基于船舶排水量的交通流基本图绘制方法、装置及介质

技术领域

本发明涉及船舶交通流技术领域，尤其是涉及一种基于船舶排水量的交通流基本图绘制方法、装置及介质。

背景技术

海洋运输成为我国货物运输的主要交通方式。海上运输的发展也促进了造船技术的革新和进步，船舶专业化、大型化、高速化和智能化的趋势显著，船舶数量、类型、尺度和速度的变化，致使船舶交通流的复杂度更高。在此情况下，由于通航水域资源有限，必将导致水域交通风险增大，海上交通事故增多。因此，如何兼顾通航安全和通航效率，最大限度地利用好通航水域资源，是水路交通可持续发展的关键问题，需要采取有效方法收集海上交通数据，并对海上交通数据进行统计和理论研究，从宏观和微观上掌握船舶交通流基本特征和一般规律。

目前，道路交通中对于交通流基本特征参数流量q、密度k、速度v的测量、定义、求解以及其基本关系探究相关的研究很多，并且已发展到较成熟的阶段，其中Edie所提出的定义构建了一个时空区域，使q、k、v有一个共同的基础，保证了交通流基本特征间基本关系q＝k×v的存在性，被广泛应用。其中，q＝k×v也被称为Edie模型，用于描述船舶交通流。在船舶交通流方面，q、k、v的求解多是参考道路交通中的方法。对于求解船舶交通流基本特征参数流率、密度、速度时，船舶数量的统计必不可少。但是，由于水路交通的构成是极其复杂的，船舶类型繁多，尺度差异大，各船舶所占水域空间不尽相同，且大型船舶的影响非常显著，对于船舶交通量的统计不能仅仅是数量上的统计，必须通过某种换算标准，对船舶交通进行统一的定性定量分析。在海上交通研究中，往往选择某一尺度范围的船舶作为“标准船”进行换算，换算系数大都以船长或船舶总吨位为基础，对其他尺度的船型赋予不同的换算系数，进而计算得到船舶当量交通量。换算系数是采用定量和定性相结合的方式确定的，因此，换算的结果不是“等于”，而只是“相当于”。

经检索，中国专利CN 112967526B公开了一种基于AIS数据的海上交通流基本图绘制方法，该方法通过选定研究航道并建立航道坐标系，获取并清洗AIS数据后，经船舶经纬度坐标转换，确定航道中船舶的平均船长和船宽，并统计船舶进入航道时的初始横坐标值，细分航道并绘制船舶在航道的时空轨迹图，计算海上交通流特征参数并确定其关键特征参数，进而绘制海上交通流基本图。该方法从历史AIS数据中挖掘出海上交通流的自由流速和阻塞密度，能够绘制出较为完整的交通流基本图，但在计算海上交通流特征参数时，未考虑船舶间的尺度差异，导致海上交通流基本图的绘制仍然与实际情况存在偏差。因此，如何提高海上交通流基本图绘制的精确性和真实性成为需要解决的问题。

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交通流基本图绘制时精确性和真实性不高的缺陷而提供一种基于船舶排水量的交通流基本图绘制方法、装置及介质。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

根据本发明的第一方面，提供一种基于船舶排水量的交通流基本图绘制方法，该方法包括以下步骤：

S1，获取并预处理初始数据，提取船舶特征数据，根据船舶特征数据计算得到船舶排水量，所述船舶排水量用于修正不同船舶的行驶距离和行驶时间；

S2，基于选定时段内不同的船舶行驶距离和相应的船舶排水量，计算得到全时空区域内的船舶交通流流率；

S3，基于选定航段内不同的船舶行驶时间和相应的船舶排水量，计算得到全时空区域内的船舶交通流密度；

S4，基于船舶交通流流率和船舶交通流密度，计算得到船舶交通流速度；

S5，基于船舶交通流流率、船舶交通流密度和船舶交通流速度的计算结果，绘制船舶交通流基本图；

其中，所述全时空区域通过选定时段和选定航段共同确定。

作为优选的技术方案，所述计算得到船舶排水量的过程包括，单个船舶的排水量为水密度与该船舶的排水体积之积，所述排水体积为该船舶的船壳系数与型排水体积之积，所述型排水体积为该船舶的方形系数、船长、船宽与吃水之积。

作为优选的技术方案，所述全时空区域内的船舶交通流流率为单位全时空区域内的第一特征值，所述第一特征值为经船舶排水量修正后的船舶行驶距离；所述全时空区域内的船舶交通流密度为单位全时空区域内的第二特征值，所述第二特征值为经船舶排水量修正后的船舶行驶时间。

