（交通信息工程及控制专业论文）基于AIS数据的大型船舶锚泊半径及船间距的研究.pdf

中文摘要 摘要 随着全球经济的回暖，国际航运贸易量大幅度增加，港口的船舶数量急剧增 涨，给港口的配套设施带来了一定的压力，因而港口设施的合理利用，对解决港 口压力，促进港口及地区的发展，起到了很大的作用。作为到港船舶锚泊的安全 水域，锚地的合理利用，对船舶的安全及港口的发展有着至关重要的作用。 锚地的合理利用，避免不了要计算单个船舶的占用水域以及船舶之间锚位之 间的距离，而由于船舶操纵性等特点，使得船舶实际占用的水域与规范要求、理 论计算是有差距的，因此，本文基于这点，利用a i s 的数据，统计分析并回归 出锚泊船水域半径、锚位间距与船长之间的关系，得到回归方程，以方便预测出 实际情况下的锚泊船占用的水域情况。 由于现代科学技术的发展，以及船舶a i s 设备的配备，使得本文采取的研 究方法得以实现。a i s 数据的历史重现，可以采用m a t l a b 及v c + + 6 0 平台实 现，真实的反映锚泊船锚泊时的实时情况，并把按时间顺序筛选出来的a i s 数 据输入计算机程序，拟合出单船锚泊时摆动的水域圆范围，进而计算出船舶锚泊 时的实际水域半径。同时选择最近的两艘锚泊船，计算出锚泊船锚位之间距离。 对数据进行处理分析，得到单船水域半径与船长的关系，回归分析出之间的 关系，得到回归方程。并对两艘锚泊船锚位之间的距离进行统计回归，得到方程。 对所得的方程进行回归检验，检验其合理性。 锚泊船实际情况下水域半径及锚泊船锚位之间距离的统计参数有利于与现 行规范、理论值等进行对比，找到差距，得出结论。而回归方程的求取，有利于 船舶在实际锚泊时占用水域的预测，从而为港口锚地的使用和管理、船舶航行与 安全提供理论依据和技术支持。 关键词：a i s 数据；锚泊水域半径；锚位之间距离；船长；回归分析； 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er e c o v e r yo ft h eg l o b a le c o n o m y , t h en u m b e ro fi n t e r n a t i o n a ls h i p p i n g t r a d ea n dv e s s e l si nh a r b o ri n c r e a s e si nal a r g es c a l e ，w h i c hh a sb r o u g h ts o m e p r e s s u r eo nt h ep o r tf a c i l i t i e s ，t h e r e f o r e ，t h er a t i o n a lu t i l i z a t i o no fp o r tf a c i l i t i e sp l a y s as i g n i f i c a n tr o l ei ns o l v i n gt h ep o r tp r e s s u r ea n dp r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to f p o r t sa n dt h er e g i o n a st h es a f ew a t e r so fv e s s e la n c h o r i n g ，t h er a t i o n a lu s eo ft h e a n c h o r a g eh a sa v i t a lr o l ei nt h es a f e t yo fv e s s e l sa n dt h ed e v e l o p m e n to f p o r t s r e g a r d i n gt h er a t i o n a l u s eo ft h ea n c h o r a g e ，i tc a nn o ta v o i dc a l c u l a t i n gt h e w a t e r so c c u p a t i o n so ft h es i n g l ev e s s e la n dt h ed i s t a n c e sb e t w e e nv e s s e l s b u td u et o t h em a n e u v e r a b i l i t yo fv e s s e l s ，t h ea c t u a lw a t e r so c c u p a t i o n so fv e s s e l sh a v es o m e d i f f e r e n c ew i t hc o d er e q u i r e m e n ta n dt h e o r e t i c a lc o m p u t a t i o n c o n s i d e r i n gt h i s ， t h e r e f o r e ，t h i st h e s i sc o u n t sa n da n a l y z e st h ea i sd