（交通信息工程及控制专业论文）基于四阶段法的船舶交通量预测方法研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 自中华人民共和国成立6 0 多年以来，我国的水运事业获得了很大发展。目 前，我国的商船已航行于世界1 0 0 多个国家和地区的4 0 0 多个港口。我国已经 基本形成一个具有相当规模的水运体系。随着我国水运交通的高速发展，航道 交通密度也在增加，航道出现拥塞，船舶交通事故频发，为了保证水运交通安 全有效地发展，就必须制定合理的水运发展战略。而船舶交通量是制定未来水 运发展战略的主要依据，它在航道未来的发展定位、航道基础设施建设规模的 确定以及航道管理的策略制定等方面都具有重要意义。 船舶交通量预测的模型和方法有很多，但多数只能反应单条航道的交通量 发展规律，无法演示周边航道条件变化对其的影响。“四阶段法 是在公路网研 究中比较成熟的预测方法，能很好的解决公路交通需求预测问题，因此，可以 将该方法引入到船舶交通量预测研究中。四阶段交通分析模型因其预测思想成 熟、模型简单易懂，在交通分析的历史上一直占据主导地位，也是迄今为止在 世界上应用最广泛的模型系统。同时，一些比较成熟的计算机软件也是基于四 阶段交通模型进行开发的，如现在通用的t r a n s c a d 规划软件，因此本文选择通 过利用比较成熟的四阶段模型来进行船舶交通量预测的研究。 本文首先阐述了船舶交通流和交通量的定义和关系，并说明了船舶交通流 预测的基本特征和基本原则。交通流预测具有符合预测科学的基本特征，同时 它又有自己的特点，如影响船舶交通流变化的因素复杂，是很难用某个单一模 型来描述船舶交通流的变化规律的。船舶交通流预测是一种有条件的宏观和微 观预测，其预测过程涉及港口特征与船舶行为等方面的影响等。通过分析目前 船舶流组合预测方法，提出了基于四阶段法的船舶交通量预测方法的概念和思 路。 然后本文展开论述了“基于四阶段法的船舶交通量预测方法 的预测思路 和预测步骤，包括前期准备工作、货运量生成预测、货运量分布预测、船型发 展预测、航道船舶量分配等五个部分。针对四阶段法的四个预测阶段，本文也 提出了相应的预测方法和常用的模型，并将得到预测模型应用实例进行检验。 本文实例分析中选取深圳港新建的铜鼓通货航道为预测对象，应用“基于四阶 段法的船舶交通量预测方法”对铜鼓航道所在的相关水域进行预测中，并得到 武汉理工大学硕士学位论文 预测结果。 最后，根据本文的研究中心、研究过程和成果作分析评价，展望了四阶段 法的船舶交通量预测方法的应用。 关键字：船舶交通量，交通流，四阶段法，船型发展 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c c 也ep e o p l e sr 叩u b l i co fc k me 鼬l i s h e d6 0y e 撼，眦s t a t e ss h i p p i n g b i l s i i l 锱sh 弱a c l l i e v e dg r e a td e v 6 l o p m 髓1 c 1 】n 翩1 t l x 伽rs t a t e sm e r c h 距ts 1 1 i p sh 勰 础e dm o r e 也组1 0 0 蚴姻锄d4 0 0p o r t sa l l0 v e r 也ew 0 订d i tc 觚b cs a i d 也a t 伽r s t a t eh 勰b 呖nac o n s i d e f a ：b l es c a l eo fw a t e r 仃砒l s l ，o r ts y s t 哪lb a s i c a l l y w i 也t l l e d e v c l o p m 如to f o l l rs t a t e s ，a t 贫昀i l s p o n ，吐l ed e l l s 时o fc h 髓n e li sm 凹e 嬲i 1 1 吕nh 嬲 b u g h tl o t so f 锄丘i cj 锄s 锄d 羽洒d c l 】曲i l lo r d e ft 0 a l 双l 舱也ee 丘e c t i v e d e 、，e l o p m e n to fs h i p p i n g 咖c 0 u rs t a t eg h o u l d 内曲m l a t ea 托冒峪o n a ：b l ew a t e f 仃卸s p i d r td e v e l o p m e n ts t f a t e 国a n 也v 娼s e l 仃a 伍cv o t 啦n ei s 吐l em 勾o rb 嬲i s 蕾o rt ：h e f i l t i l w a t 盯眦酃1 0 r td e v e l 0 i m l 饥ts _ 虹a t e g 弦nh 勰g r 铋ls i 雩面f i c 锄c e f o rt h e d e 、，e l o p m e n to r i e n t a t i o no ft l l ec h 锄e l s ，n l ed e t 锄i n a t i o no ft h cs c a l eo