作为优选的技术方案，所述全时空区域包括多个子时空区域，在时段确定的子时空区域中，不同船舶的行驶距离不同，在航段确定的子时空区域内，不同船舶的行驶时间不同。

作为优选的技术方案，利用预处理后的初始数据，重建船舶的轨迹，绘制船舶时空轨迹图，用于求取各子时空区域内的各船舶行驶距离和行驶时间。

作为优选的技术方案，所述预处理初始数据的过程包括数据筛选和数据清洗，所述数据筛选包括从初始数据中提取相应的经纬度信息，并判断是否符合保存条件，所述数据清洗包括去除重复数据和补全缺失数据，最终得到预处理后的数据，其中，初始数据通过AIS系统获取。

作为优选的技术方案，以直角坐标系为转换基础，将所述经纬度信息转换为船舶在直角坐标系中的相应位置，用于从预处理后的数据中求解船舶行驶距离。

作为优选的技术方案，所述交通流基本图包括速度-密度子图、速度-流率子图和流率-密度子图。

根据本发明的第二方面，提供一种基于船舶排水量的交通流基本图绘制装置，包括存储器、处理器，以及存储于所述存储器中的程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的方法。

根据本发明的第三方面，提供一种存储介质，其上存储有程序，所述程序被执行时实现所述的方法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明在重新定义和求解交通流参数的过程中，考虑船舶尺度差异，引入船舶排水量，代替船舶数量作为计量单位，进而定义船舶交通流流率、密度和速度，不仅能将三参数限制在一个时空区域内，保证参数间的基本关系，而且可规避选取“标准船”以及确定换算系数的问题，从而简化求解过程，提高计算船舶交通流关键参数的精确性和交通流基本图绘制的准确性；

2、本发明在重新定义交通流流率和密度的过程中，根据选定的时段及航段确定全时空区域，并基于每艘船舶不同的行驶时间和行驶距离，考虑全时空区域中海上航道的交通情况，有效提高了海上交通流基本图绘制的完整性和真实性。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为本发明实施例中的方法实施过程示意图；

图3为本发明实施例中的航道直角坐标系示意图；

图4为本发明实施例中的经纬度坐标转换原理示意图；

图5为本发明实施例中的单个子时空区域内的船舶时空轨迹示意图；

图6为本发明实施例中绘制的交通流基本图。

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。

如图1所示，本实施例提供一种基于船舶排水量的交通流基本图绘制方法，基于Edie模型对船舶交通流基本特征参数进行重新定义，为海上交通流基本图的绘制提供支撑，便于掌握关注水域的基本特征和一般规律。如图2所示，本实施例对该方法的实施具体包括以下步骤：

步骤S1，获取并预处理初始数据，提取船舶特征数据，根据船舶特征数据计算得到船舶排水量，该船舶排水量用于修正不同船舶的行驶距离和行驶时间。具体步骤包括：

S11，选取数据源。本实施例选择上海港南漕航道某段水域作为数据源，通过AIS(Automatic Identification System，自动识别系统)获取初始数据。其中，所选航段的地理位置信息如表1所示。选取数据的时间范围为：2021年1月1日～2021年1月15日。

表1上海港南漕航道某航段地理位置信息

S12，预处理初始数据，具体包括数据筛选和数据清洗。在数据筛选过程中，利用Python编写程序对2021年1月份AIS数据进行数据提取，提取每条AIS数据中包含的经纬度信息，判断其是否在所选取的南漕航段经纬度范围内，若在则保存该条数据。在数据清洗过程中，去除重复数据，补全缺失数据，保存研究所需的AIS数据类型，如船舶MMSI码、时间、船长、船宽、吃水、经度、纬度等信息。

