利用AIS數(shù)據(jù)計(jì)算港口間競(jìng)爭(zhēng)度的方法

向哲　施朝健　胡勤友　楊春

摘要：

為能更有效地提供有價(jià)值的航運(yùn)情報(bào)， 借鑒網(wǎng)絡(luò)分析法相關(guān)原理，挖掘船舶AIS數(shù)據(jù)，獲取港口之間的競(jìng)爭(zhēng)度.該法通過(guò)船舶數(shù)據(jù)模型、港口數(shù)據(jù)模型、船舶抵達(dá)港口事件模型、船舶掛靠港記錄、港口之間運(yùn)力、港口網(wǎng)絡(luò)等建立港口間競(jìng)爭(zhēng)度模型. 選取2014年4—8月中國(guó)沿海船舶AIS數(shù)據(jù)和17個(gè)主要港口數(shù)據(jù)，利用模型計(jì)算出對(duì)上海港競(jìng)爭(zhēng)度排名前三的港口依次是寧波港、張家港港和南通港.

關(guān)鍵詞：

航海技術(shù)； 數(shù)據(jù)挖掘； AIS數(shù)據(jù)分析； 網(wǎng)絡(luò)分析法； 掛靠港序列； 港口網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)： U691.75

0 引 言

港口競(jìng)爭(zhēng)度是指兩港之間由于對(duì)方存在而損失的船舶運(yùn)力的對(duì)比程度，用于衡量港口間競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系.計(jì)算港口競(jìng)爭(zhēng)度可有效幫助港口運(yùn)營(yíng)方衡量本港資源優(yōu)勢(shì)、優(yōu)化港區(qū)資源配置，為港口、物流投資者提供決策支持.

對(duì)港口間關(guān)聯(lián)關(guān)系的研究由來(lái)已久.LI等[1]提出港口間的物流能力是港口間最重要的關(guān)系，通過(guò)計(jì)算港區(qū)間的物流能力獲得特定港口的合作、競(jìng)爭(zhēng)度；SONG[2]和BARY等[3]在上述研究基礎(chǔ)上加入了公路交通流等物流能力的考量；ZHENG[4]依據(jù)港口可持續(xù)發(fā)展的運(yùn)力指數(shù)，提出一種使用所在區(qū)域的產(chǎn)值計(jì)算港口之間相互競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的方法；YUAN等[5]研究了天津港附近港口的持續(xù)發(fā)展能力與天津港物流能力之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系；孔憲雷等[6]利用博弈模型進(jìn)行分析，構(gòu)建港區(qū)管理模型，挖掘并形成港區(qū)管理的序列模式；施欣[7]從港口內(nèi)部結(jié)構(gòu)和港口吞吐量的角度分析了港口的競(jìng)爭(zhēng)行為；劉明君等[8]綜合考慮了貨源、道路運(yùn)輸成本、裝卸成本和泊船成本，計(jì)算港口的運(yùn)營(yíng)成本；淦學(xué)甄等[9]結(jié)合黃驊港的布局、周邊水域和風(fēng)險(xiǎn)，分析黃驊港的競(jìng)爭(zhēng)力；劉娟娟[10]使用Stackelberg博弈理論，采用雙層規(guī)劃模型描述區(qū)域內(nèi)各港口間的協(xié)調(diào)優(yōu)化問(wèn)題；XIANG等[11]提出一種計(jì)算相似航線船舶的方法，其情報(bào)可為特定的船舶所有人或者租船用戶提供信息服務(wù)；鄭海林等[12]在此基礎(chǔ)上利用AIS數(shù)據(jù)計(jì)算出港口、泊位中船舶的平均擱置時(shí)間并計(jì)算各港口的擁塞指數(shù)，反映國(guó)內(nèi)港口的通航、裝卸效率，為港口投資者進(jìn)行決策提供數(shù)據(jù)支持.

上述研究大多為定性分析，未給出計(jì)算港口間關(guān)聯(lián)關(guān)系的方法；使用的數(shù)據(jù)往往來(lái)自已加工過(guò)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、工作報(bào)告和報(bào)表，因此缺乏精確性，統(tǒng)計(jì)起來(lái)也較為復(fù)雜，計(jì)算過(guò)程具有不可再現(xiàn)性.為解決上述問(wèn)題，本文結(jié)合航運(yùn)物流的特色、船舶AIS數(shù)據(jù)，并借鑒網(wǎng)絡(luò)分析法相關(guān)原理[1316]，挖掘并獲取港口之間的競(jìng)爭(zhēng)度，從而提供隱含的有價(jià)值的航運(yùn)情報(bào).

