摘 要

近年来，我国航海信息技术迅猛发展，船舶上配备的自动识别系统会对船舶的航行状态记录记录，并且会自动生成大量非常有用的航行数据，即ＡIS数据，越来越多的船舶AIS数据呈现急剧増长。有了这些巨大的AIS数据背后反映了船舶航行的各个方面，包括了丰富的物流、航运、海上交通等有用的信息。现代航运业的飞速发展，已有的数据分析处理随着方法已不能满足其数据的需求，急需有效的理论与技术对这些大量的AIS数据进行分析和应用。

本文以船舶轨迹作为研究的样本对象。运用到数据收集技术和分析处理等多种方法，主要解决船舶碰撞事故的回溯，开展完成以AIS数据为基础的船舶碰撞事故取证分析。对涉事船舶的操纵动机、行为进行识别进而进行碰撞事故的回溯，并且判断涉事船舶决策的合理性。基于Dcmpstcr-Shafcr证据理论对船舶操纵质量进行了定量评价，利用时间滑动窗口对涉事船舶的行为进行多维分析，在以AIS数据为基础事故回溯中评判船舶的决策和操纵质量。传播碰撞事故的回溯就是通过对AIS数据的分析进行仿真模拟，能有效还原涉事船舶的操纵意图和操纵质量，从而减少人为因素中对于航线的判断错误。

关键词：AIS数据，船舶碰撞，证据理论

Abstract

With the rapid progress of nautical information technology, the voyage data generated by the automatic identification system (AIS) is explosive. These massive AIS data contain rich knowledge of logistics, shipping and maritime traffic. The traditional data analysis method can not meet the requirements of the rapid development of modern shipping industry, and it is urgent to analyze and apply the effective theory and technology to these large numbers of AIS data. Data mining and clustering, as a theory and method of mining useful and potential utility knowledge from mass data, has become the main analysis technology of massive AIS data. Such

In this paper, the ship trajectory is a skillful object. Data mining and clustering techniques are used as a method. Aiming at the related problems in the route planning, the paper is devoted to the analysis of the collision accident forensics based on AIS data. The rationality of the ship's decision is judged by identifying the motive and behavior of the vessel involved. Based on the Dcmpstcr-Shafcr evidence theory, the quality of ship handling is evaluated quantitatively. In view of the interaction between the two sides of the collision, the time sliding window is used to cross analysis the behavior of both sides, making the decision and handling quality of the ship can be judged in a more specific background. The simulation analysis of a typical ship collision case shows that the proposed algorithm can effectively extract the maneuvering intention of the involved ship and reduce the human error of the route.

Key Words：AIS data；ship collision；evidence theory.

目 录

第一章 绪 论 1

1.1船舶碰撞事故AIS分析的目的及意义 1

1.2国内外发展现状 1

1.3本文研究内容 2

第二章 船舶的AIS数据解析 4

2.1AIS信息分类及内容 4

2.1.1 AIS消息简介 4

2.1.2AIS信息分类及内容 4

2.2 AIS数据解码 5

2.3 AIS数据预处理 5

2.4 研究水域的AIS数据筛选 7

2.5本章小结 9

第三章 船舶的协同避碰和动机提取算法 10

3.1船舶避碰理论 10

3.1.1船舶避碰原理 10

3.1.1船舶避碰过程 11

3.2船舶动机提取算法 13

3.2.1证据理论基础 13

3.3本章小结 13

第四章 碰撞过程中的行为建模 1

4.1船舶碰撞事故的贝叶斯网络节点变量 1

4.2船舶碰撞事故贝叶斯网络结构学习 2

4.2.1网络结构的描述 2

4.2.2 网络结构的确定 3

4.3船舶碰撞事故中的贝叶斯网络推理 4

4.4 MATLAB中的贝叶斯网络工具箱 5

4.5本章小结 7

第五章 涉事船舶在事故中的行为合理性评估 1

5.1会遇船舶碰撞行为和最近会遇点分布数据提取 1

5.2事故行为合理性分析 2

5.3本章小结 2

第六章 结 论 1

致 谢 25

参考文献 26

第一章 绪 论

1.1船舶碰撞事故AIS分析的目的及意义

近年来，随着航运事业不断进步的条件下，船舶运输不断增加，由此也带来了许许多多的穿不碰撞事故的重大事件。疏忽瞭望，不使用安全航速，船吸，小船占用大船航道违章航行，在转向点处会船，超载航行，不遵守雾航及使用高频电话有关规定等等都是事故发生的直接导火索。

