【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及碳排放领域，更具体地，涉及基于ais的港口货船及港作船舶作业碳排估算方法及系统。
技术介绍
1、航运业co2排放量占全球总排放量约3％。根据预测，如果不采取任何措施，船舶温室气体的排放量到2050年将会比2012年增加150％～250％，其占全球总排放量的比例也将会显著升高。港口作为水陆运输的重要节点，是交通运输行业的重要组成部分。近年来，随着对绿色、低碳要求的提高，港口企业越来越注重碳排放的核算与报告。目前港口货船的碳排放量计算大多利用直接测量，但直接测量对co2进行测量成本较为昂贵，港口企业难以获得非己方经营的货船在港区内的作业碳排。此外，大多数研究仅仅关注货船在港区内的碳排放，港作拖轮在港区内的碳排整体估算、碳排空间格局和近实时模拟研究被忽视。港作拖轮以高频次的牵引工作承担了货船进港接驳、货船出港离泊期间货船主机关机而产生的港区碳排放。由于港作拖轮的与货船“进港-靠泊-离泊-离港”的整个过程息息相关，在位置上具有较高的重合度，因此结合船舶港区内ais轨迹可提供一种全面、高效低成本的计算方法和系统。
2、现有技术公开一种船舶碳排放监测的装置，用于监测船舶的碳排放，包括：第一接收模块接收ais发射器发送的ais信息；第二接收模块接收船载远程终端发送的船载远程终端信息；存储模块存储气态物排放量占比系数模型，船舶档案信息，船舶燃料供应登记信息，ais信息和船载远程终端信息；计算模块根据船舶识别号调用船舶档案信息和船舶燃料供应信息，并结合气态物排放量占比系数模型获取每种类型发动机的气态物排放量占比系数，根据
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于基于一套货船ais轨迹数据和港作拖船数据，突破以往ais仅被用于估算货船碳排的相关方法，将港区船舶碳排的研究对象扩充为港区内货船进出港过程及港作拖轮作业过程两部分，即船只进出港为碳排放过程的第一部分，拖船对停止的货船进行作业移至锚泊位部分为碳排放过程的第二部分。本专利技术基于ais数据可实现以10分钟为间隔的时间分辨率，以港区1km*1km为空间分辨率，以克(g)为最精细计重单位的碳排放近实时估算。相对于传统港口船舶的碳排放估算，本专利技术的港口货船及港作船舶作业碳排估算方法及系统的时间和空间分辨率更高，估算成本更低，估算结果更全面的。
2、为了实现上述目的，本专利技术提供基于ais的港口货船及港作船舶作业碳排估算方法，包括：
3、s1:获取港口货船及港作船舶ais数据、vts范围数据以及泊位范围数据；
4、s2:根据港口货船及港作船舶ais数据进行轨迹点清洗，得到清洗后轨迹点集合；
5、s3:根据清洗后轨迹点集合以及vts范围数据得到每段vts范围内的累计航程；根据清洗后轨迹点集合以及泊位范围数据得到港作船舶作业轨迹点；
6、s4:根据每段vts范围内的累计航程计算港口货船的碳排放总量；根据港作船舶作业轨迹点计算港作船舶的碳排放总量。
7、进一步地，在步骤s1中，港口货船及港作船舶ais数据为基于海事移动服务标识mmsi存储的文本数据，包含静态数据和动态数据，其中静态数据包括货船长度、最大吨位；动态数据包括货船位置、货船速度。
8、进一步地，动态数据可表示为l＝{ai|i＝1,…,m}，m表示船只数量；读取一艘船只一定时间范围内的轨迹数据信息，以mmsi为唯一标识构建船只轨迹集合为ai＝{ii,j|j＝1,2,…,n}，其中，n为船只轨迹点数量，ii,j＝{ti,j,loni,j,lati,j,vi,j}为一个四元组，ii,j表示船只在ti,j时刻的轨迹点信息，loni,j为ti,j时刻船只所处的经度，lati,j为ti,j时刻船只所处的维度，vi,j为ti,j时刻船只航行的速度。
9、进一步地，在步骤s2中，包括：采用距离和速度阈值剔除异常轨迹点，并对轨迹点进行压缩处理，具体位：
10、s2.1：计算相邻时刻轨迹点ii,j与ii,j+1之间的距离d[ii,j,ii,j+1]，压缩距离阈值为δd，若d[ii,j,iu,j+1]>δd，保留ii,j+1，否则，删除ii,j+1；剔除距离阈值为εd，若d[ii,j,ii,j+1]<εd，保留ii,j+1，否则，删除ii,j+1；计算方法为：
11、dlon＝loni,j-loni,j+1，dlat＝lati,j-lati,j+1，
12、a＝sin(dlat/2)*2+cos(lati,j)*cos(lati,j+1)*sin(dlon/2)*2