1 模型算法

1.1 基本原理和模型

海量AIS數(shù)據(jù)記錄了船舶每時(shí)刻的經(jīng)緯度、船舶尺寸、載重噸等信息.利用這些信息可提取船舶航行特征，從而計(jì)算船舶掛靠港記錄；通過(guò)船舶的掛靠港記錄可以分析該船一段時(shí)間內(nèi)掛靠過(guò)的每個(gè)港口，根據(jù)掛靠船舶的數(shù)量和載重噸可計(jì)算每?jī)蓚€(gè)港口之間的運(yùn)力；以運(yùn)力信息作為衡量港口間關(guān)系強(qiáng)弱的基礎(chǔ)，借鑒網(wǎng)絡(luò)分析法相關(guān)原理（將港口設(shè)為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，運(yùn)力設(shè)為邊），剔除運(yùn)力較小的港口之后，分別統(tǒng)計(jì)航線上“經(jīng)過(guò)港口B就不經(jīng)過(guò)港口A”的船舶及其運(yùn)力，可計(jì)算兩個(gè)特定港口之間的競(jìng)爭(zhēng)度.現(xiàn)將本文中的基本模型定義如下.

（1）船舶數(shù)據(jù)模型.從AIS數(shù)據(jù)中提取用于數(shù)據(jù)分析的船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息，包括船舶AIS數(shù)據(jù)發(fā)出的時(shí)刻、船舶的位置、載重噸等數(shù)據(jù)，可利用船舶移動(dòng)識(shí)別號(hào)碼（MMSI）作為船舶唯一標(biāo)識(shí).船舶x的數(shù)據(jù)模型可表示為

式中：m為船舶的MMSI；t為發(fā)出AIS數(shù)據(jù)的時(shí)刻；p為該時(shí)刻船舶的位置；d為船舶載重噸.

（2）港口數(shù)據(jù)模型.從海圖數(shù)據(jù)信息中提取港界數(shù)據(jù)和港口名稱.港口i的數(shù)據(jù)模型可表示為

式中：I為港口編號(hào)；s為港界多邊形數(shù)據(jù)；n為港口名稱.

（3）船舶抵達(dá)港口事件模型.統(tǒng)計(jì)抵達(dá)某港的船舶.船舶x抵達(dá)港口i的事件關(guān)系Txi表示為

事件模型Txi由船舶數(shù)據(jù)模型Sx和港口數(shù)據(jù)模型Pi運(yùn)算得出，計(jì)算原理為：判斷船舶是否處于港口邊界內(nèi)一段時(shí)間，若判斷結(jié)果為“是”則表示該船抵達(dá)港口.其中“si中包含px”表示“判斷船舶x位置是否處于港口i的邊界內(nèi)”.

（4）船舶掛靠港記錄.匯總船舶抵達(dá)港口事件，可獲取船舶掛靠港記錄.記錄表現(xiàn)為按時(shí)間排序的船舶抵達(dá)港口事件的序列，船舶x的掛靠港記錄Lx可表示為

式中：Txi表示船舶x某時(shí)刻抵達(dá)港口i.

（5）提取兩港之間運(yùn)力.利用船舶掛靠港記錄，選取記錄中分別掛靠?jī)筛郏ǚ窒群螅┑拇埃y(tǒng)計(jì)其數(shù)量和總載重噸即可獲取港口之間運(yùn)力，港口s和港口t間的運(yùn)力可表示為

式中：sum表示累加掛靠過(guò)港口s和港口t的船舶的載重噸.

（6）港口網(wǎng)絡(luò).港口網(wǎng)絡(luò)可利用港口數(shù)據(jù)模型和港口間運(yùn)力構(gòu)建，表示為

式（6）中網(wǎng)絡(luò)G由節(jié)點(diǎn)集合V和邊集合（即節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系集合）E構(gòu)成，因此可設(shè)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)為港口，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的邊為港口間的運(yùn)力.港口網(wǎng)絡(luò)可作為計(jì)算港口間競(jìng)爭(zhēng)度的基礎(chǔ).

