船舶智能运输管理系统的设计与开发

　　1 引言

　　水上运输作为人类历史上最古老的运输方式，一直发挥着重要作用，在相当长的时间里是最重要的运输方式。长江素有黄金水道之称，水域辽阔、港口众多，且与内陆其它河川相互连通，是我国内河的重要航道，其运输量大、成本低，具有其它运输方式无法比拟的优势，十分适合航运业发展。目前，长江干线共有货物运输码头458座，吞吐能力上亿吨，码头大型化、机械化和智能化将是长江港口发展的趋势。长江航道建设也进入整体加速推进阶段，截止2010年，重庆至宜宾河段可提高到三级航道的标准，千吨级船舶可全年从重庆直达宜宾。三峡库区炸礁工程完工以后，2010年10月26日上午9时三峡大坝成功蓄水175米，万吨级船队将从三峡大坝直达重庆，中游地区实现江海直达运输，下游地区可常年通行3万吨海船，航运发展潜力巨大。

　　虽然我国在船舶运输安全监管方面出台了一系列法规和条例，开展了大量工作，但由于多方面的原因，近年来，有关我国长江流域重大灾害事故发生多起。另外，从信息的质量、有效性、实时性、可靠性以及提供信息服务的代价上来看，都说明现阶段我国的船舶交通管理系统的技术手段和功能还没有随着航运事业的发展而发展。这种发展应主要体现在交通形势分析、交通预警、交通管理和应急预案制定等智能化方面，强调的是快速、准确、规范，且不增加VTS管理人员的工作强度。这暴露出船舶运输安全仍存在许多薄弱环节，应引起有关管理机构及船公司高度重视。主要表现在以下几个方面：

　　(1)由于自然环境的影响，单传感器信号很难对目标实施精确定位监控。

　　(2)各个船舶之间彼此孤立，相互之间缺乏信息交流。

　　(3)机务管理依旧采用比较原始的手段，不够科学化。

　　(4)管理人员的工作经验、精神状态等人为因素，导致系统功能不能充分发挥。

　　因此，必须特别关注和高度重视水上运输运输存在的问题，预防事故的发生，开发基于局域网基础上，并将船舶机务及其他管理人员联成一体的机务管理信息系统，是实现机务管理科学化、现代化的有效手段[4]。针对这一特点，本文主要是实现对船舶机务的科学化管理，搭建船舶智能运输管理系统平台框架，并编制了基于信息融合与数据挖掘的船舶智能运输管理系统软件。以便准确地了解船舶的运行状况、船舶设备的安全状况、港口情况，对保证船舶安全高效地航行，对提高航运管理部门管理效率，降低船舶运输公司的运营安全和成本有着重要的现实意义。这样才能有效解决现有问题，实现长江船舶运输的可持续发展和高效管理，顺利推进畅通重庆相关政策和技术的有效实施。

　　2 船舶智能运输数据处理及信息发布

　　整个系统的实质就是利用高新技术对传统的交通管理系统进行改造而形成的一种信息化、智能化、社会化的新型交通管理系统，将ITS的理论和方法应用在船舶交通管理系统中，就形成了智能化船舶交通管理系统MITS。该系统结合了VTS系统和AIS系统的双重功能优点，能MITS真正发挥监控水域交通的功能，保障船舶航行安全和保护水域环境安全的作用，使管理人员能及时、准确、全面的掌握船舶的航行动态，预测水域中潜在的交通隐患，及时做出交通组织方案或应急方案，有效防止灾难的发生，最大限度地减少灾难损失。

　　通过基于船舶智能运输管理系统软件在航运管理系统的应用，实现航运各子系统之间信息共享，提高航道通行能力和交通效率，并且还可以做到航运信息管理的系统化、规范化和自动化。智能航运管理系统综合信息平台工作原理框架如图1所示。 