近年来商船与渔船之间的碰撞事故日益增多，导致人员死亡失踪等重大碰撞事故接连发生，造成了不可挽回的人命损失以及巨大的经济财产损失。而我国沿海地方的商船与渔船碰撞事故的数量甚多，有些碰撞事故是由于驾驶员玩忽职守，忽视了瞭望，也有些则是由于我国渔民现阶段的总体素质不高，渔船的配置落后等多数造成，因此我们研究船舶碰撞事故，将其回溯，进行行为取证分析，还原碰撞事故真相，方可进一步减少居高不下的船舶碰撞事故的发生，意义重大。

我国目前是世界第一的渔船大国，然而现阶段更多的是木制的渔船以及小型渔船，再加上大量的渔船都存在着极为严重的老化现象，安全指数非常低，配置落后，技术陈旧，船型混杂，所以渔船的安全情况不容乐观，我国渔船船员死亡失踪率较高，相对于日本，韩国，以及欧美渔业发达国家落后甚远。而且频繁活动的渔船与高密度同行的商船，航线交叉重叠，木质渔船与小型渔船不易被发现。作业不规范。不同类型船舶之间的沟通存在着很多障碍，这也是我国沿海地带许多渔船与商船发生碰撞的事故的罪魁祸首之一。

分析商船与渔船碰撞事故，回溯根本原因，还原事故真相，有利于降低碰撞事故率，对于减少由于碰撞而导致的人员伤亡与失踪，财产的损失，促进航运事业与水上经济协调可持续发展都有着重大的战略意义。

1.2国内外发展现状

船舶领域理论是由滕井提出，从该理论提出以来，世界各国专家学者按照研究对象、方法的不同，提出了一系列的船舶领域模型。船舶领域的分析、提出和应用始终是航运事业上必须面对和解决的一个问题。下面将对多种船舶领域理论依次进行论述，并且对研究所采用的研究样本对象、数学处理方法和数据研究结果进行总结和比较。

福吉观测了日本某水道船舶交通量，获取了俯冲船的位置信息，并且对观测结果进行了分析，提出了椭圆形船舶领域模型。该模型中，被让路船位于椭圆中心，船首船尾方向就是对应的椭圆的长轴，船舶在横向上处于椭圆短轴。椭圆长短半轴与船的尺寸相关，短轴半径大约为船长的三倍，长轴半径大约为船长的0.8倍。后来，日本有许多其他研究人员也提出了不同形状的狭水道船舶领域模型，比如哈萨克族模型等。

对于海上船舶碰撞事故，国内外的研究重点基本一致，着重分析事故的发生因素、统计特性及影响规律等，而在船舶碰撞事故态势方面，国内学者的关注度还不多，研究成果也多体现在船舶碰撞事故风险及致因分析等方面。

纵观国内外学者近年来在海上船舶碰撞事故方面的研究可知，研究方面主要包括事故发生概率、风险预测、致因分析，而且研究方法不断成熟。但这大多是基于历史数据挖掘进行的船舶碰撞事故发生现状研究，没有实时表明整个事故的发展状况和演变趋势。在事故态势方面，研究多集中于道路交通领域，尚未将态势研究方法较广泛地应用于海上交通领域。总的来说，海上船舶碰撞事故态势研究还处于萌芽期，具有很大的研究潜力和空间，有待于加强和深化。因此，本文在参考道路交通事故态势研究的基础上，结合海上交通特点和环境因素，将其应用于船舶碰撞事故，扩展事故态势在海上交通的应用领域。

船舶领域的研究对象可以是交通调查中的样本对象，也可以是实际交通观测出来的样本对象、还可以是通过模拟器采集的样本对象。对于不同的研究对象的研究，可以采用船舶领域研究的不同方式，并且形成以交通观测法、航运调查法、船舶交通模拟器法为基础的研究方法和水动力学理论的研究方法等等。观测设备是一切交通观测法的基础，根据观测设备的不同观测方法又可以细致划分为观测、雷达扫描、航空摄影、卫星图像以及AIS系统。航运调查法则主要指通过调查问卷的方式进来收集数据和分析样本。

船舶领域的研究方法有多种分类，具体可分为：如统计、聚类分析所构成的统计方法、与对应参数关联的解析表达和 基于模糊集、神经网络等的动态船舶领域和智能技术。统计方法是以交通调查、模拟器数据为基础进行的数据处理方法。解析表达式又分为两种:一种是以某些因素和水上交通调查为基础的表达式、以流体力学和船舶操纵理论为基础的表达式。除此之外，还有很多船舶领域需要考虑到受限水域中的一些受限条件，比如该水域的水深等条件。第三种以智能技术为基础的船舶领域的技术已经炉火纯青。这一方面的研究是以现有的船舶领域模型、流体力学和船舶操纵理论为基础。

