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基于AIS数据分析风、流对直水道船舶行为的影响
摘要:随着港口船舶交通流量的不断增加，海上交通安全问题日益受到关注。除交通流量外，船舶在受限水域的安全还受到外界航行因素(能见度、风、流)、航行中遇到的情况和船上的人为因素的影响。本文研究了航行因素对船舶性能的影响。收集鹿特丹港AIS原始数据和当地实测的能见度、风和海流数据，研究风和海流对航速和航迹(到右舷岸的距离)的影响。结果表明，风主要通过横风的作用影响船舶的航行路径，而流对船舶在与航向或与航向相反的情况下的对地速度有影响。对不同尺寸船舶的影响也不同。左舷风对小型船舶的影响大于对大型船舶的影响，而右舷风对大型船舶的影响大于小型船舶。流对地面航速的影响对小型船舶的影响大于大型船舶，对中型船舶的影响最小。分析结果可以帮助港务局预测不同情况下的船舶交通，并用于开发新的海上交通模型，在考虑外部导航因素的情况下模拟船舶行为。
1简介
水运作为最经济的运输方式，已成为货物运输的重要手段。超过80%的世界商品贸易通过海运进行(欧洲委员会，2013)。对海上交通的了解和有效管理，将有利于港口和内河航道的整体效益。由于枢纽港(如鹿特丹港)船舶交通流量不断增加，海上交通安全成为一个重要而敏感的问题。与海上船舶操纵的大空间不同，港口和内河航道是禁区。在这些地区，外部航行的影响。各种因素可能导致严重后果，如搁浅或碰撞，造成巨大的生命财产损失。了解现实生活中船舶的行为具有重要的理论和现实意义。
在目前的海上交通研究中，开发了多种模型用于风险评估(Goerlandt and Kujala, 2011) (Montewka et al.， 2011) (Park et al.，2016) (Fernandes et al.，2016)和容量分析(Ozkan等，2016)。然而，这些模型大多只包含很少的外部因素，或者将外部影响作为假设。这部分是由于缺乏对所观察到的船舶行为与外部条件之间关系的深入了解。
为了研究船舶行为，自动识别系统(AIS)数据已被证明是一个有价值的来源。根据国际海事组织(IMO)的要求，所有300总吨位以上的客船和海船都安装了AIS系统。许多论文基于AIS数据对船舶行为模式进行分析(De Boer, 2010) (Shu et al.，2013) (Zhou et al.， 2015) (Rong et al.， 2015, Xiao et al.， 2015)。结合AIS数据和一些气象数据，还介绍了能见度、风和海流对船舶行为的一般影响(Shu et al.， 2017)。然而，由于收集到的数据缺乏详细的水文信息和船舶行为属性，无法消除其他因素的影响，也没有充分研究来自不同方向的风和流的影响。
本文以鹿特丹港2014年全年的AIS原始数据和直水道气象水文数据为基础，系统分析了风、流对船舶性能的影响。利用实际船舶航向，将风和流的方向定义为相对于船舶运动的四个方向。通过对船舶在不同情况下的航行行为(以航迹和对地速度(SOG)表示)的对比分析，揭示了不同风况和水流条件对船舶航行行为的影响。研究结果将有助于研究人员模拟船舶在不同外部条件下的行为，为港务局了解船舶行为与外部因素之间的关系提供依据。
在第二节中，介绍了所收集的数据集。第3节解释了数据分析的拟议方法。第4节和第5节分别给出了风和流的影响分析结果。第6节总结了本文，并对进一步研究提出了讨论和建议。
2.数据描述
研究区域是一条近乎笔直的水路，牛尾水道，位于港口入口处，如图所示。研究区长度约2.3公里。通过选择直线航道，消除了航道交叉口对船舶性能的影响。
图1所示。鹿特丹港研究区规划与协调体系。(X-Y坐标系是荷兰地理坐标系，Rijksdriehoeksmeting (RD system)。在切割区域内，指示转置系统，使入港船舶沿X #39;方向航行，而沿Y #39;方向可看到与直线方向的横向偏差。)
2.1AIS数据
AIS数据来自鹿特丹港务局，覆盖2014年全年，包括2299,842条信息。每艘海船，即使在国际海事组织规定的GT限制下，也都安装了AIS系统，并在所有航行中使用。根据莱茵河航行中央委员会的规定，自2014年12月1日起，内河船舶无论是商业船还是休闲船，以及20米以上的帆船都必须使用AIS系统。这项规定适用于荷兰的大多数内河船只。因此，2014年是一个过渡年，AIS记录的内河船舶越来越多。因此，本研究中的船舶大多为远洋船舶。
