基于AIS轨迹聚类的深圳港西部港区引航风险分析

沈建云 胡建军 谢双魁 秦宏雷

一、引言

深圳港是全球第三大集装箱港口，也是我国沿海最主要的港口和集装箱干线港之一。深圳港西部港区位于广东珠江入海口伶仃洋东岸，南距香港20 n mile，北距广州60 n mile，包括南山港区、大铲湾港区、大小铲岛港区和宝安港区。进出港航道主要有经香港水域进出港区的龙鼓水道和由珠江口进出港区的铜鼓航道。珠三角地区的驳船吨级较小（一般为5000吨级以下），船长通常在100 m以内，由矾石水道经公共航道航行至各港区及前往香港。各类船舶航经公共航道、蛇口航道、龙鼓水道和铜鼓航道汇聚于蛇口警戒区，如图1所示。深圳港西部港区吞吐量逐年上升，大型船舶的引航艘次也越来越多，在现有水域条件下船舶的通航密度日益增大，潜在的引航风险愈加明显。

图1 航道示意图

目前，各类船舶均配备船舶自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）。AIS数据可以记录船舶在航行过程中的行为，通过对其筛选分析，可以实现从特定船舶AIS轨迹中挖掘出船舶的群体行为特征。根据深圳港西部港区船舶AIS统计数据，占比最大的为船长0～100 m的船舶，其主要为进出港区的自航驳船及少数拖轮和客船，100 m以上的船舶通常为需要引航的集装箱船。本文以深圳港西部港区蛇口警戒区水域为例，基于聚类算法对不同类型船舶的AIS轨迹进行可视化分析，找出船舶的轨迹分布和密度分布，总结在引航过程中可能遇到的风险，进而提出相应措施以保障船舶通航和靠离泊安全。

二、深圳港西部港区水域AIS数据的处理分析

（一）AIS数据处理

本文运用文献[1]、[2]和[3]的研究方法，从AIS数据库中抽取出船舶信息表及船位报告表对数据进行预处理，主要包括数据抽取、不完整数据清理、异常数据清理和冗余数据简化。随机抽取了深圳港西部港区2022年8—10月的AIS原始数据，删除不符合要求的数据，应用导入的原始数据建立数据库进行建模与分析。导出的四个船舶流量数据库为龙鼓航道CP11号浮标截面有船舶11 637艘次、铜鼓航道T9和T10连线截面有船舶675艘次、蛇口航道口截面有船舶6464艘次、西部公共航道CCT9对开截面有船舶14 150艘次。将所得数据进行聚集运算，避免船舶轨迹相互遮挡，保留与目标特征有关的大量信息，对得到的船舶聚集结果进行可视化呈现。

（二）深圳港西部港区船舶轨迹可视化分析

选定船长0～100 m和100 m以上作为目标特征绘制船舶AIS轨迹聚类结果图，分八个色阶，如图2、图3所示。

图2 船长0～100 m的船舶轨迹聚类图

深圳港西部港区0～100 m的船舶多为自航浅吃水的驳船，可航水域广，轨迹覆盖面积大。这类船舶多数选择乘潮通行及海关集中查验后放行，致使其大量汇聚于该水域，容易造成航道拥堵、交通流混乱。如图2所示，航段1 CCT9—SCT8色阶变化少且深红色区域覆盖宽，可见该水域驳船航行没有明显的规律，船舶轨迹容易与大型船舶掉头区和进出港航道重叠，影响大型船舶靠离泊掉头和入泊操纵。航段2 SCT8—A3号浮船舶轨迹流部分分流至赤湾港区和蛇口港区，由左至右为浅绿色-亮黄色-深红色，深色区域偏于航道东侧，汇聚在铜鼓航道口的A3号浮附近收窄。可见多数进出港驳船偏向沿岸航行，方便部分船舶转入赤湾港和蛇口港，同时因为A3号浮附近浅滩水深不明确，多数驳船选择在蛇口警戒区向东西穿越进入CP11号浮东侧的沿岸通航带。航段3 A3号浮—CP9号浮深红色船舶轨迹流已偏向主航道东侧，在CP9号浮左正横主航道中存有间隙，该区域是引航员登离轮交接水域，通常大型船舶需降低航速等候两地引航员登离轮交接。由于此处操纵受限，驳船通常会大角度朝东西两侧转向避开。