fc h 锄e l i n 咖r e ，m ef 0 姗u l a t i o no fc h 锄n c lm 锄a g c m e n ts 缸a t e j 斟锄d o n 1 1 1 e f ea r eal o to f m o d d s 醐dm e 吐l o d so f s 螂舰伍cp 】础c t i ，b u ta l lo fm 锄 o m yr e s p o n s e 廿a 伍cd e v e l o p m e n tl a wo fac h a n n e la n dd o n l td e m o n s 仃砒en l e i i l n u c eo ft l l ec h 锄g eo f 也ec h 锄n e lc o n d i t i o i l s ”f 伽卜s t a g em e 1 0 d ti sam a n 玳d p r e d i c t i o nm e l o di i lh i g h w a yn e tr e s e a r c h ，w t l i c hc 觚l v e 吐l el l i g h w a y 舰伍c d e m 觚dp r e d i c t i o np r o b l e l n s 0t l l a t “i st i ki i ls h i pt r a 伍cp r e d i 砸o nr e s e a r c h t h e f o u r - s t a g e 仃a m c 趾a l y s i sm e 吐l o di ss 0m 删p 同i c t i o ni d e o l o 百c a l 锄ds 呻l e m o d e lt l l a ti ta l w a y sp l a y sal e a d i n gr o l ei nm e 仃a m c 姐a 1 ) r s i s1 l i s t o 巧趾dm em o s t 丽d e l yl l s e dm o d e ls y s t e mi i l l ew o d ds 0f 缸m e a n w l l i l e ，s o m em a n j r c ds 0 胁a r ei s d c v e l o p e db a s e do nf o 肝s t a g et m 蚯ca i l a l y s i sm e m o d ，s u c h 嬲m m s c a dm a ti sa 咎。i l e r a lp l 锄i n gs o f t w a r e ，s 0 ，廿l em a t u r e df o u r - s t a j m e l o di s u 【s o di ns l l i p 仃a 衔c 刚i c t i o nr e s e a r c hi nt h i sp a p e r f i r s t l y ，i te x p l a i n st i l ed e f i n i t i o l l s 锄dr e l a t i o n s h i p so fv e s s e l 仃a 伍cn o w a i l dt r 蕊c v 0 l 啪e 1 1 1 e i li ta i l a l y z e sm eb a s i cf e a t u r c sa n db a s i c 研n c i p l e so fv e s s d 仃a 岱cn o w f o r e c a s t i n g v e s s e l 帆f f i cf l o wf o r e c a s t i n gi sa d a p tt o l eb a s i cc h a r a c t 嘶s t i c so f p r e d i c t e ds c i e i l c e ，i ta l s oh a si t so w nc h a m c t 谢s t i c s ，s u c h 私l ei n l p a c to fv e s s e l t r a 伍cf l o wc h a i l g e si nc o m p l e xf a i 、t o r s i ti sd i 筋c u l tt od e s 嘶b em ev 撕a t i o no f t r a 贩cf l o wu s i n gas i n 舀em o d e l s h i p 柏衢cf l o wf o r e c a s ti sac o n d i t i o n a lm a c r oa n d l 武汉理工大学硕士学位论文 m i c r 0f o r e c a s t i n & 廿l ef o r e c 硎n gp r o c e s si i l 、，0 1 v 懿m 跚ya s p e c 牺s uc ! h 弱n l ep o i l t c ：h a m c t 耐s t i c sa n dm eb 洲o r a lo fs ：h i p t l l i sp a p e rp p o s e dm cc o n c c p t sa 1 1 di d e 鹤 o ff o u r - s t a g em e t h o dt o 内l r e = c l s ts b j p 锄cb 鹤e do n 锄a l y s i so ft l l ec i 硼? 