基于AIS数据的新加坡港口研究

基于AIS数据的新加坡港口水域船舶时空特征分析

刘杰

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┊┊ 摘 要 这项研究开发了一种切实可行的分析方法来分析船舶交通需求，并利用AIS数据研究港口水域船舶运输的时空动态。在应用这种研究新加坡港口水域的方法时，我们发现从起点到终点，随着时间的推移，新加坡港口水域中的船舶航行状态和航行路线会保持稳定。 此外，新加坡海峡有几个热点地区，船舶航行时航速相对较高，并且在一些水域中船舶航行的速度差异很大。 更有趣的是，我们发现这些热点区域与船舶事故的空间分布非常吻合。

关键词：时空动态 热点地区 空间分布 目 录 第1章 绪论 ................................................................................................................. 1 第2章 研究方法 ......................................................................................................... 5 2.1 逻辑框架 ......................................................................................................... 5 2.1.1 AIS数据收集及预处理 ......................................................................... 5 2.1.2 AIS 船舶交通需求分析 ........................................................................ 6 2.1.3 船舶交通时空分析 ................................................................................ 6 2.2 船舶活动链分析与船舶OD估算算法 ........................................................... 6 2.2.1 船舶活动链分析 .................................................................................... 6 2.2.2 船舶OD矩阵估计 ................................................................................ 9 2.3 船舶交通状态空间动力学模型 ..................................................................... 9 第3章 结果分析 ....................................................................................................... 11 3.1 数据收集 ....................................................................................................... 11 3.2 船舶交通需求分析 ....................................................................................... 12 3.1.1 船舶交通OD .............................................................................................. 12 3.2.2 船舶航行路线 .................................................................................... 13 3.3 船舶交通时空分析 ....................................................................................... 14 3.3.1 交通速度的时空动态 .......................................................................... 14 3.3.2 交通密度时空动态 .............................................................................. 17 第4章 讨论 ............................................................................................................... 18 4.1 新加坡港口船舶交通的时空特征 ............................................................... 18 4.2 交通时空动态对交通安全的影响 ............................................................... 18 第5章 总结 ............................................................................................................. 20 参考文献 ..................................................................................................................... 21 致 谢 ..................................................................................................................... 23 基于AIS数据的新加坡港口水域船舶时空特征研究 基于AIS数据的新加坡港口水域船舶时空特征分析

第1章 绪论 按总的运输吨位计算，新加坡港是世界第二繁忙的港口，它转运了全世界的五分之一的运输集装箱和一半的原油（新加坡，2014年）。位于最短的扼流圈上如图1.1所示，它连接着印度洋和太平洋的航线，约占世界的三分之一的贸易量，与120个国家/地区的600多个港口相连（Qu和Meng，2012年）。大约有1000艘船舶每2到3分钟出发或到达新加坡港口（新加坡，2014； Zhang等，2015）。

图1.1 新加坡水域图 新加坡港口是全球物流网络中最重要的节点之一，在世界海运业中发挥着至关重要的作用。一旦这个繁忙的运输区域被任何事故或船舶交通拥堵所阻塞，将给全球的物流业造成沉重的损失。 根据Qu和Meng（2012）的研究，海事物流每天遭受海峡限制的损失大约是一千万美元。为了保持繁忙港口的运营效率和安全性，对港口水域船舶交通的深入了解是非常重要的。例如，在新加坡港口，船舶交通由港口运营者来进行监督控制（POCC）的。根据船舶的交通特征，整个港口的水被分成一个小网格。每个网格是由POCC运营商进行监控，以检测潜在的船舶碰撞风险，以利于及时警告。 对于热点地区，网格将需要更多的人力资源。而且，海上交通管制，例如限速和交通隔离方案也要基于交通特征分析。因此，船舶交通分析可以提供有价值的发现，以使海事当局能够有效地管理船舶交通（S. Wang等，2013； Yang等，基于AIS数据的新加坡港口水域船舶时空特征研究 2013； Zhang等，2015; Cello等人，2015年； Goldsworthy和Goldsworthy，2015年）。 但是，现有的研究主要集中在船舶运输路线的优化（S. Wang等，2013; Yang等，2013）或者是提高港口运营效率（例如Nishimura et al，2005;彼得林，2009）。换句话说，港口船舶交通时空动态分析的研究十分稀少。 传统的船舶交通分析通常是通过船舶交通调查进行的，包括目视观察，雷达观测以及机载摄影。例如，1963年在日本进行了第一次船舶交通调查（Fiji and Tanaka，1971）。但是，这样的调查非常耗费人力，成本很高（山口和Sakaki，1971年）。如今，我们拥有先进的船舶交通数据收集方法，例如船舶交通服务（VTS）和自动识别系统（AIS）（Meng等，2014）。由于AIS数据可以保证船舶的高度可靠性，包含了港口水域的交通信息，基于AIS数据的船舶交通分析非常有希望准确捕获 船舶航行活动并了解港口水域的船舶交通（Tsou，2010； Shelmerdine，2015）。 许多实证研究已经使用AIS数据分析了船舶交通。威廉姆斯等。 （2009）提出了地理可视化AIS数据，以支持决策和船舶交通控制。该可视化基于密度的场显示为照亮的高度图。 Tsou（2010）仅显示了ArcGIS中船舶轨迹和密度图的可视化 无需进行任何进一步的定量船舶流量分析。一些研究人员已使用AIS数据探索时空船舶交通的分布。Aarseth和Moan（2009）使用AIS数据来获得基本的船舶交通统计数据并估算限制水域的航行方式。Silveira等（2013）以图形方式显示了船舶通行模式的偏离，并使用AIS数据研究葡萄牙海岸。Meng等（2014年）调查了新加坡海峡的船舶交通特征。 现有的大多数研究仅集中于分析船舶流量的静态特征，例如船舶流量以及某些水域的航行速度。但是，对于港口运营管理和计划,深入研究以下这些更为重要：（i）船舶交通的始发地和目的地；（ii）船舶交通的时空动态，例如图1.2所示的航行速度和密度。因此，这方面仍然存在需要进一步填补的研究空白。