一种基于水上交通宏观基本图的航道服务水平评价方法

摘要

本发明公开了一种基于水上交通宏观基本图的航道服务水平评价方法，该方法包括：选择所要研究的航道区域，从一年的AIS数据中筛选出在该航行区域航行的船舶AIS数据；在该航道区域的基础上建立直角坐标系，由AIS数据中的经纬度信息计算出船舶在坐标系中的坐标；通过船舶轨迹时空图得到船舶交通流的密度、速度、流率，将求得的密度、速度和流率绘制成水上交通基本散点图；从水上交通基本散点图的流率‑密度关系图中得出最优密度值；将划分结果绘制到流率‑速度散点图中，完成航道服务水平在基本图上的绘制。帮助交通研究者掌握水上交通运行规律，对航道的设计提供重要依据，能在水上交通工程领域得到广泛应用。

权利要求

1.一种基于水上交通宏观基本图的航道服务水平评价方法，其特征在于，该方法包括：选择所要研究的矩形航道区域，从一年的AIS数据中筛选出经过该矩形航道区域的AIS数据，并且按日筛选出每一天的数据；

在选择的矩形航道区域上建立直角坐标系，以上述所选矩形航道区域的顶点为坐标系原点，用墨卡托航法计算出坐标系中船舶实时位置与原点的距离，船舶实时位置和原点都由经纬度给出，再由三角形关系计算出船舶在直角坐标系中的坐标(x，y)；

以AIS数据中的时间数据为横坐标，上述求出的x为纵坐标，绘制出船舶轨迹时空图，通过船舶轨迹时空图计算得到船舶交通流的密度、速度、流率，密度为某一时刻矩形航道内船舶数量与航道长度的比值，流率为密度与速度的乘积，最后将求得的密度、速度和流率绘制成水上交通基本散点图；

从水上交通基本散点图的流率‑密度关系图中找到流率最大的点位置，其流率最大的点位置所对应的横坐标就是最优密度，以最优密度划分三级、四级服务水平，将最优密度值均分，分别得到划分一级和二级服务水平及划分二级、三级服务水平的密度值；

将划分结果绘制到流率‑速度散点图中，完成航道服务水平在基本图上的绘制。

2.如权利要求1所述的基于水上交通宏观基本图的航道服务水平评价方法，其特征在于，在航用海图或电子海图上划定所需研究的航道区域，以矩形区域各个顶点的经纬度信息为筛选条件，编写Python批处理程序，从AIS数据中筛选出该研究区域一年的AIS数据，并且按日筛选出每一天的AIS数据。

3.如权利要求1所述的基于水上交通宏观基本图的航道服务水平评价方法，其特征在于，根据选择的航道区域建立坐标系，由墨卡托航法，用AIS数据提供的实时经纬度计算出船舶与原点O的实时距离S，单位为km，再根据三角形关系便可以计算出船舶P对应的坐标(x，y)：

x＝S cosθ    (1)

y＝S sinθ    (2)

式中，S表示船舶与原点O的距离，x表示船舶位置的横坐标，y表示船舶位置的纵坐标，θ为航向角，可由墨卡托航法计算得出。

4.如权利要求1所述的基于水上交通宏观基本图的航道服务水平评价方法，其特征在于，将航道长度记为L，船舶数量N会随时间变化，将船舶数量记为N(t)，可以得到某一时刻t的交通流量、密度的计算公式如下：q(t)＝v(t)×k(t)    (4)式中，k(t)代表t时刻的交通密度，N(t)代表t时刻航道内的船舶数量，L表示航道长度；

i代表船舶编号，n代表最后一只船的编号，v(t)代表在t时刻所有船舶的平均速度；q(t)代表交通流量。

5.如权利要求1所述的基于水上交通宏观基本图的航道服务水平评价方法，其特征在于，标准船舶长度记为L0，L0可以从船舶长度数据的统计分析中得到，折算系数α和换算后的交通量N′可以用下式计算得到：