锄tv 船s e l f l o wc o i i l _ b i n e df 0 r e c 嬲t i n gm e t l l o d s e c o n d l 弘t h i sa n i d ed i s c i l s s 骼m ei d 铋锄ds t 印so f 竹s t u d y0 ns b j p 妇街cv o l 啪e p r e d i 舐0 nm e l h o db 雒e d0 nf - 0 u r - s t a g em 劬o d ”，i l l c l u m n gf i y ep a r t s 跚c h 私m e p f 印a r a t o r yw o d 【，誉删删e a s t 确g h t c a r g od i s 砸b u t i o np r e d i 舐o n f b r e c a s t i i l g n 舱d e v e l o p m e n to f 幽p 趾d 廿1 es h i p 舰伍cd i s 仃i b 砸o ni nc h 锄i l c l 1 1 l i sp a p 盯a l 衅s 锄t s l ec c n 髑p ) n d i n gf 0 僦a s t m gm e l o d s 觚dm o d d s i tm a k ea na p p l i c a ：t i o 旺 e x 锄p l 嚣t 0t e s t 删c 吐o nm o d e l t t l i sc 勰ei s s h 嘲之h e np o n ，s e l e c t 也en e w c ! h 锄e lt 0 删c t 锄a t i o nt a 略e tt b n g g u 印p l i c a t i o no f t l l eh f - 0 1 s t a g em e t h o db 嬲e d o nv e s s c l 的伍c 删c t i o nm e t h o d 竹，w h e t h er d e v 觚t1 、0 n g g uc h a m l c lw a t e 墙 f 0 1 优硒ta n dp r 甜i c t r e s l l l t s 龇e d f i n a l l xt i l i sp a p 盱m a k 鹤锄a l y 甄s 觚de 、讪a t i o no fr 豁e a r c hc 朗t e r ，r 骼e a “i h p r o c e 鼹a n dr 鹉e a 吨hr 鹳u l t s ，雒dp r o 印忧：t sn l e 印p l i c a t i o no f l ef o u r - s t a g em e t h o do f s h i p p i n g 仃a 衔cf o r e c 嬲缸n 吕 x 七y w o r d s ：s b j p 缸a 伍c ，昀伍cn o w f o u r s t a g em e 吐1 0 d ，s h i pd e v e l o p i i l e n t i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 洲9 s 、落 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务o ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：香哪导师( 签名) ：彳锣硝乒期- 口j 太厂 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第l 章引言 水路运输在所有的运输方式中是最为便宜的运输方式。自中华人民共和国 成立以来，我国的水运事业获得了很大发展，6 0 多年来，水路的货运量、船舶 的总载重吨位占全国各种运输方式总货物周转量的比重都有了大幅度的增长。 目前，我国的商船已航行于世界l o o 多个国家和地区的4 0 0 多个港口。可以说， 我国已经基本形成一个具有相当规模的水运体系。 我国是水路资源大国，众多的河流湖泽和沿海水域为我国航运的发展奠定 了良好的基础。在综合运输框架中，航运占有重要地位。随着国民经济和对外 贸易高速增长，中国海上交通运输业得到了持续快速发展。海运量不断增长， 中国海运在国际上的影响力不断增强，已成为繁荣全球海运的重要因素。随着 中国经济的快速发展，中国已经成为世界上最重要的海运大国之一进入新世 纪，中国海运事业保持快速增长势头，港口吞吐量和集装箱吞吐量分别以年均 1 6 5 和3 0 以上的速度增长。而除了日益昌盛的海运外，我国的内河运输也有 了大幅度增长。截止到2 0 0 3 年底，全国内河货物运输量8 1 5 亿吨，货物周转量 1 7 0 8 8 亿吨公里，分别占全社会水路货运量、货物周转量的5 1 6 和6 0 ；全 国内河航道里程达1 2 4 万公里，内河水运主通道达标率已由1 9 9 0 年的2 6 8 增 至近5 0 ，而四级以上航道里程超过1 4 万多公里。