基于AIS軌跡聚類的深圳港西部港區引航風險分析

沈建云 胡建軍 謝雙魁 秦宏雷

一、引言

深圳港是全球第三大集裝箱港口，也是我國沿海最主要的港口和集裝箱干線港之一。深圳港西部港區位于廣東珠江入海口伶仃洋東岸，南距香港20 n mile，北距廣州60 n mile，包括南山港區、大鏟灣港區、大小鏟島港區和寶安港區。進出港航道主要有經香港水域進出港區的龍鼓水道和由珠江口進出港區的銅鼓航道。珠三角地區的駁船噸級較小（一般為5000噸級以下），船長通常在100 m以內，由礬石水道經公共航道航行至各港區及前往香港。各類船舶航經公共航道、蛇口航道、龍鼓水道和銅鼓航道匯聚于蛇口警戒區，如圖1所示。深圳港西部港區吞吐量逐年上升，大型船舶的引航艘次也越來越多，在現有水域條件下船舶的通航密度日益增大，潛在的引航風險愈加明顯。

圖1 航道示意圖

目前，各類船舶均配備船舶自動識別系統（Automatic Identification System，AIS）。AIS數據可以記錄船舶在航行過程中的行為，通過對其篩選分析，可以實現從特定船舶AIS軌跡中挖掘出船舶的群體行為特征。根據深圳港西部港區船舶AIS統計數據，占比最大的為船長0～100 m的船舶，其主要為進出港區的自航駁船及少數拖輪和客船，100 m以上的船舶通常為需要引航的集裝箱船。本文以深圳港西部港區蛇口警戒區水域為例，基于聚類算法對不同類型船舶的AIS軌跡進行可視化分析，找出船舶的軌跡分布和密度分布，總結在引航過程中可能遇到的風險，進而提出相應措施以保障船舶通航和靠離泊安全。

二、深圳港西部港區水域AIS數據的處理分析

（一）AIS數據處理

本文運用文獻[1]、[2]和[3]的研究方法，從AIS數據庫中抽取出船舶信息表及船位報告表對數據進行預處理，主要包括數據抽取、不完整數據清理、異常數據清理和冗余數據簡化。隨機抽取了深圳港西部港區2022年8—10月的AIS原始數據，刪除不符合要求的數據，應用導入的原始數據建立數據庫進行建模與分析。導出的四個船舶流量數據庫為龍鼓航道CP11號浮標截面有船舶11 637艘次、銅鼓航道T9和T10連線截面有船舶675艘次、蛇口航道口截面有船舶6464艘次、西部公共航道CCT9對開截面有船舶14 150艘次。將所得數據進行聚集運算，避免船舶軌跡相互遮擋，保留與目標特征有關的大量信息，對得到的船舶聚集結果進行可視化呈現。

（二）深圳港西部港區船舶軌跡可視化分析

選定船長0～100 m和100 m以上作為目標特征繪制船舶AIS軌跡聚類結果圖，分八個色階，如圖2、圖3所示。

圖2 船長0～100 m的船舶軌跡聚類圖

深圳港西部港區0～100 m的船舶多為自航淺吃水的駁船，可航水域廣，軌跡覆蓋面積大。這類船舶多數選擇乘潮通行及海關集中查驗后放行，致使其大量匯聚于該水域，容易造成航道擁堵、交通流混亂。如圖2所示，航段1 CCT9—SCT8色階變化少且深紅色區域覆蓋寬，可見該水域駁船航行沒有明顯的規律，船舶軌跡容易與大型船舶掉頭區和進出港航道重疊，影響大型船舶靠離泊掉頭和入泊操縱。航段2 SCT8—A3號浮船舶軌跡流部分分流至赤灣港區和蛇口港區，由左至右為淺綠色-亮黃色-深紅色，深色區域偏于航道東側，匯聚在銅鼓航道口的A3號浮附近收窄。可見多數進出港駁船偏向沿岸航行，方便部分船舶轉入赤灣港和蛇口港，同時因為A3號浮附近淺灘水深不明確，多數駁船選擇在蛇口警戒區向東西穿越進入CP11號浮東側的沿岸通航帶。航段3 A3號浮—CP9號浮深紅色船舶軌跡流已偏向主航道東側，在CP9號浮左正橫主航道中存有間隙，該區域是引航員登離輪交接水域，通常大型船舶需降低航速等候兩地引航員登離輪交接。由于此處操縱受限，駁船通常會大角度朝東西兩側轉向避開。

