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摘要：掌握海上船舶行为特征是实现海上交通、船舶自动化和智能化的基础。由于海上船舶通航环境非常复杂，一般无法直接获得准确可靠的全部通航环境要素。因此，通过分析船舶行为大数据，认识船舶的行为特征，进而掌握微观上的船舶的行为规律和宏观上的海上交通规律。这是船舶操纵自动化的研究基础，也是一个难点问题。本文主要研究利用船舶AIS数据分析船舶行为特征的方法。分析的方法为利用船舶会遇算法提取AIS数据中船舶行为。这项研究为船舶行为特征分析提供新的思路。
关键词：船舶AIS数据;海上交通;船舶行为;会遇
1引言
海上交通是指特定水域内各类船舶运动的组合和各类船舶行为的总体。船舶行为研究是从船舶运动特点出发，分析船舶行为特征，是海上交通工程学重要内容。通过对船舶行为的研究，可以宏观上和微观上掌握海上交通，特别是船舶行为的基本特征和一般规律，对各相关单位管理措施的制定、港航工程建设、导助航设施设备的投入和各类船舶定线制的实施等都具有指导意义。
2会遇时空分析
船舶会遇是船舶间发生海上交通事故的必要前提，会遇形势的复杂程度与船舶碰撞风险大小紧密相关，因而船舶会遇状况在一定程度上表征海上船舶碰撞危险程度。总体上，会遇样本数目相对较大，而船舶碰撞概率小、样本少，因而研究船舶会遇是减少海上交通事故，特别是船舶碰撞事故的有效、可行的方法，对认识和改善海上船舶通航环境具有重要意义。
2.1会遇定义分类
在海上交通工程中，由于研究目的和可利用的研究数据不同，会遇的定义也有所区别，大致有下列四种：
（1）会遇是如果不采取避让行动，两船的会遇最近距离就小于某一给定距离（如0.5海里）的一种实际情况。
（2）会遇是如果两船同时处于某一给定距离以内的一种实际状态。这种方法被大多数的海上交通工程研究人员采用。
（3）会遇是假如两艘船舶都不采取避让行动，则两艘船舶的会遇最近距离就会小于某一给定距离的一种情况。
（4）会遇是船舶在海上相遇后，进而导致其中一艘船舶或两艘船舶都采取实际避让行动。
船舶会遇率是指一个区域、单位时间内船舶会遇次数。本节采用第二种会遇定义，会遇的研究数据为船舶AIS。
2.2基于AIS的船舶会遇定义
本船舶会遇研究的数据是船舶AIS动态信息。这些数据包括有船舶的位置（经纬度）、航向、航速等信息，并从AIS静态信息中提取船舶的长度、宽度、船舶识别码等信息。
2.3船舶会遇时空分析的意义
船舶会遇的时空间分布、会遇船舶类型、会遇态势是船舶行为特征分析的重要方面。船舶会遇研究所取得的成果是进行船舶交通管理、港航交通规划的理论基础。
（1）会遇空间分布
船舶会遇在不同水域的空间分布体现了船舶碰撞危险的空间分布。因此船舶会遇空间分布分析是有针对性地优化港航设计和海上交通整治的重要理论依据。
（2）会遇时间分布
一天不同时段，海上通航环境存在较大的不同，船舶的行为特征也随之不同。如在良好的白天，船员了望视野宽阔，比较容易发现存在的碰撞风险，因而避让措施采取会比较及时。相反地，在夜晚，船员值班时比较不易发现灯光微弱的小型船舶，就会造成较多的船舶会遇。因此船舶会遇频率分布会根据一天之中的不同时段而呈现不同特点。
（3）会遇船舶类型
船舶类型不同、吨位不同，则船舶的操纵行为习惯就会存在区别，不同类型船舶的会遇情形就存在各自特点。本研究从不同船舶的长度、船舶种类等角度分析船舶会遇，为针对不同船舶类型的交通管理与服务提供理论依据。
3船舶会遇算法
3.1数据预处理
有些AIS信息是有错误，因而需要进行预处理，以提高数据精度和工作效率。
3.2船舶会遇算法
