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内河船舶机会性互联的复杂网络模型及其时变特性

汪洋 陈涛 陈志强 吴兵 钟鸣

汪洋, 陈涛, 陈志强, 吴兵, 钟鸣. 内河船舶机会性互联的复杂网络模型及其时变特性[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(2): 25-35. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.02.003
引用本文: 汪洋, 陈涛, 陈志强, 吴兵, 钟鸣. 内河船舶机会性互联的复杂网络模型及其时变特性[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(2): 25-35. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.02.003
WANG Yang, CHEN Tao, CHEN Zhiqiang, WU Bing, ZHONG Ming. Complex Network Modeling and the Ephemeral Characteristics of Dynamic Opportunistic Interconnections Among Vessels in Inland Waterway[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(2): 25-35. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.02.003
Citation: WANG Yang, CHEN Tao, CHEN Zhiqiang, WU Bing, ZHONG Ming. Complex Network Modeling and the Ephemeral Characteristics of Dynamic Opportunistic Interconnections Among Vessels in Inland Waterway[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(2): 25-35. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.02.003

内河船舶机会性互联的复杂网络模型及其时变特性

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.02.003
基金项目: 

湖北省自然科学基金项目 2021CFB324

国家自然科学基金项目 52372320

湖北省重点研发专项 2023BCB123

详细信息
    作者简介:

    汪洋(1976-), 博士, 副教授. 研究方向: 水上交通安全. E-mail: wangyang.itsc@whut.edu.cn

    通讯作者:

    钟鸣(1971-), 博士, 研究员. 研究方向: 交通信息工程及控制、交通安全等. E-mail: mzhong@whut.edu.cn

  • 中图分类号: U491.5+4

Complex Network Modeling and the Ephemeral Characteristics of Dynamic Opportunistic Interconnections Among Vessels in Inland Waterway

  • 摘要: 针对内河船舶间出现时空邻近的机会性现象开展建模及实证研究。在社会网络分析方法的基础上,提出了1种考虑时序特征的网络分析方法,将大尺度时间跨度上的网络聚类转化为小尺度跨度上的网络聚类,进而分析内河船舶在有限水域内的动态行为;考察船舶间形成邻近关系网络的时变特征,利用复杂网络表示船舶社会网络随时间的演化特性,并借助复杂网络模型对内河水域内存在较多互相熟识船舶的现象给出统计解释。基于长江下游200 km河段1个月的AIS数据,按时隙划分得到网络模型的序列,由此表现船舶间发生单跳数据交换关系的互联形态。实证结果表明:①船舶联网瞬时的度分布可用高斯分布拟合,拟合度在96%以上;②随着时间尺度的增加船舶社会网络的小世界特性和无标度特征愈加明显,网络形态在空间维度上呈现簇团情形,局部密集的组团网络由大部分静止和少量运动船舶连接起来,网络密度随时间缓慢增加至0.1左右,相对平均路径长度稳定在0.2~0.3之间,平均赋权集聚系数呈现缓慢下降的趋势最后趋于0.4~0.5,离散度较快趋向于1,并实现整体上的连通;③度值较高的船舶节点,其平均速度在不同时隙的船舶社会网络中分时段呈现相关性;④相对于船舶密度的增加,船舶在1 d内的平均友邻时间以指数形式递增,而船舶的重复相遇近似服从负指数分布。上述结果表明,内河船舶航行中数据交换关系的建立或断开是由物理空间中船舶间邻近关系的时变性决定的;内河船舶的历史交互行为对未来交互行为具有记忆性并产生影响。

     

  • 图  1  船舶间机会性互联的原理

    Figure  1.  Principles of opportunistic connections among ships

    图  2  芜湖-南京航段水域200 km AIS数据的提炼

    Figure  2.  Refinement of the 200 km AIS data in Wuhu-Nanjing sector waters

    图  3  芜湖-南京航段船舶交通流特征

    Figure  3.  Characteristics of ship traffic flow in Wuhu-Nanjing segment

    图  4  船舶社会网络的时空演变

    Figure  4.  Spatial and temporal evolution of ship social networks

    图  5  k =1,2,3时船联网度分布及各自高斯拟合

    Figure  5.  IoS degree distribution and respective Gaussian fits for k =1, 2, 3

    图  6  船舶社会网络1 h和1 d的度分布

    Figure  6.  Ship social network 1hour and 1day degree distribution

    图  7  船舶社会网络的空间结构

    Figure  7.  Layout of the spatial structure of the ship social network

    图  8  船舶社会网络参数的时变特征

    Figure  8.  Time-varying characteristics of ship social network parameters

    图  9  平均相遇船舶次数

    Figure  9.  Average number of encounters among ships

    图  10  船舶区域友邻时间网络

    Figure  10.  Ship area neighborhood time network

    图  11  船舶平均友邻时间与船舶密度关系

    Figure  11.  Average ship friendly neighbour time versus ship density

    图  12  船舶相遇次数分布

    Figure  12.  Distribution of ship encounters

    表  1  船联网节点度分布最优高斯拟合参数

    Table  1.   Optimal gaussian fitting parameters for node degree distributions in IoS

