VTS模拟器中交通流模型的研究.docx

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VTS模拟器中交通流模型的研究

毕业论文

VTS模拟器中交通流模型的研究

学生姓名：

陈浩

指导教师：

许志远

专业名称：

航海技术

所在学院：

航海与船舶工程学院

2013年6月

目录

摘要I

AbstractII

第1章VTS的概述3

1.1VTS的定义3

1.2我国VTS的发展3

1.3VTS的作用及模拟器的组成3

第二章海上船舶交通流数据的统计5

2.1交通流的统计方法5

2.2船舶交通数据选择5

2.3数据处理6

第三章VTS交通流模型8

3.1流体模型8

3.2船舶领域模型9

3.3船舶运动模型12

致谢15

参考文献16

英文翻译（原文）17

英文翻译（译文）24

摘要

根据国际航标协会（IALA）的定义:

“VTS是由主管机关实施的,用于提高船舶交通安全和效率及保护环境的服务。

在VTS覆盖的范围内,这种服务应能与交通相互作用并对交通形式变化作出反应。

”目前我国VTS人员培训中模拟器练习环节主要采用仿真的VTS模拟器进行。

采用真实系统进行培训虽贴近实际,但由于设备昂贵且培训时会造成误操作从而影响正常的船舶管理,特别是某些应急操作很难在真实的系统中体现;采用VTS模拟器进行培训能克服采用真实设备进行培训的不足,还能节约成本并可设置各种练习场景反复多次练习VTS模拟器中,交通流的设置是VTS值班人员进行人机交互的重要辅助手段,交通流的逼真度对VTS值班人员的设备操作和应急处理的能力有很大的影响,因此逼真的交通流是VTS模拟器研究的重要内容。

交通流理论为使人们更好地理解交通特性及其本质,采用分析的方法来阐述交通现象及其机理,并将其运用到交通实践中去,以使道路交通设计和营运管理等工作发挥最大功效.在海上交通工程研究中,交通流的概念特指交通流或船舶流.本文主要AIS即船载自动识别系统,来进行交通观测，对VTS模拟器中的数据流进行分析。

关键词:

VTS,模拟器,交通数据流

Abstract

Accordingtotheinternationalbeaconassociation（IALA）:

thedefinitionof"VTSisdeterminedbythecompetentauthority,isusedtoimprovetheefficiencyofvesseltrafficsafety,andservicesandprotecttheenvironment.IntheVTScoveragerange,thisserviceshouldbeabletointeractwiththetrafficandthetrafficsituationchangestoreact."AtpresentourcountryVTSpersonneltrainingsimulatorpracticelinkismainlyusedinthesimulationoftheVTSsimulator.AlthoughUSEStherealsystemtrainingclosetoactual,butduetothetrainingfacilitiesareexpensiveanddisoperationcausedbynormalwhentheyshipmanagement,especiallysomeemergencyoperationisdifficulttoreflectinrealsystem;UseVTSsimulatortrainingtoovercomethelackofrealdeviceisadoptedtoimprovethetraining,alsocansavecostandcanbesetupallkindsofpracticescenariorepeatedpracticeVTSsimulator,thesettingoftrafficflowisoneoftheimportantauxiliaryVTSpersonnelondutyforhuman-computerinteraction,trafficflowoffidelityforVTSpersonnelondutyofequipmentoperationandemergencyhandlingabilityhasagreatinfluence,sotherealistictrafficflowisanimportantcontentoftheVTSsimulatorresearch.Trafficflowtheoryistomakepeoplebetterunderstandthetrafficcharacteristicsanditsessence,theanalysismethodisusedtorefertotransportphenomenaandmechanism,andappliedtothepracticeoftraffictoit,inordertomakeroadtrafficdesignandoperationmanagementtomaximumeffect.InthestudyofMarinetrafficengineering,especiallytrafficflowtheconceptoftrafficfloworflowoftheship.Inthispaper,AISshipautomaticidentificationsystem,tocarryouttrafficobservation,analysisofVTSdataflowinasimulator.

