基于大数据分析的AIS虚拟航标布设技术.pdf
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1、2023 年 11 月水运工程Nov.2023第 11 期 总第 616 期Port&Waterway EngineeringNo.11 Serial No.616信息技术基于大数据分析的 AIS 虚拟航标布设技术李 峰1,曾 乐1,刘 斌1,蔡 昊1,施 勤1,林治家2,郝江凌2(1.长江上海航道处,上海 200080;2.大连海事大学,辽宁 大连 116026)摘要:为了进一步改善长江下游重点航段的航标布设方案和航路航法,完善通航环境,探索一种基于大数据分析辅助船舶自动识别系统(AIS)虚拟航标布设优化的方法,并以密集港区临港侧航道、深水复合航道和主航道到港口“最后一公里”航道为例进行应用
2、分析。结果表明,基于电子航道图,针对船舶交通流的船舶轨迹回放、碰撞危险度分析、船舶轨迹线分析、航道门线分析和船舶航标间距分析等方法能够以可视化的手段有效地找到航标布设方案的薄弱位置,为 AIS 虚拟航标的增设优化提供有力的数据支撑。关键词:船舶大数据;AIS;虚拟航标布设;船舶交通流分析中图分类号:U644.3文献标志码:A 文章编号:1002-4972(2023)11-0173-07Virtual navigation aid deployment technology by AIS based on big data analysisLI Feng1 ZENG Le1 LIU Bin1 C
3、AI Hao1 SHI Qin1 LIN Zhijia2 HAO Jiangling2 1.Changjiang Shanghai Waterway Division Shanghai 200080 China 2.Dalian Maritime University Dalian 116026 China Abstract To further develop the navigation aid deployment plan and navigation route and method for key sections of the downstream of the Yangtze
4、River and improve the navigation environment we explore a method to optimize the virtual navigation aid deployment by automatic identification system AIS based on big data analysis and take the port side channel deep-water composite channel and last kilometer channel from main channel to port as exa
5、mples to conduct application analysis.The results show that based on the electronic nautical chart the methods of ship trajectory playback collision risk analysis ship trajectory line analysis channel gate line analysis and distance analysis between ship and buoy for ship traffic flow can effectivel
6、y find the weak position of the navigation aid deployment scheme by visual means and provide strong data support for the deployment and optimization of the virtual navigation aid by AIS.Keywords ship big data AIS virtual navigation aid deployment ship traffic flow analysis收稿日期:2023-02-20作者简介:李峰(1973
7、),男,高级工程师,从事航道航标管理。根据国际航标协会(International Association of Lighthouse Authorities,IALA)的定义,虚拟航标是指物理上不存在,但由授权的助航服务部门发布能在导航系统中显示的数字信息物标。虚拟航标是基于无线通信技术发展起来的,现阶段通常利用 船 舶 自 动 识 别 系 统(automatic identification system,AIS)进行设置,被称为 AIS 虚拟航标。AIS虚拟航标具有设置快捷、不受水域状况影响、不受交通与天气条件限制、成本低和不会出现标位漂移等优点,已在世界范围内被许多海事和航道主管部门接