N′＝α1+α2+α3+…+αi+…+αn    (6)式中，αi为当量交通量的折算系数，Li为第i艘船的实际船舶长度，L0为标准船舶长度；

N′为换算后的交通量。

6.如权利要求1所述的基于水上交通宏观基本图的航道服务水平评价方法，其特征在于，最优密度为实际交通流率达到航道通行能力时所对应的密度值，以最优密度值划分三级、四级服务水平，并将最优密度值均分，分别得到划分一级和二级服务水平及划分二级、三级服务水平的密度值。

说明书

一种基于水上交通宏观基本图的航道服务水平评价方法

技术领域

[0001] 本发明涉及水上交通服务水平评价领域，具体涉及一种基于水上交通宏观基本图的航道服务水平评价方法。

背景技术

[0002] 随着经济的增长，海上货物运输量的日益增加，水上交通变得越来越繁忙，在交通运输中占有重要的地位。但同时也给水上交通运输带来一系列问题，如船舶碰撞、延误增
加、船舶油耗增加等。所以开展水上交通研究对改善水上交通状况和提高交通运行效率具
有重要意义。

[0003] 目前，在水上交通研究领域中，航道服务水平是衡量航道中船舶运行质量一项的重要指标。开展航道通行能力及服务水平的研究,有助于科学地解决一些问题：1、正确规划
设计航道的通航标准、通航尺度以及制定航道航行规则。保证航道在具备较好运行质量的
同时,充分发挥航道设施能力；2、评价现有航道的服务水平是否满足当前航道系统正常运
行的要求,从而确定航道是否需要改扩建或者采取必要的管理措施、优化调度方案进行改
善。

[0004] 目前关于国内外在水上交通服务水平的研究上，大多还是基于公路交通中的传统方法。不可否认这些方法在一定程度上可以就当前的水上交通状况给以定性评价，但在定
量评价及宏观交通的掌握上仍然存在不足。因此，针对以上不足，我们提出了一种基于水上
交通宏观基本图的航道服务水平评价方法。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种基于水上交通宏观基本图的航道服务水平评价方法，帮助交通研究者掌握水上交通运行规律，对航道的设计提供重要依据，能在水上交通工程
领域得到广泛应用。

[0006] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

[0007] 一种基于水上交通宏观基本图的航道服务水平评价方法，该方法包括：

[0008] 选择所要研究的航道区域，从一年的AIS数据中筛选出在该航行区域航行的船舶AIS数据,并且按日筛选出每一天的数据；

[0009] 在该航道区域的基础上建立直角坐标系，由AIS数据中的经纬度信息计算出船舶在坐标系中的坐标(x，y)；

[0010] 绘制给定区域和时间段内的船舶轨迹时空图，通过船舶轨迹时空图得到船舶交通流的密度、速度、流率，将求得的密度、速度和流率绘制成水上交通基本散点图；

[0011] 从水上交通基本散点图的流率‑密度关系图中得出最优密度值，以最优密度划分三级、四级服务水平，将最优密度值均分，分别得到划分一级和二级服务水平及划分二级、
三级服务水平的密度值；

[0012] 将划分结果绘制到流率‑速度散点图中，完成航道服务水平在基本图上的绘制。

[0013] 进一步地，在航用海图或电子海图上划定所需研究的航道区域，一般为矩形，以矩形区域各个顶点的经纬度信息为筛选条件，编写Python批处理程序，从AIS数据中筛选出该
研究区域一年的AIS数据，并且按日筛选出每一天的AIS数据。

[0014] 进一步地，根据选择的航道区域建立坐标系，如附图2所示，矩形OABC表示所选择的航道区域，以矩形的顶点O为原点建立坐标系，x轴的正向设置为和航道走向相同，P点为
船舶的实时位置，其经纬度为 由墨卡托航法，我们可以用AIS数据提供的实时经纬度
计算出船舶与原点O的实时距离S，单位为km。再根据图中的三角形关系便可以计算出船舶P
对应的坐标(x，y)：

[0015] x＝Scos θ                      (1)

[0016] y＝Ssin θ                       (2)