    k a b c w R2
    1 0.005 76 0.092 78 5.678 06 3.614 14 0.974 97
    2 0.004 78 0.091 25 5.516 48 3.708 41 0.969 76
    3 0.004 55 0.092 32 6.083 05 3.787 92 0.964 58
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    表  2  船舶社会网络的小世界特征

    Table  2.   The small-world character of the ship's social network

    时间(月-日) 节点数N 边数E C(k, k + 2879) D(k, k + 2 879) L(k, k + 2 879) d(k, k + 2 879)
    6-1 3 823 697 533 0.426 7 2.134 0.305
    6-2 3 922 762 933 0.446 8 2.135 0.267
    6-3 3 917 802 248 0.437 8 2.120 0.265
    6-4 3 867 794 276 0.444 8 2.111 0.264
    6-5 3 903 790 464 0.436 7 2.115 0.302
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    表  3  船舶社会网络空间特征

    Table  3.   Spatial characterization of the ship's social network

    网络图 节点数N 边数E 离散度γ 组团数 平均相遇船舶数 平均友邻时间/s
    G(1, 1) 665 2 917 0.426 43 8.77 28.92
    G(1, 120) 2 010 46 377 0.684 17 46.15 1 384.56
    G(1, 2 880) 3 823 697 533 0.896 3 364.92 10 947.61
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    表  4  区域船舶友邻时间

    Table  4.   Regional ship friendly neighbour time

    范围 重要节点(MMSI) 船舶节点i(MMSI) 船舶节点j(MMSI) 友邻时间/s 范围 重要节点(MMSI) 船舶节点i(MMSI) 船舶节点j(MMSI) 友邻时间/s
    芜湖以下50 km 467 467 161 467 467 161 645 106 846 2 430 芜湖以下100 km 211 709 581 211 709 581 776 224 345 1 530
    467 467 161 834 228 004 1 020 211 709 581 458 063 163 1 170
    645 106 846 834 228 004 870 934 972 278 126 324 828 1 140
    829 904 595 671 039 974 540 318 252 935 368 229 080 1 110
    467 467 161 671 039 974 834 228 004 360 211 709 581 752 811 454 472 472 505 600
    393 359 141 207 419 604 120 502 713 373 819 418 141 150
    393 359 141 832 464 369 60 732 989 231 776 224 345 60
    207 419 604 798 296 303 30 298 476 590 458 063 163 30
    366 280 390 681 187 517 2 070 174 436 137 782 922 496 1 890
    芜湖以下150 km 366 280 390 366 280 390 699 223 446 1 800 芜湖以下200 km 174 436 137 174 436 137 987 424 702 1 560
    713 676 072 853 043 212 1 560 868 926 553 951 126 230 1 260
    702 567 328 969 335 806 1 080 255 790 833 369 933 439 990
    885 865 689 631 623 576 960 730 222 213 279 344 715 720
    208 161 043 250 965 068 690 692 952 926 469 217 316 510
    474 840 537 894 912 330 600 806 065 477 914 433 428 510
    857 089 321 505 649 527 570 863 568 231 433 091 850 450
    739 408 485 513 222 732 510 225 746 089 470 098 559 330
    516 422 564 260 991 251 240 542 592 833 220 978 467 300
    *:选取了2023年6月1日09:00—10:00芜湖至南京水域船舶社会网络部分节点。
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    表  5  船舶节点运动模式

    Table  5.   Motion patterns of ship nodes

    时间/s 节点度 节点个数 平均速度(/km/h)
    30 0~10 464 6.686
    10~20 189 5.982
    20~30 52 1.352
    30~40 22 0.315
    3 600 0~50 1 332 3.611
    50~100 629 3.815
    100~150 206 4.982
    150~200 16 10.279
    200~250 13 10.705
    86 400 0~200 1 517 4.815
    200~400 731 6.093
    400~600 668 5.982
    600~800 537 5.575
    800~1 000 273 7.927
    1 000~1 200 92 8.130
    1 200~1 400 5 8.445
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  • 收稿日期:  2023-10-30
  • 网络出版日期:  2024-09-14

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