邵承譜， 朱浩綱， 溫小飛， 平 弘

(1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院, 武漢 430063;2.浙江省港航管理中心, 杭州 310005；3.浙江海洋大學(xué) 船舶與海運學(xué)院, 浙江 舟山 316022)

0 引 言

漁業(yè)船舶是開展?jié)O業(yè)捕撈活動時用到的重要生產(chǎn)工具，相比普通貨運船舶，具有尺度小、作業(yè)前后載重量差異大、速度快和作業(yè)區(qū)域集中等特點[1]，其安全性備受行業(yè)主管部門的重視。船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)[2]已在漁業(yè)船舶上得到廣泛應(yīng)用，在漁業(yè)船舶安全管理方面發(fā)揮著重要作用，但仍有進一步發(fā)展和完善的空間[3]，特別是在AIS數(shù)據(jù)挖掘方面。在已有研究中：鄭中義等[4]從時間和空間2個角度分析了船舶碰撞危險度(Collision Risk Index，CRI)的本質(zhì)，完善了船舶CRI模型；LEE等[5]針對漁業(yè)船舶航行安全提出了預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計思路；樓于海等[6]提出了AIS數(shù)據(jù)二次開發(fā)利用的問題；孫海南[7]、吳紅雙[8]和李萍萍[9]開展了基于AIS數(shù)據(jù)源的船舶避碰及碰撞危險評價系統(tǒng)開發(fā)和試驗研究；冮龍暉等[10]和BAKDI等[11]針對船舶會遇及碰撞危險問題提出了AIS數(shù)據(jù)處理方法。當前國內(nèi)外在AIS數(shù)據(jù)應(yīng)用、船舶避碰技術(shù)和船舶安全評價等方面已積累較多的基礎(chǔ)理論與方法，但針對漁業(yè)船舶安全問題開展的AIS數(shù)據(jù)深入挖掘和應(yīng)用研究較少。對此，本文基于AIS數(shù)據(jù)研究開發(fā)漁業(yè)船舶安全管理與評價系統(tǒng)，為漁業(yè)管理部門和漁民開展?jié)O業(yè)船舶安全風險防控提供參考。

1 漁業(yè)船舶CRI

CRI是對海上船舶之間發(fā)生碰撞的可能性的一種度量，其取值范圍為0～1[12]。若CRI為0，則表示兩船之間沒有碰撞的可能性；若CRI為1，則表示本船的任何操作都無法避免兩船發(fā)生碰撞。進一步細化CRI并形成漁業(yè)船舶碰撞危險度(Collision Risk Index of Fishing Vessel, CRI-FV)等級，分別為Ⅰ級(0,0.2]、Ⅱ級(0.2,0.4]、Ⅲ級(0.4,0.6]、Ⅳ級(0.6,0.8]和Ⅴ級(0.8,1.0)。

CRI-FV的影響因素[13]有很多，一般包括本船航速、目標船航速、兩船速度比、船舶操縱性能、船舶尺寸、兩船會遇時最小通過距離(Distance of Closest Point of Approaching,dCPA)及其誤差、兩船到達最近會遇點所需時間(Time of Closest Point of Approaching,tCPA)及其誤差、兩船間的距離、目標船的舷角、海上的能見度情況、航行水域的船舶交通密度和駕駛員的實際操船經(jīng)驗等。dCPA和tCPA是關(guān)鍵因素[14]，將船舶CRI劃分為空間CRI和時間CRI，用于表征船舶碰撞的概率和緊迫度?；谕ㄓ么芭鲎诧L險模型，結(jié)合漁業(yè)船舶的固有特性，CRI-FV計算模型可表示為

U(CRI-FV)=U(dCPA)·W1+U(tCPA)·W2+U(D)·W3

(1)

式(1)中：U(CRI-FV)、U(dCPA)、U(tCPA)和U(D)分別為CRI-FV、dCPA、tCPA和兩船距離D的計算值;W1、W2和W3分別為對應(yīng)指標的影響權(quán)重，結(jié)合層次分析法和專家經(jīng)驗法求取。U(dCPA)、U(D)和U(tCPA)的計算式分別為

(2)

(3)

(4)

式(2)～式(4)中：d1為兩船安全駛過的最小距離；d2為形成會遇局面的最大距離，d2=d1K，K為由船舶狀態(tài)的不穩(wěn)定性和兩船的不協(xié)調(diào)性等因素決定的系數(shù)；r1為本船與目標船擺脫緊迫局面的最小距離；r2為本船與目標船形成緊迫局面的距離；t1為本船與目標船擺脫緊迫局面的最短時間；t2為形成緊迫局面的時間。D、dCPA和tCPA的計算式分別為

(5)

(6)

(7)

式(5)～式(7)中：v0為本船航速；L0為本船經(jīng)度；B0為本船緯度；C0為本船航向角；vT為目標船航速；LT為目標船經(jīng)度；BT為目標船緯度；CT為目標船航向角；a為地球橢球長半徑；e為第一偏心率。

