基于AIS信息的船舶航跡帶尺度確定與分析

基于AIS信息的船舶航跡帶尺度確定與分析

周翠;肖進麗;牟軍敏

【摘 要】為更客觀地確定船舶在港口水域中航跡帶尺度,提出了一種利用AIS數(shù)據(jù)

計算船舶航跡帶尺度的方法.該方法采用實船觀測到的AIS數(shù)據(jù),運用最小二乘法原

理及船舶航跡帶理論模型,擬合得到直線與轉(zhuǎn)彎船舶航跡段的方程,計算出航跡帶主

要尺度(航跡帶寬度和轉(zhuǎn)彎半徑),并推算出船舶的漂移系數(shù)n的取值范圍.將計算結(jié)

果與現(xiàn)行的《海港總體設(shè)計規(guī)范規(guī)范》進行對比分析.結(jié)果表明,該計算方法是可行

的.

【期刊名稱】《武漢理工大學(xué)學(xué)報（交通科學(xué)與工程版）》

【年(卷),期】2015(039)006

【總頁數(shù)】5頁(P1278-1282)

【關(guān)鍵詞】AIS;航跡帶寬度;轉(zhuǎn)彎半徑;船舶漂移系數(shù);回歸分析

【作 者】周翠;肖進麗;牟軍敏

【作者單位】武漢理工大學(xué)航運學(xué)院, 武漢430063;武漢理工大學(xué)航運學(xué)院, 武漢

430063;武漢理工大學(xué)航運學(xué)院, 武漢430063;湖北省內(nèi)河航運技術(shù)重點實驗室 武

漢430063

【正文語種】中 文

【中圖分類】U661

0 引 言

航跡帶尺度是港口和航道規(guī)劃、設(shè)計及建設(shè)的一個重要參數(shù)［1］，現(xiàn)階段國內(nèi)外

對船舶航跡帶尺度的研究，主要有實船試驗、模擬研究、理論計算等方法［2］.但

實船試驗方法所要求的實驗條件較高、風(fēng)險大、成本高，且無法測得船舶在不同風(fēng)、

流（大小、方向）組合條件下的各種數(shù)據(jù)；理論計算方法難以全面考慮各種因素，

且一些因素難以量化；而船模試驗方法對一些量（風(fēng)、流、拖船增減）的設(shè)定可能

與實際情況存在著較大的出入.船舶自動識別系統(tǒng)（automatic identification

system，AIS）是一種已得到廣泛應(yīng)用助航設(shè)備，該系統(tǒng)不僅能自動接收處理來自

他船的操縱和船位信息，對他船進行識別、檢測和跟蹤，而且可在無人介入的情況

下，主動地向合適的岸臺、其他船舶或航空器提供實時連續(xù)、詳細完整的航行狀態(tài)

信息和其他與安全有關(guān)的信息［3］.利用船舶AIS所記錄的實時反映船舶動態(tài)的航

行信息（船長、船寬、船首向、航跡向、航跡點的經(jīng)緯度等）計算船舶航跡帶尺度

可有效解決其他方法成本高、難量化、推廣性低等問題［4］.目前國內(nèi)外對船舶航

跡帶尺度的確定主要依賴相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)［5－6］，基于航跡帶尺度的研究尚不

多見，且大多以船舶模擬器試驗為基礎(chǔ)［7－8］.已有一些學(xué)者利用 AIS數(shù)據(jù)對船

舶航跡帶尺度進行研究，陸吉慶［9］通過采集港口水域船舶AIS數(shù)據(jù)，利用回歸

分析方法確定了大型船舶航跡帶寬度、轉(zhuǎn)彎半徑與船長、船寬、載重噸、吃水、風(fēng)

流等因素的關(guān)系；曾昆［10］利用AIS數(shù)據(jù)對廈門港附近大型船舶航跡帶度、轉(zhuǎn)

彎半徑進行了統(tǒng)計分析，但其都未利用AIS數(shù)據(jù)對航跡帶尺度進行定量計算.

