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水上交通大数据课程建设创新路径

科学咨询(科技·管理) 2024年第1期 199-202页

作者：余红楚刘敬贤马杰刘文武汉理工大学航运学院武汉理工大学三亚科教创新园内河航运技术湖北省重点实验室

本文以大数据赋能与知识创新能力提升为目标，探索了水上交通大数据课程建设模式创新与实践，以海洋强国、交通强国人才培养为目标，以国家一流本科专业建设为抓手，深入分析水上交通大数据课程建设现状，并提出创新建设方案。

关键词：水上交通数据思政元素人才培养教学资源优化教学改革教学团队创新

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价值衰减下水上交通事故致因关联规则挖掘

中国安全科学学报 2022年第10期32卷 127-134页

作者：杨利超刘敬贤刘钊刘轶伟武汉理工大学航运学院湖北武汉430063 内河航运技术湖北省重点实验室湖北武汉430063

为提升我国沿海水域交通安全水平,在考虑水上交通事故价值衰减的基础上,提出一种基于时间权重的Apriori算法,并以2015—2020年我国沿海水域水上交通事故数据为样本,分析我国沿海水域水上交通事故特征,挖掘事故属性与致因属性间潜在映射... 详细信息

为提升我国沿海水域交通安全水平,在考虑水上交通事故价值衰减的基础上,提出一种基于时间权重的Apriori算法,并以2015—2020年我国沿海水域水上交通事故数据为样本,分析我国沿海水域水上交通事故特征,挖掘事故属性与致因属性间潜在映射关系,形成13条强关联规则。结果表明:交通事故的挖掘价值具有随时间衰减的特性,我国沿海水域在固定季节、固定时段、特定船舶及特殊水域存在水上交通事故高发的特征,事故基础属性与致因属性间存在一定的映射关系,部分致因属性常在特定的事故基础属性条件下同时出现。

关键词：价值衰减水上交通事故事故致因关联规则数据挖掘时间权重

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船舶动态驱动的碳排放时空分布规律挖掘

中国环境科学 2023年

作者：余红楚方庆龙方志祥刘敬贤武汉理工大学航运学院武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室

随着“碳达峰”与 “碳中和”目标的提出，航运业的二氧化碳(CO2)减排已成为全球热点问题。集装箱作为全球贸易的重要运输船舶，其全球动态能够为CO2排放计算提供依据，为减少二氧化碳排放提供决策支撑。本文基于2018年全球集装箱船的AI... 详细信息

随着“碳达峰”与 “碳中和”目标的提出，航运业的二氧化碳(CO2)减排已成为全球热点问题。集装箱作为全球贸易的重要运输船舶，其全球动态能够为CO2排放计算提供依据，为减少二氧化碳排放提供决策支撑。本文基于2018年全球集装箱船的AIS轨迹数据，采用自下而上的方法，挖掘全球集装箱船CO2排放的时空分布规律，分析主要远洋运输航线的排放特征。结果表明，2018年全球集装箱船的CO2年排放量达到1.2355亿吨，1月份的排放最高，而11月份排放量是全年最低的，在时间上呈现明显的分异特性。集装箱船月度排放的空间分布总体较为相似，排放高峰区域主要分布在靠近海岸线和主要远洋航路上。通过这些分析，可以更深入地剖析集装箱船CO2排放的规律和影响因素，能够为全球航运业的绿色节能管理提供科学依据和决策支持。

关键词：集装箱船 CO 排放 AIS轨迹时空分布

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桥墩防撞设施对紊流宽度影响研究

重庆交通大学学报(自然科学版) 2023年

作者：张义军谭志荣刘敬贤栗晓晨武汉理工大学航运学院交通运输部长江航务管理局内河航运技术湖北省重点实验室

不同形式的桥梁防撞结构会造成不同的紊流宽度，进而影响船舶安全通航；故有必要研究防撞设施对紊流宽度的影响机制。运用计算流体力学方法对不同防撞设施下的三维流场进行模拟，测得了各工况下桥墩紊流宽度，分析了涡量场和速度场对紊... 详细信息

不同形式的桥梁防撞结构会造成不同的紊流宽度，进而影响船舶安全通航；故有必要研究防撞设施对紊流宽度的影响机制。运用计算流体力学方法对不同防撞设施下的三维流场进行模拟，测得了各工况下桥墩紊流宽度，分析了涡量场和速度场对紊流宽度的影响。研究结果表明：尖艏型防撞设施紊流宽度最小，而圆艏型防撞设施紊流宽度最大。原因在于尖艉的隔离作用，有效削弱了防撞设施两侧剪切层符号相反的展向涡之间的相互作用，起到部分整流作用，特别是尺度较大的展向涡破碎成尺度较小的小涡情况得到缓解，涡体位置相对集中，而圆艏型防撞设施放大了桥墩阻水特性造成紊流宽度增大。为减小防撞设施对紊流流态影响，应采用尖艏型防撞结构形式。