Keywords:

VTS,simulator,trafficflowdata

第1章VTS的概述

1.1VTS的定义

　　VTS是船舶交通管理系统（VesselTrafficServices）的英文缩写。

依照IMO的《VTS指南》的定义［1］，VTS是一种增进船舶交通安全，提高交通效率和保护水上环境的设施，其基本功能是掌握水道、港口的船舶交通动态信息，以雷达为主要传感器，以数据处理设备为核心，通过通讯手段传送信息。

世界第一个VTS出现于1948年的英国利物浦港。

VTS作为现代的水上交通安全管理手段，是水上安全的动态管理中心。

1.2我国VTS的发展

　　我国VTS以交通安全为第一目的，并兼顾提高交通效率和保护水域环境，其功能以信息服务和助航服务为主。

我国于1958年首次在大连港进行岸基雷达导航试验，1978年，第一个VTS在宁波北仑港正式开始建设。

经过近40年的努力目前，我国（含香港）共有20个不同类型和规模的VTS，VTS中心有17个，覆盖了沿海港口大部分水域和长江干线下游的重要航段。

从地理分布上看，有16个VTS分布在沿海，5个分不在长江中下游的南京至浏河口航段。

从类型上看，烟台成山头和琼州海峡以及北长山水道属区域性VTS；水道型的VTS有4个，分别是南京、南通、镇江和张家港；有10个港口型的VTS，分别为大连、营口、上海、天津、烟台、青岛、香港、连云港、深圳和湛江；综合型的VTS有3个，分别是上海和宁波和广州。

　　近50年来，我国VTS建设取得了较快的进步，其发展速度在亚洲是最快的。

目前，我国一些港口VTS设备水平在国际上居于领先地位，如上海港的VTS雷达数据处理系统，可处理1300个动目标，属于90年代初世界最先进的雷达数据处理系统之一。

90年代中后期建成或更新的成山头、天津、青岛、广州、深圳等VTS，其雷达数据处理系统均已达到国际先进水平。

1.3VTS的作用及模拟器的组成

　　随着我国VTS建设的逐步加强和管理的日臻完善，VTS在船舶交通管理中［2］所发挥的作用也日渐明显。

（1）船舶交通秩序明显改善。

98年，沿海及长江VTS收到船舶报告近70万艘次，16781次给船舶给予信息服务，改正船舶不符合规定5000多艘次，船舶交通得到明显改善，重、特大的交通事故的发生率减少很多。

如大连海港的船舶的违章从VTS开通前的平均1200余起，降到平均36起。

船舶交通事故明显减少。

98年，沿海及长江VTS避免交通事故1265

起，支持海上搜救593次

（2）．提高了航道通航能力和船舶营运效率。

仅1998年，各VTS直接为船舶提供信息服务16781次，VTS为船舶提供助航服务36247艘次，交通组织服务67581次，大大提高了船舶在交通密集区、交通要道的通航能力，同时也为船舶在恶劣气象条件下的安全运营提供了有力的保障。

如上海港的北槽航道，原通过能力平均每潮16艘，VTS运行后，科学组织船舶排序通过，每潮可达27艘，通过能力提高了69％。

　　（3）．提高了港口资源利用率。

VTS作为各种水上交通信息资源的中心，集中了区域内的船舶交通的动态信息以及气象信息，及时传送到船公司、船舶代理、相关港口装卸和引航服务等部门，使各方面能合理利用码头锚地、、泊位、拖轮、仓储等，设施和资源得到优化，提高了综合效益。

　　（4）．促进海上的安全监督管理[3]的现代化。

VTS的评估和信息采集功能，为水上交通执法取证提供了可靠的技术支持，海上的安全监管部门能够通过VTS将航标设施、信号台、巡逻艇的作用综合起来，实现优化管理。

　　近年来,随着计算机技术的不断在航海中的发展和海事局对海上交通安全的重视。

VTS迅速发展,这种发展使全球VTS操作员的需求量增加很多。

1996年4月,在鹿特丹港举行第8届VTS国际专题研讨会[4]曾提出了以下两个结论:

　　①VTS操作员和船员的素质会制约VTS的运作功效。

VTS的当局应该认识到经过良好训练的VTS操作人员在其中起着重要的作用。

　　②运用模拟技术在训练VTS操作人员时起着积极的作用。

VTS训练分为实践培训和课堂培训,而VTS模拟器则该用于实践训练这个关键的环节中。

　　VTS模拟器的硬件[5]主要由3--4台PC机组成,一台作为老师控制台,一台作为VTS模拟器的工作台,另外1--2台作为远程模拟器的工作台。

每一台PC机都在内部设置网卡以构成局域网来数据传输和通信。

为了提供具有真实感的环境给作业人员,VTS模拟器应给予一个真实的操作台。

所以，这里的远程模拟器和VTS模拟器都应以综合信息的显示和处理为平台,即以矢量化的ECDIS为背景,可对海图进行缩小、放大、漫游、选择性放大、分层显示和图符图形标绘等操作,可在海图上显示被跟踪的目标,并且能显示和处理目标的动态数据,随时都能够回放历史的数据,结合了网络、数据库、多媒体等多功能为一身的软件的平台。