a t a ，a n dg e t st h er e l a t i o n s h i p a m o n gt h ew a t e r sr a d i u so fa n c h o r e dv e s s e l s ，t h ed i s t a n c e so fa n c h o r e dv e s s e l s ，a n d v e s s e l sl e n p h ，a tl a s tg e t sae q u a t i o n ，w h i c hc a np r e d i c tt h ew a t e r so c c u p a t i o n so f a n c h o r e dv e s s e l si na c t u a ls i t u a t i o nc o n v e n i e n t l y w i t ht h eh e l po ft h e d e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h e e q u i p m e n to ft h ea i si n s t a l l a t i o n s ，t h er e s e a r c hm e t h o do ft h i st h e s i sc a ne a s i l y a c h i e v e d b yv i r t u eo fm a t l a ba n dv c + + 6 0 a i sd a t ac a nd i s p l a yc l e a r l y i tc a n t r u l yr e f l e c tt h a ts i t u a t i o no fa n c h o r i n go ft h ev e s s e l s i n p u t t i n gt h ea i sd a t a a r r a n g e dc h r o n o l o g i c a l l yi n t ot h ec o m p u t e rp r o g r a m ，i tc a n f i tt h er a d i u so f ac i r c l eo f w a t e r so ft h es i n g l ev e s s e la ta n c h o r , a n dt h e nc a l c u l a t et h ea c t u a lw a t e r sr a d i u so f v e s s e la n c h o r i n g i nt h em e a n w h i l e ，i td i s p l a y st h ep o s i t i o no ft h ev e s s e l si no r d e rt o c a l c u l a t et h ed i s t a n c e sa m o n gt h e m a n a l y z i n gt h ed a t a , i tc a ng e tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw a t e r sr a d i u so fs i n g l e v e s s e la n dt h ev e s s e ll e n 垂h ，a n dt h e n ，t h ee q u a t i o nb ya n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i p i n a d d i t i o n ，i tc a na l s og e ta n o t h e re q u a t i o nb ya n a l y z i n gt h ed i s t a n c eo ft w oa n c h o r e d v e s s e l s f i n a l l y , i tt e s t st h e s ee q u a t i o n s ，c o n f i r m i n gt h e i rr a t i o n a l i t y t h es t a t i s t i c a lp a r a m e t e r so fw a t e r sr a d i u so fa n c h o r e dv e s s e l si na c t u a l s i t u a t i o na n dt h ed i s t a n c e so fv e s s e l sa r eu s e f u lt ot h ec o m p a r i s o nw i t hc o d e 1 英文摘要 r e q u i r e m e n ta n dt h e o r e t i c a lv a l u e t h r o u g ht h ec o m p a r i s o n ，i tc a nf i n dt h ed i f f e r e n c e a n dg e tac o n