CN115830158A - 一种基于微观跟驰理论的船舶交通流基本图绘制方法 - Google Patents

一种基于微观跟驰理论的船舶交通流基本图绘制方法 Download PDF

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CN115830158A CN202211446859.6A CN202211446859A CN115830158A CN 115830158 A CN115830158 A CN 115830158A CN 202211446859 A CN202211446859 A CN 202211446859A CN 115830158 A CN115830158 A CN 115830158A
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刘轶华
郭锐
李劲松
林飞
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Abstract

本发明涉及一种基于微观跟驰理论的船舶交通流基本图绘制方法，包括以下步骤：S1、获取选定区域中的AIS数据，进行AIS数据预处理，并在区域上建立直角坐标系；S2、根据划分标准分割出单航道，对预处理后的AIS数据进行初筛；S3、根据转换信息绘制出船舶轨迹图，从初筛后的AIS数据中筛选出有效船舶跟驰数据对；S4、绘制速度—跟驰间距基本图；S5、绘制速度—密度基本图；S6、绘制速度—交通量基本图；S7、绘制交通量—密度基本图。本发明通过处理选定区域中的AIS数据，筛选出有效的船舶跟驰数据，根据交通流特征参数之间的关系，将海上交通流基本图绘制完整，对该水域的交通特征和交通状况提供参考依据。

Description

一种基于微观跟驰理论的船舶交通流基本图绘制方法
技术领域
本发明涉及海上交通流领域，尤其是涉及一种基于微观跟驰理论的船舶交通流基本图绘制方法。
背景技术
水运业是社会经济发展的重要支柱性产业，逐年增加的货运量和航道里程数表明我国的水路运输在经济和运输业中占的比重越来越大，但随之而来的航道拥堵、运行效率下降、水上交通事故频发等问题给世界经济带来了巨大损失。这使得充分利用有限的水域资源，提高航道服务质量，保障船舶安全、高效、经济通航成为水上交通可持续发展的焦点问题。
海上交通流基本图可以从理论上确定航道的最大通行能力、最佳密度、最佳航速，为海上交通主管部门的交通管制提供科学的理论决策依据。然而由于船舶的自身尺度大、舵效慢等特点，造成船舶的机动性远没有道路车辆灵活，并且船舶在水中航行时，还需要考虑风、流、浪等气象因素对船舶航迹带宽度的影响。由于上述原因的存在，导致船舶在航道内行驶时候的跟驰间距较大，从而航段内密度较小，交通流量不大，基本上不会出现拥堵状况，所以海上交通流基本图无法展现全貌。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，考虑两船之间跟驰间距和跟驰时距等特征因素而提供一种基于微观跟驰理论的船舶交通流基本图绘制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于微观跟驰理论的船舶交通流基本图绘制方法，包括以下步骤：
S1、获取选定区域中的AIS数据，进行AIS数据预处理，并在区域上建立直角坐标系；
S2、根据划分标准分割出单航道，对预处理后的AIS数据进行初筛；
S3、根据转换信息绘制出船舶轨迹图，从初筛后的AIS数据中筛选出有效船舶跟驰数据对；
S4、计算前后两船的跟驰间距，绘制速度—跟驰间距基本图；
S5、计算船舶的密度，绘制速度—密度基本图；
S6、计算前后两船的跟驰时距，绘制速度—交通量基本图；
S7、绘制交通量—密度基本图。
进一步地，所述的步骤S1中利用点射法获取选定实验水域航道区域的AIS数据，其中包含船舶航行时间、MMSI(水上移动通信业务标识码)、船舶经纬度数据以及船舶速度，若船舶从选定的水域当中行驶，以船舶为中心发出的射线与封闭区域边界的交点为奇数个；若船舶在选定的水域外部行驶，则以船舶为中心发出的射线与封闭区域边界的交点为偶数个。
进一步地，所述的步骤S1中对AIS数据预处理具体为删除异常数据，并采用三次样条插值方法，以20秒为间隔，对AIS数据进行插值处理。
进一步地，所述的步骤S1中将预处理后AIS数据中的经纬度动态信息转换为航道直角坐标系中的纵坐标和横坐标，横坐标x表示船舶距基准点的实际纵向距离，纵坐标y表示船舶距基准点的实际横向距离。
