漁船電子信息系統(tǒng)技術的探討*

高麗娟

（成都天奧信息科技有限公司，四川 成都 610036）

漁船電子信息系統(tǒng)技術的探討*

高麗娟

（成都天奧信息科技有限公司，四川 成都 610036）

根據(jù)漁船電子信息系統(tǒng)的國內(nèi)外管理經(jīng)驗，針對目前漁船電子信息系統(tǒng)管理分散的現(xiàn)狀，將導航電子設備、通信系統(tǒng)電子設備、安全相關系統(tǒng)電子設備、生產(chǎn)作業(yè)電子設備高度集成，建設集導航、通信、安全、自動駕駛及監(jiān)控一體化的現(xiàn)代電子信息系統(tǒng)，以有效緩解漁船電子設備資源嚴重浪費、管理混亂的局面。同時，介紹該系統(tǒng)需要的關鍵技術如電子海圖技術，以計算機網(wǎng)絡、現(xiàn)場總線技術為標志的集成平臺管理系統(tǒng)技術等。

船舶自動識別系統(tǒng)；漁船電子信息系統(tǒng)；電子海圖技術；多導航傳感器多源信息融合處理技術

0 引 言

隨著電子行業(yè)的不斷發(fā)展，漁船電子類產(chǎn)品AIS船臺﹑GPS接收機﹑電子海圖等不斷出現(xiàn)，電子類產(chǎn)品對漁船作業(yè)的安全和工作效率起到了關鍵作用。但是，電子設備的漸進式發(fā)展方式導致電子設備功能分散，有的功能重疊，集成度不夠高，既擠占了有限的設備空間，又使得設備使用維護繁瑣，且增加了造船成本和維護成本。漁船電子信息系統(tǒng)通過合理規(guī)劃漁船電子信息設備，將所有電子設備以最高效率的使用和融合使用來避免現(xiàn)有漁船電子信息能力設備的不足。

1 漁船電子信息系統(tǒng)的現(xiàn)狀

20世紀70年代，漁船電子信息系統(tǒng)，即初期的綜合船橋系統(tǒng)（IBS）已經(jīng)開始使用。目前，世界上先進國家已研制推出第3代﹑第4代不同類型的綜合船橋系統(tǒng)（IBS）。它應用現(xiàn)代控制﹑信息處理等技術，將船上的各種導航﹑操作控制和雷達避碰等各種傳感器有機組合起來，對導航﹑駕駛﹑航行管理﹑避讓﹑輪機監(jiān)控﹑自動監(jiān)測﹑自動報警等功能實施控制，以最少的人力﹑最低的燃料消耗，實現(xiàn)船舶自動化航行[1]。

我國漁船數(shù)量多，分布面積廣闊，游動性強，管理難度較大。目前，漁船電子設備按功能分為導航系統(tǒng)電子設備﹑通信系統(tǒng)電子設備﹑安全相關系統(tǒng)電子設備及生產(chǎn)作業(yè)電子設備。導航系統(tǒng)電子設備包括雷達﹑GPS衛(wèi)導﹑測深儀﹑無線電測向儀﹑羅經(jīng)系統(tǒng)；通信系統(tǒng)電子設備包括VHF電臺﹑雙向無線電話﹑單邊帶短波電臺；安全相關系統(tǒng)電子設備包括雷達SART﹑AIS船臺；生產(chǎn)作業(yè)電子設備包括漁探系統(tǒng)。漁船電子設備組成，如圖1所示。

圖1 漁船電子設備組成

目前，漁船的每個電子設備都是獨立工作，每個電子設備都配有獨立的顯示終端，由此帶來了諸多弊端。

（1）船舶空間的浪費。每個設備都有獨立的顯示和天饋系統(tǒng)，設備安裝擺放造成船舶空間的嚴重浪費。

（2）硬件資源的嚴重浪費。每個設備都配有獨立的顯示終端，每個設備都有獨立的天饋系統(tǒng)，造成硬件資源的嚴重浪費，提高了成本。

（3）信息資源的嚴重浪費。目前，設備信息沒有實現(xiàn)共享，每個設備獨立工作，造成信息資源嚴重浪費。

（4）電子設備的接口管理混亂。在漁船建造初期，沒有對漁船進行總體規(guī)劃設計，致使電子設備的接口不匹配，不能進行信息資源的共享。

（5）電子設備先進性比較落后。漁船大部分采用手動駕駛，既增加了船員的勞動強度，也增加了漁船的定員數(shù)量，同時造成漁船航行時航線精確度誤差較大，形成“S”形航跡。

