摘 要

随着水上运输在交通运输中起着越来越重要的作用，我国航运业得到了快速发展，与此同时，港口交通流形态日趋复杂，为保证船舶正常运输，安全行驶，避免交通流发展带来的不便，对船舶交通流特征进行研究分析已经成为交通运输工程的重点。到现阶段为止，对船舶交通流的研究方法大多数借鉴于行人、道路交通和航空领域的相关研究，且均已取得相应的成果。截止目前，国内外学者针对船舶交通流的分析大多集中在模拟仿真船舶的行为进行特征分析和统计分析建模这几方面。与此同时，随着船舶AIS的强制使用和不断普及，基于船舶AIS数据对交通流进行研究也已经逐渐成为相关学者研究的重点。本文在AIS数据的基础上，提出将时空图运用到船舶交通流的研究分析当中。

关键词：交通流分析；船舶AIS数据；时空图

Abstract.

With the increasingly important role of water transportation in transportation, China's shipping industry has developed rapidly. At the same time, the port traffic flow is becoming more and more complex. In order to ensure the normal transportation, safe driving and avoid the inconvenience brought by the development of traffic flow, the research and analysis of the characteristics of ship traffic flow has become the focus of transportation engineering. Up to now, most of the research methods of ship traffic flow are based on the relevant research in the field of pedestrian, road traffic and aviation, and have achieved corresponding results. Up to now, scholars at home and abroad mainly focus on the characteristics analysis and statistical analysis modeling of simulated ship behavior. At the same time, with the forced use and popularization of ship AIS, the research on traffic flow based on ship AIS data has gradually become the focus of relevant scholars. On the basis of AIS data, this paper puts forward the application of spatiotemporal map to the research and analysis of ship traffic flow.

Key Word：Traffic flow analysis; ship AIS data; spatiotemporal map

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

第2章 国内外研究现状 3

2.1船舶交通流理论 3

2.2国内外研究现状 3

2.2.1国外船舶交通流研究现状 3

2.2.2国内船舶交通流分析研究现状 4

第3章 时空图及算法 7

3.1道路时空图介绍 7

3.2 时空图及其特征 10

3.3 交通流特征之间的关系 10

3.3.1流量、速度和密度 10

3.3.2流量和车头时距 11

3.3.3 密度和间距 11

3.3.4 时间平均速度和空间平均速度 11

3.3.5 占用和密度 11

3.4 船舶交通流特性推导 12

3.5 交通流的三维表示 16

第4章 基于时空图的船舶交通流分析 20

4.1 AIS数据获取及时空图的构建 20

4.1.1数据介绍 20

4.1.2对数据处理并构建时空图 21

4.2基于时空图对船舶交通流特性计算 21

4.3基于时空图对船舶交通流特性分析 24

4.3.1时空图追越分析 24

4.3.2时空图稳定交通流分析 25

4.3.3船舶密度及其分布图 25

4.3.4船舶速度分布图 26

4.3.5三维时空图分析 26

第5章 结论与展望 28

5.1研究结论 28

5.2未来展望 28

致 谢 31

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

我国经济社会自从改革开放以来得到快速发展,对海上交通物流需求的不断提升,加快了国家对于水运港口的建设力度。伴随着国家经济贸易的发展，我国港口数量不断增加，航运联系范围不断扩大，航线之间的联系日益紧密，港口已经成为航运发展的重要载体，对确保海上贸易顺利进行有着重要意义。2019年与2018年相比较，仅一年，港口运输货物的吞吐量上升了7.3%，其中仅内河港口达到48.88亿吨；这意味着中国的各大港口每天都要接待数量庞大的船舶，尽管中国的各个港口都经过扩建或正在计划扩建，但港口泊位，装修设备等港口资源依旧难以满足每天来往的船舶需求。港口数量增加，沿线港口地位不断上升，节点作用越来越明显，我国的海洋水域早已成为世界上最忙碌的水域之一。

随着水上社会经济活动日渐频繁，水上交通安全态势日益复杂，船舶多样化、船型大型化趋势越来越明显，水上交通形势出现交通流密度增大、结构复杂、航线交错、交通运输冲突加剧等新特点，从而导致进出港的船舶交通流特征逐渐复杂，因此需要对船舶交通流特征进行全方位的研究。在海上交通中，船舶的各方面信息需要快速获取，信息必须确保真实有效，在获取信息后，要对信息进行准确全面的分析并且易于读取，这些都是关乎生命与财产安全的问题，要高度重视。所以对船舶交通流分析不仅是海事工作学者们研究的重点，也是各级海事机构动态监测工作的重点。