[0017] 式中，S表示船舶与原点O的距离，x表示船舶位置的横坐标，y表示船舶位置的纵坐标，θ为航向角，可由墨卡托航法计算得出。

[0018] 进一步地，为了求得交通流三参数，我们需要用到船舶航迹时空图(如附图3所示)，时空图从时空维度描述了船舶的航行轨迹。附图3中x＝0代表航道的起始线，轨迹曲线
上任意点(t，x)的纵坐标x代表船舶到起始线的距离，横坐标t代表船舶所处的时刻，图中绿
色箭头表示船舶在t时刻的瞬时速度，横轴的范围为0‑86400秒(0‑24小时)，纵轴的范围为
0‑14km，14km为航道的长度，图中x1，x2，x3，…，xi，…，xn分别代表编号为1，2，3，…，i，…，n的
船在t时刻的位置坐标，v1，v2，v3，…，vi，…，vn分别代表编号为1，2，3，…，i，…，n的船在t时
刻的瞬时速度。

[0019] 进一步地，将航道长度记为L，船舶数量N会随时间变化，将船舶数量记为N(t)，可以得到某一时刻t的交通流量、密度和空间平均速度的计算公式如下：

[0020]

[0021]

[0022] q(t)＝v(t)×k(t)                     (5)

[0023] 式中，k(t)代表t时刻的交通密度，N(t)代表t时刻航道内的船舶数量，L表示航道长度；i代表船舶编号，n代表最后一只船的编号，vi(t)代表第i只船在t时刻的瞬时速度，v
(t)代表在t时刻所有船舶的平均速度；q(t)代表交通流量。

[0024] 进一步地，vi(t)的求解见图4。根据物理知识可知，船舶轨迹曲线上任意一点的斜率即为船舶的瞬时速度。所以我们可以用微分法求船舶的瞬时速度。图4中A点代表船舶在t
时刻所在位置，其纵坐标为x(t)，于是根据微分法有如下计算公式：

[0025]

[0026] 式中，Δt为一段微小的时间增量，一般取1‑5s，Δx为Δt内船舶的纵坐标变化量，xi(t)为船舶i在t时刻的纵坐标，xi(t+Δt)为船舶i在t+Δt时刻的纵坐标

[0027] 进一步地，因为实际中船舶的长度差别很大，这会影响航道内的船舶数量N的统计值。这里引入当量交通量的概念，当量交通量为将实际中各种船舶长度的交通量按折算系
数α换算成标准船舶长度的交通量。标准船舶长度记为L0，L0可以从船舶长度数据的统计分
析中得到，折算系数α和换算后的交通量N′可以用下式计算得到：

[0028]

[0029] N′＝α1+α2+α3+…+αi+…+αn               (8)

[0030] 式中，αi为当量交通量的折算系数，Li为第i艘船的实际船舶长度，L0为标准船舶长度；N′为换算后的交通量。

[0031] 进一步地，最优密度为实际交通流率达到航道通行能力时所对应的密度值(航道通行能力是指在一定的航道条件和交通状况下，由技术性能相同的一种标准船舶，在单位
时间内通过航道断面的最大船舶数)，根据最优密度值划分三级、四级服务水平，并将最优
密度值均分，分别得到划分一级和二级服务水平及划分二级、三级服务水平的密度值。

[0032] 与现有技术相比，本发明至少具有以下优点之一：

[0033] 本发明基于道路交通工程的服务水平评价方法及现有水上交通航道服务水平评价方法的基础上，首次提出基于水上交通基本图评价航道服务水平的方法。

[0034] 本发明利用历史AIS数据，通过大数据挖掘和分析对某一水域航道服务水平做出评价，该方法可帮助交通研究者及海事管理相关部门掌握水上交通运行状况，同时也能为
航道改扩建及航道投资决策方面提供参考依据，能更好地为水上交通领域服务。

[0035] 本发明提出了基于水上交通基本图并根据交通密度来确定航道服务水平等级的方法。水上交通基本图能反映出航道船舶的宏观特征，帮助人们更直观地掌握航道服务水
平，是主管当局进行决策的重要依据。

