船舶智能運(yùn)輸管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

　　1 引言

　　水上運(yùn)輸作為人類(lèi)歷史上最古老的運(yùn)輸方式，一直發(fā)揮著重要作用，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里是最重要的運(yùn)輸方式。長(zhǎng)江素有黃金水道之稱(chēng)，水域遼闊、港口眾多，且與內(nèi)陸其它河川相互連通，是我國(guó)內(nèi)河的重要航道，其運(yùn)輸量大、成本低，具有其它運(yùn)輸方式無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，十分適合航運(yùn)業(yè)發(fā)展。目前，長(zhǎng)江干線共有貨物運(yùn)輸碼頭458座，吞吐能力上億噸，碼頭大型化、機(jī)械化和智能化將是長(zhǎng)江港口發(fā)展的趨勢(shì)。長(zhǎng)江航道建設(shè)也進(jìn)入整體加速推進(jìn)階段，截止2010年，重慶至宜賓河段可提高到三級(jí)航道的標(biāo)準(zhǔn)，千噸級(jí)船舶可全年從重慶直達(dá)宜賓。三峽庫(kù)區(qū)炸礁工程完工以后，2010年10月26日上午9時(shí)三峽大壩成功蓄水175米，萬(wàn)噸級(jí)船隊(duì)將從三峽大壩直達(dá)重慶，中游地區(qū)實(shí)現(xiàn)江海直達(dá)運(yùn)輸，下游地區(qū)可常年通行3萬(wàn)噸海船，航運(yùn)發(fā)展?jié)摿薮蟆?

　　雖然我國(guó)在船舶運(yùn)輸安全監(jiān)管方面出臺(tái)了一系列法規(guī)和條例，開(kāi)展了大量工作，但由于多方面的原因，近年來(lái)，有關(guān)我國(guó)長(zhǎng)江流域重大災(zāi)害事故發(fā)生多起。另外，從信息的質(zhì)量、有效性、實(shí)時(shí)性、可靠性以及提供信息服務(wù)的代價(jià)上來(lái)看，都說(shuō)明現(xiàn)階段我國(guó)的船舶交通管理系統(tǒng)的技術(shù)手段和功能還沒(méi)有隨著航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展而發(fā)展。這種發(fā)展應(yīng)主要體現(xiàn)在交通形勢(shì)分析、交通預(yù)警、交通管理和應(yīng)急預(yù)案制定等智能化方面，強(qiáng)調(diào)的是快速、準(zhǔn)確、規(guī)范，且不增加VTS管理人員的工作強(qiáng)度。這暴露出船舶運(yùn)輸安全仍存在許多薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)引起有關(guān)管理機(jī)構(gòu)及船公司高度重視。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　　(1)由于自然環(huán)境的影響，單傳感器信號(hào)很難對(duì)目標(biāo)實(shí)施精確定位監(jiān)控。

　　(2)各個(gè)船舶之間彼此孤立，相互之間缺乏信息交流。

　　(3)機(jī)務(wù)管理依舊采用比較原始的手段，不夠科學(xué)化。

　　(4)管理人員的工作經(jīng)驗(yàn)、精神狀態(tài)等人為因素，導(dǎo)致系統(tǒng)功能不能充分發(fā)揮。

　　因此，必須特別關(guān)注和高度重視水上運(yùn)輸運(yùn)輸存在的問(wèn)題，預(yù)防事故的發(fā)生，開(kāi)發(fā)基于局域網(wǎng)基礎(chǔ)上，并將船舶機(jī)務(wù)及其他管理人員聯(lián)成一體的機(jī)務(wù)管理信息系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)機(jī)務(wù)管理科學(xué)化、現(xiàn)代化的有效手段[4]。針對(duì)這一特點(diǎn)，本文主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶機(jī)務(wù)的科學(xué)化管理，搭建船舶智能運(yùn)輸管理系統(tǒng)平臺(tái)框架，并編制了基于信息融合與數(shù)據(jù)挖掘的船舶智能運(yùn)輸管理系統(tǒng)軟件。以便準(zhǔn)確地了解船舶的運(yùn)行狀況、船舶設(shè)備的安全狀況、港口情況，對(duì)保證船舶安全高效地航行，對(duì)提高航運(yùn)管理部門(mén)管理效率，降低船舶運(yùn)輸公司的運(yùn)營(yíng)安全和成本有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。這樣才能有效解決現(xiàn)有問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江船舶運(yùn)輸?shù)目沙掷m(xù)發(fā)展和高效管理，順利推進(jìn)暢通重慶相關(guān)政策和技術(shù)的有效實(shí)施。

