基于AIS大数据的内河船舶航线推荐方法

潘荣友 韦扬 李超 胡景峰

摘要：文章提出了一种基于AIS大数据的内河船舶航线推荐方法，根据本船参数、出发港和目的港等信息，提取AIS大数据池中最近时间段的航路船舶轨迹，进行匹配分析和智能排序，给出推荐航线。测试结果表明，该方法简捷实用，对减少内河船舶航行风险和提高航行效率方面具有显著效果。

关键词：内河航运；AIS大数据；航线推荐；航行安全

中图分类号：U612.1+5   文献标识码：A

文意编号，1673-4874（2024）04-0210-03

0 引言

内河航运是我国重要的物流运输方式［1］。由于内河航道狭窄、水流湍急、船舶密集等特点，内河航运存在诸多挑战。科学合理地进行航线规划是保障船舶航行安全和提升效率的重要环节，目前已有许多方法可以利用航道水深值、边界线和障碍物等信息自动地为船舶规划出可通航的航线［2-6］。然而，在实际的内河航运场景中，由于缺少实时准确的水上地理信息数据，传统的航线规划方法往往无法满足实时性、准确性和安全性需求。

目前，广西已建立港航大数据池，涵盖了广西内河航道中绝大多数船舶的AIS数据，能够掌握航道中船舶的实时动态和历史轨迹。为了避免内河航道环境复杂、航道和水位变化快等不确定性的影响，本文提出一种基于AIS大数据的船舶航线推荐算法，从已经被验证过安全的船舶轨迹中，处理和过滤出与本船参数以及出发港目的港能够匹配的最优航线，为不熟悉航路的驾驶员提供经验性的参考，从而避开潜在的航行风险。算法基于对众多西江船员调研设计，并通过广西船舶导航APP实现和推广应用，不仅避免了传统算法因航道环境变化无法通过数据实时反映的不足，而且简便实用，得到船员广泛欢迎，对提升广西内河船舶航行安全和效率具有重要意义。

1 航线推荐思路

1.1 AIS大数据

AIS大数据来自于广西港航大数据资源池，汇聚了广西海事局和广西港航发展中心的所有船舶数据，覆盖广西内河和北部湾航道。AIS信息分为四类［7］：（1）船舶静态信息：包括船名、MMSI、IMO编号、船型、船长、船宽等；（2）船舶动态信息：包括航速、航向、经纬度、航艏向、时间等；（3）航次相关信息：包括目的地、预计到达时间、吃水深度等；（4）安全相关信息：包括与船舶安全相关的文本或二进制信息。静态信息存入船舶基础数据库，其他类信息存入船舶动态历史数据库，船舶动态信息以数十秒级间隔不断更新。

本文方法根据航线规划的起始位置、结束位置、前推时间段参数（通常选1 h或2 h），从船舶基础数据库和船舶动态历史数据库中查询和提取满足条件的船舶信息，每条船舶信息如表1所示。

对查询获取的数据按船舶进行分组，并按时间进行排序，形成各个船舶的轨迹数据序列，然后按如下规则进行清洗处理：

（1）剔除船舶编号异常的数据，即MMSI编号不是九位数字的船舶信息。

（2）根据航线方向（上行或下行），剔除与本船反方向的船舶信息。

（3）剔除航迹点数量较少的船舶信息。

（4）剔除平均速度过低的船舶信息。

经过上述处理，即可从港航大数据池中获取对本次航线规划有用的AIS数据。

1.2 航线推荐算法

内河航道环境变化快，航标、水深数据等通航相关信息更新时间长，航道中水深及其他状态数据难以实时准确获取。针对这一问题，航线推荐算法绕开基于地理信息的传统思路，而是充分借助船舶AIS大数据的海量性和时效性，通过历史轨迹分析，为船舶推荐安全的经验航线。其核心流程如下：

（1）根据某船航线规划需求，从港航大数据池中提取最近一段时间内（用户设定出发地和目的地）的船舶轨迹，航迹时间段可通过参数设置灵活选择，如1 h或2 h等。

（2）对选出的所有船舶轨迹进行上述的数据清洗和处理，剔除异常数据，得到多条该航段当前时段的完整轨迹线，形成候选航线。

（3）根据船舶类型、尺度和吃水的信息，对候选航线进行自动评价排序，评价的指标和原则包括：①船舶尺度：通常船舶越大，吃水越深，因此可给予更高优先级；②定期班轮：通过大数据分析船舶是否定期或者频繁航行于该航段，频繁航行的船舶则给与更高优先级。

（4）从评价排序后的候选航线中选取前4条（可自定义）高分航线，作为推荐航线。

2 航线推荐方法实现

2.1 主要流程

航线推荐算法基于广西内河船舶导航APP实现和应用，其流程如图1所示。

广西内河船舶导航APP是广西数字港航一体化应用体系［8］的重要组成部分，集成航道综合数据，包括电子航道图和航道运行状态基础数据（如航标、水位和航道尺度等），并实现船舶导航功能。其系统技术架构主要包括数据库层、服务层和应用层。