c l u s i o n a n d ，t h eu t i l i t yo fr e g r e s s i o ne q u m i o ni su s e f u lt ot h e p r e d i c a t i o no fw a t e r so c c u p a t i o n si nt h ea c t u a la n c h o r a g e a l lo ft h e s ec a np r o v i d e t h et h e o r yb a s i sa n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o r t h eu s ea n dm a n a g e m e n to fp o r ta n c h o r a g e a n dv e s s e ln a v i g a t i o ns a f e t y k e yw o r d s ：a i sd a t a ；w a t e r sr a d i u so fa n c h o r a g e ；t h ed i s t a n c eo fa n c h o r e d v e s s e l s ；v e s s e ll e n g t hl y s i s ；r e g r e s s i o na n a 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导卜，独立进行研究j ：作所取得的成果，撰写成 尊硕 十学位论文：基王! 墨麴堡的厶型监a 自缝泣：匕径丛篮闻垣的逝塞：。除论文中已经注明 引用的内弈外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 论文中不包含任何朱加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或术公开发表的成果。本卢 明的法律责任由本人承担。 学位做作者虢邈 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解人连海事人学有关保留、使h j 研究生学位论文的规 定，即：人近海事人学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印什和电子版， 允许论文被杏阅和借阅。本人授权人连海事人学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本 学何论文收录剑中国优秀博硕十学位论文全文数据库( 中国学术期于u ( 光盘版) 电子杂 ：基社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出 版物形式 i5 版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属丁：保密口在年解密后适j j 本授权 5 。 不保密口( 请在以上方框内打“、”) 论文作者签名 c 、i f伽加 轹 啤 签 吖 雌 吲 导 肌 基于a i s 数据的大型船舶锚泊半径及船问距的研究 第1 章绪论 1 1 研究的背景 近几年来，随着航运的发展，各国各地兴建口岸，船舶数量急剧增加，港口 的船舶密度发生了相当大的变化，大型船舶的出现，使港口船舶密度更加复杂， 同时也对港口水域的合理利用提出了更高的要求。因此，为了更加合理地使用港 口这些有限的公共资源，改善船舶航行条件和促进港区交通状况，发挥港口优势 和扩大港区吞吐能力，需要在港口规划、建设中充分考虑船舶锚泊时占用水域的 实时情况，特别是大型船舶锚泊时水域的占用情况。从而为港口的使用和管理、 船舶航行与安全提供理论依据和技术支持。因此，研究船舶在港口锚地的实时占 用水域，是评价水域使用情况、制定港口平面规划的基础【1 1 。 随着计算机、互联网络技术以及通信手段的发展及其在航海领域的应用，航 海的方法和技术手段也正在发生巨大的变革。电子海图显示与信息系统( e c d i s ) 、 船舶自动识别系统( a i s ) 、全球定位系统( g p s ) 等的出现都是以保障航行安全、提 高生产效率和逐步实现航行的自动化为出发点的i 引。 船舶自动识别系统( a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ，a i s ) 是一种新型的船用 助航设备。其功能及性能标准是由国际海事组织( i m o ) 、国际航标协会( i a l a ) 、 国际电联( i t u ) 等国际组织共同研究制定的【7 1 。其主要目的是通过为船舶操纵人 员提供更加精确、详细的航行环境信息，使之能够更好地监视和控制船舶航行， 加强海上航行的安全性。a i s 的出现和广泛应用，不仅可以帮助识别船舶、协助 进行目标跟踪，提高海上航行的安全系数，也为海上船舶交通调查提供了一种崭 新而又可靠的方法【8 】。 a i s 数据的采集是进行统计分析船舶锚泊占用水域的前提和依据。