13、c＝2*atan2(sqrt(a),sqrt(1-a))
14、d[ii,j,ii,j+1]＝r*c(r表示地球半径)
15、s2.2：计算相邻时刻轨迹点ii,j与ii,j+1航行速度差值v[iu,j,ii,j+1]，速度阈值为δv，若v[ii,j,ii,j+1]<δv，保留ii,j+1，否则，删除ii,j+1，计算公式如下：
16、v[ii,j,ii,j+1]＝abs(vi,j-vi,j+1)
17、s2.3：返回执行步骤s2.1，直到对所有船只的轨迹点都完成处理。
18、进一步地，在步骤s3中，根据清洗后轨迹点集合以及vts范围数据得到每段vts范围内的累计航程，在python中使用geopandas包的sjoin模块进行空间相交判定：新增字段1作为轨迹点的一个属性，将相交信息记录在字段1的ais文本数据中，在vts范围内的轨迹点的字段1标记为t，否则标记为f；在新增字段1的ais文本数据中，按照轨迹点的时间顺序排序，根据轨迹点的字段1标记为t还是f将该条ais轨迹点依次划分为多段，计算标记为t的前后两段进出vts轨迹的时间差δt，若小于时间阈值，则后一段应和前一段合并构成完整的一段，两段中间的轨迹点的字段1标记更新为t，若大于时间阈值，则不改变；根据在vts范围内的轨迹点的字段1为t的轨迹点得到每段vts范围内的累计航程。
19、进一步地，在步骤s3中，根据清洗后轨迹点集合以及泊位范围数据进行空间相交判定：以筛选靠泊和离泊工况过程的轨迹点，利用港作船舶作业轨迹点和轨迹点，在python中使用geopandas包的sjoin模块进行空间相交判定，新增字段2作为轨迹点的一个属性，将相交信息记录在字段2的ais文本数据中；将在泊位范围内的轨迹点的字段2标记为t，否则标记为f，在新增字段2的ais文本数据中，按照轨迹点的时间顺序排序，根据轨迹点的字段2标记为t还是f将该条ais轨迹点依次划分为多段，针对轨迹点的字段2，计算标记为t的各段进出泊位的停靠总时长δt，若小于时间阈值，则认为该次所本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于AIS的港口货船及港作船舶作业碳排估算方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于AIS的港口货船及港作船舶作业碳排估算方法，其特征在于，在步骤S1中，港口货船及港作船舶AIS数据为基于海事移动服务标识MMSI存储的文本数据，包含静态数据和动态数据，其中静态数据包括货船长度、最大吨位；动态数据包括货船位置、货船速度。
3.根据权利要求2所述的基于AIS的港口货船及港作船舶作业碳排估算方法，其特征在于，动态数据可表示为L＝{Ai|i＝1,…,m}，m表示船只数量；读取一艘船只一定时间范围内的轨迹数据信息，以MMSI为唯一标识构建船只轨迹集合为Ai＝{Ii,j|j＝1,2,…,n}，其中，n为船只轨迹点数量，Ii,j＝{ti,j,loni,j,lati,j,vi,j}为一个四元组，Ii,j表示船只在ti,j时刻的轨迹点信息，loni,j为ti,j时刻船只所处的经度，lati,j为ti,j时刻船只所处的维度，vi,j为ti,j时刻船只航行的速度。
4.根据权利要求3所述的基于AIS的港口货船及港作船舶作业碳排估算方法，其特征在于，在
5.根据权利要求1所述的基于AIS的港口货船及港作船舶作业碳排估算方法，其特征在于，在步骤S3中，根据清洗后轨迹点集合以及VTS范围数据得到每段VTS范围内的累计航程，在Python中使用Geopandas包的sjoin模块进行空间相交判定：新增字段1作为轨迹点的一个属性，将相交信息记录在字段1的AIS文本数据中，在VTS范围内的轨迹点的字段1标记为T，否则标记为F；在新增字段1的AIS文本数据中，按照轨迹点的时间顺序排序，根据轨迹点的字段1标记为T还是F将该条AIS轨迹点依次划分为多段，计算标记为T的前后两段进出VTS轨迹的时间差Δt，若小于时间阈值，则后一段应和前一段合并构成完整的一段，两段中间的轨迹点的字段1标记更新为T，若大于时间阈值，则不改变；根据在VTS范围内的轨迹点的字段1为T的轨迹点得到每段VTS范围内的累计航程。