本文基于實船觀測的AIS數(shù)據(jù)，擬合出所選取直線與轉(zhuǎn)彎船舶航跡段的方程，運

用船舶航跡帶尺度模型，計算出航跡帶的主要尺度（航跡帶寬度和轉(zhuǎn)彎半徑），推

算出船舶的漂移系數(shù)n的取值范圍，并通過將計算所得結(jié)果與現(xiàn)行的《海港總體

設(shè)計規(guī)范規(guī)范》（JTS 165－2013）（以下簡稱《規(guī)范》）中的規(guī)定進行對比分析

以判別其可行性.

1 航跡帶尺度模型

1.1 基于AIS航跡帶寬度模型的建立

船舶航跡帶寬度為船舶在航道內(nèi)航行時，由于受到航道斷面、導(dǎo)助航設(shè)施、外界自

然條件和人為因素的影響，為了保證航向其航行軌跡在航道中線左右擺動，呈蛇形

前進所占用的寬度.航跡帶寬度由2個部分組成，船舶航行中在航跡線左右的偏移

量；船舶本身占用的航道空間.

1.1.1 航跡偏移量

船舶航跡偏移量為船舶在航跡線附近蛇形前進所占用的空間.通過確定船舶航行時

的航跡線，求出船舶航跡點在航跡線兩側(cè)的最大偏距之和，即得到船舶航跡偏移量.

本文利用船舶AIS數(shù)據(jù)擬合出直線航段航跡線方程，利用點到直線的距離公式求

得每個船位點至擬合直線的距離Dpi，找到擬合直線兩側(cè)各點至直線的最大距離和

D－pmax，相加即可得出航跡偏移量A1，即

圖1為船舶航跡線擬合示意圖.圖1中，黑色曲線為船舶航跡點組成的航跡線，黑

色直線為擬合的航跡線.

圖1 船舶航跡線擬合示意圖

1.1.2 船舶本身占用空間

船舶本身占用空間，為船舶在航行過程某一刻所掃過水域范圍的大小，它可以理解

為船舶在航跡線法線上的投影，圖2船舶所占空間示意圖.

圖2 船舶占用空間示意圖

其中：M，N分別為船首、船尾的最外緣點；O為AIS設(shè)備在船上的安裝位置；

d1，d2分別為某觀測時刻船首、船尾最外緣點M，N至航跡向的距離；L1，L2

分別為船首和船尾至船載AIS設(shè)備O的距離；L和B為船舶的長度和寬度；γ為

船舶航行當(dāng)時的風(fēng)流壓差角.由圖2可得：

1.1.3 船舶漂移系數(shù)

如上文所述，船舶航跡帶寬度A為船舶航跡偏移量A1和船舶本身航行時占用空間

A2之和，根據(jù)《規(guī)范》船舶航道的航跡帶寬度A的經(jīng)驗公式為

式中：n定義為漂移系數(shù)；L為船長；B為船寬；γ為船舶航行時的風(fēng)流偏壓角.結(jié)

合式（5），（6）可推導(dǎo)出：

綜上，利用觀測船舶記錄的AIS數(shù)據(jù)（航跡向COG、船首向HDG、船長及船寬；

其中風(fēng)流偏壓角γ可由船首向和航跡向的差值得到），即可計算出船舶航行航跡

帶寬度和漂移系數(shù).

1.2 轉(zhuǎn)彎半徑模型

船舶AIS可每2s更新一次船舶實時船位信息（經(jīng)緯度），通過轉(zhuǎn)彎航段船舶的經(jīng)

緯度點，利用最小二乘法擬合曲線即可求得船舶的轉(zhuǎn)彎半徑.最小二乘法是通過最

小化誤差平方和的方式來尋找數(shù)據(jù)的最佳匹配函數(shù).利用最小二乘法擬合圓的半徑

和圓心坐標(biāo)的方法如下.

