第四章 船舶航行安全大數據資料庫資料應用
4.1 船舶航行異常
第四章 船舶航行安全大數據資料庫資料應用
本次研究在建置船舶航行安全大數據資料庫最主要目的是期望能 夠透過監測AIS資料中的船舶航行訊息，評估船舶是否發生航行異常與 碰撞風險，予以避免海上航行船舶發生事故。基此，研究將以系統預測 模型之預測結果結合一船舶航行安全評估系統的方式，進一步針對船 舶船艏異常、偏離航道及碰撞風險的監測進行規劃，使系統在獲得船舶 未來航行經緯度座標後，進而評估船舶是否有偏離航道與發生碰撞的 可能性存在。船舶航行安全評估系統架構，如圖4.1所示。
圖4. 1 船舶航行安全評估系統
4.1 船舶航行異常
船舶航行安全評估系統主要監測船舶兩種航行異常狀態，分別為 船艏異常與偏離航道。其中船艏異常代表船舶有可能因機件故障或天
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候不佳等原因，失去自主控制能力，導致船舶未依照船艏向行駛。如圖 4.2所示，當船舶AIS資料中對地航向與船艏向欄位相差45度以上，系統 將判定該船舶船艏異常。偏離航道則代表船舶有意違反運送契約所規 定之航道或未航行在慣用航道內。目前系統在偏離航道告警的測試場 域是以交通部公告之彰化外海離岸風電區南北向航道做一系統實測範 圍，此航道位於兩離岸風電區範圍之間，在航道臨近風電區的範圍則設 有兩浬安全距離，一般情況下船舶禁止駛入。基此，研究將以該範圍做 為系統偏離航道告警功能的測試場域。
圖4. 2 船艏異常示意
圖4. 3 偏離航道示意
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接著研究參考文獻[15]所提及之射線式奇偶演算法，用以判斷船舶 是否航行於禁航區。此演算法可以判斷任意一點所在位置是否於多邊 形內外部或邊界上。
圖4. 5 射線式奇偶演算法判別示意
圖4.6為射線式奇偶演算法流程。首先定義𝑁為0，並取風電區任一 邊界兩點經緯度座標，判斷兩點緯度是否相同，若相同則結束此邊界運 算，反之則繼續判斷船舶緯度是否介於邊界緯度內，若不在邊界緯度內 則代表射線與所有邊界皆無相交，船舶在禁航區外。反之則繼續判斷船 舶經度是否介於邊界經度內，若不在邊界經度內則繼續判斷船舶經度 是否皆大於邊界經度，若於邊界經度則代表射線與所有邊界皆無相交，
船舶在禁航區外，反之代表射線與邊界相交，𝑁加1。若在邊界經度內
， 則 計 算 邊 界 直 線 方 程 式 ， 並 將 船 舶 緯 度 代 入 求 得𝑍 值 ， 若 船舶經度大於𝑍，代表射線與所有邊界皆無相交，船舶在禁航區外，反 之代表射線與邊界相交，𝑁加1。當所有邊界都計算完成後，判斷𝑁是否 為偶數，若是則代表船舶位於禁航區外，反之則代表船舶在禁航區內，
系統會將此船舶數據包裝為XML檔。
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以下將以AIS資料做為船舶航行安全評估系統輸入數據，並結合本 中心AIS暨DSC即時資訊整合系統，展示船艏異常與偏離航道研究成果
。船舶航行安全評估系統若判斷船舶出現船艏異常，則將船舶數據包 裝為XML檔，並傳送至AIS暨DSC即時資訊整合系統顯示，其成果畫面 如圖4.7所示。
圖4. 7 船艏異常功能開啟
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如圖4.8所示，以MMSI：412458890的船舶資訊為例。在系統顯示 介面將船艏異常功能開啟後，系統即在介面中顯示出船艏異常之船舶 圖示。點選該船舶圖示後所顯示該艘船舶的詳細資訊則可看出該船舶 航向為207.4度、真航向為264度，兩者相差56.6度，已超出系統所規範 的45度。
圖4. 8 船艏異常船舶資訊
船舶航行安全評估系統若判斷船舶出現偏離航道狀況，則將船舶 資訊包裝為XML檔，並傳送至AIS暨DSC即時資訊整合系統顯示。如圖 4.9所示，在系統顯示介面將航道預警的功能開啟後，系統即在介面中 顯示出偏離航道之船舶圖示。點選該船舶圖示後則可顯示該艘船舶的 詳細資訊
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圖4. 9 航道預警功能開啟
