨迹基本展现了东北航道的主体样貌，东北航道整体相对连续，呈直线状分布，需通过的海峡较少，通航环境较好，易于船舶跨越航行。但由于西半球水域的西北航道存在整体航线复杂，呈片段状分布，沿线拥有22个海峡和海湾，航行难度较高，船舶航行安全系数低，在通航期的特定海域还需破冰船的帮助等缺点，我国船舶只能停留在巴芬湾等较为通畅的水域。

船舶轨迹的分析能为我国航运贸易决策、海上航线规划等方面提供更准确的数据保障。

2.3.2船舶航速分布

选取2015—2017年北极水域我国船舶的航行速度数据，利用不同颜色的Scatter对船舶航行速度分布进行可视化分析。

从2015—2017年北极东半球水域的中国船舶航速分布可知：我国船舶在主航道上的航速基本大于12 kn，能较通畅的通过北极水域；俄罗斯摩尔曼斯克港和挪威海(斯瓦尔巴群岛南边)附近船舶航速以0～6 kn为主，说明船舶可能在进行港口和海洋平台作业；我国船舶在俄罗斯北极东侧报告点——杰日尼奥夫角西侧水域部分船舶航速为0～6 kn，说明船舶可能在此等待破冰船服务。

从2015—2017年北极西半球水域的中国船舶航速分布可知：我国船舶活动区域主要集中在巴芬湾附近水域，主要在此区域开展货物运输，尚未发现我国船舶开展穿越西北航道的航行活动。

东北航道作为直接联接太平洋国家和欧洲国家的重要通道，其近地航线长度也只有12 456 km，只需航行22 d，但是从欧洲经过苏伊士运河、马六甲海峡到太平洋的航程有19 931 km，需航行35 d；西北航道全长只有14 000 km，航程远小于传统航道。由于航道距离的缩短，大大降低了船舶燃油成本，且在很大程度上降低了CO2排放对环境的污染，同时还能避开索马里海盗、附近国家地方政治等因素。即使短时间内通过北极航道还需要交付高昂的破冰服务费用，但长远来看对未来世界海运格局将有很大影响。

北极水域我国船舶活动分析的研究结果与东北航道的船舶特征分析[14]相比可知：大部分船舶在北极水域都行驶在航道主线上，且航速保持在安全航速范围内，说明北极水域船舶活动轨迹是以航道行驶为主且航道相对畅通。

船舶航速特征能结合事故安全、废气排放等模型进行耦合分析，量化速度特征，深度挖掘速度分布本质，对北极海上交通安全、环境保护规划和军事战略的落实提供可参考性的依据。

3 结束语

根据北极水域中国船舶卫星AIS数据特征和IHS海事综合数据库，采用SQL数据库技术、GIS技术和数据修复与挖掘技术，从船舶静态特征和动态特征两方面对2015—2017年北极水域中国船舶活动情况进行了分析。研究表明：

1)从中国船舶静态特征分析的结论来看：我国通过北极水域的船舶大多以货船为主，且以2017年的货船最多；北极水域更适合低于万吨级的船舶航行；通过北极水域的我国船舶多以船长小于200 m的中小型船舶为主。

2)从中国船舶动态特征分析的结论来看：我国船舶航行线路横跨整个北极东半球水域，可完成长距离跨越运输，西半球水域则集中在巴芬岛附近的米尔恩港，以短距离运输为主；东半球水域船舶航行较为畅通，航速以大于12 kn为主；西半球水域航行相对缓慢，航速以0～6 kn为主。

通过对北极水域我国船舶活动行为的分析，有利于了解我国船舶在北极水域的活动状态，从而为我国加强与北极国家的合作交流，加快部署适合我国国情的北极战略，合理开发利用北极航道等方面提供数据支撑。此外，后续的研究工作可进一步挖掘和分析船舶排放数据及船舶避碰轨迹，拓展我国船舶在北极水域的高效、清洁和安全航行研究。