进一步地，所述的步骤S2中按照五倍标准船宽d划分了单航道，用船舶AIS 数据点在航道坐标系的yi值、单航段左边线坐标y1、右边线坐标yr和单航道的宽度 d的关系判断该船舶是否在选定的分割单航道内行驶，取AIS数据点偏离单航道右边线的距离为Δy：
Δy＝yr-yi
若满足Δy<d且yi<yr，则该船舶在所选定的分割单航道内行驶；找出单航道前后相邻时间内进出该单航道的船舶数据对，并确保后船在单航道内不发生追越行为，这样便初筛出满足船舶跟驰条件的船舶数据对。
进一步地，所述的步骤S3中利用x坐标值为纵坐标，时间t为横坐标绘制船舶轨迹图，根据所绘制的船舶航行轨迹图，找到前船轨迹曲线波动的起始点，找出对应的时间ti，表示从此刻开始前船骤然减速，后船也随之减速，前船轨迹波动引起后船轨迹波动，符合这种规律的数据对为有效船舶跟驰数据对，将一整年的数据进行处理，筛选出符合规律的有效船舶跟驰数据对。
进一步地，所述的步骤S4中跟驰间距S：
S＝x1-x2
其中，S表示前后两船的跟驰间距，x1表示前船在纵轴方向上的距离，x2表示后船在纵轴方向上的距离，对于步骤S3中已经筛选出的有效船舶跟驰数据对，根据速度数据和跟驰间距数据，绘制速度—跟驰间距基本图。
进一步地，所述的步骤S5中船舶的密度k：
Figure BDA0003949866810000031
Figure BDA0003949866810000032
Figure BDA0003949866810000033
其中，S表示前后两船的跟驰间距，L为单位航段的长度，N为处于该航段的船舶数量，得到密度k为跟驰间距S的倒数，对于步骤S3中已经筛选出的有效船舶跟驰数据对，根据速度数据和密度数据，绘制速度—密度基本图。
进一步地，所述的步骤S6中跟驰时距h：
h＝S/v
其中，h代表船舶跟驰时距，S表示前后两船的跟驰间距，v代表后船航行速度，为后船以当前速度行驶到前船所在位置所花费的时间。
根据跟驰时距h，得出船舶交通量q：
Figure BDA0003949866810000034
Figure BDA0003949866810000035
Figure BDA0003949866810000036
其中，T为单位时间，q为船舶交通量，得到船舶交通量q为跟驰时距h的倒数，根据速度数据和交通量数据，绘制速度—交通量基本图。
进一步地，所述的步骤S7根据步骤S5和步骤S6计算得到的交通量和密度这两个特征参数，绘制出交通量—密度基本图。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明通过处理选定区域内的AIS数据，筛选出有效的船舶跟驰数据对，通过速度—跟驰间距基本图来推导出其他三张基本图，将海上交通流基本图绘制完整，直观地展现了船舶交通量、速度和密度三大特征参数之间的关系，从而方便确定了航道的最大通行能力、最佳密度和最佳航速，为航道主管当局对该水域的交通特征和交通状况提供参考依据。
2.本发明充分考虑到了船舶与车辆的特征及交通环境具有本质区别，基于微观跟驰理论计算跟驰间距S和跟驰时距h，并由此计算出船舶的密度k以及船舶交通量q，探究海上交通流的特征和规律，完成船舶交通流基本图的绘制，着力展现海上交通流基本图全貌，丰富海上交通的理论体系，推动了海上交通往智能化方向的发展。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明筛选区域的海图；
图3为本发明的船舶在单航道位置示意图；
图4为本发明的船舶航行轨迹图；
图5为本发明速度—跟驰间距示意图；
图6为本发明速度—密度基本图；
图7为本发明速度—交通量基本图；
图8为本发明流量—密度基本图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
跟驰理论研究是交通微观行为建模仿真的基础，研究跟驰理论可以从微观的角度去揭示宏观交通流现象，探究宏观交通流特性的形成机理。
如图1所示为一种基于微观跟驰理论的船舶交通流基本图绘制方法，包括以下步骤：
S1、获取选定区域中的AIS数据，进行AIS数据预处理，并在区域上建立直角坐标系；
S2、根据划分标准分割出单航道，对预处理后的AIS数据进行初筛；
S3、根据转换信息绘制出船舶轨迹图，从初筛后的AIS数据中筛选出有效船舶跟驰数据对；
S4、计算前后两船的跟驰间距，绘制速度—跟驰间距基本图；
S5、计算船舶的密度，绘制速度—密度基本图；
S6、计算前后两船的跟驰时距，绘制速度—交通量基本图；
S7、绘制交通量—密度基本图。
步骤一：以上海港长江口航道中南槽航道上段S33-S37灯浮水域作为实验水域，该水域海图如图2所示；