2 漁船電子信息系統(tǒng)技術的探討

2.1 系統(tǒng)的工作原理及功能

針對以上存在的問題，建設漁船電子信息系統(tǒng)是漁船電子行業(yè)發(fā)展的必然選擇。漁船電子信息系統(tǒng)是將漁船的導航系統(tǒng)﹑通信系統(tǒng)﹑安全相關系統(tǒng)及生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)有機結合起來，建設集導航﹑通信﹑安全﹑自動駕駛及監(jiān)控一體化電子信息導航系統(tǒng)[2]。漁船電子信息系統(tǒng)框圖，如圖2所示。

圖2 漁船電子信息系統(tǒng)

在機載電子設備和車載電子設備的系統(tǒng)總線使用比較成熟的今天，船載電子設備總線的使用是船載電子產(chǎn)品發(fā)展的必然。該系統(tǒng)通過將每個設備設計為標準總線接口，能夠實現(xiàn)對現(xiàn)有的AIS船臺[3]﹑GPS/DGPS接收機﹑電羅經(jīng)﹑海圖機﹑數(shù)據(jù)記錄儀器（VDR）等分散設備的整合。

該系統(tǒng)具有以下功能：

（1）支持多種設備的同時接入；

（2）支持避碰雷達信號接入的同時，進行數(shù)據(jù)的融合顯示；

（3）支持捕魚機信號的接入；

（4）同時作為自動駕駛系統(tǒng)中控機﹑本地與遠程監(jiān)控中控機使用；

（5）集成RFID船只身份識別；

（6）提供“黑匣子”VDR數(shù)據(jù)記錄功能；

（7）支持本船集中監(jiān)控，包括主機﹑舵機﹑油耗﹑冷庫等參數(shù)的集中監(jiān)視；

（8）支持岸基中心的遠程監(jiān)控和指揮船移動中心的監(jiān)控；

（9）集成遠程監(jiān)控必需的近海無線通訊設備，如AIS接收機﹑VHF電臺等；

（10）支持中遠海域無線通訊的可選擇擴展，如北斗接收機﹑海事衛(wèi)星電話等。

2.2 系統(tǒng)關鍵技術

2.2.1 電子海圖信息顯示技術

電子海圖是漁船電子信息系統(tǒng)顯示的平臺。無論是紙質海圖還是電子海圖，都是根據(jù)航行安全的需要，以一定的方式描述海道測量領域的諸要素。然而，真實世界復雜得難以描述，必須使用簡單的﹑高度專業(yè)化的真實世界觀察方法來模擬真實世界。這種方法使用的數(shù)據(jù)格式應符合IHO數(shù)字海道測量數(shù)據(jù)傳輸標準S-57[4]。S-57專門用于描述真實世界數(shù)據(jù)的傳輸，故用來模擬真實世界的理論數(shù)據(jù)模型就成了S-57標準的基礎。

理論數(shù)據(jù)模型將真實世界定義為描述屬性和空間屬性的混合體，這些屬性的集合被稱作特征目標和空間目標。特征目標包括描述屬性但不包括任何幾何形狀；空間目標可以包含描述信息，同時必須包括幾何形狀。

特征目標的位置由一個或多個相關聯(lián)的空間目標確定。特征目標可以不關聯(lián)任何空間而存在，但每一個空間目標必須至少與一個特征目標相關聯(lián)。

S-57定義了四類特征目標，依次如下：

元目標：包含其他目標信息的特征目標。

制圖目標：包含真實世界物體的﹑由制圖符號代表的信息組成的特征目標。

地理目標：包含真實世界物體的描述信息的特征目標。

集合目標：包含描述其他目標關系的特征目標。

為了轉換真實世界的信息，S-57采用了分層逼近的方式。首先，真實世界建立了現(xiàn)實模型從而便于理解，獲得的模型被轉換成已命名的組成部分。實現(xiàn)這種轉換的部分是指對組成部分及其內(nèi)容的各種規(guī)則和約束的定義[5]。

2.2.2 以計算機網(wǎng)絡、現(xiàn)場總線技術為標志的集成平臺管理系統(tǒng)技術

20世紀90年代中期，以現(xiàn)場總線技術為基礎的全數(shù)字式控制系統(tǒng)擴展到船舶工業(yè)領域，使艦船自控技術獲得了新的發(fā)展。對于船舶這個具體的對象，船用現(xiàn)場總線系統(tǒng)的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：

（1）提高抗干擾性和可靠性；

（2）有利于系統(tǒng)的模塊化設計；

（3）便于不同開發(fā)小組之間的協(xié)調(diào)和合作；

（4）連線減少，便于設計和維護。

綜合以上因素，船舶自控系統(tǒng)應該采用實時性好﹑抗干擾能力強﹑成本較低﹑開發(fā)和使用難度較小的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。目前，有報道的應用于船舶總線主要包括：CAN﹑LonWorks﹑WorldFIP。其中，使用較多的為CAN總線。全世界所有船舶自動化設備公司，如SIEMENS﹑NORCOTROL﹑MTU等，幾乎都支持CAN標準。在我國，一些科研院所和企業(yè)也開發(fā)了基于CAN總線的船舶監(jiān)控平臺。