　　其中,VTS模拟器能通过软件来模拟船舶的数据格式,并经过TCP/IP协议[6]把数据向船桥端进行实时发送。

实现收回远程控制权、预设航线、转交以及添加船舶的目标等功能。

而远程模拟器可包括ARPA模拟器以及远程船控模拟器。

二者可以综合到一台PC机上,也可以分别地运行到两个PC机上。

远程船控模拟器经过局域网来接收VTS模拟器发来的数据再模拟船台的操作。

该模拟器把改变目标的航速及航向、接收目标数据功能变为了现实。

　　在VTS模拟系统中,有以下两个主要的关键技术:

信源的模拟以及人机交互界面的模拟。

信源的模拟主要包括以下几部分:

以电子海图为背景的船舶动态显示模拟、船舶操纵性的模拟和雷达/ARPA图像的模拟。

第二章海上船舶交通流数据的统计

　　交通流是由道路交通工程研究学者提出的概念,简单地,就是多辆车在道路上行驶所形成

的车流,称为道路交通流。

同理,交通流概念用于船舶交通工程中可以理解为在航道内运动所形成的船舶流。

2.1交通流的统计方法

（1）视觉观测

　　视觉观测是利用望远镜或人的眼睛去观测,需要到现场去以便调查记录。

有以下几种观测参数:

　　①船舶的交通量统计。

船舶进出每个码头和港口的交通量。

　　②船舶参数。

包括:

船宽、船长、船型等。

　　③船舶在泊位和锚地服务的时间。

通过记下船舶进出锚地的时间，来算出船舶在锚地服务的时间;通过同样方法算出船舶在泊位服务的时间。

　　④经过测量线的位置和时间。

为了统计进港船舶的船间时距,要求记下船舶经过测量线的时间;还要统计船舶通过门线时的位置，以便统计出在航道中船舶航行的规律。

（2）雷达观测

　　雷达观测[7]可利用雷达设备来统计船舶的动态数据，是船舶交通观测中较常用的方法。

观测参数主要包括:

　　①船舶速度;

　　②交通流的密度;

　　③交通量

　　④航迹分布。

2.2船舶交通数据选择

　　本文采用的数据主要是山东海事局北方海区AIS中心记录的成山头水域的AIS数据.通过AIS设备可以得知以下3类信息[10]:

（1）静态信息

　　静态信息包括:

IMO编码、船舶呼号、船名、船舶类型、船舶尺度、定位天线在船上位置等信息.

（2）动态信息

　　动态信息包括:

国际协调时（UTC）、船位、船舶对地航向、对地速度、航行状态、航迹向、横倾角、纵倾角、横摆和转向率等信息.

（3）航次有关信息

　　与航次有关信息包括:

船舶吃水、目的港、预计到达时间（ETA）、危险货物类型、航行计划、简明安全信息等。

　　本文根据研究需要,将以下几个AIS数据作为研究数据:

船舶的MMSI、船名、船舶经纬

度、船舶航向、航速和时间等.船舶的MMSI和船名信息用于区分船舶;船舶经纬度用来确定船位以判断船舶是否在本次调查的水域之内,同时也通过经纬度来判断交通流方向;船舶航向也是用来判别交通方向;速度为所要研究的内容;而时间是记录船舶交通属性.船舶交通流量相对车辆交通流量较少,为使研究水域在每一个观测时间段内都有船舶经过,本文以小时为单位时间间隔对船舶数据进行读取,使得在每个时间间隔内都能选取到船舶交通数据.

2.3数据处理

考虑到AIS信息发送的时间间隔（2-5s）问题,为保证不遗漏船舶AIS信息,本文特定区域范围为:

37N--37.07°N,122.7°E--122.9°E.本文处理的数据是指船舶在进入上述区域范围船上AIS设备首次发送的数据信息。

　　由于成山头实行分道通航制[11]，2010年全年成山头水域船舶交通流量和AIS信息量非常大,处理相关数据所需要较长时间.本文知选择该年6月1日至30日共30d的AIS数据,将6月1日至30日共30天的数据作为数据样本来分析,将6月1日至7日这一周的AIS数据作为检验数据来验证分析结果.