如圖3所示，該港區船長100 m以上的船舶多數需引航。在航段1 CCT9—SCT8中船舶軌跡集中在航道中間，主要考慮避免過于貼近東側泊位影響其他船舶的靠離泊操縱和導致系泊船的浪損，以及避免過于貼近西側錨地水域與進出錨地的駁船造成緊迫局面。航段2 SCT8—A3號浮的色域范圍逐步縮減，深圳港西部港區大部分班輪航線都需航經香港，因此多數船舶向蛇口警戒區匯聚，選擇最優航線進出深圳港西部港區。航段3 A3號浮—CP9號浮之間色域范圍明顯縮減，但船舶艘次顯著增加。一方面因為船舶即將抵達引航員交接的登離輪點，所以需要逐步降至登離輪的安全航速；另一方面在銅鼓航道口南側A3號浮附近有向東延伸的淺灘，其水深數據不明晰，大型深吃水船舶均匯聚在大于15 m等深線的深水航道內航行。

三、實例分析

實例一：“MAERSK GARONNE”輪（以下簡稱M輪）長292 m、寬32 m、吃水13 m，計劃航線為從媽灣3號泊位經西部公共航道南段駛入香港水域的龍鼓水道，如圖4所示。在航段1，目標船3未與M輪溝通直接左轉穿越M輪首造成緊迫局面迫使其停車降速。在航段2區間，對于輕載吃水的船來說經公共航道南下后，順延深港水域分界的A3號浮轉至168°～172°即可，與進出口船會遇態勢明晰。但對于深吃水船舶，在實際操作中考慮A3號浮附近水深數據不明晰，被引船一般提早轉向至155°將航跡向保持在15 m等深線東側再轉向駛入龍鼓水道，從圖3的軌跡圖可以很明顯發現這類船的操縱習慣和意圖。此外，從圖2的軌跡圖中發現0～100 m的船舶在航段2恰好都選擇在蛇口警戒區北面穿越主航道，導致在該水域與出口船舶造成混亂的態勢。圖4中進港目標船1船長350 m、吃水11 m，目標船2船長60 m、吃水3 m，因兩船處于香港海事管轄水域，未及時在兩地交管的頻道上進行切換守聽，無法及早地溝通協調，導致進出港船在CP11號浮附近水域造成緊迫局面，若有船自蛇口港區駛出，局面將更加復雜。

圖4 實例一

圖5 實例二

實例二：第六代集裝箱船“CMACGM SCANDOLA”輪（以下簡稱S輪）長365 m、寬51 m、吃水13.6 m，經銅鼓航道靠泊SCT6號泊位，S輪航經T23號浮標穿越蛇口警戒區再轉入蛇口航道，航向變化角度為038°—068°—035°，航程約1.6 n mile，航跡呈“S”形，需橫越通航密度極大的蛇口警戒區，其對于進口北上的駁船來說往往被認為是居左的讓路船。從圖2可見，多數駁船習慣航法是以靠近蛇口港2號浮順延岸邊航行，僅有少數駁船因有拋錨需要選擇直穿銅鼓航道的公共航道1、2號浮。對于S輪來說，特別是急退潮期間，一方面要考慮搶上風上流擺好船位，另一方面要及早控制入泊余速。對于S輪左舷的讓路船A、B船來說，應及早采取明顯措施避讓S輪，對于S輪右舷的C、D船來說，S輪雖然為讓路船，但是因入泊操縱需要無法采取避讓措施，需要直航船配合采取最有助于避碰的行動。因此從船舶軌跡圖中可以看到，作為大型船舶穿越該水域，既要充分協調南北穿越的駁船，明確各方避讓權利，充分了解雙方的操縱意圖，又要克服橫流的影響保證入泊操縱安全，同時要避開公共航道2號浮南側的淺灘以“S”形的航跡精確地駛入泊位前沿。該操作不太符合操縱習慣且對駕引人員情景意識和團隊的合作要求極高，在操縱過程中的容錯率極低。

