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1、基于 的船舶流量自动检测系统研究徐超忠 康红霞 （ 中国交通通信信息中心 北京 ）一、 前言水上交通情况调查是通过对内河航道的交通状况进行定期或不定期地调查， 以掌握不同航道、 不同航向水路的交通流量、 流向分布及构成情况等特性指标， 分析水上交通流量的基本情况。水上交通流量信息既是水路交通规划与建设、 养护和安全监管的重要参考， 也是政府服务于公众， 提高水上运输效率的重要信息。我国水上交通信息采集尚处于人工观测阶段， 人工观测费时费力， 而且数据质量也不能得到很好地保证， 所以， 仅凭人工观测， 难以满足水上交通管理的要求。据了解， （ 含 ） 船舶交通管理系统， 目前已经基本覆盖我国沿海
2、、 沿江的主要港口和水道， 该系统可以提供识别码、 船位、 航向、 航速、 船舶长度、船型和货物信息等丰富的船舶信息， 如果将这些信息进行研究、 分析和提取， 既可提供我们所需的水上交通流量数据， 又可以充分利用现有资源， 完善水上交通流量调查系统。因此研究开发基于 系统的船舶流量自动检测及统计分析技术， 具有十分重要的实践意义。二、 自动检测系统的数据研究 系统的基础信息通过分析 系统的船舶数据库的基础信息， 我们发现 船舶数据库所包含的信息非常多， 如船舶流量、 船长、 船舶类型等， 但通过对实地观测与系统的实际数据对比， 我们发现这些数据的完整性较差。原因主要有：第一， 这是由 雷达系统
3、存在盲区、 跟踪能力有限形成的， 如果经过报告区域的船舶没有被确认或识别并记入数据库， 那么数据库中的船舶信息就是缺失的。第二， 根据 的系统特性， 由于小船被确认和跟踪的比例相对较小， 因此 船舶数据库中大部分都是大船信息， 小船信息是不全面的。第三， 因为系统的数据需要操作员人工输入， 势必受到人为因素的影响， 而且在船舶流量过于密集时候数据的准确性就难以得到有效保障， 小船信息丢失现象就非常严重。综合以上分析， 我们得出的结论是： 目前 系统中船舶流量信息主要是大型船舶流量及航向， 以及一部分船长数据， 信息精度较低、 分船型和分货类困难、 小船信息丢失等缺点。 数据与人工观测信息的对比
4、人工观测信息， 是通过人工目测方式获得某一水域观测断面上、 下行航道的水上船舶流量信息。在目前的人工观测中， 可连续地对某一观测断面每一小时分航向、 船长和船舶类型的船舶流量进行统计， 最终得到全天 的船舶流量信息。实际上， 人工观测的数据信息是非常详实的， 在内容上完全可以满足现行水上交通情况调查工作的需要。但是， 人工观测需要投入大量的人力和物力， 因此在目前的实际执行过程中一般是每个人工观测站点每月最多观测三天， 利用三天的观测数据推算该站点全月的数据， 加之人工观测受观测人员的责任心影响较大， 因此数据质量得不到很好的控制和保障。 两类数据的特点对 数据与人工观测数据做统计学对比分析发
5、现， 数据（ 含 ） 与人工观测数据之间具有如下规律：（ ） 在船舶流量不大时 （ 含 ） 系统中出来的流量数据准确度可以达到 以上。而当航道内船舶数量很大、 小船较多时， 由于 信息确认和跟踪的能力有限， 系统数据的精度就会相对降低。（ ） 数据（ 含 ） 与人工观测总量数据具有高度的相关性。从统计学的观点看， 通过一定的技术手段处理， 以 数据替代人工数据， 推算船舶流量数据具有可行性。所以我们认为， 把 系统数据和人工采集数据结合起来， 取长补短， 根据数据的规律和特点， 开发一套自动检测系统， 就能找到一条解决数据完整性和提高精度的有效途径。三、 自动检测系统设计设计的总体思路： 以
6、（ 含 ） 系统提取的数据信息为基础， 引入人工观测数据与之建立对应关系， 应用统计学相关理论与方法， 建立数学模型， 计算出断面日船舶流量总量修正系数、 日小时船长修正系数和日小时船型修正系数， 对 数据进行总量弥补和分型修正， 最终形成观测断面全年 天、 全天 连续不间断的船舶流量及各船型分类流量数据， 满足水上交通情况调查对观测断面船舶流量的需要。通过以上理论形成的自动检测系统应包括数据采集（ 录入） 、 数据处理、 数据修正、 数据查询及信息发送等功能。四、 自动检测系统方案第一步： 数据采集由于目前 系统主要用于水上交通安全管理， 系统内部数据库信息内容较多， 比较复杂， 并自成一套
7、完整体系， 如果将一新的数据采集系统嵌入到 系统中， 有可能会直接影响到水上交通安全管理工作， 甚至扰乱安全管理的正常秩序。考虑到上述因素， 对于 系统的数据采集工作， 由最初设计的直接嵌入 系统中进行数据自动采集， 改为建立数据交换标准格式进行数据交换的方式进行。因此，我们定义了 船舶流量信息文件交换标准（ 简称流量交换文件） ， 给出了将单独的数据采集服务器放到 系统计算机网络的同一网段中， 按照固定时间间隔将 系统中的相关数据交换文件通过网络写入数据采集服务器的指定目录中的数据采集解决方案。具体流程见图 ： 系统写入流量数据采集服务器的文件包括基本信息和观测信息两部分。第二步： 对 系统
