1 引言

　　水上運輸作為人類歷史上最古老的運輸方式，一直發揮著重要作用，在相當長的時間里是最重要的運輸方式。長江素有黃金水道之稱，水域遼闊、港口眾多，且與內陸其它河川相互連通，是我國內河的重要航道，其運輸量大、成本低，具有其它運輸方式無法比擬的優勢，十分適合航運業發展。目前，長江干線共有貨物運輸碼頭458座，吞吐能力上億噸，碼頭大型化、機械化和智能化將是長江港口發展的趨勢。長江航道建設也進入整體加速推進階段，截止2010年，重慶至宜賓河段可提高到三級航道的標準，千噸級船舶可全年從重慶直達宜賓。三峽庫區炸礁工程完工以后，2010年10月26日上午9時三峽大壩成功蓄水175米，萬噸級船隊將從三峽大壩直達重慶，中游地區實現江海直達運輸，下游地區可常年通行3萬噸海船，航運發展潛力巨大。

　　雖然我國在船舶運輸安全監管方面出臺了一系列法規和條例，開展了大量工作，但由于多方面的原因，近年來，有關我國長江流域重大災害事故發生多起。另外，從信息的質量、有效性、實時性、可靠性以及提供信息服務的代價上來看，都說明現階段我國的船舶交通管理系統的技術手段和功能還沒有隨著航運事業的發展而發展。這種發展應主要體現在交通形勢分析、交通預警、交通管理和應急預案制定等智能化方面，強調的是快速、準確、規范，且不增加VTS管理人員的工作強度。這暴露出船舶運輸安全仍存在許多薄弱環節，應引起有關管理機構及船公司高度重視。主要表現在以下幾個方面：

　　(1)由于自然環境的影響，單傳感器信號很難對目標實施精確定位監控。

　　(2)各個船舶之間彼此孤立，相互之間缺乏信息交流。

　　(3)機務管理依舊采用比較原始的手段，不夠科學化。

　　(4)管理人員的工作經驗、精神狀態等人為因素，導致系統功能不能充分發揮。

　　因此，必須特別關注和高度重視水上運輸運輸存在的問題，預防事故的發生，開發基于局域網基礎上，并將船舶機務及其他管理人員聯成一體的機務管理信息系統，是實現機務管理科學化、現代化的有效手段[4]。針對這一特點，本文主要是實現對船舶機務的科學化管理，搭建船舶智能運輸管理系統平臺框架，并編制了基于信息融合與數據挖掘的船舶智能運輸管理系統軟件。以便準確地了解船舶的運行狀況、船舶設備的安全狀況、港口情況，對保證船舶安全高效地航行，對提高航運管理部門管理效率，降低船舶運輸公司的運營安全和成本有著重要的現實意義。這樣才能有效解決現有問題，實現長江船舶運輸的可持續發展和高效管理，順利推進暢通重慶相關政策和技術的有效實施。

　　2 船舶智能運輸數據處理及信息發布

　　整個系統的實質就是利用高新技術對傳統的交通管理系統進行改造而形成的一種信息化、智能化、社會化的新型交通管理系統，將ITS的理論和方法應用在船舶交通管理系統中，就形成了智能化船舶交通管理系統MITS。該系統結合了VTS系統和AIS系統的雙重功能優點，能MITS真正發揮監控水域交通的功能，保障船舶航行安全和保護水域環境安全的作用，使管理人員能及時、準確、全面的掌握船舶的航行動態，預測水域中潛在的交通隱患，及時做出交通組織方案或應急方案，有效防止災難的發生，最大限度地減少災難損失。

　　通過基于船舶智能運輸管理系統軟件在航運管理系統的應用，實現航運各子系統之間信息共享，提高航道通行能力和交通效率，并且還可以做到航運信息管理的系統化、規范化和自動化。智能航運管理系統綜合信息平臺工作原理框架如圖1所示。 