自从由道路交通流引出船舶交通流的概念，就在近几十年得到了大量的研究和使用，由此形成了诸多的研究方法，获得了一定的研究成果。对船舶交通流的分析方法主要参考于道路的主要研究方法有概率论方法 流体力学方法和跟车理论等。

为了减少船舶海上碰撞事故的发生及通航安全的保障，对船舶交通流进行特性研究十分重要。习惯的对船舶进行监测的方法分为视觉观测和雷达两种方法,对观测得到的数据进行处理也大多为人工处理。因而得到的船舶信息不完整有遗漏,而且处理后得到的准确性也很差,且所需时间长。随着科技的发展，船舶自动识别系统(AIS)逐渐得到遍及,对船舶交通流特性的研究也随着步入了大数据的智能时代。随着AIS设备的普及,装载AIS的船舶数量越来越多,基于AIS数据对船舶交通流特征进行分析也越来越重要，不仅增强了海事管理部门对海上交通的监控力度，而且降低了海事管理部门的管理压力。但受船舶识别技术的限制，在船舶行为的自动识别方面，尤其是船舶的停泊行为的识别，依旧存在着频繁的误报或错报的情况。所以在用AIS设备提供的数据进行船舶交通研究时，要注意方法和条件，不同的情况要灵活采用不同的方法分析。

基于AIS数据对船舶交通流特征进行分析的方法不一，其中在AIS数据的基础上，基于船舶航行时空图进行研究的相关理论比较新颖，且尚未完善。本文拟利用AIS记录的数据，探讨利用AIS资料基于时空图研究海上交通流的方法。希望通过采用时空图来分析交通流特征的方法，从不同角度得到交通流的有效信息，为海事管理部门提供新的分析角度和更准确的交通交通流信息，提高管理效率。

1.2研究思路与方法

本文主要研究思路是：

第一步，论文开始介绍论文选题目前的研究背景和继续进行研究的实际意义,显示本文的研究思路和方法；

第二步，通过研究目前国内外船舶交通流的现状，对船舶交通流分析有一个初步的认识，并确定全文研究的重点；

第三步，详细介绍时空图，通过阅读时空图在公路交通流的相关应用，熟悉时空图理论，构建船舶交通流的时空图；

第四步，选取江阴至长江口某水域作为研究区域，基于武汉理工大学航运学院实验室记录的江阴附近水域的AIS(全球船载自动识别系统)数据进行分析，做出时空图并基于时空图计算船舶交通流；

第五步，得出论文研究的结论，总结为研究做出的相关工作，对船舶交通流的研究给予展望。

第2章 国内外研究现状

2.1船舶交通流理论

交通流^[1]的概念是在道路交通研究中首先提出来的，当时将交通流定义为：接连不断运动在某条特定道路上且向着同一方向的各种交通运输工具总和的整体运动特性。交通流这一概念的理论是利用了数学、流体力学和物理学这三门学科的定律来进行阐述道路交通特性的一类综合性的边缘科学,其采用量化的指标和模型来描述各个交通载体和环境、交通工具间的动态变化规律,是组成交通工程的重要部分,同时作为交通工程的基础理论。

船舶交通流理论^[2]是海上交通工程这一学科的主要组成及核心内容之一，始于上世纪30年代，美国率先开始对道路交通工程的研究。交通流的理论及算法经过在道路交通学科中长时间的应用和研究中，取得了大量的学术成果。随后，日本学者藤井弥平^[3]通过研究发现，海上交通与道路交通在许多方面具有一致性，并将海上交通归结为海上交通工程这一学科。20世纪80年代由吴兆麟等学术前辈接连从国外引进船舶交通流概念，开始陆续应用在沿海港口及内河水域方面的研究。因此我国对船舶交通流方面的研究起步较晚、时间相对较短，而且相对于道路交通流，进行相关研究工作的院所和学者也较少，所以涉及到的分析方法及理论还不是那么全面完善。

用公路交通流理论对船舶交通流进行研究，从而提取船舶交通流时空特征，不仅可以反映目标水域船舶实时状况，提出安全性意见，而且对于船舶通过能力的研究和仿真建模也具有重要意义。船舶交通流主要研究的是水上交通运输过程中，所有载体及整体运行呈现出来的物理流特性的总体^[4]，在特定时间和空间中，船舶运动态势和整体变化趋势是有规律可循的，船舶交通流就体现了这一点，也反映了一定区域在特定时间内的交通状况，从而为交通布局的规划、交通的组织运行和交通资源的配置提供科学参考与依据。