1.2 計(jì)算流程

利用AIS數(shù)據(jù)和中國(guó)部分港口數(shù)據(jù)，提取船舶數(shù)據(jù)模型、港口數(shù)據(jù)模型；計(jì)算船舶抵達(dá)港口事件并獲取船舶的掛靠港記錄；匯總、統(tǒng)計(jì)船舶掛靠港記錄，提取港口之間的運(yùn)力；利用港口數(shù)據(jù)、港口間運(yùn)力將中國(guó)部分港口構(gòu)建為港口網(wǎng)絡(luò)（其中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為港口，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的邊為港口間運(yùn)力），剔除運(yùn)力較小的節(jié)點(diǎn)和邊后獲取港口網(wǎng)絡(luò)；通過(guò)統(tǒng)計(jì)所有航線上“經(jīng)過(guò)港口B就不經(jīng)過(guò)港口A”的船舶及其運(yùn)力，揭示由于港口B的存在而導(dǎo)致的港口A的運(yùn)力損失，以此為依據(jù)計(jì)算港口網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)之間的競(jìng)爭(zhēng)度.港口間競(jìng)爭(zhēng)度計(jì)算流程見(jiàn)圖1.

2 具體步驟

計(jì)算港口間競(jìng)爭(zhēng)度的關(guān)鍵是獲取港口網(wǎng)絡(luò).獲取港口網(wǎng)絡(luò)的步驟如下.

（1）計(jì)算船舶抵達(dá)港口事件.利用AIS船舶數(shù)據(jù)、港口數(shù)據(jù)，結(jié)合式（3）中的模型，可快速計(jì)算船舶抵達(dá)港口事件，從而獲取抵港船舶信息，計(jì)算原理見(jiàn)圖2.實(shí)際操作中，可設(shè)港口邊界為G，獲取T1時(shí)刻港口邊界內(nèi)的船舶集合S1和T2時(shí)刻港口邊界內(nèi)的船舶集合S2，則T1至T2內(nèi)抵達(dá)港口船舶為S1-S2.圖2中：在T1至T2內(nèi)，船舶E為新出現(xiàn)在港口邊界內(nèi)的船舶，可視為抵港船舶；船舶D為消失在港口邊界內(nèi)的船舶，可視為離港船舶；船舶A，B和C為一直停留在港口邊界內(nèi)的船舶（即不是在T1至T2內(nèi)抵達(dá)港口的船舶）.

（2）獲取船舶掛靠港記錄.匯總船舶抵達(dá)港口事件，可獲取船舶掛靠港記錄.在實(shí)際操作中，由于在AIS數(shù)據(jù)中MMSI與船舶一一對(duì)應(yīng)，因此只需按照船舶MMSI分組即可獲取船舶掛靠港記錄.

（3）獲取兩港間運(yùn)力.利用船舶掛靠港記錄，選取記錄中分別掛靠?jī)筛郏ǚ窒群螅┑拇埃瑓R總統(tǒng)計(jì)數(shù)量和總載重噸即可反映兩港間運(yùn)力.

（4）構(gòu)建港口網(wǎng)絡(luò).利用式（6），將港口視為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，港口間運(yùn)力視為網(wǎng)絡(luò)的邊，運(yùn)力的大小即為邊的權(quán)重，可構(gòu)建港口網(wǎng)絡(luò).選取包括上海港在內(nèi)的17個(gè)中國(guó)港口，計(jì)算2014年4—8月船舶掛靠港記錄，并獲取港口間運(yùn)力.表1所示為各港口至上海港的船舶運(yùn)力統(tǒng)計(jì)，按載重噸大小排序.

利用網(wǎng)絡(luò)分析中的中心度原則，累加計(jì)算其余港口到達(dá)本港的運(yùn)力，統(tǒng)計(jì)獲取該港節(jié)點(diǎn)的總運(yùn)力，可構(gòu)建港口網(wǎng)絡(luò).剔除港口總運(yùn)力小于1 000萬(wàn)t的港口，將港口網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)篩選為15個(gè)，見(jiàn)圖3.圖3中若某港總運(yùn)力較大則表示該港在港口網(wǎng)絡(luò)的總運(yùn)力中承擔(dān)得較多，地位也較“重要”.

3 計(jì)算競(jìng)爭(zhēng)度

在獲取了港口網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，利用本文算法可計(jì)算港口網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)間的競(jìng)爭(zhēng)度，其原理為：統(tǒng)計(jì)任意經(jīng)過(guò)A和B兩個(gè)港口的航線上“經(jīng)過(guò)港口B就不經(jīng)過(guò)港口A”的船舶及其運(yùn)力，即統(tǒng)計(jì)由于港口B的存在而導(dǎo)致的港口A運(yùn)力的損失，最終獲取整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中“港口B對(duì)港口A的競(jìng)爭(zhēng)度”.計(jì)算特定港口（A和B兩個(gè)港口）間的競(jìng)爭(zhēng)度分為兩步.