船舶领域的研究是多方面的，这是由于有着不同的研究目的和不同地方的应用，比如研究目的是为了减少或避免碰撞、缓解船舶密度过大、或者进行安全性能的评估等。

1.3本文研究内容

当轨迹数据记录数据达到非常大时，将会给数据存储、传输和处理造成非常大的障碍及挑战。本文通过研究Ｄｏｕｇｌａｓ－Ｐｅｕｃｋｅｒ算法，分析船舶航行的AIS数据，回溯船舶碰撞的过程，并进行合理性分析和问责。依据船舶的运动特性，对船舶航线、航向和速度的数据进行分析研究，研究船舶的行为特性。同时设计了在线识别船舶的搁置行为的算法，分析商船与渔船碰撞事故，回溯根本原因，还原事故真相。基于国际海上避碰规则，最大程度还原涉事船舶在碰撞事故上下文中的操纵意图，为精细、准确的认责分析提供支持。有利于减少碰撞事故率，降低由于碰撞造成的人员伤亡和失踪以及财产损失。

第二章 船舶的AIS数据解析

2.1AIS信息分类及内容

2.1.1 AIS消息简介

AIS消息包含航次信息、静态信息、动态信息和短消息[56]。装备了AIS设备的船舶，会记录船舶的航线、航次等信息。其中包括船舶的名称与类型等的信息，它是AIS系统初始化时输入的，一般不会修改它，除非船舶或船舶类型改变，所以也叫做静态信息。还有传感器所记录下来的关于船舶位置以及航向等实时更新的数据，所以也叫动态信息，这种和实际航行有关的信息由船舶上配备的AIS设备自动读取与发射。短消息主要是指关于安全问题方面的信息。

2.1.2AIS信息分类及内容

AIS设备自动接收并且发送某些特定格式的文本信息。船上配备的AIS设备主要有A类AIS和B类AIS 两种。相关技术指标如表2.1所示:

表2.1 AIS设备技术指标

船舶发送的AIS数据信息按内容可分为以下四种不同的类型：

(1)静态信息

(2)动态信息

(3)航次相关的信息

航行相关的信息包括船舶预计到达时间和目的地、船上货物种类和数量、预设的航线等。在航行过程中，航次相关的信息需要手动输入和更新，但是这就可能会导致一些数据错误或者遗漏，不一定是百分之百完整和准确。

(4)安全相关的信息

安全相关信息是指涉及到船舶航行过程中安全的信息。比如驾驶人员所输入的重要信息，或者是重要的气象报告、航行警告等信息。

2.2 AIS数据解码

AIS设备接收到的AIS信息数据都是以压缩代码的形式传输，为了获取代码中隐藏的真实信息，必须解码AIS设备所接收到的数据信息。AIS信息的传输方式有两种，一种是传输明确并且可以直接读取数据内容，成为明码传输，这种传输方法直接易懂，但编码过程中的信息巨大而且不纯，极大的影响传输效率。另一种传输方式就是暗码传输，与明码传输不同的是，俺妈传输的信息精简，没有杂质，但是暗码的解码过程非常复杂，只有通过固定的格式才能获取信息数据中所包含的信息，尽管如此，由于携带的信息量巨大，传输效率也就大大提高。琼州海峡的AIS数据就是利用AIS数据采集器收集的。

2.3 AIS数据预处理

AIS数据中的船舶轨迹数据主要包括船的呼号、所处的经度和纬度坐标、时间等。我们可以对AIS数据进行解码，对照数据库SHIPDB中的数据，便可以查询到船舶的轨迹数据。SHIPDB是由船舶轨迹表SHIPTRACK和船舶信息表SHIPINFO构成，具体结构如下表2.2和表2.3所示：

表2.2船舶信息表

根据SHIPTRACK表、SHIPINFO表，我们解码后的AIS数据导入对应的数据库，结果如图2. 4所示（详见附录1）。

图2.4 AIS信息数据库

2.4 研究水域的AIS数据筛选

要想解码AIS数据，我们必须正确的设置AIS设备。在使用AIS设备前，要检查AIS动静态信息中的船名、船舶呼号、L, W, d, MMSI等固定的信息有没有输入或输入有没有错误。处理AIS数据时，可能会存在部分错误的或者缺失的信息，造成的原因主要有以下三种:

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