水路运输的快速发展为我国 国民经济、对外贸易、促进经济可持续发展等方面做出了贡献【。 随着我国经济的发展和国际贸易的不断扩大，全世界船舶在艘数和吨位不 断增加的同时，正向大型化高速化方向发展，船舶交通日趋繁忙，促使船舶交 通流量增加：在船舶方面，集装箱船，v l c c 和u l c c 之类的大型油轮，l n g 和l p g 液化气船舶等的投入使用，以及新型船舶相继出现，改变了船种和船型 的构成比：航线增多，航道拓宽，改变了海上交通流场的分布；分道通航制和 交通管理的实旌，使得交通方式也发生了变化。【l l 这些变化往往造成交通密度增 加，航道拥塞，船舶交通事故频发。为了保证船舶航行安全，从根本上减少这 些意外情况的发生，必须对各水道或航道的规划设计和通航管理提出更高要求。 船舶交通流量预测的研究就是为水运交通的规划、设计和船舶通航管理提 武汉理工大学硕士学位论文 供基础性依据。船舶交通量是确定水运交通基础设施建设规模的主要依据，它 预测结果的合理性、可靠性直接影响水运工程项目的投资和效益，是制定未来 水运发展战略、合理利用资源、充分发挥水运设施效益的重要参考资料。它在 航道未来的发展定位、航道基础设施建设规模的确定以及航道管理的策略制定 等方面都具有重要的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外研究现状 国外水运发达国家在加强航道开发整治的同时，也非常重视有关航道船舶 交通量预测的理论与计算方法的研究。如德国、前苏联等国家就是采用计算模 型、计算机模拟等方法，对航道的船舶交通量进行了理论上的探讨与研究，同 时还有模拟及仿真。同时，他们还根据本国航道、船舶等具体条件，提出适合 本国航道实际情况的船舶交通量预测的计算方法，建立的公式也在各自国家进 行了成功地应用。这要归功于他们对水运规划和管理的重视。 国外流行规划指导战略的观点，因为发达国家基础设施建设已经相当完善 了。无论是战略研究还是规划研究早已不把建设作为重点，他们所说的规划是 指发展规划，战略是指市场战略。显然，它们在水运交通规划和船舶交通量预 测方法上，已经拥有比较完善的理论。 1 2 2 国内研究现状 我国的内河航道自然条件比欧美优越，内河航道总里程是欧美内河航道总 里程的一倍，为1 3 5 万公里，但是我国的高等级航道却只有8 7 8 7 公里，占通航 总里程的6 7 ；而全美航道总里程只有4 1 万公里，但却1 0 0 都是水深2 7 4 米以上的高等级航道。我国高等级的航道里程不及欧美的一半，而且还未形成 航道网。除了规划中要建设长三角、珠三角、淮河水系、江河平原水系等四个 航道网外，其他水系的成网工程还未列入议事同程。 我国水运航道通航标准低，对航道通过能力的研究也尚处于分散、自发的 状态，缺乏全面、系统的研究，无论是理论方法，还是观测手段、资料档案等 基础工作均十分薄弱。当前我国在航道规划与建设中，有关船舶交通量的预测 方法并没有统一规范的理论模型，大多是借鉴公路交通相关经验和方法，如回 2 武汉理工大学硕士学位论文 归分析预测法、指数平滑法、灰色预测法、弹性系数法等。但是船舶交通流量 预测方法必须结合所预测水域( 水道) 的具体实际情况，考虑当时所处社会和自然 环境的影响。因此，严格来说，时至今日，人们尚未找到种能够完全适应于 我国各港口所辖水域( 水道) 船舶交通流量预测的方法。 我国目前较为广泛应用的主要是以下两种：基于误差绝对值之加权和最小 的组合预测模型和大连海事大学吕靖和方祥麟教授提出的c f s m 组合预测模型 ( c o m p o s i t es y s t e m a t i cf o f e c a s 妇gm o d e l ) 。 1 3 预测方法 船舶交通流量预测是将水运工程技术和经济预测技术有效结合的起来的一 门新兴应用科学，从技术层面上讲，对水运交通流量的预测比一般的市场预测 所要考虑的影响因素和指标要更为复杂和繁多，这要求在具体方法应用时要因 地制宜采用不同的方法或多种方法的结合，综合国内外各种文献，本部分研究 了水道船舶交通流量预测的常用的几种方法、模型。 目前，世界上现有的预测方法与技术有上百种之多，而在船舶交通量预测 中常用的预测方法也有十几种。按预测方法的性质，大体上可将之划分为两大 类：定性预测方法与定量预测方法。 1 3 1 定性预测方法 定性预测指的是那些经验判断性质的分析预测，它主要依靠专家判断、经 验分析、逻辑推理来进行。国内外比较流行的定性方法主要是“专家会议法 和“德尔菲法( d e l p l l i ) 【2 】。 ( 一) 专家会议法 专家会议法又称经验判断法、头脑风暴法。这种方法是请熟悉有关预测问 题的专家或技术人员参加专题讨论会，对所预测的问题畅所欲言，发表不同意 见，不受任何约束发表看法，进行信息交流和互相启发，从而诱发专家们发挥 其创造性思维，促使他们产生“思维共振 ，以达到相互补充，并产生“组合效 应的预测方法。它既可以获取所要预测时间的未来信息，也可以弄清是非问 题，形成方案，特别是一些交叉时间的影响，其缺点是易受权威影响、随大流； 1 ) 实施步骤 会议一般分三个阶段： 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 明确问题使会议的参加者明确要预测的问题是什么。 ( 2 ) 发表意见使到会的专家和技术人员对要预测的问题提出各种不同的看 法广泛发表意见。要允许甚至要争取使不同意见发表出来，这是决策者的艺术 之一。著名的管理学家斯隆( a p s l o 趾) 和德鲁克( p d m c h e f ) 都强调“允许发 表不同意见 是“管理的诀窍”。他们认为这样做至少有3 个好处：可防止虚 假的附和；有助于产生可供选择的新方案；促进想像，得到启发，以利纠 正错误的想法，发现正确的答案。 ( 3 ) 认真讨论找出大家满意的答案。 2 ) 方法利弊 专家会议法的优点是在充分利用专家个人丰富的知识和经验的基础上，通 过交换意见、互相启发，对过去发生的事情进行分析和评估，对未来的趋势进 行探索和判断，因而能较全面地考虑到事情发生的可能性，从而达到预测的目 标。另外，这种预测方法简单易行，节省时间。但是这种方法也有不利的一面， 由于参加会议的人数有限，不能更广泛地收集各方面的意见；由于是面对面地 讨论，可能会出现少数人的正确意见屈服于多数人的错误依旧爱你，或者是大 多数人受权威人士意见的左右，不能充分发表自己的意见和看法。 ( 二) 德尔菲法 德尔菲法是2 0 世纪6 0 年代由著名的咨询机构兰德公司所创造的。这 种方法的名称“德尔菲 是以古希腊寓言神殿所在的历史名城德尔菲命名的。 又称专家调查法或专家意见法。 这种方法是预测单位根据预测的目的、要求，设计意见征询表，有选择地 聘请一组专家，向他们提供与预测问题有关的情况和资料，发给征询表，要求 专家根据自己的经验进行判断，对征询表的问题做出回答。在实施过程中，专 家们互不知道( 背靠背) ，征询表不署名，这样就排除了互相之间的影响和心理 干扰。预测人员把第一轮征询表收回后，将各位专家的意见归纳、整理、列表 再发给各位专家，使他们能把自己的判断和他们的意见进行比较，以修正自己 的判断。这样反复经过四至五轮的意见反馈，尽管每个专家发表的意见各有差 异，但是由于参与讨论的专家人数较多，会出现一种统计的稳定性，使专家的 意见趋于一致。当各专家的意见比较统一以后，询问即结束。然后，进行意见 汇总、统计、计算、分析整理出预测报告。由于这种方法客服了专家会议法“面 对面 时受心理因素影响较大的缺点，故被许多国家多采用。 1 ) 实施步骤 4 武汉理工大学硕士学位论文 第l 轮：提出预测问题。由专家们提供预测的项目，经过综合整理，编制 出一份预测项目调查表，做出第二轮调查表发给专家。 第2 、3 轮：请专家对调查表所列的项目做出评价，阐明理由。其中，第三 轮也可以就第二轮中有分歧的意见和问题，进一步征求专家们的意见，然后由 评委对专家意见进行统计分析。 第4 轮：此时意见已较集中，可以最后整理成为预测结果，写出预测报告 书。 2 1 方法利弊 德尔菲法的优点：首先是简单易行，且可靠性好，能够充分发挥人的智慧 和经验，适用于没有足够信息资料中、长期经济预测与科技预测，还可以用于 决策和技术咨询等方面。其次，对于难以用精确的数学模型处理，需要征求意 见的人数较多、成员较分散、经费有限，难以多次开会或因某种原因不宜当面 交换意见的问题，用这种方法预测效果较好。其缺点是：受人的主观因素的影 响较大( 如：受权威人士的影响、受心理状态、个人兴趣、主观偏见的影响) ； 再者是预测需要的时间较长，所以适用于中、长期预测。 我国结合自己的具体情况，将。头脑风暴法中一些优势的方法提炼出来 与“d e l m 法相结合，形成了广义的d e l 枷法，在实践应用中取得了良好的效 果。 1 3 2 定量预测方法 定量预测是指采用一定的数学模型，利用历史的和现有的具体的数据进行 计算并最终得到具体的数值的方法，其主要的方法有回归分析法、灰色分析法、 马尔科夫法、模糊预测法、神经网络法、基于误差绝对值之加权和最小预测组 合法。 1 1 回归分析法【3 】 回归分析法是处理变量相关关系( 通常表现为因果关系) 的一种数理统计方 法，在确定具体的模型时，关键是处理好以下三个方面的问题：寻找合适的 预测变量；搜集可靠的历史数据；选择与历史数据相适应的具体模型回归 分析法种类繁多，若按回归方程的变量多少划分，有一元和多元回归；按回归 方程的性质划分，有线形回归和非线形回归：按所含变量的属性划分，有数量 回归和非数量( 虚变量) 回归。该种方法简单易用，可以适用于多数情况的船舶交 5 武汉理工大学硕士学位论文 通流量预测，但是预测变量的选取不当会极大影响预测的准确性。 2 ) 灰色分析法【1 8 】 灰色系统的任务是试图解决预测数据精度不够高，从杂乱无章的、有限的 离散数据中找出规律，建立灰色系统模型，来进行预测、决策。灰色模型是灰 色系统理论用离散数据列建立的微分方程型动态模型，g m ( 1 ，1 ) 是最常用的一 种模型，它是由一个只包含单变量的一阶微分方程构成的模型。其一般形式为： x o 他) + 彪1 他) = ( 1 1 ) 其中，x o 为非负的原始数据序列，x 1 为x o 的一次累加生成序列 x n ( 七) = 窆工0 ( m ) ，七墨1 ，2 ，n z 。