3.1 單條航線（經(jīng)過(guò)A和B兩個(gè)港口）上兩港間的競(jìng)爭(zhēng)度

因此，可通過(guò)統(tǒng)計(jì)由于港口B的存在而導(dǎo)致的港口A運(yùn)力的損失，獲取在港口S至港口E的航線上港口B對(duì)港口A的競(jìng)爭(zhēng)度，計(jì)算式為

式（7）中C（S，B，E）表示在港口S至港口E的航線上，由于港口B的存在而被分流的運(yùn)力.式（7）的分母部分則表示除了其他港口轉(zhuǎn)運(yùn)運(yùn)力外港口S至港口E的全部運(yùn)力.式（7）中若無(wú)港口B（或者港口B運(yùn)力為0），則剩余運(yùn)力全由港口A承擔(dān)，港口B對(duì)港口A的競(jìng)爭(zhēng)度為0.由此可反映由于港口B的存在而導(dǎo)致的港口A運(yùn)力的損失與從港口S至港口E的航線（經(jīng)過(guò)A和B兩個(gè)港口）運(yùn)力的對(duì)比程度.

3.2 整個(gè)港口網(wǎng)絡(luò)中兩港間的競(jìng)爭(zhēng)度

由式（7）可獲取港口S至港口E的航線上港口B對(duì)港口A的競(jìng)爭(zhēng)度（同理也可計(jì)算港口A對(duì)港口B的競(jìng)爭(zhēng)度）.整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中不止一條航線需要港口A和港口B的轉(zhuǎn)運(yùn)運(yùn)力，可累加所有經(jīng)過(guò)港口A和港口B的航線上港口B對(duì)港口A的競(jìng)爭(zhēng)度，并除以這些航線的數(shù)量，從而獲取整個(gè)港口網(wǎng)絡(luò)中港口B對(duì)港口A的競(jìng)爭(zhēng)度.計(jì)算公式為

式（8）中分母n表示所有經(jīng)過(guò)港口A和港口B的航線數(shù)量.分子由港口網(wǎng)絡(luò)中所有經(jīng)過(guò)港口A和港口B的航線上港口B對(duì)港口A的競(jìng)爭(zhēng)度累加獲?。▽?shí)際計(jì)算中，以所有港口為起點(diǎn)，所有港口為終點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，若該航線不經(jīng)過(guò)港口A和港口B則競(jìng)爭(zhēng)度自然為0）.

利用2014年4—8月我國(guó)港口的AIS數(shù)據(jù)，構(gòu)建港口網(wǎng)絡(luò)，并以上述算法獲取上海港與其他14個(gè)港口間的競(jìng)爭(zhēng)度，見(jiàn)表2.

從表2可看出，對(duì)上海港競(jìng)爭(zhēng)度最高的3個(gè)港口為寧波港、張家港港和南通港，即由于上述3個(gè)港口的存在導(dǎo)致經(jīng)過(guò)上海港的各航線運(yùn)力損失（分流）得最多.

4 結(jié)束語(yǔ)

提出利用海量AIS數(shù)據(jù)快速獲取船舶掛靠港記錄的模型和實(shí)現(xiàn)方法；借鑒社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析法相關(guān)原理，構(gòu)建中國(guó)沿海網(wǎng)絡(luò)圖；利用網(wǎng)絡(luò)圖和統(tǒng)計(jì)算法，計(jì)算港口網(wǎng)絡(luò)中特定港口節(jié)點(diǎn)間的競(jìng)爭(zhēng)度.該競(jìng)爭(zhēng)度反映了在港口網(wǎng)絡(luò)中由于港口B的存在而導(dǎo)致的港口A運(yùn)力的損失程度.在計(jì)算過(guò)程中使用了海量AIS數(shù)據(jù)使得結(jié)論真實(shí)性獲得提高，此外，在計(jì)算競(jìng)爭(zhēng)度和提取船舶掛靠港記錄時(shí)使用了集合的快速提取方法，使得計(jì)算效率大大提高.該研究方法和結(jié)論可為港口運(yùn)營(yíng)方、投資方的決策提供數(shù)據(jù)支持.

今后的研究方向?yàn)槔煤Ａ緼IS數(shù)據(jù)挖掘港口之間的合作度，船公司之間的競(jìng)爭(zhēng)、合作度等.

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（編輯 賈裙平）