8、数据进行整理从自动检测系统的整体设计看， 要导入的数据表主要有两张： 第一张是人工观测数据表， 是按照 水上交通调查统计报表制度 中规定格式填写的数据表； 第二张是 （ 含 ） 系统采集的原始数据经过整理后的自动观测数据表（ 从原始表生成与人工观测数据表相同格式的数据表） ， 即该表是 系统数据根据人工观测表的格式进行整理后得到的。在程序中导入人工数据的作用只是为了与机器数据进行对比， 计算 系统数据的修正系数， 并修正 系统数据。第三步： 系统数据修正通过对沿海、 内河 （ ） 系统数据的调研、 处理、 分析， 从 （ ） 中获取的数据具有如下规律：（ ） 水上交通流量在一定的时间周期内有规
9、律变化， 从 系统中获取的船舶流量数据也随之具有相同的规律。如江苏南通的潮汐规律是半日潮， 即在 小时 分钟的时间里， 每天会发生两次高潮和两次低潮。而多数船舶为了节约成本， 都会随潮涨而上、 潮落而下， 因此随着潮汐变化航道内的船舶流量也呈比较明显的变化趋势， 其他时间航道内的船舶流量相对则表现得相对平稳。所以在早上 时至 时， 下午 时至 时间会形成两个流量高峰， 而在其他时段表现相对平稳。确定变化周期和流量变化趋势这两个因素可以较好地修正数据获取的精度。图 数据接收与发送示意图（ ） 在船流量不大的情况下， （ ） 系统数据具有较高的精度， 而在流量较大的情况下精度则会降低； 处理好流量
10、高峰段的数据获取精度就可以保证很好的总体精度。在这种理论基础上， 我们设计了通过人机数据对比计算进行精度修正的算法， 对机器数据加以修正， 该算法对高峰流量修正效果显著， 可得到切合实际的船舶流量统计数据。由于目前人工观测数据和 实际获取的数据非常有限， 我们只好在修正船舶流量数据时以计算每日的船舶流量为基础。在系统设计中我们采用的修正系数有日总流量修正系数和小时分船长修正系数以及小时分船型修正系数三种。 日总流量修正系数考虑到断面船舶流量精度受季节波动（ 特别是枯水期和丰水期） 的影响较大， 所以我们将研究一年 个月的人工观测数据和对应的 系统数据， 找到船舶流量在一年中的规律性变动， 由
11、数据来推算船舶流量数据。总流量修正系数有两种计算方法：（ ） 计算月流量代表系数。将每月 （ ） 天的人工观测数据简单平均， 得到每月的平均流量数据 来代表当月人工观测的平均流量水平； 同样将对应的 当月的数据进行平均， 得到代表当月 的平均流量水平。共有 组数据。计算 个月的代表系数 ， ， ， ， 计算公式为： 用取得的 系统数据乘以当月的代表系数， 便得到这一天的船舶流量数据。（ ） 用小船比例数估算总量。 数据的问题主要是数据缺失， 而缺失的数据基本都是小船信息。从实际调研的情况看， 小于 的船在 系统中确认的可能性非常小， 因此把小于 的船舶定义为小船。通过人机数据对比， 把漏掉的小
12、船的数加上当日 的数据， 可以看作是当日实际船舶流量。我们根据目前所获得的资料， 可对小船数量进行大体估算。将每月人机数据进行对比， 计算当月丢失小船的平均数量， 共有 组数据。公式如下：小船 然后计算小船丢失的比例数： 小船 那么所需要的船舶流量数据就等于 数据乘以 （ ） 。当然， 通过这两种方法进行日船舶总量修正， 从理论和方法上讲是比较粗的， 准确率也不是很高。相信随着以后资料的积累， 可以进行多次修正， 以期获得比较准确的船舶流量数据。 分船长与船型修正系数在分船长和分船型数据修正过程中， 我们分两类情况对自动采集数据进行处理。第一类是 能够监测到的数据， 因为 能够采集到的船舶的流
13、量和船型、 船长数据相对确定， 可直接作为最终数据使用， 不需进行修正。凡有船名的数据的， 我们默认为是 直接采集到的数据， 可直接放入修正过的数据表中。第二类是 能观测到的， 船舶数量确定， 但船型和船长无法直接确定的， 必须通过人工观测数据进行修正。首先， 我们将船舶总流量数据按不同的船长和船型划分成一个 行 列的数据表。其中 行代表的是上行和下行两个航向， 每个航向各个不同船长的流量数据； 列是指每一行包括类不同船型的流量数据。划分的 行包括：第一行： 上行 ；第二行： 上行 ；第三行： 上行 ；第四行： 上行 ；第五行： 上行 ；第六行： 下行 ；第七行： 下行 ；第八行： 下行 ；第
14、九行： 下行 ；第十行： 下行 。列则分别指客船、 普通货船、 集装箱船、 危险品船、 船队、 渔船、 工程船、 公务船及其他船舶。接下来， 我们计算出这 行人工观测的平均流量。第一行船舶平均流量 （ 报告期当月人工观测日的上行 所有船舶数量） 当月观测天数同理， 可算出其他行的船舶平均流量。前面我们已经计算出当月日平均流量， 设为 。然后， 根据每一行的船舶平均流量计算出每一行的分船长修正系数 ， 计算公式如下： 某一行的平均流量 如， 第一行的修正系数为： 第一行的船舶平均流量 。 其他行船舶修正系数计算方法依次类推。这样， 通过计算， 我们得出 个船长修正系数。如前所述， 由于每一行的流量数据中还包含 类不同的船型， 因此， 我们还要计算出分船型修正系数， 按照不同的船型逐一将流量分配进去。具体的分船型修正系数就是某一类型船舶在每一行船舶总流量中所占的比重， 计算公式： 某一行的每一类船舶的平均日流量 某一行船舶平均日流量 如， 第一行