船舶AIS数据的特点是播发时间间隔短、数据量庞大。因而需要精心设计会遇提取算法，以便高效地分析舶会遇情况。
3.3算法分析和特点
第一步，会遇两艘船舶在会遇时，他们的AIS记录时间是相同的。
第二步，利用数据库的SQL语言，可很方便进行两船间的距离计算。
第三步，两船会遇距离值（EncDist）需要按照不同具体情况进行分析确定。
第四步，进行会遇重复项检查并删除。
根据上述分析，本節设计的船舶会遇算法的时间复杂度为O（n），n为所有船舶AIS记录数。
4实验与分析
4.1以长江口为例的船舶会遇分析
1.研究范围和数据整理
利用己建立的船舶AIS信息服务平台采集长江口的船舶AIS数据作为实验数据。根据长江口的情况，本文以纬度31°13′.4N至30°52′.3N，经度122°23′.0E至122°47′.3E之间的水域为研究水域。
2.会遇船舶分析
根据上述的船舶会遇算法，实现对表2-1中船舶AIS数据的会遇信息提取。根据船舶种类和船舶长度，统计分析获得了如图2～图3的会遇船舶种类和尺度分布图。
普通货船（集装箱、散杂船等）占有所有船舶比例大，因而这类船舶的会遇次数也在总会遇次数中占有相当大的比重。而图4则呈现了会遇中船舶长度的分布特点。船长在50m～200m之间的会遇船舶占船舶总数的63.2%，200m米及以下小型船舶的会遇，则占的比例高达88.9%。
3.船舶会遇的空间分析
如在长江口内，存在很多的中小型船舶航行于北槽航道外，长江口的锚地也在附近，因而此水域周边存在较多的船舶会遇现象，可见此处船舶通航环境较为复杂，存在的安全隐患较大。 在长江口主航道通航环境相对较好，所以该区域船舶平均速度较大。
各来往的船舶在此和主航道上的航行船舶产生会遇，水域较为宽阔，次数相对较少。
4.船舶会遇的时间分布
深夜12点到4点是长江口内的船舶会遇时间较为集中的时段。经统计，深夜中的船舶会遇次数比重大，占30.1%，发生在夜间总的船舶会遇数量占57.9%。而15点和20点之间的船舶会遇数量相对小。夜间航行存在较多的不安全因素，从而导致船舶之间的会遇数量较多。
5.船舶会遇态势分析
船舶相互驶近的会遇态势有三种，即对遇、追越和交叉相遇。其中交叉相遇又分为大角度和小角度两种情况，如表2-1所示。本节采用AIS数据中的实际航向（Course 0ver Ground，COG）来判断船舶的会遇态势，并以此进行船舶会遇态势统计。
根据分析结果，长江口水域的船舶会遇中交叉相遇和追越居多，分别占总的会遇次数的56.3%和34.3%;而其中的小角度交叉相遇则占了44.2%。
4.2性能评估与分析
船舶会遇是船舶行为特征的重要方面，挖掘船舶会遇信息是研究海上船舶交通行为的一种的效手段。传统的船舶会遇研究的数据收集较为费时费力，基于船舶AIS数据的船舶会遇信息挖掘具有很大的优势。
5小结
船舶行为是海上交通工程的重要概念，也是深入理解海上交通的重要内容，也是制定海上交通规则、航路规划、完善船舶运动数学模型的重要途径。而船舶AIS数据中包含的船舶行为数据，如船舶位置、速度、航向、轉向等，以及船舶交通流等信息，为研究船舶行为提供了极大的便利和可靠性。本文从船舶航速变化率和航向变化率、船舶会遇、船舶交通流相似性等多方面研究船舶行为特征。
参考文献：
[1]吴兆麟，朱军编著.海上交通工程（第二版）[M].大连：大连海事大学出版社，2004.
[2]藤井弥平.海上交通工学[M].东京：海文堂，1981.
[3]邵哲平.海上交通安全评价模型及仿真应用的研究[D].大连海事大学博士学位论文，2001.
[4]邱民.船舶交通工学[M].北京：人民交通山版社，1992.