　　在本系統中，為了方便的對數據進行實時處理，我們建立了一個專用數據庫用來存放數據，使用的數據庫管理系統是SQL SERVER 2005。該系統分為六大模塊，分別是多傳感器數據采集模塊;通信網絡模塊;數據存儲與管理模塊;交通信息處理模塊;交通信息顯示與發布模塊;結果統計及信息查詢模塊組成。

　　多傳感器數據采集模塊，主要包括靜態數據、動態數據、與航向有關的信息和與安全有關的信息，靜態交通數據包括船舶識別碼、船名和呼號、船長和船寬、船舶總噸、船舶類型和定位天線位置;動態交通數據包括船位及精度指示、UTC時間、船舶航向和航速、船舶航行狀態和轉向角度等;與航行有關的信息：船舶吃水深度、危險品、目的地、ETA和航行計劃;與安全有關的短信息：航行警告等。多傳感器數據采集模塊的主要采集設備是GPS、雷達、AIS、聲納、視頻監控器、水位測定儀、風速測定儀等[5]。

　　通信網絡模塊，起著信息傳遞與信息交換的作用。通過通信網絡將采集到的交通數據傳輸到交通信息處理中心進行存儲與管理;同時，它可作為交通控制中心發布交通信息的手段，將實時交通信息發布到相關部門進行決策。

　　數據存儲與管理模塊，對航線的基礎地理信息，靜態交通信息和動態交通信息進行綜合管理，實現各個模塊之間的數據交換，合理調運交通數據，對動態交通信息進行實時的更新。

　　交通信息處理模塊，通過利用有效的數據處理模型和方法對采集到數據庫的交通數據進行分析、計算和處理，實現雜波抑制、增益抑制、幅頻運算、恒虛警、反異步干擾和動態雜波地圖分析等。該模塊還可完成對各種交通信息的處理，并進行交通狀態判斷與預測，交通運行狀態的綜合分析等。

　　交通信息顯示與發布模塊，主要是通過運行軌跡圖和數據表格的形式顯示出來，簡捷直觀，很容易理解。同時，配合相關監控軟件將雷達系統設備的運行狀態及情報信息圖形化顯示，進一步實現互聯網、廣播等不同手段準確實時的發布給用戶，提供決策信息，實現交通安全。

　　結果統計及信息查詢模塊，主要是保存以上每一步的處理結果，用戶需要的時候可以方便查詢。同時在每一步的處理過程中對處理的特征量進行統計，并實時顯示出來。

　　基于以上各個模塊之間相互作用可實現船和岸、船和船、岸和船之間的信息傳遞。他們能夠互相收發信息，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開發

　　3.1 系統開發環境

　　航運智能管理系統軟件開發，服務器選用Windows 2000 Server;數據庫SQL Server 2005;以Matlab R2009a為平臺，采用圖形界面設計，核心算法采用MATLAB語言實現。采用模塊化開發思想，確定系統的總體設計的思路，在分析整個系統的輸入/輸出基礎上，以提高系統的開放性、可伸縮性和通用性，人機交互采用GUI對話框的方式進行。

　　3.2 系統功能描述

　　3.2.1串口數據預處理功能

　　現代雷達系統和AIS系統中，要求在對空間掃描的同時用計算機對多個目標進行航跡跟蹤。從多傳感器前端送來的目標信息，由于多目標數據融合時間不同步、數據率不一致以及多傳感器空間分布存在差異，首先必須把來自不同平臺的多傳感器的多目標數據進行時空對準。接下來，把屬于同一目標的點跡進行關聯。

　　3.2.2船舶實時監控功能

　　航跡關聯以后，再將來自某一目標的多元信息，即多傳感器的數據，加以智能化合成，產生比單一信源更精確、更完整的關于目標的估計與判斷。進一步研究雷達信號與GIS-T、GPS、AIS等數據的融合，進行船舶實時動態監測，即實現實時監測航運企業的所有船舶，特別是在港口、航道等交通敏感區，設置預警區域，顯示報警點的位置及報警內容;同時，能夠對預案進行評價，為指揮人員處理突發事件的決策方案提供依據。

　　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狀態分析，并以動態顯示的方式實時發布出來，有利于相關部門和執法人員直觀交通運行的安全狀況。

