基于AIS数据的长江中下游船舶交通流分布特征统计分析毕业论文

 2020-04-03 11:04

摘 要

随着航运业的快速发展和船舶数量的不断增加,水运环境变得越来越复杂复杂,对船舶交通流分布特征进行统计分析,对于保障通航安全、提高通航效率等具有重要的现实意义。

本文首先对船舶交通流概念和统计理论中的分布函数进行了介绍,然后选取长江中下游的武汉长江大桥断面、南京长江大桥断面以及上海吴淞口附近断面,从年、月、日、时等时间段对船舶交通流的数量、尺度、类型、航速、航向等几个方面进行了数据统计,并对各断面的船舶交通流各种特征进行正态分布、泊松分布、伽玛分布、逻辑分布和指数分布拟合及分析,得出了这些断面的分布特征及适用的分布函数。

对长江中下游船舶交通流分布特征进行统计分析,不仅可丰富船舶交通流理论,而且对于保障通航安全、提高通航效率及科学合理地规划水域布局等具有重要作用。

关键词AIS数据;长江中下游;船舶交通流分布特征

Abstract

With the rapid development of the shipping industry and the continuous increase in the number of ships, the water transportation environment is becoming more and more complex. It is very important to strengthen the research on the safety of water transportation. Statistical analysis of the distribution characteristics of ship traffic flow has important practical significance for effectively increasing traffic flow, reducing the channel burden, ensuring navigation safety, and improving navigation efficiency.

This paper firstly introduces the purpose and significance of research on ship traffic flow, and summarizes some of the domestic and foreign research status. Then this paper elaborates the concepts of ship traffic flow and some distribution characteristics, and introduces the distribution function to be used in the text. This paper selects typical sections from the Wuhan section, the Nanjing section and the Shanghai section of the middle and lower reaches of the Yangtze River. The number, scale, type, speed, and course of ship traffic flow are selected from the years, months, days, and time periods. Statistics and analysis are carried out. The normal traffic distribution, Poisson distribution, gamma distribution, logistic distribution and exponential distribution are applied to the analysis of various characteristics of the traffic flow of the selected section.

The statistical analysis of the distribution characteristics of ship traffic flow in the middle and lower reaches of the Yangtze River not only enriches the theory of transportation engineering disciplines, but also has important theoretical value. And it also has important practical significance for the development of a reasonable traffic planning plan for the water traffic management department and the dispatching department, to ensure navigation safety and improve navigation efficiency, and to scientifically and reasonably plan the layout of the waters.

Keywords: AIS data; middle and lower reaches of the Yangtze River; vessel traffic flow

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国外研究现状 1

1.2.2国内研究现状 2

1.3研究内容及技术路线 2

1.3.1研究内容 2

1.3.2技术路线 3

第2章 船舶交通流理论 4

2.1船舶交通流概述 4

2.2船舶交通流特征 4

2.2.1船舶交通流量 4

2.2.2船舶种类分布与船舶尺度分布 4

2.2.3船舶速度分布 5

2.2.4船舶流向分布 5

2.3 本章小结 5

第3章 统计分布及检验的基础理论 6

3.1统计分析概述 6

3.2统计分析模型 6

3.3统计假设检验 7

3.4 本章小结 8

3.5断面选取及数据收集 8

3.5.1断面选取 8

3.5.2数据收集 8

3.6船舶交通流量统计 8

3.7船舶类型分布 9

3.8船舶尺度分布 11

3.8.1船舶长度分布 11

3.8.2船舶宽度分布 13

3.8.3船舶吃水分布 13

3.9船舶速度分布 14

3.10船舶流向分布 17

3.11本章小结 17

第4章 船舶交通流分布特征统计分析 18

4.1船舶交通流量分布拟合 18

4.2船舶尺度分布拟合 19

4.2.1船舶长度分布拟合 19

4.2.2船舶吃水分布拟合 21

4.3船舶速度分布拟合 22

4.4本章小结 23

第5章 总结与展望 25

5.1总结 25

5.2展望 25

参考文献 26

致谢 27

第1章 绪论

1.1研究目的及意义

随着我国经济的迅速发展,国内外贸易日益频繁,航运业发展迅速,水上交通运输量不断增长,尤其是一些重要的水道,交通非常繁忙,因此,保障水上交通运输的安全对我国经济的发展有着举足轻重的作用,研究船舶交通流特征对提高水上交通率,增进水上交通安全有重要的现实意义。它不仅丰富了交通运输工程学科理论和方法,具有重要的理论价值,而且为水上交通管理与控制、指导港口水域规划和布局提供理论依据与支持。

1.2国内外研究现状

交通流的概念起源于上个世纪四十年代,在道路交通工程学中得到了长期的研究,并取得了众多成果。直到20世纪80年代,随着海上交通工程的发展,在其研究过程中逐渐应用了交通流的概念,便出现了船舶交通流的概念。由于船舶交通流的概念出现得较晚,其研究在广度、深度和成果远低于道路交通工程学。另外,海上交通工程与道路交通情况有很大差异,所以道路交通工程学上长期研究交通流而得的理论成果并不完全适用于海上交通工程学的研究。因此,十分有必要加强加强对船舶交通流的研究。目前,世界各国的许多海上交通工程学者正在密集地开展有关海上交通的研究。