( 七) = o 5 ( 七) + 0 5 ( 七一1 ) ( 1 - 2 ) 灰色微分方程的白化为： 竺l + 必= 甜 出 ( 1 3 ) 数据矩阵b 为： 曰= 一z o ( 2 ) l 屹m ( 3 ) 1 m m z “( ) l 数据向量为： y = 【。( 2 ) ，x ( 3 ) ，( 4 ) ，。( n ) 】7 待定参数列：口= ( 召7 召) 。】，= ( 口，甜) ( 1 - 4 ) ( 1 5 ) ( 1 - 6 ) 数据预测模型：( 七+ 1 ) = ( 一( 1 ) 一詈) p 。+ 詈k = l ，2 ，n ( 1 7 ) 可以看出，灰色理论建立的是微分方程模型，是基于指数增长的预测模型 对船舶交通流量的近期预测具有较高的精度，其预测值是一种比较乐观的结果， 适合成长型系统的预测。 3 ) 神经网络澍1 9 】 此方法中，较常用的三层b p 网络是一个单向传播的三层前向网络传播模型， 除输入、输出节点层外，还有一层隐层节点，各层节点之间形成全互连接，同 层之间无任何藕合。 三层b p 网络学习算法具体为：设x i ( 忙l ，2 ，n ) 为输入层第i 个神 经元的输入，l l j ( j = l ，2 ，l ) 为隐层第j 个神经元的输出，y k 和d k ( k - l ，2 ， m ) 分别为输出层第k 个神经元的输出和期望输出( 导师信号) ，v i j 为输入层第i 个神经元和第j 个神经元之间的连接权重，w j k 为隐层第j 个神经元与输出层第 6 武汉理工大学硕士学位论文 k 个神经元之间的连接权重神经元传递函数取s 西m o d i 型，即 八功= 志 ( 1 8 ) 隐层各神经元的输出为： 一= 厂( 善匕一印 j = 1 ，2 ，l ( 1 9 ) 输出层各神经元的输出为：咒5 八善t 一幺) k = l ，2 ，m ( 1 1 0 ) 公式( 1 9 ) ，( 1 一l o ) 中，9 ，幺为阈值。网络稳定的准则函数是： 刀= 寺善( t 一咒) 2 ( 1 - 1 1 ) 采用梯度下降法，不断调整w j k ，v j 权值，调整量： 雌2 ，7 或勺， 产1 ，2 ，l ；k ：1 ，2 ，m( 1 1 2 ) 觚2 鸦，i _ 1 ，2 ，n ；j _ l ，2 ，l ( 1 1 3 ) 式中：，7 为学习步长；么，q 分别为： 巧= ( 4 一咒) 苁( 1 一咒) ，l f l ，2 ，m( 1 1 4 ) 4 = 哆( 1 一 ) 善4 k ， i = l ，2 ，l ( 1 1 5 ) 上述算法的实质含义，是将输出层导出信号和实际输出产生的误差反向传 播到输入层，通过不断地修正w 挑，v ： i ，使公式( 1 1 1 ) 所表示的总误差不断减小， 当达到给定精度时，认为网络稳定。 b p 网络模型适用于船舶交通流量的中长期预测，从理论上讲，一个样本就 可训练一个完整的b p 网络，其余的样本属冗余信息，只不过用来做验算而己。 但实际上，由于前述理由，不同的样本可训练出完全不同的b p 网络，不同之处 体现在不同的啊k ，上，同一v i j 或w j k 在不同样本训练时的变化，可以认为是 模型与实际之间差异信息的反映。因此，我们认为，在具有较长期某水域船舶 交通流量数据样本的情况下，研究和把握w j k ，、，i j 的变化规律和趋势势必能把握 b p 网络在未来的变化趋势，从而利用未来的b p 网络对交通流量做出预测。 4 ) 模糊预测法 在实际的船舶交通流量预测过程中，所搜集到的预测变量不一定都是具体 的，尤其是政策性方面的信息，带有很大的模糊性，而且，影响模糊预测准确 性的因素，除了预测变量的随机性以外，还有各种模糊性( 模糊概念、模糊信息、 入的经验、偏好和信念等) 。模糊数学为处理这些模糊性提供了手段。 这里介绍一下用模糊多项式趋势曲线拟合j 时间序列数据的方法。 设己取得n 期数据( t ，x j ) ( t 1 ，2 ，n ) ，我们用k 次多项式又 7 武汉理工大学硕士学位论文 暑= 屈+ 属f + 厦f 2 + + 屈广拟合它，但这里( i = 0 ，l ，n ) 是模糊数，然后利 用它对未来进行预测。其步骤如下： ( 1 ) 获取模糊数据。如x i 是普通数，应将它们模糊化，本文中采用以下方 法：令 ln 珀_ x ，薯，五q f = 2 ，3 ，讲一l m = m a x 玉，t f = 1( 1 1 6 ) 【m a x 屯，t ) f = 行 fn l i n 屯，t ，) f = 2 ，3 ，棚一1 v ，= i i l i n “，t ) f = 1 ( 1 一1 7 ) 【i i l i n ，t ，= 刀 色2 三( m + v ) ，q = 三( 哆一)( 1 1 8 ) 将模糊化为三角模糊数t ( a t ，曲 毗( 力： 卜掣 惝v ， ( 1 - 1 9 ) l o o t l l 哪 这样做，可抵消一些随机因素。 ( 2 ) 估参。系数屋也采取三角模糊数形式屋= f ( 肛，j ，) 峨( 力：卜掣即，鲻n 【o d 砌绑 这时i 也是三角模糊数：毫2 陲屈f j 妻s ，t 这里要估计参数屈和l ( = o ，l ，2 ， k ) 。 