如图3所示，该港区船长100 m以上的船舶多数需引航。在航段1 CCT9—SCT8中船舶轨迹集中在航道中间，主要考虑避免过于贴近东侧泊位影响其他船舶的靠离泊操纵和导致系泊船的浪损，以及避免过于贴近西侧锚地水域与进出锚地的驳船造成紧迫局面。航段2 SCT8—A3号浮的色域范围逐步缩减，深圳港西部港区大部分班轮航线都需航经香港，因此多数船舶向蛇口警戒区汇聚，选择最优航线进出深圳港西部港区。航段3 A3号浮—CP9号浮之间色域范围明显缩减，但船舶艘次显著增加。一方面因为船舶即将抵达引航员交接的登离轮点，所以需要逐步降至登离轮的安全航速；另一方面在铜鼓航道口南侧A3号浮附近有向东延伸的浅滩，其水深数据不明晰，大型深吃水船舶均汇聚在大于15 m等深线的深水航道内航行。

三、实例分析

实例一：“MAERSK GARONNE”轮（以下简称M轮）长292 m、宽32 m、吃水13 m，计划航线为从妈湾3号泊位经西部公共航道南段驶入香港水域的龙鼓水道，如图4所示。在航段1，目标船3未与M轮沟通直接左转穿越M轮首造成紧迫局面迫使其停车降速。在航段2区间，对于轻载吃水的船来说经公共航道南下后，顺延深港水域分界的A3号浮转至168°～172°即可，与进出口船会遇态势明晰。但对于深吃水船舶，在实际操作中考虑A3号浮附近水深数据不明晰，被引船一般提早转向至155°将航迹向保持在15 m等深线东侧再转向驶入龙鼓水道，从图3的轨迹图可以很明显发现这类船的操纵习惯和意图。此外，从图2的轨迹图中发现0～100 m的船舶在航段2恰好都选择在蛇口警戒区北面穿越主航道，导致在该水域与出口船舶造成混乱的态势。图4中进港目标船1船长350 m、吃水11 m，目标船2船长60 m、吃水3 m，因两船处于香港海事管辖水域，未及时在两地交管的频道上进行切换守听，无法及早地沟通协调，导致进出港船在CP11号浮附近水域造成紧迫局面，若有船自蛇口港区驶出，局面将更加复杂。

图4 实例一

图5 实例二

实例二：第六代集装箱船“CMACGM SCANDOLA”轮（以下简称S轮）长365 m、宽51 m、吃水13.6 m，经铜鼓航道靠泊SCT6号泊位，S轮航经T23号浮标穿越蛇口警戒区再转入蛇口航道，航向变化角度为038°—068°—035°，航程约1.6 n mile，航迹呈“S”形，需横越通航密度极大的蛇口警戒区，其对于进口北上的驳船来说往往被认为是居左的让路船。从图2可见，多数驳船习惯航法是以靠近蛇口港2号浮顺延岸边航行，仅有少数驳船因有抛锚需要选择直穿铜鼓航道的公共航道1、2号浮。对于S轮来说，特别是急退潮期间，一方面要考虑抢上风上流摆好船位，另一方面要及早控制入泊余速。对于S轮左舷的让路船A、B船来说，应及早采取明显措施避让S轮，对于S轮右舷的C、D船来说，S轮虽然为让路船，但是因入泊操纵需要无法采取避让措施，需要直航船配合采取最有助于避碰的行动。因此从船舶轨迹图中可以看到，作为大型船舶穿越该水域，既要充分协调南北穿越的驳船，明确各方避让权利，充分了解双方的操纵意图，又要克服横流的影响保证入泊操纵安全，同时要避开公共航道2号浮南侧的浅滩以“S”形的航迹精确地驶入泊位前沿。该操作不太符合操纵习惯且对驾引人员情景意识和团队的合作要求极高，在操纵过程中的容错率极低。