通过对采 集的数据进行分析，可以通过船舶的船长，船宽以及船舶实际抛锚地点，求出船 舶锚泊时的水域半径，并求出两锚泊船之间的距离，从而为港口水域的合理利用 及船舶的安全锚泊提供了依据，更有利于港口资源的利用及港口的发展。 本文主要基于a i s 提供的动静态数据，对船舶锚泊时的水域问题进行了统 计分析，分别对单船占用的水域半径，锚位间距进行统计回归分析，得到回归方 程，方便锚泊船所占用水域的预测，为港口资源的进一步优化利用提供了可靠的 第一章 绪论 参考依据。 1 2 研究的目的及意义 锚泊船在港口锚泊时所占用的水域，是影响到港口资源利用以及船舶安全的 重要因素，特别是随着船舶大型化的发展，大型船舶的实时锚泊水域尤为重要。 了解锚泊船实时锚泊所需水域是港口规划和锚地建设所考虑的重要环节，直接影 响到港口建设的布局、港口的经济效益和船舶锚泊安全，关系到整个港口系统的 可持续发展【9 】。 因此，可以将大量实测的a i s 数据用数理统计方法进行加工整理，得出船 舶锚泊所占水域的使用情况，并对统计结果进行回归分析，得到回归方程。应用 此关系可以预测大型船舶在锚泊时所占用的水域。推而广之，有这些相关参数的 支持，将使港口选址和港区规划等相关工作变得更加科学合理，有助于提高港口 的经济效益、社会效益和生态效益的和谐发展。 所以，本文从a i s 数据包中提取船舶的实时动静态数据信息并以此为基础， 求取船舶锚泊的水域半径，两锚位之间的距离；并经过分析研究，得到与船长之 间的关系。为港口修建、锚地的使用以及船舶的安全提供依据。 1 3 论文主要工作与内容 将a i s 所反映的船位信息( 以经纬度表示的船位点) 经坐标变换，得到船 舶在锚地的锚泊位置；并通过v c + + 6 o 平台以及m a t l a b 软件平台绘制出船舶 锚泊时的状态图像求出锚泊时的中心点；并计算出船舶锚泊时所占用的水域半径 及锚泊时两艘相距最近的锚泊船之间的距离，进而回归分析出水域半径与船长之 间的实际关系，锚泊间距与船长之间的关系，得到实际的相关性回归方程。 本论文主要完成了一下几个方面的内容： ( 1 ) 锚地a i s 数据的采集与加工 在数据收集阶段，本文采用了a i s 终端机来完成数据采集工作。分析a i s 信息的解码原理，并运用a i s 数据解码技术获得船舶信息，将所得信息转成数 据库格式，找出船舶长度为2 0 0 米以上，状态为锚泊的a i s 数据，并挑选能反 映船舶锚泊时实际状态的数据。 ( 2 ) 船位点的坐标转换与绘制 基于a i s 数据的大型船舶锚泊半径及船问距的研究 将w g s 8 4 坐标下用经纬度表示的船位点，转换为用平面直角坐标( 原点设 在测定点附近) 系中的坐标点，在此基础上把获取的a i s 信息直观地显示出来。 根据船首向的变化，船舶长度以及船舶位置的变化，绘制出船舶在锚地锚泊时左 右摆动的状态图像。进而为后续的锚泊水域半径的求取及与两锚泊船之间的距离 求取奠定良好的基础。 ( 3 ) 求取锚泊水域半径 根据船舶锚泊时的状态图像，可以确定锚泊时所需的圆形水域的范围，圆形 水域的圆心，便是视为船舶锚泊时的锚泊中心，而圆形的圆周便是船尾扫过的范 围，这样，计算出圆的半径，便可得到锚泊船的水域半径。对船长及锚泊半径进 行统计。 ( 4 ) 确定出船舶锚泊时锚泊中心的经纬度，计算两艘最近锚泊船锚位之间 的距离。 ( 5 ) 分析统计结果，分别得到锚泊水域半径、锚泊间距与船长之间的回归 关系。 经过计算分别得到水域半径、锚泊间距与船长的关系，得到了具体参数，再 经过回归分析，得到水域半径、水域半径与船长之间的实际关系方程。 1 4 本章小结 本章首先阐述了港口水域的合理利用对港口发展的重要作用，并提出了利用 a i s 数据这一方法，得到目前船舶在港口实时锚泊时所需水域的情况，进而分析 得到船舶的长度与所需水域半径、锚泊间距之间存在的实时关系，以便使港口进 一步发展。 第二章 基于a i s 数据的船舶锚泊图像的绘制 第2 章基于a is 数据的船舶锚泊图像的绘制 船舶自动识别系统( a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ，简称a i s 系统) 由岸基 ( 基站) 设施和船载设备共同组成，是一种新型的集网络技术、现代通讯技术、 计算机技术、电子信息显示技术为一体的数字助航系统和设备1 0 】。船台可向他 船及基站自动播发本船的动态信息( 船位、航速、航向等) ，静态信息( 船名、 目的港等) 、航次信息和安全短消息等相关资料，同时也可自动接收他船及基站 的资讯。基站则可依靠所获取的信息，拓展主管机关的服务、管理范围，及时掌 握海域交通动态，提高海域管理效率等等( 如图2 1 所示) 。a i s 系统实则建立 了船舶，船岸的信息平台，为真正实现海上交通安全的信息化管理提供了重要 手段，a i s 系统的特性和能力，将使其成为促进航行安全，提高航运交通管理效 率的先进工具【1 1 1 。 i m o 、i a l a 、i t u 、i e c 对a i s 相应规约的及时制定。