　　2 船舶智能運(yùn)輸數(shù)據(jù)處理及信息發(fā)布

　　整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)就是利用高新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的交通管理系統(tǒng)進(jìn)行改造而形成的一種信息化、智能化、社會(huì)化的新型交通管理系統(tǒng)，將ITS的理論和方法應(yīng)用在船舶交通管理系統(tǒng)中，就形成了智能化船舶交通管理系統(tǒng)MITS。該系統(tǒng)結(jié)合了VTS系統(tǒng)和AIS系統(tǒng)的雙重功能優(yōu)點(diǎn)，能MITS真正發(fā)揮監(jiān)控水域交通的功能，保障船舶航行安全和保護(hù)水域環(huán)境安全的作用，使管理人員能及時(shí)、準(zhǔn)確、全面的掌握船舶的航行動(dòng)態(tài)，預(yù)測(cè)水域中潛在的交通隱患，及時(shí)做出交通組織方案或應(yīng)急方案，有效防止災(zāi)難的發(fā)生，最大限度地減少災(zāi)難損失。

　　通過(guò)基于船舶智能運(yùn)輸管理系統(tǒng)軟件在航運(yùn)管理系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)航運(yùn)各子系統(tǒng)之間信息共享，提高航道通行能力和交通效率，并且還可以做到航運(yùn)信息管理的系統(tǒng)化、規(guī)范化和自動(dòng)化。智能航運(yùn)管理系統(tǒng)綜合信息平臺(tái)工作原理框架如圖1所示。 

　　在本系統(tǒng)中，為了方便的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，我們建立了一個(gè)專(zhuān)用數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)存放數(shù)據(jù)，使用的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)是SQL SERVER 2005。該系統(tǒng)分為六大模塊，分別是多傳感器數(shù)據(jù)采集模塊;通信網(wǎng)絡(luò)模塊;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理模塊;交通信息處理模塊;交通信息顯示與發(fā)布模塊;結(jié)果統(tǒng)計(jì)及信息查詢(xún)模塊組成。

　　多傳感器數(shù)據(jù)采集模塊，主要包括靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、與航向有關(guān)的信息和與安全有關(guān)的信息，靜態(tài)交通數(shù)據(jù)包括船舶識(shí)別碼、船名和呼號(hào)、船長(zhǎng)和船寬、船舶總噸、船舶類(lèi)型和定位天線位置;動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)包括船位及精度指示、UTC時(shí)間、船舶航向和航速、船舶航行狀態(tài)和轉(zhuǎn)向角度等;與航行有關(guān)的信息：船舶吃水深度、危險(xiǎn)品、目的地、ETA和航行計(jì)劃;與安全有關(guān)的短信息：航行警告等。多傳感器數(shù)據(jù)采集模塊的主要采集設(shè)備是GPS、雷達(dá)、AIS、聲納、視頻監(jiān)控器、水位測(cè)定儀、風(fēng)速測(cè)定儀等[5]。

　　通信網(wǎng)絡(luò)模塊，起著信息傳遞與信息交換的作用。通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將采集到的交通數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇煌ㄐ畔⑻幚碇行倪M(jìn)行存儲(chǔ)與管理;同時(shí)，它可作為交通控制中心發(fā)布交通信息的手段，將實(shí)時(shí)交通信息發(fā)布到相關(guān)部門(mén)進(jìn)行決策。

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理模塊，對(duì)航線的基礎(chǔ)地理信息，靜態(tài)交通信息和動(dòng)態(tài)交通信息進(jìn)行綜合管理，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)交換，合理調(diào)運(yùn)交通數(shù)據(jù)，對(duì)動(dòng)態(tài)交通信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的更新。

　　交通信息處理模塊，通過(guò)利用有效的數(shù)據(jù)處理模型和方法對(duì)采集到數(shù)據(jù)庫(kù)的交通數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算和處理，實(shí)現(xiàn)雜波抑制、增益抑制、幅頻運(yùn)算、恒虛警、反異步干擾和動(dòng)態(tài)雜波地圖分析等。該模塊還可完成對(duì)各種交通信息的處理，并進(jìn)行交通狀態(tài)判斷與預(yù)測(cè)，交通運(yùn)行狀態(tài)的綜合分析等。

　　交通信息顯示與發(fā)布模塊，主要是通過(guò)運(yùn)行軌跡圖和數(shù)據(jù)表格的形式顯示出來(lái)，簡(jiǎn)捷直觀，很容易理解。同時(shí)，配合相關(guān)監(jiān)控軟件將雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及情報(bào)信息圖形化顯示，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)、廣播等不同手段準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的發(fā)布給用戶(hù)，提供決策信息，實(shí)現(xiàn)交通安全。