四、存在的引航風險

通過船舶軌跡聚類可視化結果圖和上述實例的分析，深圳港西部港區存在的引航風險主要有：

（1）銅鼓航道原規劃建設作為西部港區公共航道的疏港通道，但隨著集裝箱船大型化的快速發展，當前的銅鼓航道與蛇口航道的銜接略顯不足，對于重載大型船舶來說，經銅鼓航道進出蛇口港區的航道軸線曲折，船舶進入該港區既要控速又要多次轉向，同時還要做好避讓協調。

（2）從軌跡聚類結果圖可知，深圳港西部港區公共航道到香港龍鼓水道是交通流量最大的航道，通航密度較高，且毗鄰錨地，連接多條航道，交通態勢十分復雜，船舶航行風險較高。公共航道與港區掉頭水域重合并且存在大量駁船橫穿航道的情況，0～100 m的船舶軌跡中過境駁船占較大比例，對于大型船舶的通航安全和靠離泊影響較大。

（3）在深港引航員登離輪交接水域附近船舶流量密度大，兩地引航員在登離輪期間仍有一定的時間間隔，在香港引航員離輪后、深圳引航員登輪期間經常出現進港船因右舷駁船交通流的影響航行至航道中央乃至偏左位置，嚴重影響出口船的通航安全。對于重載吃水船舶來說可通航水域狹窄，15 m等深線距離A3號浮270 m，CPV號虛擬浮標對開 15 m等深線的深水航道最窄處僅360 m寬，按照《海港總體設計規范》中雙向航道的設計要求難以滿足西部港區超大型重載船舶雙向通航的安全要求。同時，由于深港水域VTS頻道不同，在該水域有多駁船同時值守兩地交管頻道，極易造成溝通困難導致緊迫局面產生。

（4）根據深圳港口情況可知西部港區缺少深水錨地及應急搶險可候泊的水域，當大型船舶出現班期晚點或發生故障、碰撞、失控等事故時只能占用泊位和航道資源，嚴重影響港口營運生產和航道通航安全。

五、應對方案

（1）建議在銅鼓航道和港區航道銜接中通過航道疏浚減小轉向角，加長兩次轉向的間距，增大轉向半徑或適當增加航道寬度，考慮沿深港分界線挖深公共航道2號浮和A3號浮附近的淺灘，如圖6所示。在船舶計劃安排方面盡量選擇漲潮緩流階段以提高船舶可操作性，拓寬該區域的可航寬度，提升超大型船舶在該水域對遇時的可操縱空間。

圖6 疏浚區域和大型船舶應急錨地

（2）建議考慮小型船的通航習慣和航行要求實施小型船定線制度，在公共航道升級拓寬的基礎上，將錨地向西側遷移，劃分小船通航區域供小船通航，連接至警戒區，減小公共航道通航壓力。同時可制定地方規則劃定不應被妨礙的船舶類別，規范船舶行為。

（3）建議深港兩地交管互相合作，及時提醒該水域附近船舶嚴格做好兩地交管頻道的值守或將進入香港水域的報告線南移，避免在該通航密度最大的區域進行深港兩地不同交管頻道的切換。可將龍鼓水道西側15 m等深線拓寬，并且將深港兩地引航員登離輪點向南移動，避免將通航密度大但可航水域狹窄的水域作為引航員登離輪交接點。

（4）由圖2、圖3可知，極少數船舶會在蛇口警戒區西北側穿越，且該水域無其他預設航線和海底管路，可配置大型船舶的深水錨地作為應急和防臺錨地（見圖6）。這樣既不會影響小型船舶的通航習慣也能有效緩解目前西部水域錨地承載壓力，為大型船舶提供一個錨區作為應急和臨時候泊使用。

六、結語

船舶AIS信息包含豐富的船舶動態和靜態信息，運用AIS信息的軌跡聚類算法對不同類型的船舶AIS數據進行挖掘分析形成可視化軌跡聚類圖，能夠很好地反映相關水域的交通流量、不同船舶的密度分布、船舶航跡分布以及該水域船舶交通規模和繁忙程度。本文的研究結果能夠幫助駕引人員快速了解該水域不同船舶的航行習慣，判斷水域風險，提高船舶操作的安全系數和規避引航風險，同時也可為港口航道的規劃建設方和主管部門提供較為客觀準確的參考。