　　在本系统中，为了方便的对数据进行实时处理，我们建立了一个专用数据库用来存放数据，使用的数据库管理系统是SQL SERVER 2005。该系统分为六大模块，分别是多传感器数据采集模块;通信网络模块;数据存储与管理模块;交通信息处理模块;交通信息显示与发布模块;结果统计及信息查询模块组成。

　　多传感器数据采集模块，主要包括静态数据、动态数据、与航向有关的信息和与安全有关的信息，静态交通数据包括船舶识别码、船名和呼号、船长和船宽、船舶总吨、船舶类型和定位天线位置;动态交通数据包括船位及精度指示、UTC时间、船舶航向和航速、船舶航行状态和转向角度等;与航行有关的信息：船舶吃水深度、危险品、目的地、ETA和航行计划;与安全有关的短信息：航行警告等。多传感器数据采集模块的主要采集设备是GPS、雷达、AIS、声纳、视频监控器、水位测定仪、风速测定仪等[5]。

　　通信网络模块，起着信息传递与信息交换的作用。通过通信网络将采集到的交通数据传输到交通信息处理中心进行存储与管理;同时，它可作为交通控制中心发布交通信息的手段，将实时交通信息发布到相关部门进行决策。

　　数据存储与管理模块，对航线的基础地理信息，静态交通信息和动态交通信息进行综合管理，实现各个模块之间的数据交换，合理调运交通数据，对动态交通信息进行实时的更新。

　　交通信息处理模块，通过利用有效的数据处理模型和方法对采集到数据库的交通数据进行分析、计算和处理，实现杂波抑制、增益抑制、幅频运算、恒虚警、反异步干扰和动态杂波地图分析等。该模块还可完成对各种交通信息的处理，并进行交通状态判断与预测，交通运行状态的综合分析等。

　　交通信息显示与发布模块，主要是通过运行轨迹图和数据表格的形式显示出来，简捷直观，很容易理解。同时，配合相关监控软件将雷达系统设备的运行状态及情报信息图形化显示，进一步实现互联网、广播等不同手段准确实时的发布给用户，提供决策信息，实现交通安全。

　　结果统计及信息查询模块，主要是保存以上每一步的处理结果，用户需要的时候可以方便查询。同时在每一步的处理过程中对处理的特征量进行统计，并实时显示出来。

　　基于以上各个模块之间相互作用可实现船和岸、船和船、岸和船之间的信息传递。他们能够互相收发信息，避免碰撞，确保船舶的安全行驶。

　　3 基于Matlab图形界面的船舶管理系统开发

　　3.1 系统开发环境

　　航运智能管理系统软件开发，服务器选用Windows 2000 Server;数据库SQL Server 2005;以Matlab R2009a为平台，采用图形界面设计，核心算法采用MATLAB语言实现。采用模块化开发思想，确定系统的总体设计的思路，在分析整个系统的输入/输出基础上，以提高系统的开放性、可伸缩性和通用性，人机交互采用GUI对话框的方式进行。

　　3.2 系统功能描述

　　3.2.1串口数据预处理功能

　　现代雷达系统和AIS系统中，要求在对空间扫描的同时用计算机对多个目标进行航迹跟踪。从多传感器前端送来的目标信息，由于多目标数据融合时间不同步、数据率不一致以及多传感器空间分布存在差异，首先必须把来自不同平台的多传感器的多目标数据进行时空对准。接下来，把属于同一目标的点迹进行关联。

　　3.2.2船舶实时监控功能

　　航迹关联以后，再将来自某一目标的多元信息，即多传感器的数据，加以智能化合成，产生比单一信源更精确、更完整的关于目标的估计与判断。进一步研究雷达信号与GIS-T、GPS、AIS等数据的融合，进行船舶实时动态监测，即实现实时监测航运企业的所有船舶，特别是在港口、航道等交通敏感区，设置预警区域，显示报警点的位置及报警内容;同时，能够对预案进行评价，为指挥人员处理突发事件的决策方案提供依据。

