一种基于数据的方法，用于确定受桥梁影响的通航水域——一个框架及案例研究

《Ocean Engineering》：A data-driven approach for determining navigation waters influenced by bridges – A framework and a case study

基于AIS数据的桥区水域定量分析方法及南京长江大桥案例研究提出多维度行为特征分析框架，通过GPR提取统一导航中心线，结合KDE、加速度与航向差分析，确定桥区水域上下游范围分别为2.5km上游与2km下游、2km下游至1km上游。

　　

左伟鹏|刘兆|庄园|万成鹏|舒雅青

武汉理工大学航海学院，中国武汉，430063

摘要

本研究提出了一种利用自动识别系统（AIS）数据确定桥区水域的定量方法。开发了一个多维行为特征分析框架，系统地整合了轨迹预处理、中心线提取和行为特征建模。该方法采用高斯过程回归（GPR）提取代表主要船舶通行路径的统一导航中心线。随后，应用核密度估计（KDE）、加速度分析和航向差异分析来描述船舶在桥附近的空间分布、速度变化和航向调整。通过对南京长江大桥的全面案例研究，发现船舶在接近桥的特定区域内表现出明显的空间分布、速度变化和航向调整。基于对这些行为特征的分析，定量识别并确定了桥区水域。下游航行的桥区水域范围大约为桥轴线上游2.5公里和下游2公里，而上游航行则从桥轴线下游2公里延伸到上游1公里。本研究为桥区的智能导航监控和风险预防提供了科学依据，为海上安全管理提供了数据驱动的决策支持。

引言

桥梁是内河航道和运输网络中的关键节点，在促进区域货物和乘客流动的同时，对交通动态产生显著影响（Ding和Weng，2024）。近年来，交通运输的快速发展导致了越来越多的跨河桥梁的建设（Pan等人，2024），这不仅限制了船舶通行，还改变了局部水动力条件，从而增加了水上交通事故（Fan等人，2024；Zhong等人，2025）。同时，内河船舶交通密度的增加和复杂性的提高使得桥区的水上安全问题越来越受到关注（Zhang等人，2022）。

在桥区航行比在普通内河航道中更具挑战性。桥墩产生的局部水动力扰动，如横流和涡流，进一步增加了船舶操纵的难度，并提高了事故风险（Ai等人，2020）。随着长跨度桥梁的扩展和大型内河船舶的趋势，船舶与桥梁碰撞的潜在后果变得越来越严重（Pan等人，2024）。尽管已经实施了航行规则和工程标准来降低这些风险，但事故仍无法完全避免（Zhang等人，2024）。

因此，持续监测桥区内的船舶行为变得至关重要。船舶通常需要提前减速并调整航向，以确保安全通过桥段，而与预期行为的偏差可能预示着潜在风险。对于海事当局和桥梁运营商来说，识别这些行为模式是改善交通安全管理和预防桥区碰撞及其他事故的重要基础（Wang和Liu，2021）。

虽然现有研究已经利用AIS数据来分析船舶行为、评估风险和预测轨迹，但它们通常侧重于局部风险评估。很少有研究开发出一种通过整合多种行为特征来确定桥梁影响范围的系统方法。在实践中，结构受限水道中的航行管理主要依赖于行政指定的控制区和规定性规则。例如，美国海岸警卫队建立了受特殊危险或交通复杂影响的区域（RNAs），在这些区域内，通过预定义的操作要求来限制航行行为。同样，中国的航行法规在桥梁周围定义了特定的控制区，规定了船舶类型、速度和通行范围的要求，以降低船舶与桥梁碰撞的风险。

尽管这些监管框架在确保航行安全方面发挥着重要作用，但这些控制区的范围主要是基于工程经验或简化的几何考虑来确定的，而不是基于船舶操纵行为的定量证据。因此，船舶根据结构限制调整速度、航向和空间位置的实际范围并未得到明确描述。

因此，本研究将“桥区水域”定义为船舶表现出受桥梁存在显著影响的航行水域。利用AIS轨迹数据，通过船舶位置、速度和航向三个维度定量分析行为特征，从而识别和确定桥区水域。以南京长江大桥的第四、第六和第八跨度进行了案例研究，分析了不同可航行跨度上的行为变化，以全面确定桥区水域。结果为海事当局提供了一种数据驱动的方法，用于识别和预警桥区的航行风险，从而提高了桥区的水上安全管理能力。

文献综述

文献综述

随着AIS的快速发展，数据驱动分析已成为研究桥区航行安全的主要方法。与传统的基于事故或纯理论的研究相比，基于AIS的方法能够大规模观察实际船舶行为，为真实操作条件下的交通组织提供了宝贵的见解。

现有研究从多个角度探讨了桥区的航行安全，包括船舶行为

框架

本章基于AIS数据建立了一个多维行为特征分析框架。该框架以船舶轨迹为输入，依次完成三个核心任务：数据预处理、中心线提取和行为特征建模。框架如图1所示。

首先，通过数据清洗、插值和轨迹聚类，获得一组高质量、连续的跨桥轨迹。其次，使用GPR生成

研究区域

本研究选择南京长江大桥作为案例区域，并分析了2019年8月的货船AIS数据。货船是长江上的主要交通流量，也是安全监管的主要对象。

桥周围的水域是一个复杂的航行环境，船舶交通密集，是研究桥区船舶行为变化的典型例子。该桥由十个跨度组成，其中

桥区水域中的行为特征及其潜在机制

实验结果表明，通过桥区航行的船舶在三个关键维度上表现出显著的行为变化：空间分布、速度控制和航向调整，这些变化显示出明显的空间聚集性和规律性。其中，主车道边界宽度的变化最为明显，它是确定桥区水域范围的主要依据。相比之下，速度特征显示

结论

本研究系统地研究了桥区船舶行为的空间演变模式，基于AIS数据建立了一个多维行为特征分析框架。提出了“桥区水域”的概念，以定量定义船舶预先操纵行为的空间范围。通过高斯过程回归提取中心线作为参考，并结合核密度估计、加速度建模和航向分析

作者贡献声明

左伟鹏：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、软件、资源、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。刘兆：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源、方法论、调查、数据管理、概念化。庄园：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、方法论、调查

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2024YFB4303600）的支持。