Artificial forces for virtual autonomous ships with encountering situations in restricted waters

ABSTRACT

Even if the same two ships operate in the same encountering situation, the actual strategies and timing of operations may be different. Therefore, the fixed collision avoidance trajectory and ship movements are no longer suitable for simulating the real ship behaviour. This paper tries to develop an artificial intelligent system that fully sensitive to the local circumstances and command a ship in virtual environment. Based on AIS (Automatic Identification System) data, this study has developed artificial forces which help decision makings on-board independently under different situations and catching the stochastic nature of ship behaviours during collision avoidances manoeuvring. Actual ship tracks are helpful for ascertaining the parameters that contribute to artificial forces in collision avoidances, while the correlation coefficient analysis is helpful to distinguish the parameters. This study will help to develop a navigation traffic simulation to reflect the realistic ship behaviour and provide reliable information for port and waterway planning, risk analysis, and mitigation measures. The method can be used in developing algorithms for autonomous ships. The method introduced in this study lays a foundation for developing artificial forces at intersections or bends, although the model is only applicable in straight channels at the moment.     

海上自主无线电设备(AMRD)技术标准研究

渔网AIS示位标作为我国应用数量最多的海上自主无线电设备(AMRD),能使过往船舶通过AIS船台了解渔网位置,有效减少了船舶与渔网相撞事故的发生,但渔网AIS示位标对船舶避碰、海事监管和AIS系统造成了较大影响。文中在分析相关国际组织研究现状的基础上,提出渔网AIS示位标采用主从模式,一张渔网安装一个主设备和多个从设备,解决渔网AIS示位识别和显示问题,减少渔网AIS示位标的时隙占用,并能够清晰显示渔网的位置和范围,保障船舶航行安全。这种主-从模式也可在其他类型的AMRD上应用。     

考虑对地航速和航向的船舶典型轨迹提取方法

基于船舶自动识别系统(Automatic Identification System, AIS)数据的船舶典型轨迹挖掘需要经过两个重要步骤，一是压缩 AIS 数据，二是聚类压缩后的 AIS 数据。传统的DP(DouglasPeucker)压缩算法，只考虑船舶轨迹的压缩形状，忽视了船舶航行中其他重要信息。为解决此问题，把对地航速和航向加入到DP算法的压缩过程中。在AIS轨迹聚类方面，传统谱聚类方法只对船舶轨迹的位置进行相似性度量，没有考虑船舶轨迹的其他维度，针对此问题，提出多属性轨迹相似性度量方法。由于不同的输入参数影响着最终的聚类质量，引入Calinski-Harabasz指标评价谱聚类算法，实现聚类参数的自适应选择。利用山东威海水域的实际AIS数据进行实例研究，并与传统谱聚类算法做比较实验。实验结果表明，利用该方法提取到的典型轨迹符合真实水域的交通情况，相较于传统谱聚类方法具有更高的聚类质量。     

船舶AIS大数据资源管理及分析应用架构设计

为充分探索船舶自动识别系统大数据在统计决策和安全监管方面的应用价值，系统性地提出了船舶AIS大数据资源管理与分析应用架构。首先，根据船舶AIS大数据特点，设计了船舶AIS大数据处理流程和存储策略，为后续高效计算提供支撑；然后，提出并实现了基于船舶AIS大数据的船舶轨迹重建算法、断面船舶流量统计算法、船舶进出港区识别算法、船舶航行状态分析算法四种基础算法；最后，基于上述计算方法，将船舶AIS大数据应用于断面流量统计、船舶规范使用船载AIS设备行为监控以及船舶规范执行进出港报告情况监控等场景，结果表明船舶AIS数据在统计决策和安全监管方面具有一定的应用价值。     

Port-city exhaust emission model: An application to cruise and ferry operations in Las Palmas Port

