摘 要

近年来，随着全球贸易的不断发展，水上交通运输的需求不断提高，船舶交通流密度随之增大，船舶碰撞事故发生频率也日益增加。因此，如何有效辨识船舶会遇风险、及时采取有效措施避免碰撞事故的发生，对于维护船舶航行安全和提高水上交通安全监管效率有着十分重要的现实意义。

现有研究多局限于建立数学模型线性量化船舶的会遇风险，鲜少考虑不同会遇态势对船舶会遇风险及采取的避碰措施可能产生的影响。本文基于船舶自动识别系统（AIS）的数据信息，针对大屿山海峡水域的典型交汇水域的船舶会遇特征，提出了考虑会遇态势的船舶会遇风险辨识模型CRI模型，并实现了地理空间的风险可视化，为船舶驾引人员和海事机构管理人员提供风险辨识参考。本文主要工作内容包括：

（1）分类提取船舶的会遇态势。依照不同的会遇特征序列，采用支持向量机（SVM）算法对大屿山海峡水域的船舶会遇态势进行分类提取。

（2）分析已提出的VCRO模型的可行性及问题。对比分析了是否区分会遇态势计算得到的VCRO模型，在三种不同会遇态势下的实际适用性，证明了区分会遇态势的结果与实际航行风险更加相符。

（3）提出基于随机森林回归的船舶会遇风险辨识模型CRI模型。引入船舶会遇态势、相对距离、相对速度、相对角度四个会遇特征，利用随机森林回归得到CRI模型。通过对比CRI模型与VCRO模型，证明CRI模型的优越性。

（4）实现对大屿山海峡水域的船舶会遇风险可视化。综合前文的研究，实现对大屿山海峡水域的风险可视化，从不同角度对该水域基于地理空间的风险分布进行分析，为海事管理机构和船舶驾引人员提供更为直观的风险参考。

关键词：船舶会遇风险；风险辨识；AIS数据；随机森林

Abstract

Recently, with the continuous development of world trade, the demand of water transportation is increasing, the density of ship traffic flow is increasing, and the frequency of ship collision accidents is increasing. Therefore, how to effectively identify the ship encounter risks and take effective measures to avoid collision accidents in time has important practical implications to maintain the safety of ship navigation and improve the efficiency of maritime traffic safety management.

Most of the existing studies are limited to the establishment of mathematical models to quantify the ship's encounter risk linearly, and seldom consider the impact of different encounter situations on the ship's encounter risk and the measures taken to avoid collision. Based on the data information of AIS, aiming at the encounter characteristics of ships in the typical intersection waters of Lantau Strait, this paper proposes the CRI model, which considers the meeting situation, and realizes the risk visualization in geospatial space, which provides the risk identification reference for the ship sailors and the managers of maritime institutions. The main work of this paper includes:

(1) The encounter situation of ship is extracted. According to different encounter feature sequences, support vector machine algorithm is a tool to classify and extract the ship encounter situation in the waters of Lantau Strait.

(2) Analyze the feasibility and problems of VCRO model. This paper comparative analyzes the VCRO model from the calculation of whether encounter situation be distinguished, and its practical applicability under three different encounter situations proves that the result of collision situation in the district is more consistent with the actual navigation risk.

(3) The CRI model of ship encounter risk identification based on Stochastic Forest regression is proposed. In this paper, four encounter characteristics, the ship encounter situation, relative distance, relative speed and relative phase, are introduced, and CRI model is obtained by Random Forest regression. The superiority of CRI model is proved by comparing with VCRO model.

(4) Realize the risk visualization of Lantau Strait waters. Based on the above research, the risk visualization of the waters of Lantau Strait can be realized, and the risk distribution of the waters based on geographical space can be analyzed from different perspectives, so as to provide a more intuitive risk reference for maritime management agencies and ship sailors.

Key Words: Ship Collision Risk; Risk Identification; AIS; Random Forest

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

第2章 会遇风险辨识基本框架 4

2.1 会遇态势 4

2.1.1 船舶会遇态势的概念 4

2.1.2 研究水域的船舶会遇特征 5

2.2 问题分析 6

2.3 基本框架 7

第3章 会遇风险辨识模型 9

3.1 基于SVM的船舶会遇态势提取 9

3.1.1 会遇特征分析与提取 9

3.1.2 基于SVM的会遇态势识别 10

3.2 引入会遇态势的会遇风险辨识模型 11

3.2.1 不区分会遇态势的VCRO计算 11

3.2.2 区分会遇态势的VCRO计算 16

3.3 基于随机森林的会遇风险辨识模型 21

3.3.1 随机森林算法的优越性 22

3.3.2 引入会遇态势的会遇风险辨识模型建立 22

第4章 结果与对比分析 25

4.1 CRI模型有效性验证 25

4.2 地理空间分布的风险可视化 27

第5章 总结与展望 31

参考文献 32

致 谢 34

第1章 绪论

1.1 研究背景

随着经济全球化的发展，航运业在全球贸易往来中扮演着重要的角色，90% 以上的国际贸易额是通过水运完成^[1]，水上运输系统为世界经济的发展做出了巨大贡献^[2]。据中华人民共和国交通运输部统计数据，2019年我国水路货运量达747225万吨，货物周转量量达1039630352万吨。随着水上货物需求的不断增多和贸易量的不断发展，对水上运输船舶的要求也不断提高，船舶不断向更大体积、更快速度、更高性能发展，随着航运业的日益繁忙和船舶交通流的日益增加，水上交通事故给个人、社会和经济各方面带来了极大的风险。近年来，水上交通安全情况也不容乐观，各国水域均有许多不同类型的重大水上交通事故发生，如“东方之星”号、“岁月”号、“桑吉”轮等，造成的后果不可估量。随着船员和船公司安全意识的提高，海事局等相关机构对船员质量和船舶检查的把控，近年来水上交通事故发生的数量有所下降，水上交通安全的整体态势有所好转，但是水上交通事故造成的经济损失、人员伤亡、环境破坏以及对通航秩序的影响仍然不可小觑。

虽然水上交通安全态势持总体向好的趋势，但是在经济全球化的大趋势下以及建设海运强国的总体方针下，水上运力的需求不断增加，随之而来的是船舶密度的增大。船舶在繁忙的通航水域，如港口、进出口航道、交汇水域等的会遇概率增加，在这些较为复杂的通航水域，船舶航行和避让的难度较大，导致船舶碰撞事故占水上交通事故总数的很大比例^{[3] [4]}。因此，船舶碰撞的相关研究一直是水上交通安全领域的热点问题。