详情

原文传递船舶AIS数据可视分析及内河桥区应用

论文题名：	船舶AIS数据可视分析及内河桥区应用
关键词：	内河水域;船舶自动识别;数据可视分析;人机交互;桥区安全
摘要：	随着水上交通运输事业的快速发展，全球桥梁建设工程不断壮大。亚洲第一长河长江在建和已建的桥梁就有80多座，这些桥梁的建设极大的促进了社会经济的发展。由于大部分桥区航道比较狭窄，通航环境复杂，船舶在通过桥区时，易发生船船和船桥碰撞事故，造成不可估量的生命和经济的损失以及桥梁和环境的破坏。因此深入探索桥区水域安全问题，系统展开相关研究并切实提高桥区船舶安全通航效率极为必要。在现有的桥区水域安全预防中，AIS(Automatic Identification System)是船舶安全预防的主要依托，也是船舶数据获取的主要载体。而在AIS系统中，船舶通航安全与事故预防的模型构建及研究也较为丰富。其中，以AIS信息数据为载体，基于历史数据及驾驶习惯的微观操作模型、大面积水域的安全通航模型等，均通过数据挖掘、船舶操控模型、船舶领域等理论模型，有效的解决了桥区水域中的安全问题。但安全事故往往出于突发，传统的统计分析及理论方法模型强调依靠机器的智能计算及高速处理能力，而忽视了海事监管人员对信息的交互和理解。　　本文从可视化方法入手，通过可视交互的模型探究与构建，结合海事监管人员的认知能力，帮助建立与理解船舶行为与通航安全的关联关系，梳理并挖掘海量AIS数据中的有效信息，结合机器实现能力和监管人员的认知能力的优势互补，为桥区水域安全提供新的思路及有效保障。本文主要研究内容如下：　　（1）提出一种针对AIS数据清洗的可视分析方法。该方法基于OSM地图和OPTICS聚类构建了一种解决AIS质量问题的可视分析系统，通过轨迹信息展示和OPTICS算法参数交互可有效的将MMSI同号船舶的混杂轨迹分离。　　（2）提出一种对AIS脏数据探索分析的可视分析方法。通过时空差分散点图AIS轨迹数据切割为不同区域，根据轨迹点间的时空距离差分来挑选AIS中存在的脏数据，通过四象堆叠图对脏数据进行分析及展示，可直观探索武汉段基站性能及覆盖盲区的分布。　　（3）提出了基于AIS数据的船舶行为可视分析方法。设计了一种综合时间、经度、纬度和速度的多维度可视化模型，在基于传统轨迹可视化模型上增加了时间坐标轴和颜色通道。并依据该模型开展了船舶异常数据识别，船舶靠停泊识别以及过弯行为模式的研究。而且本文针对船舶中的OD行为模式研究提出一种OD矩阵提取方法和OD矩阵可视化模型并结合蜂窝热力图设计了一套可视分析系统，通过地图和时间筛选等交互工具研究了湖北不同区域间的船舶交通流规律。　　（4）提出了一种船舶风险评估以及可视化模型。基于四元船舶领域，引入模糊集理论，提出了模糊四元船舶领域模型。然后综合船舶航行纵向碰撞和横向碰撞构建了空间碰撞风险计算模型。之后针对船舶航行的碰撞风险设计了热力图等可视化模型进行展示。通过可视化的结果，实现船舶碰撞风险的可视化呈现，有效的揭示了航行碰撞风险在航道中的分布特征。　　（5）构建了基于可视分析方法的桥区船舶交通流分析系统。设计了基于态势感知的船舶航行风险可视分析的系统分析框架，建立了以桥区电子航道图为背景信息并结合平行坐标与热力图的内河船舶交通状态可视化系统，并将可视分析技术应用在内河桥区领域对历史AIS数据进行了探索分析。通过可视化技术与人机交互方法的结合既实现了桥区水域微观层面的船舶多维交通状态信息可视化，和船舶宏观层面的交通状态可视化。
作者：	雷进宇
专业：	交通运输工程
导师：	初秀民
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2020