四、存在的引航风险

通过船舶轨迹聚类可视化结果图和上述实例的分析，深圳港西部港区存在的引航风险主要有：

（1）铜鼓航道原规划建设作为西部港区公共航道的疏港通道，但随着集装箱船大型化的快速发展，当前的铜鼓航道与蛇口航道的衔接略显不足，对于重载大型船舶来说，经铜鼓航道进出蛇口港区的航道轴线曲折，船舶进入该港区既要控速又要多次转向，同时还要做好避让协调。

（2）从轨迹聚类结果图可知，深圳港西部港区公共航道到香港龙鼓水道是交通流量最大的航道，通航密度较高，且毗邻锚地，连接多条航道，交通态势十分复杂，船舶航行风险较高。公共航道与港区掉头水域重合并且存在大量驳船横穿航道的情况，0～100 m的船舶轨迹中过境驳船占较大比例，对于大型船舶的通航安全和靠离泊影响较大。

（3）在深港引航员登离轮交接水域附近船舶流量密度大，两地引航员在登离轮期间仍有一定的时间间隔，在香港引航员离轮后、深圳引航员登轮期间经常出现进港船因右舷驳船交通流的影响航行至航道中央乃至偏左位置，严重影响出口船的通航安全。对于重载吃水船舶来说可通航水域狭窄，15 m等深线距离A3号浮270 m，CPV号虚拟浮标对开 15 m等深线的深水航道最窄处仅360 m宽，按照《海港总体设计规范》中双向航道的设计要求难以满足西部港区超大型重载船舶双向通航的安全要求。同时，由于深港水域VTS频道不同，在该水域有多驳船同时值守两地交管频道，极易造成沟通困难导致紧迫局面产生。

（4）根据深圳港口情况可知西部港区缺少深水锚地及应急抢险可候泊的水域，当大型船舶出现班期晚点或发生故障、碰撞、失控等事故时只能占用泊位和航道资源，严重影响港口营运生产和航道通航安全。

五、应对方案

（1）建议在铜鼓航道和港区航道衔接中通过航道疏浚减小转向角，加长两次转向的间距，增大转向半径或适当增加航道宽度，考虑沿深港分界线挖深公共航道2号浮和A3号浮附近的浅滩，如图6所示。在船舶计划安排方面尽量选择涨潮缓流阶段以提高船舶可操作性，拓宽该区域的可航宽度，提升超大型船舶在该水域对遇时的可操纵空间。

图6 疏浚区域和大型船舶应急锚地

（2）建议考虑小型船的通航习惯和航行要求实施小型船定线制度，在公共航道升级拓宽的基础上，将锚地向西侧迁移，划分小船通航区域供小船通航，连接至警戒区，减小公共航道通航压力。同时可制定地方规则划定不应被妨碍的船舶类别，规范船舶行为。

（3）建议深港两地交管互相合作，及时提醒该水域附近船舶严格做好两地交管频道的值守或将进入香港水域的报告线南移，避免在该通航密度最大的区域进行深港两地不同交管频道的切换。可将龙鼓水道西侧15 m等深线拓宽，并且将深港两地引航员登离轮点向南移动，避免将通航密度大但可航水域狭窄的水域作为引航员登离轮交接点。

（4）由图2、图3可知，极少数船舶会在蛇口警戒区西北侧穿越，且该水域无其他预设航线和海底管路，可配置大型船舶的深水锚地作为应急和防台锚地（见图6）。这样既不会影响小型船舶的通航习惯也能有效缓解目前西部水域锚地承载压力，为大型船舶提供一个锚区作为应急和临时候泊使用。

六、结语

船舶AIS信息包含丰富的船舶动态和静态信息，运用AIS信息的轨迹聚类算法对不同类型的船舶AIS数据进行挖掘分析形成可视化轨迹聚类图，能够很好地反映相关水域的交通流量、不同船舶的密度分布、船舶航迹分布以及该水域船舶交通规模和繁忙程度。本文的研究结果能够帮助驾引人员快速了解该水域不同船舶的航行习惯，判断水域风险，提高船舶操作的安全系数和规避引航风险，同时也可为港口航道的规划建设方和主管部门提供较为客观准确的参考。