8、受并试用。虽然,AIS 虚拟航标受岸基信号播放设施、船载接收和显示设备以及船员认知程度等方面的限制,现阶段还不够成熟,不足以全面替代实体航标。但在我国长江下游等条件较好水域开展的一系列试点应用效果表明,AIS 虚拟航标已受到越来越多船员的认可和欢迎。水 运 工 程2023 年为了更好地发挥 AIS 虚拟航标的作用,其相关研究也日益增多。李昱 1 研究了一种基于冗余数据的 AIS 虚拟航标监测方法,并在数字航道系统中设计虚拟航标播发、监测与报警一体化模块,实现 AIS 虚拟航标播发的实时监测和主动报警;王岩等 2-3 通过研究 AIS 信号场强、AIS 基站网络结构与容量、AIS 基站可靠性检测
9、,从而给出合理的播发 AIS 虚拟航标基站的选址和布局方案;李维运等 4 通过研究 AIS 虚拟航标设置对 AIS 系统的信道容量及系统阻塞率的影响,给出不同水域条件下合理设置虚拟 AIS 航标数量的建议;邓良爱等 5 结合虚拟航标和长江电子航道图的特点,提出一套适用于长江电子航道图的虚拟航标符号显示方案;宋成果等 6 通过研究内河虚拟航标显示方案,提出航行标志、信号标志、专用标志和通用标志等对应的“圆形标识”和“菱形标识”显示符号。可以看出,目前许多研究集中在岸基AIS 信号播发基站可靠性和 AIS 虚拟航标可视化等方面,而在如何布设 AIS 虚拟航标方面的相关研究较少,大多数的应用一方面将
10、其作为临时性标志标示沉船等事故的危险点,另一方面用于某些不便设置实体航标或者实体航标会明显限制利用水域的狭窄水域。例如在长江口南槽“航道套航道”场景中,为了使深槽航道具有足够安全宽度保障双向通航能力,形成了“中间深槽两侧虚拟航标+小船航道外侧实体浮标”交错的航标布设方案 7;在曹妃甸港中区一港池 20 万吨级航道中,由于一港池引导距离短,采用 AIS 虚拟航标替代8#、9-1#、10#浮标的方案 8。除了指导性原则,关于 AIS 虚拟航标的具体布设方案目前还没有很好的技术性指南。刘三林等 9 针对内河桥区航段,从航道水深、宽度和间距等因素进行分析,建立一个虚拟航标布设的多目标优化模型,但该模型
11、受场景局限性较大而且没有考虑实际的船舶交通流影响;代任等 10 从引航员的角度出发,分析长江下游江苏段航道和船舶航行特点,提出利用 AIS虚拟航标优化深水航路的设想,但缺乏有力的数据和方法论支撑。本文针对长江下游重点航道的船舶交通流特点,探索一种基于船舶大数据分析的辅助方法,以便更好地利用 AIS 虚拟航标优化深水航道现有航标配布体系、规范船舶的安全航行和提高水深资源的利用率。1 长江下游重点航段航标布设优化需求1.1 临港航道航标布设长江下游船舶交通密集航段,虽然主航道的航标配布和航路航法比较齐全,然而在密集型港区,临港侧实体航标会对船舶的航行和靠离泊造成较大影响,然而在撤掉实体航标之后又会
12、导致船舶偏离航道,加大了港区附近的交通流密度和危险度。因此如何设置临港航道的航标,既不影响进出港又能约束船舶不过于靠近港区或成为亟待解决的问题。1.2 深水复合航道航标布设长江下游许多区段航道条件优越,主航道外有较大余量的可航水域可满足吃水较小船舶的通航,实际上海事部门也会在主航道设置推荐航路,没有推荐航路的也允许小型船舶紧邻通航分道外侧水域行驶。然而,由于没有明确的航标标示,有些规定并不易把握,导致许多船舶远离航道外侧通行。利用航标标示出复合航道是解决这一问题的最佳措施,既能最大化利用可航区域满足不同吃水船舶航行需求,缓解主航道船舶流量密集和通航压力,又能避免船舶偏离航道,降低搁浅和干扰进出
13、港风险。那么就需要利用不同的航标分别标示复合航道不同尺度的航道界限,既起到助航作用又不减少可利用水域。1.3 主航道到码头“最后一公里”航标配布长江下游航道的航路航法以及航标的布设主要集中在主航道,而从主航道到码头的“最后一公里”则往往被忽视,没有明确的航标布设方案和航路航法,不仅使得船舶航行安全难以得到充分的保障,也导致船舶因指引不充分不敢满载运输货物。为了给船舶提供从泊位到泊位全方位的航行保障服务,合理设置“最后一公里”的航标471 李 峰李 峰,等:基于大数据分析的 AIS 虚拟航标布设技术可便于船舶识别引用又不影响进出港。针对上述 3 种场景的航标布设优化,AIS 虚拟航标能够发挥非常
14、重要的作用。本文将利用大数据分析的方法,提出 3 种场景中利用 AIS 虚拟航标进行优化的方案。2 大数据分析方法和系统架构2.1 大数据分析方法航标布设优化的大数据分析方法主要是基于电子航道图开展船舶交通流分析,可视化地展现水域交通流特征,并利用船舶轨迹和航标数据进行各种时空关系统计计算,从叠加到电子航道图上的计算结果辅助判断现有航标体系中需要利用AIS 虚拟航标优化的位置。应用于航标配布优化的大数据分析方法包括船舶轨迹回放、船舶碰撞危险度、船舶轨迹线、航道门线统计和船舶航标间距分析法等。2.1.1 船舶航迹回放分析法 船舶轨迹回放分析法是把水域在一个时间段内的所有船舶轨迹点随时间变化情况在
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