在收集的AIS数据中，选取货船(993,566条，43.2%)、油轮(522,614条，22.7%)和客船(77,724条，3.4%)作为研究对象。其他船舶，如领航船、拖轮、挖泥船等，不包括在分析中，因为这些船舶在工作状态和非工作状态下的行为是不同的，而它们的工作状态在AIS信息中没有显示。对于货船，由于AIS收集的数据中没有对船型进行二次分类，所以无法准确的将其识别为集装箱船、普通货船或散货船。因此，没有指定船舶类型对行为的影响。船舶的大小在一定程度上决定了风积面积和水下容积，这与风和水流对船舶性能的影响有关。本文以梁为准则对船舶进行了分类。在本研究中，数据集中最小波束为6米，最大波束为79米。为使所提方法具有通用性，确定了4个船级的梁间距为:(1)梁lt;10m， (2) 10mle;梁lt;23m，
(3) 23mle;梁lt;33m，(4)梁ge;33m。
所收集的AIS数据包含三类信息:
‐静态信息:海上移动服务标识号、类型、长度、波束、传感器类型。
‐动态信息:协调世界时、x位置、Y位置、SOG、航向对地(COG)、航向、导航状态等。
‐航行相关信息:吃水。描述船舶行为的属性(位置、SOG、COG和船首)如图2所示。
AIS信息描述了船舶(X和Y)在RD系统中的动态位置。为了显式和比较船舶的行为，坐标系统被换位了，如图二所示，研究区西侧为研究原点。因此，船舶位置由到研究区西北边界的距离(Yrsquo;-axis)和到(X #39;轴)的横向距离来描述。
2.2气象水文资料
气象条件是指风和能见度。这是2014年当地测量数据，来自鹿特丹港务局。风速数据间隔5分钟，能见度每分钟测量一次。水文条件为流速。数据也来自港务局。与风不同的是，由于水流的传播和水深的差异，局部测得的流速不能代表整个区域。因此，流速数据的计算采用SIMONA模型(Vollebregt et al.， 2003)，输入港口周边8个站点的实测水位。采集的数据描述了41times;7正交曲线网格的水流，分辨率约为85米。每个网格单元的水流速度由10层表示，平均深度为15分钟。
3数据分析方法
由于研究区域几乎是直线航道，观测到的船舶齿形总是与岸线平行。因此，本文只分析了风、流对船舶航迹和SOG的影响。来比较船舶通过同一位置时的行为，建立了一组平行于Y #39;轴的横截面。船的行为数据由之前的最后一条消息插值到横截面上和横截面之后的第一个信息。通过计算数据集中相邻AIS报文之间的船舶前进距离，确定截面间距为65米，共35个截面。这个值保证75%的数据在两个相邻的横断面之间至少有一条AIS消息。
提出的研究方法如图4所示。为了消除船舶遭遇战的影响，处理后的数据集不包括发生遭遇战的船舶。在研究区域航行期间，向其他船舶发送。根据《国际海上避碰规则》，海上船舶的航行行为受两种情况的制约，一种是在另一艘船舶的视线范围内，另一种是在有限的能见度范围内。对鹿特丹港船舶行为的初步分析表明，当局部测量的能见度范围小于2000米时，船舶的行为是不同的。为了消除能见度的影响，选择能见度大于2000米的情况。
在对船舶在不同外部条件下的行为进行初步分析的基础上，利用一些阈值建立了影响分析的情境。无论是风还是流，都存在弱、中、强三种情况。当风速小于8 m/s时，视为弱风，对船舶性能影响不大。风速大于13.7米/秒为强风。由于缺乏这些罕见情况下的数据，因此没有分析这种风对船舶性能的影响。在实际情况下，只有表面速度和深度平均速度是已知的。在研究区，由于底部附近存在反向流动，深度平均流速小于表面流速。因此，表面电流被识别为表示电流状态的指示器。电流速度小于0.37 m/s为弱电，大于1.45 m/s为强电流。也没有研究强电流的影响。
为了分析风、流对船舶性能的影响，将影响船舶性能的四个相对方向定义为次要情况，而不是原始风向/水流方向。四个相对方向分别为顺风/海流、逆风/海流、左舷风/海流、右舷风/海流，如图3所示。方向由风/电流方向与船的航向之间的夹角决定。这样，风和海况就与船舶的动态运动联系在一起，这比使用原始的地理方向更能揭示影响。采用5个描述性统计量，分别为1、25、50、75、99个百分位，将风、流两种次级工况下的船舶行为与畅通无阻工况下的船舶行为进行比较。对每对比较进行t检验统计检验。本文以p值为0.05作为判断显著性水平的标准。t检验的零假设是，无阻碍和受阻船行为来自相同的分布。在t检验结果中，如果H = 1，则表示否定零假设。通过这种方法，对船舶行为影响的情况就能够被认同。
