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原文传递船舶碰撞风险时空建模与预测方法研究

论文题名：	船舶碰撞风险时空建模与预测方法研究
关键词：	船舶航行;碰撞风险;微观建模;时空可视化;时空预测
摘要：	随着“交通强国”、“海洋强国”等国家战略的实施和“一带一路”等国家倡议的提出，中国水上交通运输行业进入了新时代。在交管部门多措并举下，中国水上交通管理水平显著提高，水上交通安全形势明显改善，但水上交通事故依然时有发生，严重威胁着水上交通运输安全与效率。作为主要的水上交通事故之一，船舶碰撞易造成严重的经济损失和不良社会影响，因此深入分析船舶碰撞风险具有重要的理论意义和应用价值。本文将在船舶冲突等级（VCRO）模型基础上引入四元船舶领域（QSD）度量船舶碰撞风险；以网格化成山头水域为研究对象，通过计算网格水域内的碰撞风险，结合数据可视化技术探究该风险在微观时空尺度下的演化规律；进而通过搭建深度学习模型挖掘风险的时空关联特征，达到在宏观尺度上准确预测船舶碰撞风险的目的。研究结果有助于提升海事监管智能化水平，推进水运治理体系和治理能力现代化建设。全文的主要工作和研究成果如下：　　（1）船舶碰撞风险微观建模。为有效识别船舶碰撞风险紧迫程度，本文将自适应QSD引入传统VCRO模型以实现船舶间相对距离的动态度量，并通过实际船舶冲突数据利用最小二乘法对模型参数进行拟合得到EVCRO（Enhanced VCRO）模型，最后通过真实船舶冲突数据对模型的有效性进行验证。实验结果表明，该模型能够有效区分船舶碰撞风险紧迫程度。EVCRO模型的构建为开展微观时空尺度下的碰撞风险可视化和预测研究奠定了基础。　　（2）船舶碰撞风险时空可视化。为探究风险在微观时空尺度下的演化规律，将研究水域进行网格化处理，利用EVCRO模型计算网格水域内船舶碰撞风险，通过KDE数据可视化技术对该风险在时空维度进行可视化表达，从微观角度探究风险的时空演化规律。实验表明，船舶碰撞风险具有邻近性、时间周期性、空间聚集性和趋势性等规律，证明了船舶碰撞风险时空预测的可行性。　　（3）船舶碰撞风险时空预测。微观尺度下的风险时空可视化研究结果表明，船舶碰撞风险在时空维度上存在特定规律，因此风险时空预测具有可行性。为解决数据稀疏问题，将风险矩阵生成热度图，再将其转换为多维张量并进行归一化处理作为模型的输入以加速模型训练。通过构建卷积长短期记忆网络（ConvLSTM）模型来对风险进行时空预测，并对预测结果进行分析评价。预测结果可为无人驾驶船舶航线规划、水上航行警戒区设置以及水上应急救助资源优化布局提供重要理论依据。　　本文从水上交通安全涉及的船舶碰撞风险模型构建、时空可视化及时空预测三个主要方面进行深入研究，为全面提升海事监管智能化水平、推进水运治理体系和治理能力现代化建设提供坚实理论支撑。
作者：	王凯
专业：	交通信息工程及控制
导师：	刘文
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021