关键词：桥梁工程防撞设施三维数值模拟紊流宽度

基于双延迟深度确定性策略梯度的船舶自主避碰方法

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交通信息与安全 2022年第3期40卷 60-74页

作者：刘钊周壮壮张明阳刘敬贤武汉理工大学航运学院武汉430063 武汉理工大学内河航运技术湖北省重点实验室武汉430063 武汉理工大学国家水运安全工程技术研究中心武汉430063 阿尔托大学工程学院机械工程系芬兰艾斯堡20110

为满足智能船舶自主航行的发展需求,解决基于强化学习的船舶避碰决策方法存在的学习效率低、泛化能力弱以及复杂会遇场景下鲁棒性差等问题,针对船舶避碰决策信息的高维性和动作的连续性等特点,考虑决策的合理性和实时性,研究了基于双延... 详细信息

为满足智能船舶自主航行的发展需求,解决基于强化学习的船舶避碰决策方法存在的学习效率低、泛化能力弱以及复杂会遇场景下鲁棒性差等问题,针对船舶避碰决策信息的高维性和动作的连续性等特点,考虑决策的合理性和实时性,研究了基于双延迟深度确定性策略梯度(TD3)的船舶自主避碰方法。根据船舶间相对运动信息与碰撞危险信息,从全局角度构建具有连续多时刻目标船信息的状态空间;依据船舶操纵性设计连续决策动作空间;综合考虑目标导向、航向保持、碰撞危险、《1972年国际海上避碰规则》(COLREGs)和良好船艺等因素,设计船舶运动的奖励函数;基于TD3算法,根据状态空间结构,结合长短期记忆(LSTM)网络和一维卷积网络,利用Actor-Critic结构设计船舶自主避碰网络模型,利用双价值网络学习、目标策略平滑以及策略网络延迟更新等方式稳定网络训练,利用跳帧以及批量大小和迭代更新次数动态增大等方式加速网络训练;为解决模型泛化能力弱的问题,提出基于TD3的船舶随机会遇场景训练流程,实现自主避碰模型应用的多场景迁移。运用训练得到的船舶自主避碰模型进行仿真验证,并与改进人工势场(APF)算法进行比较,结果表明:所提方法学习效率高,收敛快速平稳;训练得到的自主避碰模型在2船和多船会遇场景下均能使船舶在安全距离上驶过,并且在复杂会遇场景中比改进APF算法避碰成功率高,避让2~4艘目标船时成功率高达99.233%,5~7艘目标船时成功率97.600%,8~10艘目标船时成功率94.166%;所提方法能有效应对来船的不协调行动,避碰实时性高,决策安全合理,航向变化快速平稳、震荡少、避碰路径光滑,比改进APF方法性能更强。

关键词：交通信息工程船舶避碰智能决策深度强化学习双延迟深度确定性策略梯度

基于卷积神经网络及长短时记忆网络的短时船舶交通流量预测

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中国航海 2022年第2期45卷 56-61,68页

作者：刘敬贤高广旭刘奕李宗志武汉理工大学航运学院武汉430063 武汉理工大学内河航运技术湖北省重点实验室武汉430063 武汉理工大学国家水运安全工程技术研究中心武汉430063 伊利诺伊理工大学美国芝加哥IL60616

由于船舶交通流具有非线性和复杂性的特征,传统交通流量预测方法的预测结果精度普遍不高,且需大量历史数据进行训练。在考虑船舶交通流数据时间特性的基础上增加了对数据空间特性的考虑,提出一种基于卷积神经网络(Convolutional Neural ... 详细信息

由于船舶交通流具有非线性和复杂性的特征,传统交通流量预测方法的预测结果精度普遍不高,且需大量历史数据进行训练。在考虑船舶交通流数据时间特性的基础上增加了对数据空间特性的考虑,提出一种基于卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)和长短时记忆网络(Long Short-Term Memory,LSTM)的短时船舶交通流量预测模型,并引入动态时间规整(Dynamic Time Warping,DTW)算法构造损失函数,提升模型的预测精度。结果表明:通过与灰色模型(Grey Model,GM)、差分整合移动平均自回归模型(Autoregressive Integrated Moving Average Model,ARIMA)、小波神经网络(Wavelet Neural Network,WNN)、反向传播神经网络(Back Propagation Neural Network,BPNN)和CNN-LSTM等模型对比,所提出的CNN-LSTM-DTW预测模型的预测结果相对误差最小,可信度高,预测精度优于对比模型。