附图说明

[0036] 图1为本发明一实施例的流程示意图；

[0037] 图2为发明一实施例中的航道坐标系示意图；

[0038] 图3为发明一实施例中的船舶航行时空图；

[0039] 图4为发明一实施例中的瞬时速度求解示意图；

[0040] 图5为发明一实施例中的流率‑速度散点图；

[0041] 图6为发明一实施例中的基本图的流率‑密度图；

[0042] 图7为发明一实施例中的服务水平划分示意图；

[0043] 图8为发明一实施例中的宏观交通基本图实例图；

[0044] 图9为发明一实施例中的确定最优密度示意图；

[0045] 图10为发明一实施例中的服务水平实际划分实例图。

具体实施方式

[0046] 以下结合附图1～10和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准
的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征
和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小
等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定
本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大
小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭
示的技术内容能涵盖的范围内。

[0047] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存
在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖
非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、基于水上交通宏观基本图的航道服务
水平评价方法、物品或者现场设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要
素，或者是还包括为这种过程、基于水上交通宏观基本图的航道服务水平评价方法、物品或
者现场设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，
并不排除在包括所述要素的过程、基于水上交通宏观基本图的航道服务水平评价方法、物
品或者现场设备中还存在另外的相同要素。

[0048] 请参阅图1～10所示，本实施例提供的一种基于水上交通宏观基本图的航道服务水平评价方法，该方法包括：

[0049] 选择所要研究的航道区域，从一年的AIS(automatic identification system,船舶自动识别系统)数据中筛选出在该航行区域航行的船舶AIS数据,并且按日筛选出每一天
的数据；

[0050] 在该航道区域的基础上建立直角坐标系，由AIS数据中的经纬度信息计算出船舶在坐标系中的坐标(x，y)；

[0051] 绘制给定区域和时间段内的船舶轨迹时空图，通过船舶轨迹时空图得到船舶交通流的密度、速度、流率，将求得的密度、速度和流率绘制成水上交通基本散点图；

[0052] 从水上交通基本散点图的流率‑密度关系图中得出最优密度值，以最优密度划分三级、四级服务水平，将最优密度值均分，分别得到划分一级和二级服务水平及划分二级、
三级服务水平的密度值，例如，最优密度为6，则将最优密度除以3，就可以得到划分一级、二
级服务水平的密度为2，划分二级、三级服务水平的密度为4，划分三级、四级服务水平的密
度为6；

[0053] 将划分结果绘制到流率‑速度散点图中，完成航道服务水平在基本图上的绘制。

[0054] 本实施例中，在航用海图或电子海图上划定所需研究的航道区域，一般为矩形，以矩形区域各个顶点的经纬度信息为筛选条件，编写Python批处理程序，从AIS数据中筛选出
该研究区域一年的AIS数据，并且按日筛选出每一天的AIS数据。

[0055] 如附图2所示，根据选择的航道区域建立坐标系，矩形OABC表示所选择的航道区域，以矩形的顶点O为原点建立坐标系，x轴的正向设置为和航道走向相同，P点为船舶的实
时位置，其经纬度为 由墨卡托航法，我们可以用AIS数据提供的实时经纬度计算出船
舶与原点O的实时距离S，单位为km。再根据图中的三角形关系便可以计算出船舶P对应的坐
标(x，y)：

[0056] x＝S cos θ                  (1)

[0057] y＝S sin θ                  (2)

[0058] 式中，S表示船舶与原点O的距离，x表示船舶位置的横坐标，y表示船舶位置的纵坐标，θ为航向角，可由墨卡托航法计算得出。

[0059] 如附图3所示，为了求得交通流三参数，我们需要用到船舶航迹时空图，时空图从时空维度描述了船舶的航行轨迹。附图3中x＝0代表航道的起始线，轨迹曲线上任意点(t，
x)的纵坐标x代表船舶到起始线的距离，横坐标t代表船舶所处的时刻，图中绿色箭头表示
船舶在t时刻的瞬时速度，横轴的范围为0‑86400秒(0‑24小时)，纵轴的范围为0‑14km，14km
为航道的长度，图中x1，x2，x3，…，xi，…，xn分别代表编号为1，2，3，…，i，…，n的船在t时刻的
位置坐标，v1，v2，v3，…，vi，…，vn分别代表编号为1，2，3，…，i，…，n的船在t时刻的瞬时速
度。