步骤S2，基于选定时段T内不同的船舶行驶距离和相应的船舶排水量，计算得到全时空区域内的船舶交通流流率q

其中，q

此时，船舶交通流流率表示单位时间内通过航道观测点的船舶排水量。上式中，q

根据船舶交通流流率q

其中，分母|A|

将子时空区域|A|

其中，分母|A|表示由时段T和航段L围成的长方形面积，是一个全时空区域；分子

步骤S3，基于选定航段L内不同的船舶行驶时间和相应的船舶排水量，计算得到全时空区域内的船舶交通流密度k

其中，k

此时，船舶交通流密度表示某一瞬时内单位长度一条航道上观测到的船舶排水量。上式中，k

根据船舶交通流密度的初步定义，取无限小的时段构建子时空区域|A|

其中，分母|A|

将子时空区域|A|

其中，分母|A|表示由时段T和航段L围成的长方形面积，是一个全时空区域；分子

步骤S4，基于船舶交通流流率q

根据Edie模型中的恒等式q＝k×v，得到船舶交通流速度v

在步骤S2～S4中，为了能够通过实际获取的数据计算出船舶交通流流率、密度和速度，首先需要建立航道直角坐标系，这是由于无法直接从AIS数据中得到求解交通流基本特征参数时所需的船舶行驶距离，因此需要在选取的航段上建立直角坐标系为坐标转换作基础。如图3所示，以1号点为原点建立直角坐标系，x轴的正向设置为航道走向相同。其次，进行经纬度坐标转换。如图4所示，选择1号点作为坐标转换的基准点，其经纬度为(31.373°N，121.612°E)，记为

X

D

DMP＝MP

其中，X

步骤S5，基于船舶交通流流率q

S51，确定时空区域：单个时空区域的空间范围为所选航段的长度，记为L；时间范围取一小时为一时间窗，记为T。

S52，绘制船舶时空轨迹图：如图5所示，以上海港南漕航道所选航段一个时间窗的数据为例，构建了一个时空区域内的船舶时空轨迹，图中以时间为横轴，以船舶在X方向上的行驶距离为纵轴。

S53，求取每个时空区域内各船行驶距离和时间：利用Python编写程序，在选取的数据源范围内依次划分时空区域并求取目标时空边界上船舶轨迹的起讫点，确定每艘船在目标时空区域内的行驶距离Δx与行驶时间Δt。

S54，去除反向交通流数据：如图5所示，时空区域内会存在反向行驶的船舶(逆X方向)，在计算船舶交通流基本特征参数前需剔除该类数据。

S55，求解交通流基本特征参数：完成数据处理后，得出了每艘船在目标时空区域内的行驶距离与时间，结合AIS数据中的船长、船宽和吃水数据计算出排水量，带入公式即可求出船舶交通流流率、密度和速度。参数计算依据基于Edie模型的船舶交通流基本特征定义方法，如下所示：

其中，|A|＝L×T是一个时空区域；D

S56，基于求解结果绘制交通流基本图。如图6所示，该交通流基本图包括三幅子图，图6(a)为速度-密度子图，图6(b)为速度-流率子图，图6(c)为流率-密度子图。利用重新定义的交通流参数绘制得到的海上交通流基本图，能够为相关研究人员分析和管理海上交通提供更准确的方法。

本实施例提供的方法不进行船舶数量的统计，而是引入船舶排水量计算交通流基本特征参数流率、密度和速度。该方法直接将船舶排水量反映在基于Edie模型的道路交通流基本特征的定义中，不仅能将船舶交通流三参数限制在一个时空区域内，保证了基本关系，而且可规避选取“标准船”以及确定换算系数的问题，在求解船舶交通流流率、密度和速度时考虑了船舶尺度差异，丰富了船舶交通流宏观特征方面的研究。具体地，该方法调整了Edie模型对于道路交通流基本特征的广义定义，将其应用到海上交通流中，规避了标准船换算问题，考虑船舶尺度，完成了对船舶交通流特征的重新定义，丰富了船舶交通流理论。

进一步地，本实施例提供一种基于船舶排水量的交通流基本图绘制装置，包括存储器、处理器，以及存储于存储器中的程序，该处理器执行程序时实现前述方法。该装置包括中央处理单元(CPU)，其可以根据存储在只读存储器(ROM)中的计算机程序指令或者从存储单元加载到随机访问存储器(RAM)中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在RAM中，还可以存储设备操作所需的各种程序和数据。CPU、ROM以及RAM通过总线彼此相连。输入/输出(I/O)接口也连接至总线。设备中的多个部件连接至I/O接口，包括：输入单元，例如键盘、鼠标等；输出单元，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元，例如磁盘、光盘等；以及通信单元，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元允许设备通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。处理器执行上文所描述的各个方法和处理，例如步骤S1～S5。例如，在一些实施例中，步骤S1～S5可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM和/或通信单元而被载入和/或安装到设备上。当计算机程序加载到RAM并由CPU执行时，可以执行上文描述的步骤S1～S5的一个或多个步骤。在其他实施例中，CPU可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行方法S1～S5。以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、片上系统(SOC)、复杂可编程逻辑设备(CPLD)等等。

进一步地，本实施例还提供一种存储介质，其上存储有程序，该程序被执行时实现前述的方法。用于实施方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

在本发明的上下文中，计算机可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

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。