随着海上船舶向高速化、大型化的发展,部分重要航道内船舶密度的逐渐增大,拥挤航道内出现了较为频繁的减速跟随和转向追越前船的航行行为,致使航道内的交通变得越来越复杂。为揭示此类复杂交通现象产生的机理,促进海上交通流相关研究的发展,需要对海上交通流中减速跟随和转向追越前船这类微观行为进行建模。基于元胞自动机的交通流模型作为一种微观交通流模型,被广泛地应用在车辆、船舶等交通流研究中,是当前主要的交通流模型之一。通过总结海上元胞自动机交通流模型的发展现状,分析影响元胞自动机应用于船舶交通流研究的瓶颈问题,分析航道内船舶的实际交通数据,研究航道内船舶行为特征,建立了基于元胞自动机的海上航道内船舶交通流模型。提出了基于空间-逻辑映射规则的航道离散方法。该方法解决了由航道宽度变窄引起的空间离散化问题。当实际航道宽度变窄时,若借鉴道路空间离散方法直接对航道进行离散化,所得结果存在部分通道缺失的情况,在进行交通流仿真时会引起与实际情况不符的船舶"伪换道"现象。该问题制约了元胞自动机在船舶交通流研究中的应用。因此,通过分析实际宽度变窄航道中的船舶航迹分布特征与船舶航行规律,提出了适用于船舶交通流的航道空间离散方法。该方法能对宽度变窄的航道进行空间离散化并映射到宽度不变的元胞空间中,实现了由宽度变化航道向宽度不变航道的转换,为制定合理的元胞自动机演化规则奠定了基础。应用该方法对宽度变窄的航道进行了离散化处理,并基于离散结果进行了交通流仿真,通过与实际船舶航行数据对比,验证了该方法的有效性。建立了基于元胞自动机的单向航道内追越受限条件下的船舶交通流模型。在该模型中,主要对后船速度大于前船但无法追越时,受前船影响而必须采取减速跟随的行为进行了研究。通过分析航行过程中后船减速跟随前船的实际航行行为,并结合船舶避碰的研究成果,确定船舶减速的时机和幅度,制定对应的元胞自动机演化规则,建立了基于元胞自动机的单向航道内追越受限条件下的船舶交通流模型。该模型适用于不满足追越条件时的船舶交通行为仿真或单向航道内禁止追越的船舶交通流仿真,为单向航道内可追越条件下船舶交通流模型的建立奠定了基础。建立了基于元胞自动机的单向航道内可追越条件下的船舶交通流模型。在该模型中,着重研究了船舶的追越行为,并制定了对应的元胞自动机演化规则。在该演化规则中,考虑了后船在追越过程中不与他船产生新紧迫局面的原则、追越过程中船间通过甚高频电话协商避碰对船舶行为的影响、后船为保持足够的安全横距采取转向行为时对速度的影响、两艘或两艘以上船舶进行追越时的目标位置冲突,从而令该模型更加符合船舶在实际追越过程中的规律与特点。最后,通过对实际航道中船舶交通流的仿真,对模型进行了验证。通过以上研究,解决了由航道宽度变化引起的"伪换道"问题;针对航道内船舶减速跟随和追越前船的行为,基于元胞自动机提出了单向航道内追越受限和可追越条件下的船舶交通流模型,促进了元胞自动机在海上船舶交通流建模中的应用,为海上船舶交通流理论的发展做出了一定的贡献。