选取该南槽航道2018年全年AIS数据为数据源，从该区域海量AIS数据中利用射线法筛选出经过该航道段的AIS数据，AIS数据在传输过程中会出现延时和错误的现象，因此会出现AIS数据缺失、数据重复、数据异常的情况，所以要对所筛选出来的AIS数据进行预处理。AIS设备信息发送是非等间隔的，导致接收到 AIS数据也是非等时间间隔，船舶跟驰研究的是同一时空下两艘船的行为，因此采用三次样条插值方法，以20秒钟为间隔，对AIS数据进行插值处理。
在选定水域上建立直角坐标系，将船舶AIS数据中的经纬度动态信息转换成航道直角坐标系中的纵坐标和横坐标，横坐标x表示船舶距基准点的实际纵向距离，纵坐标y表示船舶距基准点的实际横向距离。
步骤二：通过python编程对AIS数据进行统计分析出该航道船舶的平均船宽，以五倍平均船宽d作为单航道的划分标准分割航道，用船舶AIS数据点在航道坐标系的yi值、单航段左边线坐标y1和右边线坐标yr的关系判断该船舶是否在选定的分割单航道内行驶，取AIS数据点偏离单航道右边线的距离为Δy：
Δy＝yr-yi
若满足Δy<d且yi<yr，则可判断该船舶AIS在所选定的分割单航道内行驶内，确保船舶都经过该航道的起点和终点；反之，该船舶则偏离单航道行驶。接着要从大量AIS数据中粗筛出大致符合跟驰规律的数据，找出单航道前后相邻时间内进出该单航道的船舶对数据，因为只有船舶前后行驶的时候才有机会发生跟驰行为；最后要确保后船在单航道内不发生追越行为。如果上述条件都满足，则可以初步粗略地筛选出满足船舶跟驰条件的船舶对数据，包括船舶坐标、时间、航行速度、跟驰间距和跟驰时距。但是这些数据并不是确切的完全符合跟驰，要从这些数据中进一步筛选，发现船舶跟驰行为的具体行为规律。
步骤三：利用步骤一中得到的直角坐标数据绘制船舶轨迹图，从初筛后的AIS 数据中筛选出有效船舶跟驰数据对。
筛选出的AIS数据中船舶的位置信息已经被转化为直角坐标数据，可以利用x 坐标值为纵坐标，时间为横坐标绘制船舶轨迹图，船舶有序的在航道中跟驰行驶，跟驰的两船是同向的，且具有相似的运动学特征，前船和跟后船的位移时间曲线、速度时间曲线、加速度时间曲线是存在时滞的相似形状，如果前船在t时刻忽然发现前面有某一船舶正在横穿航道，为了避免发生碰撞，前船则会采取立马采取减速行为，前船速度下降，后船为了避免和前船发生碰撞，也会采取减速行为，因此，在船舶产生减速那一瞬间，船舶的速度将会下降，在船舶航行轨迹图上则会产生波动现象，简化示意图如图4所示，这种情况是符合微观船舶跟驰行为的船舶，符合这种规律的数据对为有效船舶跟驰数据对，将一整年的数据进行处理，筛选出符合规律的有效船舶跟驰数据对。
步骤四：绘制速度—跟驰间距基本图。
跟驰间距S：
S＝x1-x2
其中，S表示前后两船的跟驰间距，x1表示前船在纵轴方向上的距离，x2表示后船在纵轴方向上的距离，根据步骤三已经筛选出的有效船舶跟驰数据对，根据速度和跟驰间距这两个数据，就可以画出速度—跟驰间距基本图，简要示意图如图5 所示。
步骤五：绘制速度—密度基本图。
船舶的密度k：
Figure BDA0003949866810000061
Figure BDA0003949866810000062
Figure BDA0003949866810000063
其中，S表示前后两船的跟驰间距，L为单位航段的长度，N为处于该航段的船舶数量，得到密度k为跟驰间距S的倒数；由此，可以根据速度和密度这两个数据，就可以画出速度—密度基本图，简要示意图如图6所示。
步骤六：绘制速度—交通量基本图。
计算发生跟驰行为的前后船的跟驰时距h：
h＝S/v
其中，h代表船舶跟驰时距，S表示前后两船的跟驰间距，v代表后船航行速度，为后船以当前速度行驶到前船所在位置所花费的时间
根据跟驰时距h，得出船舶交通量q：
Figure BDA0003949866810000071
Figure BDA0003949866810000072
Figure BDA0003949866810000073
其中，T为单位时间，q为船舶交通量，得到船舶交通量q为跟驰时距h的倒数，根据速度和交通量这两个数据，绘制速度—交通量基本图，简要示意图如图7所示。
步骤七：绘制流量—密度基本图。
根据步骤五和步骤六求得的交通量和密度这两个特征参数，便可以绘制出交通量—密度基本图，简要示意图如图8所示。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于微观跟驰理论的船舶交通流基本图绘制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取选定区域中的AIS数据，进行AIS数据预处理，并在区域上建立直角坐标系；