4.风的影响
本节讨论了风对船舶航迹和SOG的影响。分析了进出港船舶的数据集。作为一个例子，详细介绍了中梁（10Mle;梁lt;23M）入港船舶（North Sea -Nieuwe-water-weg）的结果。出港船舶（Nieuwe Waterweg North Sea）的结果相似。当对不同船舶尺寸的影响不同时，对不同类型的船舶进行了比较。
图4。基于AIS数据的冲击分析流程图。（次要情况由船所受的风/流方向和航向。风/流表示在右侧范围内风/流的方向。在船梁的任何一边向前45度，而相反意味着方向在船梁的右后45度到后45度之间。左舷是指方向在左舷横梁前方45度到后方45度之间，右舷是指船舶右舷的相同范围。）
4.1航迹
在“有风”和“逆风”的情况下，船舶的路径类似于无障碍情况下的路径。统计试验结果也证明，在这两种情况下，到右岸的横向距离与无障碍航道没有显著差异。统计分析结果见表1。
然而，横风确实会影响船只的路径，如图5所示。由于转置坐标系是正交的，而大坝（右岸）有轻微弯曲，因此到右岸的横向距离随着到入口的距离的增大而增大。由于左舷有风，航道靠近右舷。相反，当风从右舷吹来时，航道更靠近左舷。两个结果都表明，风力将把船推向另一边，这是我们所期望的。统计结果也表明，假设横风情况下的船舶航迹等于无障碍航迹。
在同一侧风情况下，所有船舶的偏离方向是相同的。然而，影响的程度因船舶尺寸的不同而不同。每个横截面上的平均值与未受阻碍情况之间的差异如图6所示。结果表明，在左舷风的作用下，小艇（横梁小于10米）比大船（横梁大于10米）更靠近右舷。由于右舷受风力的影响，大型船舶似乎与岸边保持更大的距离，以防止因其惯性大和可能靠近岸边的浅水而发生碰撞。同时，大船的右舷风冲击比小船大。在两种侧风情况下，大型船舶比小型船舶承受更大的风力。然而，来自右舷的风将船只推到左舷岸，这也意味着它们的航行距离水道中心线更近，有足够的水深和船舶操纵的空间。
图6。与无阻碍路径在横风情况下的差异(正值表示阻碍路径更接近港口岸线，而负值则表示受阻路径更接近右舷)。
4.2 SOG
在“顺风”、“左舷风”和“右舷风”三种情况下，SOG的差异比较小。t检验结果也表明，在这三种情况下，船舶的SOGs与无阻碍情况没有显著差异。然而，当船只逆风航行时，船的SOG会减少，如图7所示。t检验结果也显示了“逆风”和“畅通无阻”情况下SOG的差异。对于所有的船舶来说，当风从前方吹来的时候，保持相同的SOG会增加燃油消耗。这对船东来说既不经济，对港口也不环保。结果表明，不同船型对SOG的影响是相似的。原因是即使风力较大，船舶也会提高发动机的运行水平，以保持一定的速度，避免在任何情况下舵的操纵失效效应。
图7。在“逆风”的情况下，船舶的SOG
5.流的影响
5.1航迹
“逆流”和“左舷流”情况下的路径没有显著差异，这由t检验结果支持。然而，在“逆流”和“右舷流”情况下，船舶进一步驶向右舷，如图8所示。在t检验结果中，对于24个横截面，拒绝假设“有电流”情况下的路径等于不受阻碍的路径，平均pv值为0.0488，接近接受值0.05。这意味着当水流推动船只前进时，船只会进一步驶向右岸，但距离差很小，如图8所示。在“右舷电流”的情况下，所有横截面都观察到显著差异。船舶向右舷靠得更远，但距离偏差变化较大，右舷水流中这种行为变化的原因有待进一步研究。
图8。船舶航迹作为当前条件的函数。
5.2 SOG
图9显示了水流对船舶SOG的影响。来自左舷的水流对SOG没有显著影响，T试验结果也表明了这一点。t检验结果也表明，“右舷电流”情况下的SOG等于无障碍情况的假设是不被接受的，这表明水流方向确实影响了SOG。但是，阻塞的SOG波动很大。对于大多数船舶来说，SOG值都会增加，特别是在1%的情况下，当水流从右舷流出时，船舶在岸坡效应下频繁运动。
- 情况:来自左舷的流(虚线)和畅通的情况(实线)。
- 情况:右舷流(虚线)和畅通情况(实线)。
图9，船舶SOG是当前条件的函数
也可以观察到，船舶SOG在“顺流”情况下增加，在“逆流”情况下减少，这符合我们的预期。在这两种情况下的统计结果中，船舶SOG等于无障碍SOG的假设在所有横截面上都被拒绝。然而，不同船舶尺寸之间
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