选取和t 的原则是：在置和葺的贴近度不小于1 一万的条件下，使系统的总 c = ) w 胃 模糊度“ 智”广7 最小，其中w j 为s i 的权重，可由预测者指定或用其它方法获取， 置和的肚 斤唐晶。，“一l j 讲一荟一l 玉和的贴近度为仃( ，i ) = l 一 军_ 。 c t 七s l j h 于是问题归结为线性规划问题m i n sd ( t ，g 暑) 1 6 即舰= 妻彬_ ( 1 2 0 ) b 武汉理工大学硕士学位论文 伊尼筇影t q + 砖 f 屈一万f 7 s ，q 一万q l 舢j o i 一o l 可用单纯型方法求其解。 ( f = 1 ，2 ，刀) ( 1 - 2 1 ) ( j f = o ，1 ，后) ( 3 ) 预测。将预测期的t 值代入到已估计出系数的模糊多项式 暑= 厦+ 屋f + 屋f 2 + + 厦广 ( 1 2 2 ) 即得预测值，也是一个三角模糊数。【1 6 】 1 4 研究内容和研究方法 1 4 1 研究内容 船舶交通量的预测对我国港口水上交通安全监督系统的规划发展及科学管 理起着重要的作用。目前人们尚未找到一种能够较好地适用于预测我国各水域 船舶交通量的方法。本文将在分析各种预测方法的基础上，找到种将定性与 定量预测方法相结合的预测方法，并提取合适的影响因素，希望能提高预测的 系统性、适用性和准确性。 本论文的研究内容包括以下几个方面： 1 ) 研究船舶交通量预测的概念、历史和预测原则等内容，从规划的角度论述 船舶交通量预测的重要性。 2 ) 研究船舶交通量预测中集中常见的预测方法，并进行分析评价。 3 ) 研究交通量预测的四阶段理论及其计算模型，将其应用到船舶交通量预测 中，这是本文的重点内容。四阶段预测法是公路交通量预测中的方法，其预测 模型是针对公路运输的特点，本文根据公路和水路运输的相似点及水路运输本 身的特性，建立了适合船舶交通量预测的模型。 4 1 将船舶交通量四阶段预测方法应用于特定水域，得到预测结果，并对预测 结果做出客观的分析评价。 1 4 2 研究路线 本文的研究路线如图1 1 所示： 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 3 研究方法 图1 1 研究路线 1 ) 定性和定量的方法相结合 将定性分析与定量分析有机结合，以定性分析作为定量分析的基础和前提， 以定量方法进行量化计算。定性分析往往能减少定量分析的复杂性。 2 ) 理论分析与实例分析相结合 从理论上推导船舶交通量预测中四个阶段的计算模型，在实例中进行运用， 并分析其结果。 3 ) 宏观研究和微观研究相结合 在选取各阶段模型的影响因素时，既要从宏观上考虑水域所在地的自然环 境，经济，政治政策等因素，也要从微观上考虑到各航道间的影响。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章船舶流量 2 1 船舶流量的基本概念 2 1 1 交通流 交通流是道路交通工程研究中提出的一个概念或交通模型。为了从理论上 研究一条道路上连续不断的沿着这条道路朝着同一方向运动的交通工具的总体 运动特性，根据物理上的流体如连续不断的顺着条水槽向一个方向流动的水 流的相似概念，提出了交通流的概念。交通流概念可从物流和事件流两方面来 理解和分析。物流是指作为物体的船舶的运动像流水一样连续不断。事件流是 指船舶到达水域中某一地点( 到达或驶离港口，通过水道中某断面，进入或使出 锚地等) 的事件发生像流水一样连续不断。在海上交通研究中建立交通流模型时 也是从这两方面考虑的【3 7 1 。 根据水上交通调查搜集到的船舶交通实况资料，在假设船种单一，船速均 匀，航向相同，航迹宽度不变的情况下，即可得到交通流量、交通流密度、交 通流速度、交通流宽度之间的关系式。这就是船舶交通流基本模型，可用下式 表示： q = p v w ( 2 - 1 ) 式中：q 交通量； p 交通流密度； v 交通流速度； w 交通流宽度。 交通量、交通流密度、交通流速度和交通流宽度是船舶交通流模型的四个 重要参数，只要已知其中三个量，便可计算出另个未知量。但实际上航行船 舶大小、种类和性能是不同的，船舶航行速度各有所异，航向并不相同，航迹 宽度也是时时变化，故该数学关系式只是从理论上描述各参数之间的关系，或 阐明理想情况下各参数之间的关系。在既定水道中或给定交通流宽度的情况下， 交通流量、交通流速度和交通流密度之间的关系可以用图2 一l 大致表明3 7 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 交通流密度 交通流密度 户 聊磅 图2 1 交通流量、交通流速度和交通流密度的关系图 如图2 一l ( a ) 所示，交通流速度与交通流密度之间的关系可简单地假定为线 性关系。交通流速度增大则交通流密度减小，交通流速度减小则交通密度增大。 为了提高交通流量，则需采用合理的交通流速度并保持适当的交通流密度。 如图2 1 ( b ) 所示，在交通流密度初始增大时，交通流量也随之增大。当交 通流量随交通流密度增大到一定值( q m a x ) 时，交通流密度再增大则交通流量反 而减小，直至达到交通阻塞密度( p ，) 。