基于AIS數(shù)據(jù)的成山頭海域交通流預(yù)測系統(tǒng)研究

吳晨輝 徐國慶

摘 要 本文針對當(dāng)前成山頭海域航道交通繁忙，航線密集的現(xiàn)狀，利用由交通運輸部海事局的船舶自動識別系統(tǒng)信息服務(wù)平臺提取船舶數(shù)據(jù)。通過構(gòu)建海域交通流量預(yù)測系統(tǒng)，對船舶交通流量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，分析海域船舶的航行特性并對未來的船舶流量進行預(yù)測。通過研究論證，該系統(tǒng)的船舶交通流可以滿足海域船舶交通管理的實際需求。

關(guān)鍵詞 AIS數(shù)據(jù);船舶交通流;預(yù)測系統(tǒng)

1海域交通現(xiàn)狀

成山頭位于山東半島最東端，呈不規(guī)則三角形，東、南、北三面臨海。成山頭海域是中國渤海沿海的海上交通要道，是船舶進出渤海灣以及黃海各個港口的船舶習(xí)慣航線海域，是國際通航海域。

同時，成山頭海域是我國的重要漁業(yè)海域，有榮成漁場和石島漁場兩個我國的重要漁場。在每年的捕魚期，大量的漁船在成山頭海域從事漁業(yè)生產(chǎn)。商船和漁船的航路交錯，海域的通航環(huán)境復(fù)雜。年均通過該海域南北航行和進出石島漁港的漁船高達60萬艘次。有八級大風(fēng)或大風(fēng)過后，大量漁船回港避風(fēng)或出海捕魚，尤其是成山頭至石島之間，漁船經(jīng)常穿越定線制海域，給南下、北上的航行船舶避讓帶來了困難。

成山頭附近海域的船舶交通流主要有6個，聚集于航道內(nèi)，有四個南北方向的航道和兩個東南方向的航道。這幾個航道的船舶航行頻繁，在航道轉(zhuǎn)向處及航道出進口容易形成多船會遇的局面。成山頭海域于2015年6月1日實施了新版的船舶定線制，分道通航，很大程度上緩解了交通密集的狀況。但進出成山頭海域的捕魚船避免不了要頻繁穿越航道海域，導(dǎo)致碰撞危險局面頻頻發(fā)生。

因此，成山頭海域交通流預(yù)測的相關(guān)研究，通過分析海域船舶的航行狀況，對海域未來的船舶流量進行預(yù)測，不僅為該海域船舶的航行安全提供保障，也可為交通管理部門進行交通疏導(dǎo)提供一定的參考依據(jù)及分析指標(biāo)。

2AIS數(shù)據(jù)

船舶AIS（船舶自動識別系統(tǒng)）數(shù)據(jù)信息主要分為靜態(tài)信息、動態(tài)信息、航次信息、航行安全相關(guān)信息。AIS數(shù)據(jù)的原始數(shù)據(jù)為6位的ASCⅡ碼，通過海上通信常用的VHF頻率（甚高頻）傳輸，經(jīng)過船載或岸載設(shè)備解析后，顯示出船舶的運行狀態(tài)。本系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)是由交通運輸部海事局的船舶自動識別系統(tǒng)信息服務(wù)平臺記錄的成山頭海域的AIS信息。本系統(tǒng)主要研究分析數(shù)據(jù)是船舶的船號、航向、航速、經(jīng)度、維度和進入采集區(qū)域的時間。船號信息用于區(qū)分船舶，經(jīng)緯度用來判斷船舶位置，航向用于判斷交通流的方向，時間用于分析計算交通流量。

基于AIS數(shù)據(jù)進行交通流預(yù)測，不受于傳統(tǒng)的交通流觀測法的觀測位置和范圍有限、數(shù)據(jù)量小和采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等缺點的影響。通過AIS數(shù)據(jù)檢測交通流量，自動化程度高，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，可以覆蓋成山頭近岸的交通流密集海域。同時，針對船舶的運動特性，利用AIS數(shù)據(jù)中船舶的經(jīng)緯度信息可以計算船舶之間的間距等傳統(tǒng)交通流觀測法采集不到的信息。AIS數(shù)據(jù)信息量大，易于統(tǒng)計，有較高的準(zhǔn)確性，其研究運算出的結(jié)果有一定的科學(xué)性和實用性，使用價值明顯。

3交通流預(yù)測系統(tǒng)

交通流是交通工程學(xué)中的一個概念，交通流的相關(guān)研究成果論證了交通的特性和規(guī)律。同時，交通流理論是交通工程的基礎(chǔ)理論，為海域航道設(shè)計及船舶交通管理提供理論依據(jù)及參考指標(biāo)。

相比于陸地交通流，船舶的交通量較小。為了保證船舶交通流數(shù)據(jù)連續(xù)的同時，又可以為進入海域的船舶提供航行參考指標(biāo)，本系統(tǒng)采取以60min為單位時間間隔，以小時交通量作為海域交通流的衡量指標(biāo)。在滿足實際航行安全保障需求的同時又可以保證每個時間段都有船舶交通數(shù)據(jù)。由于船載AIS設(shè)備接發(fā)航行信息存在時間間隔，所以采取成山頭南北通航的航道的東南方向的航道轉(zhuǎn)向斷面處，向南10n mile兩個斷面之間的海域作為交通流測流觀測區(qū)域。

國內(nèi)學(xué)者余珍[2]在交通流預(yù)測的研究中，采用ARIMA算法（差分整合移動平均自回歸算法）進行流量預(yù)測。ARIMA預(yù)測算法的研究中，常用于考慮中長期以月交通量為衡量單位的預(yù)測研究中。本系統(tǒng)采用LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）的基于深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，以14天的交通流數(shù)據(jù)作神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練組數(shù)據(jù)，7天的數(shù)據(jù)作驗證組數(shù)據(jù)，7天的數(shù)據(jù)作測試組數(shù)據(jù)。將訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行海域交通流的小時交通量的預(yù)測，實現(xiàn)海域交通流預(yù)測系統(tǒng)預(yù)期功能，以滿足時間交通管理及保證航運安全的需要。

4結(jié)束語

本文通過對成山頭海域的通航現(xiàn)狀進行研究，論證了采用AIS數(shù)據(jù)研究船舶交通流的可行性，構(gòu)建了一種海域域船舶交通流量預(yù)測系統(tǒng)，通過LSTM算法對海域船舶的交通流量歷史數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，構(gòu)建海域船舶交通流預(yù)測模型。本文所研究設(shè)計的成山頭海域船舶交通流預(yù)測系統(tǒng)，為海域船舶交通管理及海員調(diào)整通航計劃制定提供了一種工具。

參考文獻

[1] 金興賦，付玉慧，張連東.基于AIS數(shù)據(jù)的成山頭水域船舶交通流研究[J].大連海事大學(xué)學(xué)報，2012，38（1）：33-36.

[2] 余珍.內(nèi)河斷面船舶交通流量預(yù)測方法研究[C].中國智能交通協(xié)會.第十三屆中國智能交通年會大會論文集.中國智能交通協(xié)會：中國智能交通協(xié)會，2018：425-431.