i m o 对a i s 安装要 求如下【1 2 】： 所有3 0 0 总吨及以上的国际航行船舶和5 0 0 总吨及以上的非国际航行船舶， 以及不论尺寸大小的客船，应按下列要求配备一台a i s ： ( 1 ) 2 0 0 2 年7 月1 日及以后建造的船舶在建造时安装； ( 2 ) 在2 0 0 2 年7 月1 日之f j 建造的国际航行船舶： 客船不迟于2 0 0 3 年7 月1 日； 液货船不迟于2 0 0 3 年7 月1 日以后的第一个安全设备检验日； 除客船和液货船外，5 00 0 0 总吨及以上的船舶，不迟于2 0 0 4 年7 月1 日； 除客船和液货船外，3 0 0 总吨及以上但小于5 0 ，0 0 0 总吨的船舶，不迟于 2 0 0 4 年7 月1 日以后的第一次安全设备检验f 1 或在2 0 0 4 年1 2 月3 1 日之前，以 较早者为准； ( 3 ) 在2 0 0 2 年7 月1 日之前建造的非国际航行船舶，不迟于2 0 0 8 年7 月 1 日。 ( 4 ) 若船舶在2 、3 段所述实施日期之后2 年内永久退役，则主管机关可 以免除这些船舶适用本段要求。 4 摹十a s 觳姑 型舶镕* * 柜船问距的研究 圈2i 岸基殴施接收数据 f i g2 is h o r e - b a s e d f a c i l i t i e s f o rr e c e i v i n gd a t a 因此利用a i s 系统采集船舶的锚泊数据是可行的。 2 1 i s 信息 2 11 i s 信息的内容 a i s 发送的信息有：静态信息、动态信息、航次相关信息以及安全相关短电 文四种。 ( 1 ) 静态信息：船名、呼号、i m o 编码( 国际海事组织号码) 、m m s i 码 ( 海上移动识别码) 、船长和船宽、船舶类型、g p s 犬线在船卜的位置、船舶的 龙骨以上高度等。 ( 2 ) 动卷信息：船位、对地航向c o g 、对地航速s o g 、协调世界时、船 艏向( h d g ) 、航行状态( 需要时由人工输入，包括主机动力航行、锚泊、失控、 操纵能力受跟、系泊、吃水受限、搁浅、从事捕捞、操帆航行等) 、横倾角、回 旋速率r o t ( 若能得到) 等。 ( 3 ) 航次相关信息：船舶吃水，危险货物( 种类) ，目的港和预计到达时日j e t a ，航线计划( 转向点) ，船上人员( 扩展电文) 等。航次相关信息的输入是 第二章基于a i $ 数据的船舶锚泊图像的绘制 为了让他船或岸台调度提前了解本船的相关信息和可能的动向以便在避让或组 织协调行为更加合理。 ( 4 ) 安全相关短消息：内容与安全有关( 如看见的冰山或离位的浮标) ，采 用固定或自动格式的文本电文，应尽可能短。 2 1 2a i s 的数据更新速率 国际海事组织通用船载自动识别系统性能标准和我国国家标准船载自 动识别系统( a i s ) 技术要求( g b t2 0 0 6 8 2 0 0 6 ) 的规定，不同信息的更新速率 分别为【1 5 】【1 6 】： ( 1 ) 静态消息：每六分钟，或者当数据被修正。 ( 2 ) 动态消息：根据速度和航向改变状况，由于本文只涉及到船舶锚泊时 数据( 如表2 1 所示) 。 ( 3 ) 航行相关信息：每六分钟或者当数据被修正。 ( 4 ) 安全相关信息：根据请求。 表2 1动态信息报告间隔 t a b2 1t h eg a po fd y n a m i ci n f o r m a t i o nr e p o r t 序号船舶运动状态报告间隔 2 1 3 消息类型 a i s 利用移动通信中的时分多址技术( t d m a ) $ , 1 7 , 1 8 1 ，t d m a 数据链路上 共包括2 2 条消息，但其中最常用的主要是1 、3 、5 、1 8 、1 9 几种。a i s 数据即 使在解码之后，许多与航行状态、消息精度和消息识别码有关的信息都以数字或 6 基于a i s 数据的人型船舶锚泊半径及船间距的研究 字母的形式出。因此，在a i s 数据使用过程中，了解各类消息代码所表示的意 义有助于全面把握接收到信息的可靠性和可用性。 在a i s 设备中关于航行状态分下列1 2 项：u n d e rw a yu s i n ge n g i n e ( 动力船在 航) ，u n d e rw a ys a i l i n g ( 帆船在航) ，a ta n c h o r ( 锚泊) ，n o tu n d e rc o m m a n d ( 失控) ，r e s t r i c t e dm a n e u v e r a b i l i t y ( 操纵能力受限) ，c o n s t r a i n e db yh e rd r a u g h t ( 吃水受限) ，m o o r e d ( 系泊) ，a g r o u n d ( 搁浅) ，e n g a g e di nf i s h i n g ( 从事 捕鱼) ，r e s e r v e df o rw i g ( 高速船留用) ，r e s e r v e df o rw i g ( 飞翼船留用) ，n o t d e f i n e d ( 未定义) 。