S2、根据划分标准分割出单航道，对预处理后的AIS数据进行初筛；
S3、根据转换信息绘制出船舶轨迹图，从初筛后的AIS数据中筛选出有效船舶跟驰数据对；
S4、计算前后两船的跟驰间距，绘制速度—跟驰间距基本图；
S5、计算船舶的密度，绘制速度—密度基本图；
S6、计算前后两船的跟驰时距，绘制速度—交通量基本图；
S7、绘制交通量—密度基本图。
2.根据权利要求1所述的一种基于微观跟驰理论的船舶交通流基本图绘制方法，其特征在于，所述的步骤S1中利用点射法获取选定实验水域航道区域的AIS数据，其中包含船舶航行时间、MMSI、船舶经纬度数据以及船舶速度，若船舶从选定的水域当中行驶，以船舶为中心发出的射线与封闭区域边界的交点为奇数个；若船舶在选定的水域外部行驶，则以船舶为中心发出的射线与封闭区域边界的交点为偶数个。
3.根据权利要求1所述的一种基于微观跟驰理论的船舶交通流基本图绘制方法，其特征在于，所述的步骤S1中对AIS数据预处理具体为删除异常数据，并采用三次样条插值方法，以20秒为间隔，对AIS数据进行插值处理。
4.根据权利要求1所述的一种基于微观跟驰理论的船舶交通流基本图绘制方法，其特征在于，所述的步骤S1中将预处理后AIS数据中的经纬度动态信息转换为航道直角坐标系中的纵坐标和横坐标，横坐标x表示船舶距基准点的实际纵向距离，纵坐标y表示船舶距基准点的实际横向距离。
5.根据权利要求1所述的一种基于微观跟驰理论的船舶交通流基本图绘制方法，其特征在于，所述的步骤S2中按照五倍标准船宽d划分了单航道，用船舶AIS数据点在航道坐标系的yi值、单航段左边线坐标y1、右边线坐标yr和单航道的宽度d的关系判断该船舶是否在选定的分割单航道内行驶，取AIS数据点偏离单航道右边线的距离为Δy：
Δy＝yr-yi
若满足Δy<d且yi<yr，则该船舶在所选定的分割单航道内行驶；找出单航道前后相邻时间内进出该单航道的船舶数据对，并确保后船在单航道内不发生追越行为，这样便初筛出满足船舶跟驰条件的船舶数据对。
6.根据权利要求1所述的一种基于微观跟驰理论的船舶交通流基本图绘制方法，其特征在于，所述的步骤S3中利用x坐标值为纵坐标，时间t为横坐标绘制船舶轨迹图，根据所绘制的船舶航行轨迹图，找到前船轨迹曲线波动的起始点，找出对应的时间ti，表示从此刻开始前船骤然减速，后船也随之减速，前船轨迹波动引起后船轨迹波动，符合这种规律的数据对为有效船舶跟驰数据对，将一整年的数据进行处理，筛选出符合规律的有效船舶跟驰数据对。
7.根据权利要求1所述的一种基于微观跟驰理论的船舶交通流基本图绘制方法，其特征在于，所述的步骤S4中跟驰间距S：
S＝x1-x2
其中，S表示前后两船的跟驰间距，x1表示前船在纵轴方向上的距离，x2表示后船在纵轴方向上的距离，对于步骤S3中已经筛选出的有效船舶跟驰数据对，根据速度数据和跟驰间距数据，绘制速度—跟驰间距基本图。
8.根据权利要求1所述的一种基于微观跟驰理论的船舶交通流基本图绘制方法，其特征在于，所述的步骤S5中船舶的密度k：
Figure FDA0003949866800000021
Figure FDA0003949866800000022
Figure FDA0003949866800000023
其中，S表示前后两船的跟驰间距，L为单位航段的长度，N为处于该航段的船舶数量，得到密度k为跟驰间距S的倒数，对于步骤S3中已经筛选出的有效船舶跟驰数据对，根据速度数据和密度数据，绘制速度—密度基本图。
9.根据权利要求1所述的一种基于微观跟驰理论的船舶交通流基本图绘制方法，其特征在于，所述的步骤S6中跟驰时距h：
h＝S/v
其中，h代表船舶跟驰时距，S表示前后两船的跟驰间距，v代表后船航行速度，为后船以当前速度行驶到前船所在位置所花费的时间；
根据跟驰时距h，得出船舶交通量q：
Figure FDA0003949866800000031
Figure FDA0003949866800000032
Figure FDA0003949866800000033
其中，T为单位时间，q为船舶交通量，得到船舶交通量q为跟驰时距h的倒数，根据速度数据和交通量数据，绘制速度—交通量基本图。
10.根据权利要求1所述的一种基于微观跟驰理论的船舶交通流基本图绘制方法，其特征在于，所述的步骤S7根据步骤S5和步骤S6计算得到的交通量和密度这两个特征参数，绘制出交通量—密度基本图。
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