Exhaust emissions cause air pollution and climate change. The exhausts of shipboard fuel combustion are equally damaging particularly, so close to the environmentally sensitive mainland and island coasts, as well as at ports due to their urbanized character. This paper estimates, for the first time, exhaust pollutants related to cruise and ferry operations in Las Palmas Port and, in an island context. Emission assessment is based on a full bottom-up model and messages transmitted by the Automatic Identification System during 2011. Results are described as a breakdown of NOx, SOx, PM_2.5, CO and CO₂, according to ship classes, operative type and time, providing valuable information to environmental policy makers in port-city areas and islands under similar conditions. It is generally concluded that vessel traffic and passenger shipping in particular are a source of air pollution in Las Palmas Port. Emission maps confirm location of hot spots in quays assigned for cruise and ferry operations. Policy recommendations encourage regular monitoring of exhaust emissions and market-based incentives supported by details on polluting and operative profiles. On the other hand, feasibility studies are suggested for automated mooring, LNG bunkering facilities and also shore-side energy services, prioritizing berthing of shipping sectors (or sub-sectors) with the highest share of exhaust emissions once their local effects have been confirmed by a dispersion, exposure and impact assessment.     

基于AIS网络的VTS信息智能推送应用研究

文中在通过利用智能手段采用AIS网络对航行计划、交通管制、水文气象等VTS相关信息进行推送的相关领域进行了研究,以便提高船舶信息获取效率,减少VTS服务工作强度。     

基于无线局域网中船舶自动识别通信平台设计

随着现代航运业的发展,国与国之间的海上交流愈加频繁,海上自动识别系统成为保障各国海上安全航行的关键。基于雷达及APRA的传统识别系统技术,识别效率较低,不能满足现代航海需求。计算机网络及数字通信技术的发展,基于AIS的船舶自动识别系统成为其发展方向。本文研究现有的AIS系统,结合海上无线局域通信网络,设计基于无线局域网的自动识别通信平台,实现船舶与监控中心的高效连接。     

基于朴素贝叶斯算法的船舶异常行为监测

随着海事事故与海上违法行为的不断增多,智能的监控方法成为降低海事事故,打击海上违法行为的有效手段.同时,船舶自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)的普及及船舶交通管理系统(Vessel Traffic Service,VTS)的扩建,又为智能监控提供了数据支持.鉴于此,利用船舶自动识别系统提供的数据,分析通航水域船舶信息的分布情况,根据其概率分布采用朴素贝叶斯算法,从船舶航速、航向及距航道边界距离3个方面,构建船舶异常行为检测模型.最后,以成山角通航水域为例,检验模型的有效性.实验结果表明,构建的模型能够有效地完成异常行为监测,减少海事监管人员的工作强度,同时根据实验结果分析了成山角水域船舶航行的特点,并对成山角定线制提出合理化建议.     

考虑游览船运营特征的航道通过能力评价方法

为构建客货船舶协同动态运行控制技术体系，以经典航道通过能力模型为基础，构建基于游览船运营特征(发船高峰性和航线集中度)的航道通过能力模型.根据黄浦江游览核心区船舶自动识别系统(AIS)数据，对所提出的航道通过能力模型进行实证分析.研究结果表明，本文航道通过能力模型能够较为准确地评价研究区域的实际航道通过能力.游览船发船高峰时期与现有航线规划条件下，黄浦江游览核心区航道通过能力(76艘/h)趋近饱和状态；当过境船到达超过69艘/h时，建议海事相关部门采取“错峰”航行等相关政策.     

基于动态水域网格计算的船舶领域研究

为了满足现代船舶的发展需求,结合船舶自动识别系统(AIS)数据量巨大,包含了丰富的船舶信息等优点.本文利用SQL2012对AIS数据进行处理,建立包含船舶静态信息和动态信息的数据库;借助C#程序语言,构建以中心船舶为原点的网格坐标系,并以船舶间相对距离方位计算周围船舶在网格中的相对位置坐标;对同长度和类型的船舶进行网格叠加计算,并以船舶频数的方式进行统计,采用数据处理软件Matlab以最小二乘法的方式对统计结果进行处理;对研究水域的主要船型不同尺度的船舶领域进行对比和统计分析,并对不同船型船舶领域略作讨论,总结得出开阔水域船舶领域的特点.