有些在航机动船船长、驾驶员在输入航行状态时，可能是理 解上的原因，“在航 却选择了u n d e r w a ys a i l i n g ( 帆船在航) ，正确的选择应 该是u n d e rw a yu s i n ge n g i n g ( 动力船在航) 。表2 3 给出了报告船位的具体数据， 表2 4 给出了与航行相关的静态数据。 2 1 4 本研究要求的a i s 数据及相关问题解决方法 ( 1 ) 研究所用到的a i s 数据： 静态数据：船长、船宽、吃水、d w t ( 载重吨) 、g p s 天线在船上的位 置。 动态数据：船位( 经、纬度坐标) 、对地速度、航迹向( c o g ) 、船艏向 ( h d g ) 。 由于本文研究的是大型船舶水域半径与船长之间的关系，因此，本文筛选的 为船长大于2 0 0 米的a i s 数据。由于水域半径的求取是根据船位及船首向的变 化确定的，而这些数据能更好的反映船舶在锚泊时由于风流等因素的影响下出现 的左右摆动的特性，所以在筛选的过程中，只挑选出船舶船首向有变化的锚泊船 的a i s 数据。筛选过程中用m m s i ( 海上移动通信业务标识) 作为索引，以此保 证一段时期内同一条船舶的全部有效数据不会被遗漏。筛选的时候先把解码成功 的a i s 数据转化为数据库格式，在把本文所用的数据转成求取半径所用的数据 格式( 如图2 2 ) 。 第一章 基于a i $ 数据的船舶镕 白目像的制 3 坐_ u ! ! ! j 4配：。：9 。“ 。 l 、 c 。 h 1 “】 m w1 i - 1 m 0c 。，”1 2 c ” _ h _ d 口o o k 一7 l = * 31 h * l 自 一i h r“n0 口h l u 】7 9 m ) 一h 一m l 口】7 l【1 h - z 7 l 口“l ，”。b r oo t 】t r “ha n | “o “o _ 】7 3 一h i oo0 k , h - 】日- 5 【o 】7 i 目b r o * 5 】t lli t 2 ”3o # 1 p qj f ，i 】【6 “二1、，“j” * ”l 【“l o 0i e r # o m r ”o 一 【2 m 口l 1 k 一* “q o c u 22 a m d _ * _ _ 一 i，i 2 l 川 m e u oc _ 。、hl ，】22 【2 口1 6 h o r “l q 圈2 2a i s 数据格式的转换 f i 9 2 2a i sd a t a f o r m a l c o n v e r s i o n ( 2 ) 数据问题及解决方法 考察a i s 数据的规定和实际应用情况，这些数据需要解决以下问题呷i ： 数据输入错误：由于静态数据是在安装a i s 设备时输入的数据，在实际 应用中发现有些数据输入有错误。 陀螺罗经信号没有接入a i s ，使得艏向没有显示或显示固定值。根据国 际海事组织通_ i l j 船载自动识别系统性能标准和我国国家标准船载自动识别 系统( a l s ) 技术要求( g b t2 0 0 6 8 - 2 0 0 6 ) 的规定，如果信息不可用则显示“5 1 1 ”。 ( 3 ) 为了保证研究所基于的数据的精确程度，本研究采用了以下方法解决 数据误差问题： 静态数据：解决静态数据不准确的方法是根据有关船舶登记数据库中的 数据进行比对和补充。本研究中采用海事数据网( m a r i t i m ed a t as e r v i c e s ) 的网 络船舶数据库补充和更新数据( 如图2 3 、2 4 所示) 口”。 # ra i s 敛姑的大型舶泊半径船问距的研究 紫节警冀掌冀? u o - ”t 圈2 3 数据卉取界面 f i 9 23 t h es u r f a c e o f d 自a a i n q u ir yc o n t a c t 五互= z = i 眚量甬= = = = = = = = = = = = 古i j _ _ 幽2 4 数据显示界而 f i g 2 4 t h es u r f a c e o f d a t a l n q u i r yc o n t a c t 从咀上的海事数据网中可以查到船舶的船名、i m o 编号、呼号、等级、船 旗国、类型、载重吨、船东等详细信息这些资料能够弥补a i s 信息中的缺少 的项目。全面的了解船舶静态参数，在f 一步对船舶的运动、操纵进行分析评判 时更加准确。 动态数据：对于动态数据中存在的误差，本研究采用加大数据采集爨的 方法解决。为保证数据充足且具有代表性，数据采集时通常考虑船舶锚泊时条件 良好与受风浪影响月份采集的数据同时研究和分析，使结论更具一般性。 第二章基于a i $ 数据的船舶锚泊图像的绘制 2 2 基于a i s 数据的锚泊状态绘制 2 2 1 三类坐标 ( 1 ) 地理坐标【2 0 】 地球椭圆体表面上的一点m ，其地理经度九定义为过该点的子午线与格林子 午线之间所截得赤道短弧或球心角( 两子午面的二面角) 。m 点的地理纬度q 是 m 点椭圆子午线在该点的法线与赤道的夹角。 ，九) 构成地理坐标系。 m 点的地心纬度叱是指m 点的向径与赤道面的夹角。( 吼，九) 组成地心坐标 系。q 和吼间的关系如图2 5 所示： t a n 吼= ( 1 一e z ) t a n 气 确t 。