[5]上海海事局2013年上海辖区海上交通事故统计年报[Z].2013.
[6]黄燕，吴平.SAS统计分析及应用[M].北京：机械工业出版社.2006.
[7]朱世武.SAS编程技术教程[M].北京：清华大学出版社.2007.
关键词：船舶AIS数据;海上交通;船舶行为;会遇
1引言
海上交通是指特定水域内各类船舶运动的组合和各类船舶行为的总体。船舶行为研究是从船舶运动特点出发，分析船舶行为特征，是海上交通工程学重要内容。通过对船舶行为的研究，可以宏观上和微观上掌握海上交通，特别是船舶行为的基本特征和一般规律，对各相关单位管理措施的制定、港航工程建设、导助航设施设备的投入和各类船舶定线制的实施等都具有指导意义。
2会遇时空分析
船舶会遇是船舶间发生海上交通事故的必要前提，会遇形势的复杂程度与船舶碰撞风险大小紧密相关，因而船舶会遇状况在一定程度上表征海上船舶碰撞危险程度。总体上，会遇样本数目相对较大，而船舶碰撞概率小、样本少，因而研究船舶会遇是减少海上交通事故，特别是船舶碰撞事故的有效、可行的方法，对认识和改善海上船舶通航环境具有重要意义。
2.1会遇定义分类
在海上交通工程中，由于研究目的和可利用的研究数据不同，会遇的定义也有所区别，大致有下列四种：
（1）会遇是如果不采取避让行动，两船的会遇最近距离就小于某一给定距离（如0.5海里）的一种实际情况。
（2）会遇是如果两船同时处于某一给定距离以内的一种实际状态。这种方法被大多数的海上交通工程研究人员采用。
（3）会遇是假如两艘船舶都不采取避让行动，则两艘船舶的会遇最近距离就会小于某一给定距离的一种情况。
（4）会遇是船舶在海上相遇后，进而导致其中一艘船舶或两艘船舶都采取实际避让行动。
船舶会遇率是指一个区域、单位时间内船舶会遇次数。本节采用第二种会遇定义，会遇的研究数据为船舶AIS。
2.2基于AIS的船舶会遇定义
本船舶会遇研究的数据是船舶AIS动态信息。这些数据包括有船舶的位置（经纬度）、航向、航速等信息，并从AIS静态信息中提取船舶的长度、宽度、船舶识别码等信息。
2.3船舶会遇时空分析的意义
船舶会遇的时空间分布、会遇船舶类型、会遇态势是船舶行为特征分析的重要方面。船舶会遇研究所取得的成果是进行船舶交通管理、港航交通规划的理论基础。
（1）会遇空间分布
船舶会遇在不同水域的空间分布体现了船舶碰撞危险的空间分布。因此船舶会遇空间分布分析是有针对性地优化港航设计和海上交通整治的重要理论依据。
（2）会遇时间分布
一天不同时段，海上通航环境存在较大的不同，船舶的行为特征也随之不同。如在良好的白天，船员了望视野宽阔，比较容易发现存在的碰撞风险，因而避让措施采取会比较及时。相反地，在夜晚，船员值班时比较不易发现灯光微弱的小型船舶，就会造成较多的船舶会遇。因此船舶会遇频率分布会根据一天之中的不同时段而呈现不同特点。
（3）会遇船舶类型
船舶类型不同、吨位不同，则船舶的操纵行为习惯就会存在区别，不同类型船舶的会遇情形就存在各自特点。本研究从不同船舶的长度、船舶种类等角度分析船舶会遇，为针对不同船舶类型的交通管理与服务提供理论依据。
3船舶会遇算法
3.1数据预处理
有些AIS信息是有错误，因而需要进行预处理，以提高数据精度和工作效率。
3.2船舶会遇算法
船舶AIS数据的特点是播发时间间隔短、数据量庞大。因而需要精心设计会遇提取算法，以便高效地分析舶会遇情况。
3.3算法分析和特点
第一步，会遇两艘船舶在会遇时，他们的AIS记录时间是相同的。
第二步，利用数据库的SQL语言，可很方便进行两船间的距离计算。