如圖4.10所示，以MMSI：235074593之船舶為例。可以從系統顯示 介面得知該船舶已航行在風電區與航道間的禁航區範圍。
圖4. 10 偏離航道船舶資訊
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接著，圖4.11為研究以船舶航行安全預測模型進行船舶偏離航道預 警案例。在此畫面中，系統會同時顯示該船舶現在位置與船舶下一航行 點的預測位置，圖例中實心框線的船舶圖示為船舶現在位置，而虛框線 則是系統預測模型預測船舶下一航行點的未來位置。點選該船舶預測 位置之圖示則可顯示出系統預測該船舶的動態資訊及靜態資訊，以及 航行至該位置的時間。
圖4. 11 系統預測船舶偏離航道資訊 4.2 船舶碰撞危險度分級
船舶航行安全評估系統是以兩船間的DCPA、TCPA及VCD三個碰 撞資訊進行計算，評估船舶間的碰撞風險，並給予碰撞危險度分級，使 相關人員可以更直觀的了解各船的碰撞危險度。其中DCPA與TCPA是 評估船舶碰撞風險中最具代表性的兩個參數，DCPA為本船與目標船依 現在航線的最接近點距離(浬)，TCPA為本船航行至最接近點距離的時 間(分)。實際海上操舵船舶的船員也是透過計算本船與它船間的DCPA 與TCPA進行碰撞風險評估。圖4.13為VCD示意，VCD為兩船兩個時間 的方向角(Bearing)相減之絕對值，透過VCD即可知道兩船航線是否改 變。
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圖4. 12 DCPA與TCPA示意
圖4. 13 VCD示意
圖4.14為船舶碰撞危險度分級流程。在碰撞分級的參數設定是參考
文獻[10, 17]進行相關的參數設定。首先計算各船間的大圓距離𝐷(浬)，若
𝐷小於6浬，則將兩船AIS資料及𝐷保留，反之代表兩船距離較遠系統不 予計算。初步篩選後計算兩船間的DCPA、TCPA及Bearing，若兩船在 系統內已有上述三個參數，則更新系統內兩船參數、計算VCD，並依照 碰撞分級標準給予兩船碰撞危險度後，儲存至系統且包裝為XML檔，
反之則僅於系統儲存。完成數據更新後，若數據已超過10分鐘未更新，
即刪除數據。
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4-12 標船大圓距離為D浬、DCPA為(4.6)式、TCPA為(4.7)式。
α = {
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接著則是Bearing計算方法如(4.8)式，(𝑙𝑜𝑛1, 𝑙𝑎𝑡1)為本船經緯度座標
，(𝑙𝑜𝑛2, 𝑙𝑎𝑡2)為目標船經緯度座標。
𝐵𝑒𝑎𝑟𝑖𝑛𝑔 = 90 − arctan (𝑙𝑜𝑛𝑙𝑎𝑡2−𝑙𝑎𝑡1
2−𝑙𝑜𝑛1)………..………(4.8) 以下將以即時AIS資料及船舶航行安全預測模型的預測結果做為 船舶航行安全評估系統輸入數據，並結合本中心AIS暨DSC即時資訊整 合系統進行船舶碰撞危險度分級之研究成果展示。船舶航行安全評估 系統在完成碰撞資訊計算並給予船舶碰撞危險度分級後，會將船舶數 據與碰撞危險度分級包裝為XML檔，並傳送至AIS暨DSC即時資訊整合 系統顯示，其成果畫面如圖4.15所示。
圖4. 15 碰撞預警功能開啟
如圖4.16是使用即時AIS資料的兩艘船舶碰撞資訊已達中度危險。系統 以紅色虛線連接兩船，點選虛線上的警示符號即顯示兩船的MMSI、
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DCPA、TCPA、VCD及碰撞危險度，若需要船舶其它資訊則可點選船舶 圖示，如圖4.17所示。
圖4. 16 可能發生碰撞之兩船資訊
圖4. 17 個別船舶之資訊
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圖4.18為系統模型預測船舶下一航行點可能發生碰撞資訊達中度 危險。系統以藍色虛線連接兩船，點選虛線上的警示符號即顯示兩船的 MMSI、DCPA、TCPA、VCD、預估時間及碰撞危險度。點選船舶圖示 則可顯示系統預測該船舶航行至此位置的相關資訊。
圖4. 18 模型預測可能發生碰撞之兩船資訊
圖4. 19 預測個別船舶之資訊
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