作為一種串行通訊技術，CAN-bus是20世紀80年代中后期適應汽車控制網(wǎng)絡化要求而產(chǎn)生并迅速發(fā)展起來的，并已成為開放的國際標準通訊協(xié)議（ISO 11898），在眾多領域得到了廣泛應用。目前，許多著名的大半導體制造商生產(chǎn)CAN芯片，并在工業(yè)中得到了廣泛應用。ICAN系統(tǒng)全稱為“工業(yè)CAN-bus現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Industry CAN-bus Fieldbus Control System）”。它是一種基于CAN-bus（Controller Area Network）的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。ICAN系統(tǒng)提供一個低成本的通信鏈路，使用CAN-bus將工業(yè)現(xiàn)場設備（傳感器﹑儀表等）與管理設備（工控機﹑PLC等）連成網(wǎng)絡，從而逐步替代了昂貴的連接線路。典型的ICAN系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 典型的ICAN系統(tǒng)

2.2.3 多導航傳感器多源信息融合處理技術

根據(jù)國內(nèi)外的研究成果，多傳感器信息融合比較確切的定義可以概括為：充分利用不同時間與空間的多傳感器信息資源，采用計算機技術對按時間序列獲得的多傳感器觀測數(shù)據(jù)，在一定準則下進行分析﹑綜合﹑支配和使用，獲得對被測對象的一致性解釋與描述，進而實現(xiàn)相應的決策和估計，使系統(tǒng)獲得比它的各組成部分更充分的信息。因此，多傳感器是信息融合的硬件基礎，多源信息是信息融合的加工對象，協(xié)調(diào)優(yōu)化和綜合處理是信息融合的核心。信息融合技術對來自多傳感器的信息進行檢測﹑關聯(lián)﹑相關﹑識別﹑綜合等多級﹑多方面處理，以得到準確的目標狀態(tài)，屬性估計和完整﹑及時的現(xiàn)場態(tài)勢及評估。信息融合通過對多傳感器信息進行綜合處理，得到更為準確﹑可靠的結論。

2.2.4 在開放式體系中的實時多任務操作系統(tǒng)基礎上的系統(tǒng)集成技術

漁船信息系統(tǒng)集成處理是在實時多任務操作系統(tǒng)上完成的。實時多任務操作系統(tǒng)是能在確定的時間內(nèi)執(zhí)行其功能，并對外部的異步事件作出響應的計算機系統(tǒng)。多任務環(huán)境允許一個實時應用作為一系列獨立任務來運行，各任務有各自的線程和系統(tǒng)資源。實時多任務操作系統(tǒng)提供多處理器間和任務間高效的信號燈﹑消息隊列﹑管道﹑網(wǎng)絡透明的套接字。實時系統(tǒng)的另一關鍵特性是硬件中斷處理。為了獲得最快速可靠的中斷響應，實時多任務操作系統(tǒng)的中斷服務程序ISR有自己的上下文[6]。實時多任務操作系統(tǒng)由多個相對獨立的﹑短小精煉的目標模塊組成，用戶可根據(jù)需要選擇適當模塊來裁剪和配置系統(tǒng)，從而有效保證了系統(tǒng)的安全性和可靠性。系統(tǒng)的鏈接器可按應用的需要自動鏈接一些目標模塊。這樣通過目標模塊之間的按需組合，可得到許多滿足功能需求的應用。

2.2.5 船舶—船岸信息一體化系統(tǒng)技術

船舶—船岸信息一體化系統(tǒng)技術是為遠洋運輸船舶和遠洋漁業(yè)捕撈隊等在世界各海域中執(zhí)行各項作業(yè)任務的大中型船舶提供船舶航行狀態(tài)的實時監(jiān)視﹑調(diào)度﹑管理﹑指揮的大型的自動管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要是船舶自動識別系統(tǒng)（AIS），通過擴充遠程無線網(wǎng)絡通信功能實現(xiàn)海上數(shù)字交通，并且通過衛(wèi)星通信網(wǎng)﹑陸地計算機廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)，以規(guī)定的報告格式實時與岸上基站自動進行通信，構成船岸信息一體化網(wǎng)絡，成為集導航﹑通信﹑控制為一體的船舶自動化系統(tǒng)。這對于海上船舶航行安全具有重要意義。