　　結(jié)果統(tǒng)計(jì)及信息查詢(xún)模塊，主要是保存以上每一步的處理結(jié)果，用戶(hù)需要的時(shí)候可以方便查詢(xún)。同時(shí)在每一步的處理過(guò)程中對(duì)處理的特征量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。

　　基于以上各個(gè)模塊之間相互作用可實(shí)現(xiàn)船和岸、船和船、岸和船之間的信息傳遞。他們能夠互相收發(fā)信息，避免碰撞，確保船舶的安全行駛。

　　3 基于Matlab圖形界面的船舶管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

　　3.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境

　　航運(yùn)智能管理系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)，服務(wù)器選用Windows 2000 Server;數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server 2005;以Matlab R2009a為平臺(tái)，采用圖形界面設(shè)計(jì)，核心算法采用MATLAB語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。采用模塊化開(kāi)發(fā)思想，確定系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)的思路，在分析整個(gè)系統(tǒng)的輸入/輸出基礎(chǔ)上，以提高系統(tǒng)的開(kāi)放性、可伸縮性和通用性，人機(jī)交互采用GUI對(duì)話(huà)框的方式進(jìn)行。

　　3.2 系統(tǒng)功能描述

　　3.2.1串口數(shù)據(jù)預(yù)處理功能

　　現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)和AIS系統(tǒng)中，要求在對(duì)空間掃描的同時(shí)用計(jì)算機(jī)對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行航跡跟蹤。從多傳感器前端送來(lái)的目標(biāo)信息，由于多目標(biāo)數(shù)據(jù)融合時(shí)間不同步、數(shù)據(jù)率不一致以及多傳感器空間分布存在差異，首先必須把來(lái)自不同平臺(tái)的多傳感器的多目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空對(duì)準(zhǔn)。接下來(lái)，把屬于同一目標(biāo)的點(diǎn)跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

　　3.2.2船舶實(shí)時(shí)監(jiān)控功能

　　航跡關(guān)聯(lián)以后，再將來(lái)自某一目標(biāo)的多元信息，即多傳感器的數(shù)據(jù)，加以智能化合成，產(chǎn)生比單一信源更精確、更完整的關(guān)于目標(biāo)的估計(jì)與判斷。進(jìn)一步研究雷達(dá)信號(hào)與GIS-T、GPS、AIS等數(shù)據(jù)的融合，進(jìn)行船舶實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，即實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)航運(yùn)企業(yè)的所有船舶，特別是在港口、航道等交通敏感區(qū)，設(shè)置預(yù)警區(qū)域，顯示報(bào)警點(diǎn)的位置及報(bào)警內(nèi)容;同時(shí)，能夠?qū)︻A(yù)案進(jìn)行評(píng)價(jià)，為指揮人員處理突發(fā)事件的決策方案提供依據(jù)。

　　3.2.3交通信息分析及顯示功能

　　交通信息分析及顯示功能主要提供航運(yùn)狀態(tài)分析，并以動(dòng)態(tài)顯示的方式實(shí)時(shí)發(fā)布出來(lái)，有利于相關(guān)部門(mén)和執(zhí)法人員直觀交通運(yùn)行的安全狀況。

　　3.2.4交通信息資料管理功能

　　通過(guò)對(duì)一定時(shí)間和空間范圍內(nèi)的交通特性以及一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析，反應(yīng)出航運(yùn)智能運(yùn)輸?shù)囊恍┗疽?guī)律，同時(shí)，這也是對(duì)交通建設(shè)、管理、規(guī)劃、評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)不可或缺的依據(jù)。船舶智能運(yùn)輸管理系統(tǒng)的功能模塊如圖2所示。

　　3.3 系統(tǒng)總體框架及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)采用模塊化開(kāi)發(fā)思想，確定系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)的思路，在分析整個(gè)系統(tǒng)的輸入/輸出基礎(chǔ)上，采用Windows XP 操作系統(tǒng)平臺(tái)的模塊化軟件設(shè)計(jì)，以提高系統(tǒng)的開(kāi)放性、可伸縮性和通用性，人機(jī)交互采用GUI對(duì)話(huà)框的方式進(jìn)行。

　　設(shè)計(jì)原則：軟件開(kāi)發(fā)遵守軟件工程規(guī)范，實(shí)施版本控制，新業(yè)務(wù)功能的增加不影響原有的系統(tǒng)運(yùn)行，同時(shí)使系統(tǒng)易于維護(hù)、升級(jí)、擴(kuò)展及在此基礎(chǔ)上二次開(kāi)發(fā)。

　　軟件體系結(jié)構(gòu)：三層模型設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)層、應(yīng)用框架層、功能組件層。數(shù)據(jù)層為多源傳感器數(shù)據(jù)的輸入輸出等;應(yīng)用框架層主要實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與程序的交互界面;功能組件層由各種組件和控件組成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能。