2 CRI-FV計算流程

針對漁業(yè)船舶的特點，采用模糊數(shù)學(xué)方法對漁業(yè)船舶CRI各關(guān)鍵影響因素進行處理，設(shè)計CRI-FV計算算法，建立基于層次分析法的影響因素危險度權(quán)重數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)對CRI-FV的優(yōu)化求解。CRI-FV計算流程見圖1，其中：vR為目標船相對于本船的航速；CR為目標船相對于本船的航向；B0T為目標船相對于本船的方位(目標船舷角)。

圖1 CRI-FV計算流程

CRI-FV計算流程可分為4個基本部分，具體如下：

1)獲取漁業(yè)船舶AIS數(shù)據(jù)，包括靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)主要有船舶識別號、船舶載重量、船長、船寬和船舶操縱參數(shù)等；動態(tài)數(shù)據(jù)主要有實時經(jīng)度、實時緯度、航速、航向和相關(guān)運動參數(shù)等。

2)通過數(shù)學(xué)模型計算相關(guān)評價因素，計算出兩船之間的距離、舷角差、航速比、dCPA及其誤差和tCPA及其誤差等。

3)導(dǎo)入安全評估主要參數(shù)(見表1)并計算主導(dǎo)因素危險度指數(shù)，提高系統(tǒng)評價的精準度。

表1 安全評估主要參數(shù)

4)采用模糊數(shù)學(xué)方法和層次分析法確定各關(guān)鍵影響因素的數(shù)值和權(quán)重分配，計算CRI-FV。

基于CRI-FV評估模型和計算流程開發(fā)CRI-FV評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)由AIS數(shù)據(jù)實時獲取接口功能模塊、AIS數(shù)據(jù)解碼功能模塊、數(shù)據(jù)庫功能模塊、關(guān)鍵參數(shù)計算功能模塊和CRI計算功能模塊等5個功能模塊組成，系統(tǒng)基本構(gòu)架見圖2。

圖2 CRI-FV評估系統(tǒng)基本構(gòu)架

3 實船驗證

選取某捕撈船作為本船，將其2018年2月2日00:00:00的部分AIS數(shù)據(jù)作為AIS數(shù)據(jù)源?？紤]到AIS信息收發(fā)的間隔性，采用時間外推法對本船周圍海域一段時間內(nèi)的所有船舶的AIS信息進行時間對準，以獲得該時刻所有船舶的信息，對系統(tǒng)的功能和模型的計算分析能力進行驗證。本船的主要信息：水上移動通信業(yè)務(wù)標識碼(Maritime Mobile Service Identify，MMSI)為412431966；呼號為RA20053；船長為12 m；船寬為4 m。實船驗證時提取的部分AIS原始數(shù)據(jù)見表2。

表2 實船驗證時提取的部分AIS原始數(shù)據(jù)

按照解碼規(guī)則解碼之后，提取每條消息包含的關(guān)鍵信息。通過調(diào)取船舶MMSI查詢船舶類型和其他參數(shù)，將這些信息拼接成系統(tǒng)計算所需的整體數(shù)據(jù)庫。通過數(shù)據(jù)篩選模塊，對非捕撈船型的數(shù)據(jù)進行過濾。選取目標船周圍的22艘捕撈船作為測試對象，初步計算得到周圍船舶相對目標船的距離和方位角。通過系統(tǒng)計算，評估本船周圍海域的航行安全性。圖3為風險度評估結(jié)果，其中危險度劃分為5個等級(Ⅰ～Ⅴ)，目標船與本船的主要參數(shù)和評價指標數(shù)據(jù)見表3。

圖3 風險度評估結(jié)果

從圖3和表3中可看出：風險等級為Ⅴ級的5艘船舶的CRI最大，應(yīng)采取相應(yīng)的操船動作，如盡可能地避免對正橫前的船舶向左轉(zhuǎn)向(除被追越船外)、規(guī)避正橫和正橫后的船舶所在方位、將航速減到維持航向的最小航速等；風險等級為Ⅰ級的2艘船舶可按原計劃航行，基本上無碰撞風險；風險等級為Ⅱ～Ⅳ級的船舶可按中間梯度，采取《國際海上避碰規(guī)則》(以下簡稱《規(guī)則》)所給操船方案。根據(jù)專家評價結(jié)果和《規(guī)則》的要求，當上述風險等級為Ⅴ級的船舶與目標船小角度交叉相遇且其航速遠大于目標船時，可認為該船是航海經(jīng)驗中的危險船舶，驗證了基于AIS數(shù)據(jù)的漁業(yè)船舶安全管理與評價系統(tǒng)功能模塊的有效性。

表3 目標船與本船的主要參數(shù)和評價指標數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語

本文以AIS為數(shù)據(jù)源進行了數(shù)據(jù)庫重構(gòu)和數(shù)據(jù)深度挖掘，實現(xiàn)了基于AIS數(shù)據(jù)的漁業(yè)船舶安全管理與評價系統(tǒng)開發(fā)。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可為漁業(yè)安全管理部門和船舶所有人提供快速、有效的CRI-FV評估和預(yù)測，為保障漁業(yè)船舶的安全性提供技術(shù)支持。由于AIS收發(fā)的信息具有間隔性，會影響系統(tǒng)評價的及時性，后續(xù)可開展雷達、北斗導(dǎo)航等多數(shù)據(jù)源融合方面的研究，進一步提升系統(tǒng)的準確性和實時性。