　　3.2.3交通信息分析及显示功能

　　交通信息分析及显示功能主要提供航运状态分析，并以动态显示的方式实时发布出来，有利于相关部门和执法人员直观交通运行的安全状况。

　　3.2.4交通信息资料管理功能

　　通过对一定时间和空间范围内的交通特性以及一些基础数据的分析，反应出航运智能运输的一些基本规律，同时，这也是对交通建设、管理、规划、评价和预测不可或缺的依据。船舶智能运输管理系统的功能模块如图2所示。

　　3.3 系统总体框架及结构设计

　　该系统采用模块化开发思想，确定系统的总体设计的思路，在分析整个系统的输入/输出基础上，采用Windows XP 操作系统平台的模块化软件设计，以提高系统的开放性、可伸缩性和通用性，人机交互采用GUI对话框的方式进行。

　　设计原则：软件开发遵守软件工程规范，实施版本控制，新业务功能的增加不影响原有的系统运行，同时使系统易于维护、升级、扩展及在此基础上二次开发。

　　软件体系结构：三层模型设计，数据层、应用框架层、功能组件层。数据层为多源传感器数据的输入输出等;应用框架层主要实现用户与程序的交互界面;功能组件层由各种组件和控件组成，实现数据处理功能。

　　软件I/O接口：软件以多传感器数据作为输入处理对象，用户通过操作软件的应用框架调用功能处理组件模块，实现相应处理。

　　软件设计流程：定义数据模型及输出结果的类型;数据层与框架层的代码实现;功能组件层接口定义;功能组件层代码实现及单元模块测试;系统测试。

　　4 系统实现

　　本系统实现的多传感器分别是采用雷达(目标1、目标2、目标3)和AIS进行数据采集，雷达的采样周期是5s，AIS的采样周期是10 s。所有数据存储在初始数据库中(SQL SERVER 2005)，接下来对两种传感器采集的数据在本系统上进行处理，实现船舶智能运输的实时管理。

　　4.1数据预处理模块

　　数据预处理主要是净化传感器采集的原始数据，为后面的数据处理做好基础准备。针对我国航运所处环境的特点，本系统采用基于逻辑的方法来实现航迹的起始跟踪，该方法在虚警概率比较低的情况下，起始航迹的效果比很好。

　　4.2数据时空对准模块

　　所谓数据时间对准就是对各传感器采集的目标数据进行内插、外推，将高精度观测时间上的数据推算到低精度观测时间点上。

　　本系统的空间对准的主要任务是把雷达的极坐标和AIS的WGS-84坐标都根据相应的公式转化成地心直角坐标进行统一。

　　4.3航迹关联模块

　　航迹关联问题是如何判断来自不同传感器的航迹估计值是否代表同一目标，实际上就是解决传感器空间覆盖区域中的重复跟踪问题。 

　　4.4航迹融合及融合评价模块

　　多传感器数据融合，就是组合或融合来自多个传感器或其他数据源的数据，也可将数据融合看作是将不同来源、不同模式、不同媒质、不同时间、不同表示的信息加以有机地结合，以获得综合的、更好的估计，最后得到对监控目标更精确的描述[6]。针对以上数据融合的结果，并和实际的航迹做一比较，检验数据融合的精度是否达到用户的要求。

　　系统的软件实现如图3所示。通过设置下拉菜单，采用人机交互的方式，可以实现船舶的实时监控，进一步可以进行航迹预测，为决策部门提供理论支持。

　　5 结语

　　在本系统中，针对重庆长江流域航运的具体特点，进行航运智能运输仿真系统(MITSS)基本架构研究。通过建立多源数据动态更新方法来实现船舶的精确定位与监控，达到提高航道的管理和安全水平、增加交通的机动性、减少船舶运输对环境的影响、提高航道通行能力和交通效率的目的，确保重庆水路交通运输的畅通。其次，该系统也可以进行不同管理部门(消防系统，公安系统)之间的数据共享，为进一步的决策提供理论支持，实现政府管理与部门服务的有效结合。最后，本系统还具有二次开发的接口，用户可以根据自己的需要进行系统功能完善，进而可以应用到其他相关领域进行智能数据处理。