武汉桥区水域船舶航行碰撞风险可视化研究

摘要

经济的高速发展推动交通运输行业的繁荣，船舶吨位逐步提高，同时跨江、跨海的大桥新建并屹立于江海之上。桥梁的建设和使用一方面完善了陆上交通体系，对经济的发展起到了推动作用；另一方面对水上交通产生重大影响。国内外桥区水域碰撞事故频发，存在巨大的安全隐患。针对此，本文提出一种基于船舶领域的桥区水域船舶航行碰撞风险计算和可视方法。 以桥区水域船舶航行碰撞风险计算和可视为对象，探索基于船舶领域的航行碰撞风险网格化计算模型，最后以热力图对碰撞风险进行可视化呈现。在对AIS数据进行预处理和船舶轨迹分类的基础上，采用统计学的方法对桥区水域船舶领域进行研究：以本船为对象，对他船所在本船周围位置进行统计，获得特定类型的船舶领域范围，结合四元船舶领域模型，构建了桥区水域四元船舶领域模型；在此基础上，提出模糊四元船舶领域模型，并基于船舶领域模型构建纵向、横向和空间碰撞风险计算模型；对研究区域进行网格化，基于空间风险计算模型实现碰撞风险的网格化计算并采用热力图对碰撞风险进行可视。 以长江武汉桥区水域历史AIS数据为基础，进行船舶领域分析和航行碰撞风险可视化实验。通过实验发现：采用K最近邻分类方法可对内河船舶轨迹分类的准确性达到97.5%；采用统计学的方法可获得基于他船的船舶领域和基于桥墩的船舶领域，而对于航标来说，无明显船舶领域存在；之后，分别对船舶通过白沙洲大桥、武汉长江大桥和武汉天兴洲大桥时航行碰撞风险进行可视化，得出船舶通过不同桥梁时碰撞风险分布的差异。最后，基于长江电子航道图，构建了桥区水域船舶交通流及碰撞风险可视化平台。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 船舶领域

1.2.2 船舶航行风险

1.2.3 可视化及其在交通中的运用

1.3 主要研究内容及论文结构

1.3.1 课题来源

1.3.2 主要研究内容

1.3.3 技术路线图与论文结构

1.4 本章小结

第2章 数据预处理

2.1 AIS数据

2.1.1 AIS的应用

2.1.2 AIS数据特性

2.2 数据分离和清洗

2.2.1 轨迹分段

2.2.2 时间间隔归一化

2.2.3 经纬度漂移

2.2.4 其他数据清洗

2.3 数据修复和预测

2.3.1 三次样条插值和分段三次埃尔米特插值

2.3.2 BP神经网络

2.3.3 联合数学模型

2.3.4 实验结果对比

2.4 本章小结

第3章 桥区水域和船舶领域研究

3.1 桥区水域

3.1 1桥区水域的定义

3.1.2桥区水域界定

3.2 武汉桥区水域范围

3.2.1 武汉桥区静态范围划分

3.2.2 武汉桥区动态范围划分

3.3 船舶轨迹分类

3.3.1 轨迹间距离模型

3.3.2 轨迹相似性度量

3.3.3 KNN分类算法

3.3.3 轨迹分类实验

3.4 船舶领域计算

3.4.1 算法原理

3.4.2 算法流程

3.5 武汉桥区船舶领域

3.5.1 航标和桥墩

3.5.2 动静态数据匹配

3.5.3 船舶领域实验结果分析

3.6 本章小结

第4章 船舶航行碰撞风险计算和可视化

4.1 模糊四元船舶领域模型

4.1.1 模糊集理论

4.1.2 模糊四元船舶领域

4.2 基于模糊四元船舶领域的航行碰撞风险计算模型

4.2.1 纵向碰撞风险计算

4.2.2 横向碰撞风险计算

4.2.3 空间碰撞风险计算

4.3 航行碰撞风险可视化方法

4.3.1 算法原理

4.3.2 可视化流程

4.3.3 热力图模型

4.4 船舶航行风险可视化实现

4.4.1 单船航行碰撞风险可视化

4.4.2 区域航行碰撞风险可视化

4.5 本章小结

第5章 桥区水域船舶交通流及碰撞风险可视化平台

5.1 平台需求分析

5.1.1 可视化要素分析

5.1.2 功能需求分析

5.1.3 关键技术需求分析

5.2平台系统设计

5.2.1 平台总体设计

5.2.2 平台子系统设计

5.2.3 平台界面设计

5.3 平台功能实现

5.3 1数据修复功能

5.3.2 船舶轨迹图和海量点图

5.3.3 AIS系统性能分析

5.3.4 碰撞风险网格显示

5.4 航行碰撞风险案例分析

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 研究总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文及参加的科研项目