設(shè)樣本點為（Xi，Yi），i∈（1，2，…），擬合圓心與半徑為（A，B）和R，點

（Xi，Yi）到圓心的距離為di：

點（Xi，Yi）到圓邊緣距離的平方與半徑平方之差為

Q（a，b，c）分別對a，b，c求偏導(dǎo)，令偏導(dǎo)等于0，得

按照上述原理進行C語言編程，將所選擇的航跡點輸入到程序，運行即可得到所

選航跡點的擬合圓半徑及圓心坐標(biāo).

2 基于AIS信息確定航跡帶尺度實例

2.1 基于AIS數(shù)據(jù)的船舶航跡點繪制

本文所需的實測船舶AIS數(shù)據(jù)有：（1）動態(tài)數(shù)據(jù)：船舶位置（經(jīng)度、緯度）、航

跡向COG、船艏向HDG；（2）靜態(tài)數(shù)據(jù)：船長、船寬.表1為本研究實測船舶的

基本信息；表2為實測船舶AIS記錄的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo).

表1 實測船舶基本信息?

表2 實測船舶AIS記錄的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)?

將表2轉(zhuǎn)換后的AIS經(jīng)緯度坐標(biāo)導(dǎo)入到SPSS中，得到該船舶在航道內(nèi)的航跡線，

見圖3.

圖3 實測船舶航跡線（SPSS）

2.2 航跡帶尺度的確定

2.2.1 航跡帶寬度

1）航跡線回歸方程 截取09：58：00到10：00：30時間段實測船舶AIS記錄的

航跡點經(jīng)緯度，運用SPSS軟件對其進行線性擬合，見圖4，擬合直線系數(shù)見表3.

圖4 直線航跡線擬合

表3 回歸系數(shù)?

根據(jù)表3，該區(qū)段航跡線回歸方程可表示為

2）回歸方程檢驗結(jié)果 為驗證航跡回歸方程的可靠性，對其進行可信度檢驗.擬合

方程相關(guān)系數(shù)檢驗、F檢驗、t檢驗的結(jié)果見表4.

表4 相關(guān)系數(shù)、F、t檢驗結(jié)果匯總?

由表4可知，相關(guān)系數(shù)r＝0.997，表明兩變量線性相關(guān)程度極高；擬合方程常數(shù)

與變量系數(shù)t檢驗與F檢驗的顯著性概率Sig.都為0＜0.05，表明回歸效果顯著，

下面即利用該擬合結(jié)果計算觀測船舶的航跡偏移量.

3）船舶航跡帶寬度及船舶漂移系數(shù)的確定航跡偏移量A1為擬合直線兩側(cè)航跡點

至該直線最大的距離和最小距離之和，利用點到直線的距離公式，求出各航跡點到

擬合航跡線的距離.設(shè)直線外一點 P（x0，y0），直線l：Ax＋By＋C＝0，AB≠0，

則點到直線距離d＝，各點至擬合直線距離如圖5所示.由圖5可得，點到直線的

最大正距離為＋2.940m，最大負距離為－3.289m，因此該航段的船舶偏移量A1

為6.229m.

船舶本身占用空間寬度A2為船舶在航行過程的某一刻，船舶所掃過水域范圍的大

小，參照表3船舶基本信息可得A2≈10.335m.

由式（5）和（7）可分別計算出船舶航跡帶寬度A＝16.564m及船舶漂移系數(shù)

n≈1.601.

隨機選取其他4段直線航段，重復(fù)上述步驟，分別計算出航跡帶寬度及漂移系數(shù)，

結(jié)果見表5.

圖5 點到擬合直線距離

表5結(jié)果顯示，在該時間段觀測船舶的航跡帶寬度的范圍為16.298～18.057m，

漂移系數(shù)n的范圍為1.575～1.745.

