全球资源分布和需求的区域差异性为国际贸易提供了强有力的驱动力,船舶作为国际贸易中货物运输的重要工具,在货物运输的强大需求下其数量日益繁多;同时,随着科学技术的发展和造船工艺的进步,船舶的专业化、大型化、高速化和智能化的趋势明显,使水域船舶呈现出数量密集、类型多样、尺度和速度跨度大等特点,很大程度上增加了船舶交通流的复杂性。船舶交通流特征及演化研究是解析船舶交通流复杂性和揭示船舶交通流变化规律的重要基础理论,也是解决水上交通秩序和风险与海事监管效能匹配性问题的重要技术支撑。论文以船舶交通流为研究对象,以复杂通航系统、船舶交通流特征、船舶交通流影响因素、船舶交通流演化机理和船舶交通流演化模型等为主线,通过复杂通航系统解析、船舶交通流特征建模、船舶交通流影响因素层级结构及耦合建模和船舶交通流演化建模等形成了船舶交通流特征及演化的系统理论与方法,以揭示船舶交通流变化规律。主要研究内容及创新性成果包括:(1)分析了通航系统的属性、组成要素及各要素之间的相互作用关系、复杂性和脆性,设计了通航系统的服务水平评价模型,提出了复杂通航系统演变仿真方法。(2)从船舶交通流的概念出发,在船舶航行过程特征分析的基础上,运用AND-OR图构建了船舶交通流特征模型,并应用向量和集合工具对船舶交通流特征进行了抽象,最后以天津港船舶交通流数据对模型进行了示例分析。(3)在船舶交通流影响因素及其相关性分析的基础上,运用解释结构模型方法构建了船舶交通流影响因素的层级结构模型;进而建立了基于图论的船舶交通流影响因素耦合模型,并以天津港集装箱船舶数据对模型进行了验证分析。(4)从船舶交通流结构特征和行为特征两个方面分析了船舶交通流演化机理;在通航系统分析的基础上,运用低秩稀疏理论建立了基于特征模型的船舶交通流多尺度演化预测模型,运用系统动力学理论构建了船舶交通流动力学演化模型,在船舶行为约束的基础上提出了基于规则约束的船舶交通流仿真方法,并运用天津港数据进行了例证分析。关于复杂通航系统、船舶交通流特征、影响因素和演化的研究,丰富了船舶交通流理论与技术;基于天津港船舶交通流数据的模型验证和示例分析表明:提出的模型和方法与船舶交通流的实际数据契合性较好,船舶交通流特征模型能够更全面系统地表征船舶交通流,船舶交通流耦合模型能够表明各要素之间的耦合关系,船舶交通流多尺度演化预测模型能够更全面地反映船舶交通流的演化信息,船舶交通流动力学演化模型能够兼顾船舶交通流与通航系统的协同演变机制,基于规则约束的船舶交通流演化仿真方法能够从本质上揭示特定通航系统下船舶交通流的演化机制,研究成果对港口设计、规划建设、交通组织与安全保障等具有重要的指导意义和应用价值。