1.2.1国外研究现状

过去在国外,有许多学者都对船舶交通流进行了研究。1971年,Yamaguchi和Sakaki[1]研究了对船舶交通流量、船速和船舶航迹等多个方面的统计,总结了船舶交通流的统计方法,;1972年, Dixhoorn[2]提出了对船舶交通流的研究应充分考虑其影响因素;1975年,Goodwin[3]研究了北海的数据和船舶的行为,并到了海上交通流的控制中;1981年, Goldwell[4]研究了Humer 港口船舶交通流和事故的影响,1983年,Goldwell[5]提出了一种保障船舶安全航行的方法;2004年,Inaishi和Kawaguchi[6]描述了船舶在交通拥挤情况下的操纵行为和海上交通流的特征; 2010年, de Boer[7]统计分析鹿特丹港附近水域的数据并研究了港口水域船舶交通流特点,2011年,de Boer研究了船舶的行为特征;2015年,Miyake , Fukuto 及llasegawa[7]通过研究AIS数据进一步分析了船舶避碰行为。此外,还有许多海外学者在船舶交通流研究方面做了大量的工作,并采用各种方法进行船舶交通模拟研究。

1.2.2国内研究现状

随着海上交通工程学的兴起,国内对船舶交通流的研究首先由吴兆麟、齐传新[8]等人发起,先后引入了船舶交通流的概念,并开展了相关领域的研究工作;2005年,集美大学的高岩松[9]通过研究台湾海峡主要航线水域的交通流并根据其总结的特点提出了该水域的管理办法;2007,大连海事大学的江秋兰[10]提出并建立了一套通过雷达数据和AIS数据信息进行船舶交通时间观测数据的计算机处理系统,该系统借助栅格图平台,在一定时间内显示某一水域的密度分布、船型分布和航迹分布等;2009年,武汉理工大学的刘敬贤和文元桥[11]构建了分析港口航道通过能力的影响因素模型;2010年,大连海事大学的张连东[12]利用AIS数据研究了成山头水域的船舶交通流;2010年,万辉[13]调查了老铁山水道的船舶交通流;2013年,武汉理工大学的刘钊[14]使用统计学中拟合以及分布拟合检验以及预测的方法和理论等方法建立了船舶交通流特征统计分析模型以及预测模型;2014年,武汉理工大学的许鹏[15]在大数据环境的基础上研究并构建了船舶交通流特征模型;2016年,东南大学的唐月明[16]对京杭运河船舶交通流特性进行了研究;2017年,大连海事大学的林威[17]基于AIS数据搭建了船舶交通流特性统计平台,并以成山头水域为例验证了其是否可行。

此外,国内还有许多专家以及相关海事院校的研究生也在这一领域进行了大量的研究,并发表了许多相关文章。但是迄今为止,对于长江中下游的船舶交通流分布特征统计分析的研究尚未进行。以此为基础,本文主要分析长江中下游船舶交通流分布特征,希望为相关海事主管机关、交通管理中心等进行交通管理与组织提供科学的依据,为保障通航安全、提高通航效率提供数据支持。

1.3研究内容及技术路线

1.3.1研究内容

本文研究的主要内容如下:

(1)船舶交通流理论及统计分布理论概述

介绍船舶交通流的概念及来源,阐述船舶交通流的分布特征,并介绍了正态分布、泊松分布、伽玛分布、逻辑分布和指数分布及其方法并进行对比。

(2)断面选取及船舶交通流数据统计

选取长江中下游的武汉长江大桥断面、南京长江大桥断面以及吴淞口附近断面,从年、月、日、时等时间段对船舶交通流数量、尺度、类型、航速及航向等几个方面进行统计并对比分析。

(3)船舶交通流分布特征统计分析

对三个断面的船舶交通流特征统计进行正态分布、泊松分布、伽玛分布、逻辑分布和指数分布拟合并进行分析。

1.3.2技术路线

本文在长江中下游水域选取不同断面,收集相关AIS数据,在进行数据统计的基础上运用统计学原理及方法对各断面的各种分布特征进行分布拟合与对比。本文的技术路线如图1.1所示。

图1.1 技术路线图

第2章 船舶交通流理论

2.1船舶交通流概述

交通流是道路交通工程研究中提出的一个概念。早在上个世纪四十年代,为了从理论上研究各种交通工具在一条道路上的各种特性与特点总体,基于物理学,根据流体提出了交通流的概念[8]。随着海上交通工程学的发展,交通流逐渐被广泛应用于海上交通工程领域,并将其定义为:船舶交通流是在水路运输过程中表现出来了一些类似流体特征的连续运行的船舶等水上交通工具的总体[14]。随着国家经济的增长和综合国力的增强,水上贸易也变得十分频繁,货物运输过程中船舶航行的安全也就变得十分重要,在对保障船舶航行安全的各种研究中,对船舶交通流的研究也就显得十分重要。