l l a ， x ， 一 图2 5 地理纬度与地心纬度的关系 f i g2 5g e o g r a p h i cl a t i t u d ea n dt h ec e n t e ro ft h er e l a t i o n s h i po fl a t i t u d e m 点的归化纬度u 的确定方法如( 图2 6 ) ：在m 点子午椭圆面上，以o 为 圆心，以长半径a 为半径作圆，作直线m m l 平行于旋转轴p n p s ，m 1 m 交圆于 m7 点，直线段o m 7 与赤道面的交角u ，称m 点的归化纬度。( u ，九) 构成归化纬 度坐标系。和u 之间的关系为： t a nu = 1 一e 2t a nq 基于a i s 数据的大型船舶锚泊半径及船间距的研究 i、 y 厂王沫 厂b砚 埯，y ) 号7 、 a 0 m 11 x ， k卅 弋已 图2 6 归化纬度 f i g2 6t h el a t i t u d e ( 2 ) 平面坐标【1 9 1 这里的平面坐标指的是墨卡托平面直角坐标，类似于熟悉的平面直角坐标系， 坐标原点确定后，横向纵向坐标值分别向右向上逐渐增大，坐标为( x ，y ) 。我 们使用的海图采用的是墨卡托投影，又叫等角正圆柱投影，利用其原理和相应的 数学推导可进行地理坐标与平面坐标之间的正逆变换。 在做坐标转换时需要用平面坐标过渡到屏幕坐标，此平面仅指代一个虚拟的 平面，不确指计算机的屏幕。坐标的单位长度为像素与屏幕坐标保持一致。 ( 3 ) 屏幕坐标 由显示设备展现在我们面前的图像采用的w i n d o w s 屏幕坐标系，它的原点 在屏幕的左上角，横坐标向右递增，纵坐标向下递增。而我们一贯使用的平面直 角坐标系却是横坐标向右纵坐标向上为其正向，但平面坐标与屏幕坐标之间呈简 单的线性关系，它们之间的转换只要经过简单线性变换即可。 第二章基于a i s 数据的船舶锚泊图像的绘制 h 从地图坐标到屏幕坐标的变换( 如图2 7 ) 所示： 地图坐标 h 、w 代表当前 地图窗口的范围 2 2 2 坐标转换 0 x 。 一。x 勺， y ： k y ， 屏幕坐标 h 、w 代表当前屏 幕画布的大小 图2 7从地图坐标到屏幕坐标变换示意图 f i g2 7t h es k e t c hf r o mm a pt os c r e e nc o o r d i n a t e 为了使用a i s 实测数据统计处理各种参数，首先确定坐标系。由于a i s 给 出的位置数据是基于w g s 8 4 基准的大地地理坐标系的值，使用起来不方便。对 于所要进行的数据处理而言，转化为以测定点附近为坐标原点的y 轴与当地n 线、x 轴与当地东线重合的笛卡尔直角坐标系较为合适。 坐标转换分为两步，第一步将船位和测定地点选定基准点的地理坐标通过计 算转换为以m 为单位的x 和y 坐标值；第二步用船位的直角坐标值减去测定地 点选定的坐标基准点值即可得出船位在测定地点坐标系的直角坐标【2 2 】。 地理坐标转化为墨卡托平面坐标，其相关数学公式如下： x i - r oxq y = r ox 九 其中，x , y 墨卡托投影的直角坐标； 入大地坐标系的经度； q 等量纬度( 单位为弧度) ： q = - n t a n ( 芸+ 詈) 】+ 互e i n ( j 兰筹) 基于a i s 数据的大型船舶锚泊半径及船问距的研究 r o 基准纬度的纬圈半径， r o2n o c o s p o 其中，n 。基准纬度处椭球的卯酉圈曲率半径 n 。2 万i 丽 p 。墨卡托投影的基准纬度； p 一大地坐标系的纬度； a - 地球椭圆体的长半轴； x a 2 可 一b z e = 。一 a 综上所述：墨卡托投影正变换公式： 一焉i n 2 灿【t a n ( ( 勰) 兰 1 - e 2 s ( p 。 l 。叫 y = r o 九= ；呈三窒至坠九 = 人= 产2 = = = = 三圣a 1 _ e 2 s i n 2 p 。 计算得到的( x ，y ) 是墨卡托投影直角平面的绝对值坐标。在绘制海图时，海图 坐标的原点不是( 0 ，o ) ，设海图平面直角坐标原点( x z e r o , y z e r o ) 为已知，同时考虑 到海图比例尺( s ) 以及最后的换算单位为c m ，得最后的正变换公式为 x o = x - - 1 x 。z e r o 1 0 0 1 u u5 广 y o ：y - 1 y r z e r o 1 0 0 1 0 0 。1 r 一 ( x o ，y o ) 即是绘制海图的墨卡托平面坐标3 6 1 。 墨卡托平面坐标转化为屏幕坐榭2 4 1 要实现经纬度坐标和屏幕坐标之间的一一对应，需要完成平面直角坐标和屏 幕显示坐标变换之间的正反变换。 海图平面坐标的原点在左下角，横坐标向右递增，纵坐标向上递增；而在 w i n d o w s 屏幕的坐标原点在左上角，横坐标向右递增，纵坐标向下递增。同时， 第二：章摹十a l $ 数据的船舶锚泊图像的绘制 这两种坐标系的范围也不同，但两种坐标之间呈线性关系。 设海图直角坐标为( x o ，y o ) ，横幅为w o ，纵幅为h o ；屏幕显示坐标为( x y 1 ) - 横幅为w - ，纵幅为弛，则它们之间的线性关系为 ”器x 0 - k l x 。 