2.2国内外研究现状

2.2.1国外船舶交通流研究现状

较早对船舶交通流进行研究其的是日本学者，也取得了最为丰硕的研究成果: 1965年杉崎昭生^[5]首先在浦贺航道的船舶交通流研究时进行了水上交通的微观仿真；1984年奥山育英^[6]在水上交通流系统方面进行了网络仿真宏观层面的研究；1989年山田^[7]等人在《典型水域的船舶交通流控制仿真》、《关于船舶交通流控制仿真》中大量论述水上交通流的控制与仿真技术及其应用；1994年黑山胜彦^[8]在《港内安全航行评价的仿真模型》对于于沿海港口航行安全评价进行研究。

欧美等国家研究了提取船舶交通模式的方法，这些方法可以支持沿海AIS数据的高风险点识别。他们提出的方法是使用基于密度的聚类和基于角度阈值的泛化轨迹来检测转弯。后来，提出了一种基于共享近邻算法的聚类算法相同的方向。聚类过程通过分析船舶的位置和方向来识别海上交通路线。Bimur Ozbas Ilhan Or^[9]等人在《Analysis and control of maritime transit traffic through the Istanbul Channel：a simulation approach》中，为研究伊斯坦布尔海峡海上交通，作者建立了一个模型，该模型包括海上交通规则、气象地理条件、船舶种类、运载货物性质、引航和拖轮服务。通过分析参数之间对该海峡交通的影响，找出相关联系，进行该水域交通流特征分析。

1971年Atsutoshi Yamaguchi 和 Shozo Sakaki^[10]归纳总结了日本在对船舶交通流统计所使用的方法,进行研究分析的交通流特征主要包括了船舶交通流量、轨迹分布、速度、使发港、目的港和货物类型等诸多方面。1972年 Ir. J. Van Dixhoorn^[11]通过对泊位通过能力的研究，,以及通过对船舶交通流量的控制,得出"在进行船舶交通流量的研究时应该全方位考虑对交通流有影响的要素"的观点。1975年GOODWIN.E M^[12]通过对北海的研究调查,利用模拟器通过历史数据来研究船舶的运动形态,然后展开到对海上船舶进行交通流控制的研究中。1981年T.G.Coldwell^[13]通过实验探究了 Humber 港口附近的船舶交通流和事故发生概率的关系。1983年T.G. Goldwell^[14]依据狭水道船舶相关动态特性，研究了船舶碰撞风险和交通流的相关性，提出了保证狭水道安全通航的建议。2004年Inaishi M 和Kawaguchi A^[15]总结了在船舶拥堵状态时，船舶操纵行为和海上交通流的关系。2005年Branislva Dragovic 和 Namkyu Park^[16]在考虑船舶到达口岸、离港、服务和靠岸的不同情况下,阐术釜山的集装箱码头其泊位服务水平和船舶交通流两者之间的影响关系。2010年T.M. de Boer^[17]在对鹿特丹港的交通流数据进行统计分析后，展开对鹿特丹港水域船舶的交通流特征全面、系统的研究。2011年Salma^[18]在港口水域通道安全研究的基础上，把船舶行为特征分类后进行研究。

2.2.2国内船舶交通流分析研究现状

在海上交通中，船舶交通流信息需要快速获取且必须确保真实有效，在获取信息后，对交通流的分析也必须准确全面，这些都是关乎生命与财产安全的问题，要高度重视。所以对船舶交通流分析不仅研究的开始时间早，而且国内外学者从多个方面对船舶交通流的分析进行了研究。但受船舶识别技术的限制，在船舶行为的自动识别方面，尤其是船舶的停泊行为的识别，依旧存在着频繁的误报或错报的情况。所以在用AIS设备提供的数据进行船舶交通研究时，要注意方法和条件，不同的情况要灵活采用不同的方法分析。因此，对船舶交通流分析方法也是国内外学者关注和研究的热点

2001年武汉理工大学的李勇、张哲^[19]尝试把关于一维流体场的方法理论运用到研究船舶流之中,通过找出和流速与密度相对的匹配点,使流量在此点达到最大,为船舶交通流在以后的研究当中提供了一种新方法。在此之后，2005年高岩松^[20]在《台湾海峡船舶交通流的调查与分析》中，基于收集到台湾海峡 的观测数据，利用分析软件对观测得到的数据进行分析，依据结果对台湾交管中心提出建议。2007年叶柏^[21]在《基于MAS的船舶交通流仿真》中，提出以MAS为基础进行船舶交通流量仿真实验的模型构建,而后对该模型进行分析，得出可以将MAS运用到交通流仿真实验中。