关键词：船舶交通流量卷积神经网络长短时记忆网络动态时间规整法组合预测

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基于GPU的加速船舶轨迹相似性度量与聚类

中国航海 2023年第2期46卷 33-39,45页

作者：刘奕李湘李之琛周备许鹏刘敬贤武汉理工大学水路交通控制全国重点实验室湖北武汉430063 武汉理工大学航运学院湖北武汉430063 武汉理工大学内河航运技术湖北省重点实验室湖北武汉430063 武汉理工大学国家水运安全工程技术研究中心湖北武汉430063 长安大学运输工程学院陕西西安710064 长江航运发展研究中心湖北武汉430014

针对使用中央处理器(Central Processing Unit, CPU)硬件实现密度聚类、相似性度量等算法提取船舶习惯航迹的过程中存在复杂度高、计算时间长等方面的不足,提出使用图形处理器(Graphics Processing Unit, GPU)高性能计算及GPU优化算法... 详细信息

针对使用中央处理器(Central Processing Unit, CPU)硬件实现密度聚类、相似性度量等算法提取船舶习惯航迹的过程中存在复杂度高、计算时间长等方面的不足,提出使用图形处理器(Graphics Processing Unit, GPU)高性能计算及GPU优化算法以提升船舶轨迹相似性度量与聚类的速度性能,大幅缩短船舶轨迹特征提取过程中的时间开销。利用长江南槽交汇水域船舶自动识别系统(Automatic Identification System, AIS)动态船舶轨迹信息进行方法验证,通过对比传统基于CPU的方法验证了所提出的基于GPU的船舶轨迹相似性度量及聚类算法存在较优的速度性能,为快速提取研究水域中的船舶特征提供新的理论依据。

关键词：水路运输船舶自动识别系统中央处理器图形处理器加速相似性度量加速聚类

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定量分析对船舶碰撞事故的推演与调查

中国航海 2022年第1期45卷 13-17,23页

作者：刘敬贤刘超李范春王利鹏武汉理工大学航运学院湖北武汉430063 武汉理工大学内河航运技术湖北省重点实验室湖北武汉430063 大连海事大学交通运输装备和海洋工程学院辽宁大连116026 交通运输部水运科学研究院北京100088

船舶碰撞的事故现场难以进行实地勘查和保留,传统调查主要靠收集证据进行定性分析,伴随海事行业的现代化发展,船舶碰撞事故调查也逐步向多途径、科学化的方向进行探索。对一起真实碰撞案例进行模拟仿真,采用显示动力学和计算流体动力学(... 详细信息

船舶碰撞的事故现场难以进行实地勘查和保留,传统调查主要靠收集证据进行定性分析,伴随海事行业的现代化发展,船舶碰撞事故调查也逐步向多途径、科学化的方向进行探索。对一起真实碰撞案例进行模拟仿真,采用显示动力学和计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)定量分析出船舶碰撞不只发生一次。第一次碰撞发生在船B船头右舷外板处,历时0.5 s。碰撞后船A获得较大的横向速度,在水阻力下间隔2.9 s后与船B发生第二次碰撞,导致船A右舷舭部外板向内凹陷,船B艏柱出现条状划痕,上端碰撞点距吃水线约0.9 m,下端碰撞点距吃水线约1.7 m。定量分析结果与实船勘测损伤区域、损伤形式完全吻合,该结论被海事法庭所采纳。结果表明:定量分析可为船舶碰撞事故提供一种新的调查途径和推演方法,能够挖掘传统定性调查中所无法获取的二次碰撞、碰撞历时和碰撞损伤等事故推演信息。

关键词：船舶碰撞事故调查定性分析定量分析多次碰撞

基于VMD和LSTM的船舶交通流量预测方法研究

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武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2022年第1期46卷 177-182页

作者：王凯刘文陈进维刘钊刘敬贤武汉理工大学航运学院武汉430063 武汉理工大学内河航运技术湖北省重点实验室武汉430063

船舶交通流量预测是交通组织的重要基础,船舶交通流时空分布特征复杂,具有非线性、周期性、随机性等特点,导致了预测性能的下降.针对上述问题,提出了VMD-DTW-LSTM预测模型.采用变分模态分解(VMD)方法将时序数据分解为不同频率尺度且相... 详细信息

船舶交通流量预测是交通组织的重要基础,船舶交通流时空分布特征复杂,具有非线性、周期性、随机性等特点,导致了预测性能的下降.针对上述问题,提出了VMD-DTW-LSTM预测模型.采用变分模态分解(VMD)方法将时序数据分解为不同频率尺度且相对平稳的子序列,实现数据的有效分解,通过引入动态时间规整(DTW)方法作为模型训练的损失函数来提高长短期记忆网络(LSTM)模型的预测精度.为验证模型的性能,设置对比实验与其他9种预测模型进行对比分析.实验结果表明:VMD-DTW-LSTM预测模型能够有效表征船舶交通流量数据的内在特征,具有更高的预测精度.

关键词：交通组织船舶交通流量预测变分模态分解(VMD) 动态时间规整(DTW) 长短期记忆网络(LSTM)