y 1 = 一鲁y 。+ h 1 = k 2 y 0 + h 1 两个坐标系的横幅和纵幅之比不一致时，原海图的显示会出现拉伸现象，导 致显示变形，可以选k tk 2 中较小者。这将导致屏幕显示区右侧或上侧出现- - + 块空白矩形区。 2 23 锚泊船状态的绘制 把经过挑选符合要求的a i s 数据存为数据库格式，由于a i s 数据是以时间 为序，因此我们可以把a i s 数据反应的船舶轨迹反应到屏幕坐标上方便船舶开 始锚泊时a i s 数据点的确定，从而进一步方便船舶锚泊状态的绘制。其船舶轨 迹在屏幕坐标上的显示如图： 图2 g 船舶航迹的显示 f 1 醇8s h i p $ b r c o d i s p l a y 根据g p s 天线距船首、尾的距离，就可以画出船舶首尾两个点，再在屏幕 十a i s 敬姑的 型日： 舶镕* f * m m l * 的”究 坐枷；系中把对应的船舶锚泊时的点分别绘制出束，重现船舶在锚泊时摆动的轨迹 把取得的a i s 数据在屏幕上重新绘制出柬，需要把每条船舶在锚泊过程中向 基址发出的船位信息汇总，然后把它们叠加在以锚m 点为中心点的平面世标 ( 如图2 8 所示) 。该方法同样适用于航道管理、海事分析等其他工作。 删2 9 锚泊船剖像 f i 醇9 a n c h o r i n g t h e i m a g e 23 本章小结 奉章首先介绍了a i s 设备的技术特点、配备要求、信息种类和工作方式， | 兑明采集a i s 数据柬重绘锚 白图像是一种切实可行的方法。系统阐述了不同地 理坐标之日j 的关系及坐标变换的相关原理和知识这蝗理论是实现从经纬度船位 坐标点到以锚泊点为中心的平面坐标点变换的基础。在此基础之h 可以将每一 船舶在港口锚泊时的真实情况反映在电脑屏幕之上，从而使后续研究成为- z r 能。 第三章锚泊半径和船间距的确定方法与数据统计同归理论 第3 章锚泊半径和锚位间距的确定方法与数据统计回归理论 3 1 锚泊半径及锚位间距的求取方法 一般来说，海轮在抛锚时采用单锚泊方式，由于锚地水流一般为回转流或往 复流，锚泊过程中船舶以抛锚点为中心进行旋转，因此，锚位占用水域是一个近 似圆形的几何图形( 考虑到风浪的影响) 。 因此，我们可以根据a i s 提供的船舶位置数据，船首向以及g p s 天线到船 首尾的位置，计算出船尾的位置。并用曲线拟合的方法，拟合出船尾扫过的水域。 拟合出的曲线圆心可作为锚泊船的抛锚地点，计算出圆心的位置，得到圆心的经 纬度，再取圆心到达这些船尾点的最大距离，这样，便可以计算出船舶摆动时的 最大半径，也就是锚泊船水域半径的长度。再通过圆心点的经纬度，计算出相距 最近的两艘锚泊船之间的距离。 3 1 1 船尾点的曲线拟合 从数学的原理可知，当3 个观测点位于一个圆周上时，可以用图解或解析的 方法确定圆心的位置；当观测的点数大于3 时，可以用最小二乘法进行曲线拟合， 求得圆的最或是位置，计算出圆半径和圆心的坐标。以下讨论用最小二乘法进行 曲线拟合的问题【4 3 】。 设函数y = f i x ) 在n 个互异点观测得到数据为： l ，j ，1 ) ，( 娩，妮) ，( x n ， 帅) 。在实际问题要求构造近似函数y = 力( x ) 在包含全部基点x i 的区间上“最好”地 逼近f i x ) ，而不必满足插值原则。这就是曲线拟合问题，称函数y = 仍( x ) 为经验 公式或拟合曲线。具体做法，先根据观测数据在坐标纸上描出各点( x i ，y i ) ，卢l ， 2 ，2 ( 称为散点图) ，再根据专业知识或经验来选择仍( x ) 的类型，仍( x ) = c 1 仍1 ( x ) + c 2 仍2 ( x ) + + c m d m ( x ) ( m ( o ( x i ) 一y i ) 2 = 【c 1 d 1 ( x 0 + c 2 0 2 ( x 0 + + c n 仍m ( x i ) 一y i 】2 3 1 0 i - - 1售 1 6 基于a i s 数据的大型船舶锚泊半径及船间距的研究 达到最小，这就是曲线拟合最小二乘法。要使r 达到最小，就要求出的c 1 ，c 2 c m 的值，解决这个问题可利用超定方程组的最小二乘解。 方程个数7 大于未知量个数1 7 1 的方程组称为超定方程组。 超定方程组的一般形式： a l l c l + a 1 2 c 2 + + a l m c m2y l 矬a 2 t c l + a 2 2 c 2 + + a 2 m c m y 2 ( n m ) 3 1 l a n l c l + a n 2 c 2 + + a n m c m = y n 即a c = y 其中；a = 【a i n m ；c = 【c 1 ，c 2 c m t ；c = y 1 ，y 2 y m t ； 如果有c 向量，使得 n a c y l l 2 = ( a i l c l + a i 2 c 2 + + a i m c m y ) 2 j - _ _ i = 1 达到最小，则称c 为超定方程组的最小二乘解。 根据数学证明，存在定理：超定方程