　　本次一共读取成山头水域4314艘次北上船舶交通数据、4477艘次南下船舶交通数据,共计8791艘次的船舶交通数据.6618艘次船舶数据用于分析,其中,北上船舶3237艘次,南下船舶3381艘次;2173艘次船舶数据用于验证,其中,北上船舶1078艘次,南下船舶1095艘次。

按照北上船舶速度大小对船舶速度分布进行研究.统计结果[12]表明,北上）船舶速度最大值为24kn,最小值为6kn.频率分布（如图2.1）所示.南下船舶速度最大值为24kn,最小值为5kn.频率分布（如图2.2）所示.由图1、2可以看出,船舶速度分布比较集中,其中北上船舶速度集中在8~14kn,占90%以上;南下船舶速度集中在7~13kn,占90%以上.统计结果可为该水域将来制定船速限制提供一定参考,为该水域交通进行控制设计提供依据.

图2.1北上交通流频率分布Fig.2.1Northtrafficflowfrequency

图2.2南下交通流频率分布Fig.2.2Southtrafficflowfrequencydistribution

第三章VTS交通流模型

VTS交通流的模拟，需要在计算机上建立数学模型。

数学模型是系统的一次相似模型，仿真的数学模型是系统的二次相似模型。

一般而言，需要将数学模型改为计算机能处理的模式，即为仿真数学模型。

系统数学模型是把现实中的系统来进行数学描述，计算机的模拟也就是把事先的数学模型进行程序化，经过计算机程序的运行来求解数学模型的一种方式。

数学的逻辑模型是模拟水上交通流的一个重要方式。

3.1流体模型

流体模型是基于流体动力学的基本原理,运用船舶交通流的连续方程,分析船舶交通密度、速度、流量之间的关系。

该模型明确了船舶交通效率的量化问题,为管理部门确定限速标准和提高管理水平提供理论依据,但不具有仿真的效果。

3.1.1交通流的连续性方程

假设车流依次通过断面Ⅰ和Ⅱ的时间的间隔为

间距为

车流量从q变为

密度由

变为

由质量守恒定律

因为

得到交通流方程为

（3-1）

式

（1）表明若车流量随着距离减少时,车流密度就随着时间的增长而增长

3.1.2速度—密度关系

为了方便方程的讨论与研究,就要找出速度-密速较为直接地关系,文献[13]列出了二者的三种关系:

（1）1963年,格林希耳茨（Greenhill’s）列出了速度-密度的线性关系的模型

（3-2）

（2）当交通密度较大时,格林柏（Greenberg）列出了下列对数模型

（3-3）

（3）当密度较小时,安德五德（Underwood）列出了下列指数模型

（3-4）

3.1.3求解方程

以格林希耳茨提出的密度-速度关系来探讨交通流的方程,可得

（3-5）

满足

代入（3-1）式得

它表示沿着特征方向的任意一特征线,

是不改变的,是Riemann不变量作自变量的变换,令

（3-6）

因为

得到，

 （3-7）

同理

（3-8）

式（3-3）、（3-4）代入（3-1）式得到

.于是（3-1）式的通解

（3-9）

其中g是下列函数

（3-10）

给定初始条件

则方程的根

（3-11）

3.2船舶领域模型

船舶之间为了避免发生碰撞，在同一航道中前后行驶的船或者在海上对遇的船舶，相互之间应保持安全的距离，因为船舶的运动可以看成平面中的运动，所以船舶间要保持安全的距离，这就形成了一个安全区，日本的学者藤井在1963年提出了船舶的领域这一概念，来研究这个安全区。

船舶航行时不能到达船舶之间相互接触的高密度，在船舶周围，应该有一个固定的缓冲区域，这个缓冲区域就称为船舶领域（domain）［14］.