　　3.2.4交通信息資料管理功能

　　通過對一定時間和空間范圍內的交通特性以及一些基礎數據的分析，反應出航運智能運輸的一些基本規律，同時，這也是對交通建設、管理、規劃、評價和預測不可或缺的依據。船舶智能運輸管理系統的功能模塊如圖2所示。

　　3.3 系統總體框架及結構設計

　　該系統采用模塊化開發思想，確定系統的總體設計的思路，在分析整個系統的輸入/輸出基礎上，采用Windows XP 操作系統平臺的模塊化軟件設計，以提高系統的開放性、可伸縮性和通用性，人機交互采用GUI對話框的方式進行。

　　設計原則：軟件開發遵守軟件工程規范，實施版本控制，新業務功能的增加不影響原有的系統運行，同時使系統易于維護、升級、擴展及在此基礎上二次開發。

　　軟件體系結構：三層模型設計，數據層、應用框架層、功能組件層。數據層為多源傳感器數據的輸入輸出等;應用框架層主要實現用戶與程序的交互界面;功能組件層由各種組件和控件組成，實現數據處理功能。

　　軟件I/O接口：軟件以多傳感器數據作為輸入處理對象，用戶通過操作軟件的應用框架調用功能處理組件模塊，實現相應處理。

　　軟件設計流程：定義數據模型及輸出結果的類型;數據層與框架層的代碼實現;功能組件層接口定義;功能組件層代碼實現及單元模塊測試;系統測試。

　　4 系統實現

　　本系統實現的多傳感器分別是采用雷達(目標1、目標2、目標3)和AIS進行數據采集，雷達的采樣周期是5s，AIS的采樣周期是10 s。所有數據存儲在初始數據庫中(SQL SERVER 2005)，接下來對兩種傳感器采集的數據在本系統上進行處理，實現船舶智能運輸的實時管理。

　　4.1數據預處理模塊

　　數據預處理主要是凈化傳感器采集的原始數據，為后面的數據處理做好基礎準備。針對我國航運所處環境的特點，本系統采用基于邏輯的方法來實現航跡的起始跟蹤，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數據時空對準模塊

　　所謂數據時間對準就是對各傳感器采集的目標數據進行內插、外推，將高精度觀測時間上的數據推算到低精度觀測時間點上。

　　本系統的空間對準的主要任務是把雷達的極坐標和AIS的WGS-84坐標都根據相應的公式轉化成地心直角坐標進行統一。

　　4.3航跡關聯模塊

　　航跡關聯問題是如何判斷來自不同傳感器的航跡估計值是否代表同一目標，實際上就是解決傳感器空間覆蓋區域中的重復跟蹤問題。 

　　4.4航跡融合及融合評價模塊

　　多傳感器數據融合，就是組合或融合來自多個傳感器或其他數據源的數據，也可將數據融合看作是將不同來源、不同模式、不同媒質、不同時間、不同表示的信息加以有機地結合，以獲得綜合的、更好的估計，最后得到對監控目標更精確的描述[6]。針對以上數據融合的結果，并和實際的航跡做一比較，檢驗數據融合的精度是否達到用戶的要求。

　　系統的軟件實現如圖3所示。通過設置下拉菜單，采用人機交互的方式，可以實現船舶的實時監控，進一步可以進行航跡預測，為決策部門提供理論支持。

　　5 結語

　　在本系統中，針對重慶長江流域航運的具體特點，進行航運智能運輸仿真系統(MITSS)基本架構研究。通過建立多源數據動態更新方法來實現船舶的精確定位與監控，達到提高航道的管理和安全水平、增加交通的機動性、減少船舶運輸對環境的影響、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輸的暢通。其次，該系統也可以進行不同管理部門(消防系統，公安系統)之間的數據共享，為進一步的決策提供理論支持，實現政府管理與部門服務的有效結合。最后，本系統還具有二次開發的接口，用戶可以根據自己的需要進行系統功能完善，進而可以應用到其他相關領域進行智能數據處理。