[0060] 本实施例中，将航道长度记为L，船舶数量N会随时间变化，将船舶数量记为N(t)，可以得到某一时刻t的交通流量、密度和空间平均速度的计算公式如下：

[0061]

[0062]

[0063] q(t)＝v(t)×k(t)                    (5)

[0064] 式中，k(t)代表t时刻的交通密度，N(t)代表t时刻航道内的船舶数量，L表示航道长度；i代表船舶编号，n代表最后一只船的编号，vi(t)代表第i只船在t时刻的瞬时速度，v
(t)代表在t时刻所有船舶的平均速度；q(t)代表交通流量。

[0065] 本实施例中，vi(t)的求解见图4。根据物理知识可知，船舶轨迹曲线上任意一点的斜率即为船舶的瞬时速度。所以我们可以用微分法求船舶的瞬时速度。图4中A点代表船舶
在t时刻所在位置，其纵坐标为x(t)，于是根据微分法有如下计算公式：

[0066]

[0067] 式中，Δt为一段微小的时间增量，一般取1‑5s，Δx为Δt内船舶的纵坐标变化量，xi(t)为船舶i在t时刻的纵坐标，xi(t+Δt)为船舶i在t+Δt时刻的纵坐标。

[0068] 由于实际中船舶的长度差别很大，这会影响航道内的船舶数量N的统计值。这里引入当量交通量的概念，当量交通量为将实际中各种船舶长度的交通量按折算系数α换算成
标准船舶长度的交通量。标准船舶长度记为L0，L0可以从船舶长度数据的统计分析中得到，
折算系数α和换算后的交通量N′可以用下式计算得到：

[0069]

[0070] N′＝α1+α2+α3+…+αi+…+αn             (8)

[0071] 式中，αi为当量交通量的折算系数，Li为第i艘船的实际船舶长度，L0为标准船舶长度；N′为换算后的交通量。

[0072] 根据水上交通宏观交通基本图的流率‑密度关系图，如附图6所示。从图中得出最优密度值，记为kopt。附图5对最优密度做出了解释，最优密度为实际交通流率达到航道通行
能力时所对应的密度值(航道通行能力是指在一定的航道条件和交通状况下，由技术性能
相同的一种标准船舶，在单位时间内通过航道断面的最大船舶数)，根据最优密度值划分三
级、四级服务水平，并将最优密度值均分，分别得到划分一级和二级服务水平及划分二级、
三级服务水平的密度值。具体划分结果如表1所示：

[0073]

[0074]

[0075] 将划分结果绘制到水上交通基本图的流率‑速度散点图中，完成对水上交通服务水平的划分，划分结果请参阅附图7。

[0076] 现将本发明提出的一种基于水上交通宏观基本图的航道服务水平评价方法应用于长江口水域，以此为例来详细介绍本发明，具体步骤如下：

[0077] 本发明实例所选的研究水域为长江口水域，共有AIS数据207G。用Python编写程序筛选出在该区域航行的船舶。

[0078] 根据上述描述的算法，可以编制Python批处理程序，由经纬度信息计算出船舶的实时位置坐标(x，y)。

[0079] 根据上述算法，编制Python程序计算得到交通流的密度、速度、流率，将求得的密度、速度和流率绘制成宏观基本图。见附图8。

[0080] 从宏观基本图的流量‑密度关系图中读出最优密度值为1.60艘/km，如附图9所示。用最优密度值划分三级、四级服务水平，并将最优密度值均分，分别得到划分一级和二级服
务水平及划分二级、三级服务水平的密度值。

[0081] 表2各级服务水平对应密度

[0082]

[0083] 将服务水平等级确定结果绘制到宏观基本图的流量‑速度关系图中，结果见附图10。附图10中纵坐标表示流率，横坐标表示速度。根据 可知，图中每一个点与原点
O的直线斜率就是交通密度。由此我们便可以根据每一个点在坐标系中的位置确定每种交
通状况的服务水平。从图中可以看出，该研究区域一年中大多数交通状况为一级和二级服
务水平，交通总体处于比较通畅状态。

[0084] 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的
多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。