（1）数据库层依托广西港航大数据资源池，存储所有航运相关数据，包括电子航道图数据、航标和水位数据，以及航线推荐算法所需的船舶AIS数据。

（2）应用层基于Spring Cloud开发，提供中台微服务，包括电子航道图、船舶AIS、航标动态等RESTFulWeb Service API接口，通过网关对接Web端和APP端应用。航线推荐算法核心功能主要在该层实现。

（3）应用层包括船舶导航APP和港航信息发布网站等应用系统。推荐航线在船舶导航APP端显示和应用。

2.2 航线推荐微服务接口

航线推荐算法主要在中台微服务层实现。广西数字港航一体化应用体系面向船舶通航的其他已有信息服务接口，如水位、航标及电子航道图数据的微服务均基于REST架构开发。针对本文航线推荐服务需求，开发专门的微服务接口，同样基于REST架构，采用Spring Boot开发实现。为了保证安全性，应用端系统调用航线推荐微服务接口时，必须通过用户access_token加签名的方式进行验证，只有通过验证后才可访问接口，获取JSON格式的推荐航线数据，其格式如图2所示。

2.3 船舶导航APP应用

广西内河船舶导航APP通过调用推荐航线的微服务接口获取推荐航线数据。用户在APP输入本船信息，以及出发港和目的港（或者在航道图上选择出发地和目的地），APP将这些参数发送到应用层微服务中台，微服务从数据库层获取符合要求的轨迹数据并通过评价排序，形成推荐航线数据，再通过接口返回APP。APP通过列表显示获取的推荐航线，并在电子航道图上进行绘制。

驾驶员根据推荐航线的排序，并参考各个航线对应船舶的尺度、船舶类型、船舶吃水等信息，结合船舶实际，人为选择一条航线用于指导船舶航行。APP将基于所选航线和船位，实时动态计算航行安全预警信息，如发现偏离航线将会给出报警信息，以保障船舶沿航线安全航行。

3 应用前景

基于船舶AIS大数据的航线推荐方法基于船长需求调研分析进行设计，并已通过广西内河船舶导航APP上线应用，为西江航道上的船舶提供助航服务，得到了许多船长的肯定和好评，具有重要实际应用价值和广泛的应用前景：

（1）提升广西内河航运安全性和效率。航线推荐系统能够根据船舶位置和航道环境变化，实时调整策略给出具有实效性的可航经验轨迹，降低碰撞风险，提高航行安全性。而且，及时为内河船舶提供高效可行的航线，还可提升船员信心，做好配货方案，提升运输效率。

（2）推动内河航运智能化发展。航线推荐系统的应用将推动内河航运行业向数字化和智能化方向迈进，结合大数据分析手段可为内河航运提供智能化解决方案，提高服务质量，提升行业竞争力。

此外，本文方法可为相关领域的大数据研究和实践提供借鉴和参考，具有重要的理论和实践意义。

4 结语

内河航道状态变化快，航道数据不能及时更新，传统算法难以基于实时航道数据进行准确的航线规划。针对这一问题，本文提出了一种基于AIS大数据的船舶航线推荐方法，根据本船参数、出发港和目的港等信息，提取AIS大数据池中最近时间段的航路船舶轨迹，进行处理和自动评价排序，给出优先推荐航线，并基于广西数字港航一体化应用体系和船舶导航APP进行实现和应用。

本文提出的航线推荐方法充分利用了船舶AIS大数据资源的海量和时效性特点，可有效避免无法实时获取航道状态数据带来的弊端，从数十秒级间隔更新的AIS大数据中挑选出安全航行过的即时轨迹，能够为不熟悉航路的驾驶员提供宝贵的经验性指导，从而降低船舶搁浅等事故的发生，提高内河船舶航行安全和效率。

随着广西内河船舶导航APP的广泛推广应用，航线推荐方法将不断从轨迹补齐、打分评价和智能聚合等方面进行优化，以发挥越来越重要的作用。

参考文献

［1］严新平.内河新一代航运系统，如何构建？［J］珠江水运，2023（4）：22-23.

［2］范云生，赵永生，石林龙，等.基于电子海图栅格化的无人水面艇全局路径规划［J］.中国航海，2017，40（1）：47-52，113.

［3］潘明阳，刘乙赛，李 琦，等.基于改进A*算法的内河水网航线规划及应用［J］.上海海事大学报，2020，41（1）：40-45.

［4］谢玉龙，王 直.基于改进遗传算法的船舶路径规划［J］.计算机技术与发展，2019，29（5）：152-156.

［5］倪凌霄.内河船舶航线规划和运动控制研究［D］.重庆：重庆交通大学，2020.

［6］侯春晓，许劲松，杨荣武.内河无人船局部路径规划和循迹控制［J］.船舶工程，2017，39（6）：41-45.

［7］韦 扬.基于中台的数字港航一体化应用架构［J］.水运工程，2021，586（9）：152-158.

［8］李宾郎，段建丽，柴昱含.基于AIS的船舶航迹数据应用研究［J］.长江信息通信，2021，34（12）：30-33.

作者简介：潘荣友（1965—），高级工程师，主要从事港航工程、信息化建设和科研管理工作。