基于AIS数据的船舶主航迹提取方法设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

航运业的飞速发展，船舶的数量越来越多，吨位越来越大，航线增多，航道拥挤，交通密度增大，由于船舶及人为因素造成的水上交通事故频发。对经济等方面的损失也大大增加。高新技术的发展在航海领域也有较大的体现，一些先进的系统为电子航海提供了可能。本文所应用的AIS是一种已得到广泛应用助航设备，该系统不仅能自动接收处理来自他船的操纵和船位信息，对他船进行识别、检测和跟踪，而且可在无人介入的情况下，主动地向合适的岸台、其他船舶或航空器提供实时连续、详细完整的航行状态信息和其他与安全有关的信息 。并且AIS所记录的数据能够实时反映船舶动态。目前，交通部海事局已建立了较为完善的AIS和雷达基站网络，对交通量、交通流、航迹分布等海上交通特征的计算进行了系统的开发

（1）更客观地确定船舶在港口水域中航迹带尺度，（2）对已有的航迹尺度经验公式的修正具有一定的参考价值，（3）对更加合理地利用港口、码头和水道等水域资源，改善船舶航行条件，促进港区交通状况提供了科学依据。（4）在航路规划中，主航迹带常用于确定受限水域的习惯航道宽度，（5）开阔水域主航迹带提取可为海上交通管理部门设计、优化船舶定线制提供决策依据。

航迹带尺度是港口和航道规划、设计及建设的一个重要参数，现阶段国内外对船舶航迹带尺度的研究，主要有实船试验、模拟研究、理论计算等方法 。目前已有一些学者利用 AIS 数据对船舶进行研究，陆吉庆通过采集港口水域船舶 AIS 数据，利用回归分析方法确定了大型船舶航迹带宽度、转弯半径与船长、船宽、载重吨、吃水、风流等因素的关系^[1]；曾昆利用 AIS 数据对厦门港附近大型船舶航迹带度、转弯半径进行了统计分析^[2]；赵月林结合 AIS 技术与四元动态船舶领域模型，建立了一套合理有效的船舶避碰决策模型，并构建了一个辅助避碰决策系统，该系统能够实现对碰撞危险和会遇态势的判断，并能给出避让方向和避让幅度的建议^[16]；Jun MM等人利用 AIS 数据研究繁忙水域的避碰问题^[13]；方耿舜将 AIS 技术与航标相结合，使得航标数字化，并利用 AIS的海上通信优势，进而研发能够实现对航标实施远程监测的 AIS 航标系统，这一实现有效提高了航标监管部门的监管效率，同时，为船舶提供良好的导航服务这一功能也将在利用AIS 电文 21 播发航标报告中得以实现^[17]；Eriksen T等人正是利用 AIS 的功能来对海上船舶实施了监管与跟踪^[18]；潘家财等人利用厦门湾历史 AIS 数据，结合数据挖掘技术，从船舶会遇空间、时间分布、会遇船舶尺度和态势等多个角度研究分析了厦门湾船舶会遇状况^[19]。

国内外对船舶轨迹聚类研究主要方向可分为两大类，第一类是将轨迹作为一个整体来聚类，主要研究有：Gaffney S.等人将一整条物体轨迹作为一个整体来处理^[20]；曹妍妍等人利用改进的 Hausdorff 距离对经预处理后的轨迹进行轨迹相似度度量，而后利用谱聚类方法对该轨迹所生成的距离矩阵进行聚类并得到了较符合实际情况的聚类结果^[21]；Panagiotakis C等人基于轨迹投票对轨迹进行聚类，得票越多说明轨迹越具代表性，最后从轨迹数据库中选出最具代表性的轨迹^[22]。第二类是将轨迹进行划分，以轨迹子段作为目标的聚类方法，主要研究有：Lee J等人通过把轨迹划分成片段的集合，然后再把轨迹片段聚集到簇中^[23]；袁冠等人针对轨迹内部蕴藏着自身的结构特征提出了结构轨迹的概念，利用相似度计算函数来计算轨迹段的结构相似度，进而判断轨迹间的相似程度，并完成轨迹聚类过程^[24]；韩陈寿等人通过在邻域计算中加入了速度约束，提出了一种基于速度约束的分段轨迹数据聚类方法来弥补未考虑速度因素对特征点所带来的影响，以便获得更好的聚类效果^[25]。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容：（1）ais数据的采集和解析方法；（2）基于ais数据的船舶交通流分布统计与轨迹特征提取；（3）轨迹聚类算法、航迹带计算模型和实现；（4）基于ais数据的实验验证与分析，形成船舶主航迹提取方法描述。

研究目标：本课题拟利用ais数据对船舶轨迹进行统计，分析某水域因航行和水文特征方面便利性而吸引多数航海者通行的航道，从交通流的角度统计达到一定量的船舶主要航迹带，利用聚类和回归分析等手段提取船舶主航迹带。利用matlab工具实现相关提取方法，并进行数据分析，完成论文撰写。实现基于ais数据的船舶主航迹提取方法设计。

（1）.搜集国内外和船舶ais分析和航迹提取及推断相关的文献；

（2）.从交通流的角度统计达到一定量的船舶主要航迹带；

3. 研究计划与安排

(1)．1月15日-3月10日，查阅相关文献资料，并联系导师，编写开题报告，确定毕业论文的大体内容框架和研究方向。

(2)．3月11日-4月15日，根据导师意见进一步修正和确定论文方向和具体内容。另外，完成20000个字符的英文文献翻译。

(3)．4月16日-5月12日，按任务书要求开始论文撰写，进一步完成论文撰写的技术环节，查阅文献，充实内容，保持与指导教师的联系，在此期间完成论文初稿。

(4)．5月13日-5月23日，按导师要求提交修改完善的论文及英译稿。

4. 参考文献（12篇以上）

[ 1 ] 陆吉庆.港口水域航迹带宽度和操纵参数的回归分析[d].大连:大连海事大学,2010.

[ 2 ] 曾昆.基于实态的船舶航迹带宽度和操纵参数的研究[d].大连:大连海事大学,2009.

[ 3 ] imo. ships routeing, 2013 edition[m]. publisher: imo publishing. london. isbn:9789280142457.2014.

[4]陈伟.大型集装箱船进出港行道宽度模拟实验研究[d].武汉:武汉理工大学,2010.