　　軟件I/O接口：軟件以多傳感器數(shù)據(jù)作為輸入處理對(duì)象，用戶(hù)通過(guò)操作軟件的應(yīng)用框架調(diào)用功能處理組件模塊，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)處理。

　　軟件設(shè)計(jì)流程：定義數(shù)據(jù)模型及輸出結(jié)果的類(lèi)型;數(shù)據(jù)層與框架層的代碼實(shí)現(xiàn);功能組件層接口定義;功能組件層代碼實(shí)現(xiàn)及單元模塊測(cè)試;系統(tǒng)測(cè)試。

　　4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的多傳感器分別是采用雷達(dá)(目標(biāo)1、目標(biāo)2、目標(biāo)3)和AIS進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，雷達(dá)的采樣周期是5s，AIS的采樣周期是10 s。所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在初始數(shù)據(jù)庫(kù)中(SQL SERVER 2005)，接下來(lái)對(duì)兩種傳感器采集的數(shù)據(jù)在本系統(tǒng)上進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)船舶智能運(yùn)輸?shù)膶?shí)時(shí)管理。

　　4.1數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊

　　數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是凈化傳感器采集的原始數(shù)據(jù)，為后面的數(shù)據(jù)處理做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備。針對(duì)我國(guó)航運(yùn)所處環(huán)境的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用基于邏輯的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)航跡的起始跟蹤，該方法在虛警概率比較低的情況下，起始航跡的效果比很好。

　　4.2數(shù)據(jù)時(shí)空對(duì)準(zhǔn)模塊

　　所謂數(shù)據(jù)時(shí)間對(duì)準(zhǔn)就是對(duì)各傳感器采集的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插、外推，將高精度觀測(cè)時(shí)間上的數(shù)據(jù)推算到低精度觀測(cè)時(shí)間點(diǎn)上。

　　本系統(tǒng)的空間對(duì)準(zhǔn)的主要任務(wù)是把雷達(dá)的極坐標(biāo)和AIS的WGS-84坐標(biāo)都根據(jù)相應(yīng)的公式轉(zhuǎn)化成地心直角坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一。

　　4.3航跡關(guān)聯(lián)模塊

　　航跡關(guān)聯(lián)問(wèn)題是如何判斷來(lái)自不同傳感器的航跡估計(jì)值是否代表同一目標(biāo)，實(shí)際上就是解決傳感器空間覆蓋區(qū)域中的重復(fù)跟蹤問(wèn)題。 

　　4.4航跡融合及融合評(píng)價(jià)模塊

　　多傳感器數(shù)據(jù)融合，就是組合或融合來(lái)自多個(gè)傳感器或其他數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，也可將數(shù)據(jù)融合看作是將不同來(lái)源、不同模式、不同媒質(zhì)、不同時(shí)間、不同表示的信息加以有機(jī)地結(jié)合，以獲得綜合的、更好的估計(jì)，最后得到對(duì)監(jiān)控目標(biāo)更精確的描述[6]。針對(duì)以上數(shù)據(jù)融合的結(jié)果，并和實(shí)際的航跡做一比較，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)融合的精度是否達(dá)到用戶(hù)的要求。

　　系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)如圖3所示。通過(guò)設(shè)置下拉菜單，采用人機(jī)交互的方式，可以實(shí)現(xiàn)船舶的實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)一步可以進(jìn)行航跡預(yù)測(cè)，為決策部門(mén)提供理論支持。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　在本系統(tǒng)中，針對(duì)重慶長(zhǎng)江流域航運(yùn)的具體特點(diǎn)，進(jìn)行航運(yùn)智能運(yùn)輸仿真系統(tǒng)(MITSS)基本架構(gòu)研究。通過(guò)建立多源數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新方法來(lái)實(shí)現(xiàn)船舶的精確定位與監(jiān)控，達(dá)到提高航道的管理和安全水平、增加交通的機(jī)動(dòng)性、減少船舶運(yùn)輸對(duì)環(huán)境的影響、提高航道通行能力和交通效率的目的，確保重慶水路交通運(yùn)輸?shù)臅惩?。其次，該系統(tǒng)也可以進(jìn)行不同管理部門(mén)(消防系統(tǒng)，公安系統(tǒng))之間的數(shù)據(jù)共享，為進(jìn)一步的決策提供理論支持，實(shí)現(xiàn)政府管理與部門(mén)服務(wù)的有效結(jié)合。最后，本系統(tǒng)還具有二次開(kāi)發(fā)的接口，用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行系統(tǒng)功能完善，進(jìn)而可以應(yīng)用到其他相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行智能數(shù)據(jù)處理。