因此，交通流密度应控制在适当的范围， 以获得更大的交通流量。 如图2 1 ( c ) 所示，交通流量随着交通流速度的提高而增加，但当交通流量 增到一定值时，交通流速度再提高，交通流量反而逐步下降。 2 1 2 交通量 交通量是交通流量或船舶流量的简称，它是表征某一水域( 特别是水道) 海上交通实况的最基本的量。交通量是指单位时间内通过某一水域的所有船舶 数目，它的大小直接反映了该水域船舶交通的规模和繁忙程度，并在一定程度 上反映该水域船舶通的拥挤和危险程度。交通量的调查也是交通规划中的重要 组成部部分，只有掌握了实时的交通量数据信息，才能比较准确的预测未来的 交通量，为交通设计规划提供实时依据。 1 2 qi夺薹 武汉理工大学硕士学位论文 交通量一般是指单位时间( 年、月、日、小时) 内通过水域中某地点的 所有船舶的数目( 艘次) 。由于在个水域中活动的船舶在各方面不一样，仅用 一个总混合交通量来反映水域中船舶交通实况是不全面和不细致的，因此在海 上交通调查与对所得的交通数据进行分析时，常常将交通量进一步按照船舶的 种类、船长、船宽、吃水分类等进行统计分析。 根据不同的统计目的，交通量有各种不同的表示方法，通常有： 平均小时交通量任意期间各小时交通量的总和除以该期间小时数所得 的值。 平均日交通量任意期间各日交通量的总和除以该期间日数所得的值。 例如若某天2 4 h 的交通量分别为q o 、q l q ”，则把 1 q 2 玄( 骁+ q l + + q 2 ，称作平均日交通量。 同样，可用平均月交通量来表示。 还有根据交通变化规律，用来表示其特征的值： 高峰小时交通量全天交通量最大的1 个小时称为高峰小时，该小时 内的交通量为高峰小时交通量。 年最大小时交通量1 年内各小时交通量中最大的1 个小时交通量。 年最大日交通量1 年内各日交通量中最大的1 个日交通量。 这些数据都可以从交通实态观测的数据中获得。此外，还用统计分布表示 交通变化特征，如图2 2 。其中横轴表示时间，纵轴表示船舶艘数。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 预测原则 预测是综合研究事物内在联系延续与突变的过程。这个过程实际上是：从 过去和现在已知的情况出发，利用一定得方法和技术探索或模拟不可知的、未 发生的、或复杂的中间过程，推断出未来的结果1 5 1 。 2 2 1 交通流预测的基本特征 1 符合预测科学的基本特征【1 5 】 ( 1 ) 一种提前量的研究。即预测的对象是将要发生的事情，预测先行于事 物的发生，预测是时间提前量的研究。 ( 2 ) 永远有误差的研究。 误差率不可能不断降低，因为现实事物之间的关系人们不可能完全认识， 而现在与未来的复杂关系人们更不能朝前认识，因此在预测过程中误差的存在 有着必然性。 ( 3 ) 一种空间上可扩张与缩小的研究。 研究面宽，包括自然的和社会的各种现象。 ( 4 ) 一种可测性增量的研究。 这里的可测性是指可量化的质与量，增量指变化量，可正可负，因为未来 是在现实的基础上发展变化的。因此，预测是以定量为主的综合性研究。 2 船舶交通流预测研究又具有自身的特点【1 6 1 ( 1 ) 影响船舶交通流变化的因素复杂，很难用某个单一模型来描述船舶交 通流的变化规律。 ( 2 ) 船舶交通量预测是一种有条件的宏观和微观预测，其涉及港口特征与 船舶行为等方面的影响。 2 2 2 交通流预测的基本原则 ( 1 ) 连贯性原则 预测对象具有的规律性不仅在过去和现在起作用，而且在未来的一段时间 内继续发挥作用，这种连贯性包括时间的连贯性和预测系统结构的连贯性。 ( 2 ) 相关类推原则 预测对象的发展变化与某些因素密切，有的成j 下相关关系，有的成负相关 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 关系。因此，类推原则要求在建立适当的预测模型后，根据相关因素发展变化 来类推预测对象的规律【1 7 1 。 ( 3 ) 概率性原则 预测对象的发展既受到偶然因素的影响，又受到必然因素的影响。概率性 原则要求利用统计方法可以获得预测对象发展的必然规律【9 1 。 2 3 组合预测方法 随着经济和社会的发展，单一的预测方法已经不能准确的反映出某一水域 或航道交通流量，需要综合性更强、各种技术有效结合的组合预测方法，船舶 交通流量预测方法必须结合所预测水域( 水道) 的具体实际情况，考虑当时所处社 会和自然环境的影响。严格来说，时至今日，人们尚未找到一种能够完全适应 于我 国各港口所辖水域( 水道) 船舶交通流量预测的方法。目前较为广泛应用的主 要是以下两种方法。 2 3 1 基于误差绝对值之加权和最小的组合预测模型【3 3 】 唐小我【2 1 现】首先提出了最优组合预测方法。这种方法的基本思想是：根据 “过去一段时间内组合预测误差最小一这一原则来求取各个单项预测方法的权 系数向量的。这种方法主要存在两个方面的问题：一是可能出现负权重；二是 求出的权重不一定是最优的。目前预测学界对于是否可以出现负权重尚有一定 的争议，但是权重表示的是对某种方法的偏重程度，故负权重没