6.根据权利要求1所述的基于AIS的港口货船及港作船舶作业碳排估算方法，其特征在于，在步骤S3中，根据清洗后轨迹点集合以及泊位范围数据进行空间相交判定：以筛选靠泊和离泊工况过程的轨迹点，利用港作船舶作业轨迹点和轨迹点，在Python中使用Geopandas包的sjoin模块进行空间相交判定，新增字段2作为轨迹点的一个属性，将相交信息记录在字段2的AIS文本数据中；将在泊位范围内的轨迹点的字段2标记为T，否则标记为F，在新增字段2的AIS文本数据中，按照轨迹点的时间顺序排序，根据轨迹点的字段2标记为T还是F将该条AIS轨迹点依次划分为多段，针对轨迹点的字段2，计算标记为T的各段进出泊位的停靠总时长Δt，若小于时间阈值，则认为该次所记录的数据没有反映真实的停港过程，靠港时间太短，将轨迹点的字段2标记更新为F，若大于时间阈值，则不改变，根据在VTS范围内的轨迹点的字段1为T的轨迹点得到港作船舶作业轨迹点。
7.根据权利要求2所述的基于AIS的港口货船及港作船舶作业碳排估算方法，其特征在于，在步骤S4中，根据每段VTS范围内的累计航程计算港口货船的碳排放总量包括：根据港口货船及港作船舶AIS数据中最大吨位提取EEOI值，针对运输化学液体船使用化学品运输船分类，固态散装货物使用散货船分类；从下四分位、中位数估计和上四分位三个角度计算单艘货船的碳排放量，单艘船舶的CO2排放量计算方式为：
8.根据权利要求6所述的基于AIS的港口货船及港作船舶作业碳排估算方法，其特征在于，在步骤S4中，根据港作船舶作业轨迹点计算港作船舶的碳排放总量包括：将港作船舶碳排分为两部分：将轨迹点的字段2为T的轨迹点中，，将进港货船轨迹点位于泊位内且速度在0.5m/s以下的第一个轨迹点作为点A，将进入泊位的最后一个轨迹点作为点B,将点A和点B作为拖轮作业的轨迹点；将离港货船轨迹点位于泊位外且速度在0.5m/s以上的第一个轨迹点作为点C，将离开泊位的最后一个轨迹点作为点D，将点C和点D作为离港拖轮作业的轨迹点
9.根据权利要求1所述的基于AIS的港口货船及港作船舶作业碳排估算方法，其特征在于，还包括步骤S5：针对港口货船的碳排放总量，对STEAM模型的基本公式：
10.基于AIS的港口货船及港作船舶作业碳排估算系统，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.基于ais的港口货船及港作船舶作业碳排估算方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于ais的港口货船及港作船舶作业碳排估算方法，其特征在于，在步骤s1中，港口货船及港作船舶ais数据为基于海事移动服务标识mmsi存储的文本数据，包含静态数据和动态数据，其中静态数据包括货船长度、最大吨位；动态数据包括货船位置、货船速度。
3.根据权利要求2所述的基于ais的港口货船及港作船舶作业碳排估算方法，其特征在于，动态数据可表示为l＝{ai|i＝1,…,m}，m表示船只数量；读取一艘船只一定时间范围内的轨迹数据信息，以mmsi为唯一标识构建船只轨迹集合为ai＝{ii,j|j＝1,2,…,n}，其中，n为船只轨迹点数量，ii,j＝{ti,j,loni,j,lati,j,vi,j}为一个四元组，ii,j表示船只在ti,j时刻的轨迹点信息，loni,j为ti,j时刻船只所处的经度，lati,j为ti,j时刻船只所处的维度，vi,j为ti,j时刻船只航行的速度。
4.根据权利要求3所述的基于ais的港口货船及港作船舶作业碳排估算方法，其特征在于，在步骤s2中，包括：采用距离和速度阈值剔除异常轨迹点，并对轨迹点进行压缩处理，具体位：
5.根据权利要求1所述的基于ais的港口货船及港作船舶作业碳排估算方法，其特征在于，在步骤s3中，根据清洗后轨迹点集合以及vts范围数据得到每段vts范围内的累计航程，在python中使用geopandas包的sjoin模块进行空间相交判定：新增字段1作为轨迹点的一个属性，将相交信息记录在字段1的ais文本数据中，在vts范围内的轨迹点的字段1标记为t，否则标记为f；在新增字段1的ais文本数据中，按照轨迹点的时间顺序排序，根据轨迹点的字段1标记为t还是f将该条ais轨迹点依次划分为多段，计算标记为t的前后两段进出vts轨迹的时间差δt，若小于时间阈值，则后一段应和前一段合并构成完整的一段，两段中间的轨迹点的字段1标记更新为t，若大于时间阈值，则不改变；根据在vts范围内的轨迹点的字段1为t的轨迹点得到每段vts范围内的累计航程。
6.根据权利要求1所述的基于ais的港口货船及港作船舶作业碳排估...
【专利技术属性】
技术研发人员：韦春竹，刘旭锋，薛德升，
申请(专利权)人：南方海洋科学与工程广东省实验室珠海，
类型：发明
国别省市：
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