表5 不同航跡段的航跡帶寬度及漂移系數(shù)?

2.2.2 轉(zhuǎn)彎半徑的確定

截取10：38：40到10：48：40時間段船舶 AIS記錄船舶航跡點的經(jīng)緯度，將

這些點導(dǎo)入到CAD中，運用最小二乘法編程對這些點進行擬合，圓心坐標(biāo)（a，b）

及半徑r如下.

將擬合圓心和半徑輸入到CAD中，如圖6所示；按照上述相同的步驟可計算出了

該實測船舶航跡線及轉(zhuǎn)彎段的轉(zhuǎn)彎半徑，將實測船舶航跡線直線段與轉(zhuǎn)彎段所計算

出的擬合方程相結(jié)合，可得到該實測船舶的完整航跡帶尺度，見圖7.

圖6 轉(zhuǎn)彎航跡線擬合圖

圖7 實測船舶航跡帶尺度

3 結(jié)果對比分析

3.1 航跡帶寬度對比分析

《規(guī)范》中給出了滿載船舶漂移系數(shù)n與風(fēng)、流偏壓角γ的經(jīng)驗值，見表6.

表6 滿載船舶漂移系數(shù)n和風(fēng)、流壓偏角γ的關(guān)系?

在航行條件流速V＝0.5m／s，風(fēng)流偏壓角γ＝7°的情況下，利用AIS數(shù)據(jù)計算所

得的漂移系數(shù)范圍為1.575～1.745，在同等條件下《規(guī)范》所規(guī)定漂移系數(shù)n＝

1.69上下波動，但整體上偏小，其原因在于實測的風(fēng)流偏壓角γ較7°大.

3.2 轉(zhuǎn)彎半徑對比分析

《規(guī)范》認(rèn)為航道轉(zhuǎn)彎半徑的大小，應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向角φ和設(shè)計船長L 確定：當(dāng)10°

＜φ＜30°，r＝（3～5）L；當(dāng)φ＞30°，r＝（5～10）L.利用實測船舶AIS數(shù)據(jù)計

算所得的船舶航跡帶轉(zhuǎn)彎半徑，r＝788.747m，船舶的船長L＝44.8m，即

與《規(guī)范》中所規(guī)定的航道轉(zhuǎn)彎半徑r（最大為10L）相比，本文計算出的船舶航

跡帶彎曲半徑較為偏大.究其原因，主要是本文用于AIS數(shù)據(jù)分析的觀測船舶并非

航行于該航道的最大代表船型，而對于船舶航行來說，航道彎曲半徑越小航行越困

難，因此，《規(guī)范》中所規(guī)定的航道轉(zhuǎn)彎半徑對于本文所使用的觀測船舶安全過彎

來說，其值有一定富裕.

4 結(jié)束語

本文利用實測船舶AIS數(shù)據(jù)，通過對船舶航跡帶進行回歸分析確定了航跡帶寬度、

轉(zhuǎn)彎半徑及船舶漂移系數(shù)的取值范圍.所得結(jié)果與《規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定對比分析，

表明該方法是可行的.在利用船舶AIS數(shù)據(jù)對船舶航跡帶尺度進行研究的過程中，

存在一些不足與局限，如所采集的實測船舶的AIS數(shù)據(jù)有限，只計算出一條船舶

在流速V＝0.5m／s航行條件下的航跡帶寬度和轉(zhuǎn)彎半徑，若能得到不同船型不同

風(fēng)、流下的觀測船舶的AIS數(shù)據(jù)，所得結(jié)果將會更具代表性，且更有價值；在計

算航跡帶寬度時，利用不同數(shù)量的航跡點擬合直線方程，所計算出的航跡帶寬度和

船舶漂移系數(shù)存在一定差異，下一步研究將致力于發(fā)掘航跡點數(shù)與航跡帶寬度及漂

移系數(shù)之間的規(guī)律.

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