第三步，两船会遇距离值（EncDist）需要按照不同具体情况进行分析确定。
第四步，进行会遇重复项检查并删除。
根据上述分析，本節设计的船舶会遇算法的时间复杂度为O（n），n为所有船舶AIS记录数。
4实验与分析
4.1以长江口为例的船舶会遇分析
1.研究范围和数据整理
利用己建立的船舶AIS信息服务平台采集长江口的船舶AIS数据作为实验数据。根据长江口的情况，本文以纬度31°13′.4N至30°52′.3N，经度122°23′.0E至122°47′.3E之间的水域为研究水域。
2.会遇船舶分析
根据上述的船舶会遇算法，实现对表2-1中船舶AIS数据的会遇信息提取。根据船舶种类和船舶长度，统计分析获得了如图2～图3的会遇船舶种类和尺度分布图。
普通货船（集装箱、散杂船等）占有所有船舶比例大，因而这类船舶的会遇次数也在总会遇次数中占有相当大的比重。而图4则呈现了会遇中船舶长度的分布特点。船长在50m～200m之间的会遇船舶占船舶总数的63.2%，200m米及以下小型船舶的会遇，则占的比例高达88.9%。
3.船舶会遇的空间分析
如在长江口内，存在很多的中小型船舶航行于北槽航道外，长江口的锚地也在附近，因而此水域周边存在较多的船舶会遇现象，可见此处船舶通航环境较为复杂，存在的安全隐患较大。 在长江口主航道通航环境相对较好，所以该区域船舶平均速度较大。
各来往的船舶在此和主航道上的航行船舶产生会遇，水域较为宽阔，次数相对较少。
4.船舶会遇的时间分布
深夜12点到4点是长江口内的船舶会遇时间较为集中的时段。经统计，深夜中的船舶会遇次数比重大，占30.1%，发生在夜间总的船舶会遇数量占57.9%。而15点和20点之间的船舶会遇数量相对小。夜间航行存在较多的不安全因素，从而导致船舶之间的会遇数量较多。
5.船舶会遇态势分析
船舶相互驶近的会遇态势有三种，即对遇、追越和交叉相遇。其中交叉相遇又分为大角度和小角度两种情况，如表2-1所示。本节采用AIS数据中的实际航向（Course 0ver Ground，COG）来判断船舶的会遇态势，并以此进行船舶会遇态势统计。
根据分析结果，长江口水域的船舶会遇中交叉相遇和追越居多，分别占总的会遇次数的56.3%和34.3%;而其中的小角度交叉相遇则占了44.2%。
4.2性能评估与分析
船舶会遇是船舶行为特征的重要方面，挖掘船舶会遇信息是研究海上船舶交通行为的一种的效手段。传统的船舶会遇研究的数据收集较为费时费力，基于船舶AIS数据的船舶会遇信息挖掘具有很大的优势。
5小结
船舶行为是海上交通工程的重要概念，也是深入理解海上交通的重要内容，也是制定海上交通规则、航路规划、完善船舶运动数学模型的重要途径。而船舶AIS数据中包含的船舶行为数据，如船舶位置、速度、航向、轉向等，以及船舶交通流等信息，为研究船舶行为提供了极大的便利和可靠性。本文从船舶航速变化率和航向变化率、船舶会遇、船舶交通流相似性等多方面研究船舶行为特征。
参考文献：
[1]吴兆麟，朱军编著.海上交通工程（第二版）[M].大连：大连海事大学出版社，2004.
[2]藤井弥平.海上交通工学[M].东京：海文堂，1981.
[3]邵哲平.海上交通安全评价模型及仿真应用的研究[D].大连海事大学博士学位论文，2001.
[4]邱民.船舶交通工学[M].北京：人民交通山版社，1992.
[5]上海海事局2013年上海辖区海上交通事故统计年报[Z].2013.
[6]黄燕，吴平.SAS统计分析及应用[M].北京：机械工业出版社.2006.
[7]朱世武.SAS编程技术教程[M].北京：清华大学出版社.2007.