2.2船舶交通流特征

船舶交通流有许多有用的特征,按照宏观和微观的角度可以将其分为船舶交通流微观特征和船舶交通流宏观特征,船舶交通流微观特征是研究单只船舶自身及其运动过程中的各种外在状态的总和,包括该艘船舶种类、尺度、运动方向以及速度等,它是研究船舶交通流宏观特征的基础;船舶交通流的宏观特征是在船舶交通流微观特征的家畜上,将其综合并表示出来,可以将其定义为通过某一断面或某一水域范围内所有船舶的总体外在特征,主要包括船舶交通流量、船型分布、船舶尺度分布、船舶速度分布以及船舶流向分布等[14]

2.2.1船舶交通流量

船舶交通流量是指在单位时间内通过某一水域的船舶数量,它是表征某一水域海上交通实况的最基本的参量,其大小直接反映了某一地区船舶交通的规模和繁忙程度,在一定程度上反映了该地区船舶交通的拥挤程度和危险程度[8]。船舶交通流量大,则该水域内船舶较多,水域交通状况更复杂,越容易发生水上交通事故;船舶交通流量小,则该水域内船舶较少,水域交通状况更简单,船舶航行也就更安全。根据不同的统计时间段,船舶交通流量可以分为年交通流量、月交通流量、日交通流量以及时交通流量[8]。根据不同的统计目的,除了上述交通量以外,还需要根据一定时期内的平均交通量来表示实际交通情况,如平均小时交通量和平均日交通量等。另外,根据交通量的变化规律,用于表示交通变化特征的值包括高峰时交通量、年最大时交通量及年最大日交通量[8]

2.2.2船舶种类分布与船舶尺度分布

由于一个水域内的船舶在各个方面都有所不同,所以利用混合交通总量来反映水域的实际交通量是不完整的。为弥补这一缺陷,常常需要进一步按照船舶种类和船舶尺度(船长、船宽以及船舶吃水等)等方式进行分类统计。统计得到船舶流量的船舶类型和船舶尺度比例,进而分析船舶交通流的复杂程度。这种复杂程度可以在一定程度上反映出该水域的通航安全程度。

2.2.3船舶速度分布

船舶交通流的速度是指船舶通过某一断面或在某一水域内运动时的速度分布范围[14]。分析并研究船舶交通流的速度分布状况,在一定程度上可以了解水域内船舶的交通冲突的情况,若船舶速度的差别比较大,则水域内船舶交通情况复杂,导致碰撞事故的可能性就更大[14]

2.2.4船舶流向分布

船舶的流向分布、位置分布、航向分布以及船舶到达规律都属于船舶交通流的时空分布特征,它能够反映某一水域内哪一段是船舶通航的高风险段以及什么时间通过最危险。船舶流向分布是船舶航向的宏观统计分布,通常按照船舶上、下行的不同进行统计,得到上行及下行船舶占船舶总流量的比例。船舶航向分布则是船舶航向的微观统计,反映的是船舶在各个不同方位的分布情况,在一定程度上可反映水域内船舶的对遇以及交叉相遇情况,进而推断船舶交通冲突的程度。

2.3 本章小结

本章主要对船舶交通流的概念和来源进行了介绍,并展开介绍了船舶交通流的分布特征,主要包括船舶交通流量、船舶类型分布、船舶尺度分布、船舶速度分布以及船舶流向分布等,使大家了解研究内容的基础知识,为后文研究长江中下游船舶交通流的分布特征奠定了理论基础。

第3章 统计分布及检验的基础理论

3.1统计分析概述

统计分析包括数据的收集、数据的汇总及数据的分析。数据的收集是统计分析的前提和基础,可以通过调查、实验、调查、以及检索和阅读文献来进行数据的收集,并且要注意真实性和可靠性[19]。数据整理是按照要求在数据收集完毕,开始分析之前对数据进行的验证和去除,为了使原始数据更加直观,去除的是不真实的数据。数据分析是指根据数据整理和统计运算得出结论的过程。最后的数据分析通常包括描述性统计和推论性统计[19]。描述性统计主要是计算反映数据的外部指标,如集中的趋势、分散度和相关强度等,而推论性统计则基于描述性统计,数据处理后推断样本信息的全局情况并分析和推测一般特征和规律[19]

3.2统计分析模型

本文采用了推论性统计分析模型中的分布拟合模型,常用的统计分析工具包括SPSS、MATLAB和EXCEL等,以下是对各分布模型的概念和特点的一个简单的介绍。

  1. 正态分布

正态分布也被称为高斯分布,首先由A.G.Movov在求二项分布的渐近公式中得到[19]。正态分布在许多方面都有着很大的作用,其概念如下:

若随机变量X服从位置参数为μ,尺度参数为σ的概率分布,且其概率密度函数为

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