3.2.1船舶领域模型的提出

藤井观测了大量的海上交通，并收集了很多的实测数据，来确定船舶的领域范围。

因为在追越情况下后继船舶在追越前面船舶时，安全的通过距离大致相同，并通过分析实测的数据，发现安全的通过距离大致相同，由此藤井根据实测的数据得出船舶领域的模型大致是个椭圆的结论［15］.后来藤井对船舶相对位置的二维频率分布规律进行分析研究，最终提出了具体的船舶的领域模型，即以被避让的船舶作为中心，长半轴沿着船舶首尾线的方向，短半轴沿着船正横方向的椭圆，并通过大量的海上交通数据，总结出：

船长是L的船舶，在一般航行情况下，船舶的领域为长轴为8.0L，短轴为3．2L的一个椭圆；当在需要减速的狭水道和港内航行时，船舶的领域尺寸减少成长轴为6.0L，短轴为1．6L的一个椭圆。

如图3.1所示。

图3.1藤井船舶的领域模型

Fig.3.1ShipdomainmodelofFuji

3.2.2船舶领域模型的具体算法

船舶领域的计算方法如图3．2所示。

图3．2标准椭圆方程

Fig3.2Standardellipticequations

标准椭圆方程公式［16］为：

（3-12）

式中

，单位为海里。

将椭圆平移

，逆时针旋转

，则原椭圆上点

变换为

：

（3-13）

式中，T为平移变换阵，R为旋转变换矩阵。

（3-14）

（3-15）

由式（3-14）可得：

（3-16）

将式（3-16）带入式（3-12）中，得：

（3-17）

展开式（3-17）并令：

（3-18）

得到：

（3-19）

将式（3-19）中上标去掉，便得到任意航向且椭圆中心不在坐标原点的椭圆方程：

（3-20）

利用这种算法可以确定船舶领域的大小，目标船舶到达船舶领域的时间等。

3.3船舶运动模型

3.3.1船舶运动模型的组成及作用

船舶运动模型由船舶设置和航线设置组成。

船舶是VTS模拟器的信息来源，通过设置船舶的各个参数，就能建立起船舶运动的模型，使其能沿着预定的航线来实现交通态势的模拟，这样就可以准确的模拟出船的航行轨迹。

在区域里设置船舶，选择船舶的航行航线，我们要预设航线，通过几个点的设置以设置航线，为了让船舶航行时产生的结果符合现实情况，我们需要区分航船的转向点，并在非转向点将事先设置的航线园滑成直线航线，在转向点，依据船舶的设置参数，通过船舶转向的自身的回旋特性，来实现圆滑轨迹。

最后通过船舶运动的产生的模拟数据需发送到VTS模拟器的信息模型部分。

船舶运动模型的结构如图3.3.1

研究船舶运动模型的目的主要在于可以通过人为设置船舶在特定区域内的航行，来模拟各海上交通形势，并使船舶沿着预先设定的航线航行，以达到各种交通形势的目的，从而对碰撞局面做出充分的估计，使船舶在海上能够安全的航行。

船与船之间的对遇、追越和减速等运动主要是涉及转向运动和变速运动［17］.

3.3.2转向模型的计算方法

船舶转向运动是指船舶在转向过程中只改变航向而保持航速不变的运动。

在通常的追越和对遇过程中，转舵角一般不超过

。

由于船舶在水中受到各种因素的影响，建立船舶运动数学模型用数学方法来讨论船舶运动问题是一种很好的选择。

船舶开始转向后，由船舶转向产生的纵距

和横距

用式（3-21）求得,

（3-21）

其中，

是转向后的速度；

是转头角。

由于船舶斜航，船舶的水阻力会加大以及推进器的效率会降低，从而使得船速小于转向前得船速，一般取

（

为转向前的船速）。

任意时刻

的转头角

可由野本谦作的操纵运动一阶KT方程

（3-22）

在区间

进行积分后求得：

（3-23）

其中，K,T为船舶操纵性指数［18］；

为初始舵角，一般取

；

一般取

。

求出纵距、横距以及转头角后，就可以根据这3个量求得船舶转向时间

时刻的坐标

。

假设船舶开始转向

时刻坐标为

，则X,Y的值为：

（3-24）

（3-25）

以上积分可以通过辛普生求值法求得。

这个转向模型的计算结果也是平面坐标，然后将计算结果由平面坐标转换为经纬度坐标传送给船舶，利用所建立的转向运动模型，就可以实现计算机程序的船舶转向运动。

3.3.3变速运动模型的计算方法

当两船对遇或是一船追越另一船时，如果单靠转向已经无法避免碰撞时，需要立刻变速，该变速运