2.2.6 系統(tǒng)集成信息網(wǎng)絡搭建技術

該系統(tǒng)網(wǎng)絡采用分布式數(shù)據(jù)庫設計，按照行政管轄域分級對信息內(nèi)容和軟件功能進行定義，靈活適應不同行政區(qū)域監(jiān)控和指揮，通過統(tǒng)一的接口定義管理實現(xiàn)各級中心之間與其他需使用數(shù)據(jù)的部門系統(tǒng)之間信息交互。在軟件體系內(nèi)部，自下而上傳輸各基站接收到的船舶動態(tài)或靜態(tài)報文﹑各網(wǎng)絡部件工作狀態(tài)等信息。它的網(wǎng)絡系統(tǒng)拓撲，如圖4所示。

由圖4可見，自下而上，網(wǎng)絡系統(tǒng)分為一級管理中心和二級管理中心兩個層次。

二級管理中心是系統(tǒng)設計的基礎。利用該區(qū)域內(nèi)布設的基站管理設備終端﹑區(qū)域業(yè)務數(shù)據(jù)服務器﹑區(qū)域網(wǎng)絡管理服務器﹑外部船舶動態(tài)監(jiān)控及航標管理等應用終端，對區(qū)域管轄范圍內(nèi)的沿海/江一線實現(xiàn)通信﹑監(jiān)視﹑控制和識別等功能。

一級管理中心利用各區(qū)域所轄范圍內(nèi)的岸海態(tài)勢信息集結處理和信息共享分發(fā)功能，形成全局性的船舶態(tài)勢信息，輸出給一級中心的應用終端，為漁政/海事部門提供決策支持，且可根據(jù)需要向其他需要全局性數(shù)據(jù)的部門提供數(shù)據(jù)信息。

此外，可在每個區(qū)域內(nèi)加載數(shù)據(jù)庫服務器，如基站控制軟件﹑網(wǎng)絡管理服務器軟件﹑數(shù)據(jù)分發(fā)軟件﹑船舶動態(tài)管理軟件﹑航標管理軟件﹑數(shù)據(jù)流量統(tǒng)計分析軟件等。

2.2.7 漁船電子信息系統(tǒng)集成處理技術

漁船電子信息系統(tǒng)集通信﹑導航﹑安全﹑自動駕駛于一體。該系統(tǒng)用以取代原來的AIS﹑GPS衛(wèi)導﹑電羅經(jīng)﹑VDR（黑匣子）等分散設備，并同時作為自動駕駛系統(tǒng)中控機﹑本地與遠程監(jiān)控中控機使用。

圖4 網(wǎng)絡系統(tǒng)拓撲

漁船電子信息系統(tǒng)在漁船上配置單獨的顯控終端和中央處理機。顯控終端顯示界面為電子海圖（具有電子海圖儀的功能）。漁船用電子設備通過信息總線把雷達信息﹑AIS船臺信息﹑北斗接收系統(tǒng)信息﹑海事電話信息﹑VHF電臺信息﹑單邊帶電臺信息﹑漁船導航﹑通信﹑生產(chǎn)工作電子與自動控制設備信息接入中央處理機；中央處理機將接收到的信息按照國際標準進行信息解析；將雷達數(shù)據(jù)與AIS船臺信息進行融合處理后，顯示在顯控終端上。顯控終端可以自動彈出漁船被碰﹑偏離航線﹑危險海區(qū)等報警信息。把冷庫傳感器﹑油耗傳感器﹑舵位傳感與操控單元等各種傳感器通過信息總線接入中央處理機，顯控終端可以顯示漁船自身運行的各項參數(shù)，如舵位參數(shù)﹑油耗參數(shù)﹑冷庫參數(shù)等[7]。漁探系統(tǒng)可以提供海底狀況和水深﹑水溫數(shù)據(jù)，使?jié)O船隨時掌握海底信息并在顯控終端進行顯示，以提高漁民的生產(chǎn)效率。同時，中央處理機將接收到的信息打包成特定的格式傳送給VDR記錄儀保存。

3 結 語

綜上所述，漁船電子信息系統(tǒng)是船舶科學技術的重要組成部分，采用高速傳輸技術組成一個綜合網(wǎng)絡系統(tǒng)，在網(wǎng)絡上根據(jù)需要連接一定數(shù)量的船舶設備，各設備對船舶進行監(jiān)測﹑控制和操縱等。該系統(tǒng)由于高度集成取代多個獨立設備，可大大降低設備總成本。同時，漁船上的電子設備的信息可以進行共享和信息融合，解決現(xiàn)有漁船電子設備的弊端。此外，漁船電子信息系統(tǒng)正朝著數(shù)字化﹑智能化﹑模塊化﹑網(wǎng)絡化﹑集成化的方向迅速發(fā)展，是國際船舶電子技術發(fā)展演進的整體趨勢。

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Exp loration on Electronic InforMation System s of Fishing Vessels

GAO Li-juan

(Chengdu Spaceon Info Tech Ltd, Chengdu Sichuan 610036, China)

Based on management experience of fishing-vessel electronic information systems both at home and abroad, and for the current situation of separate management on electronic information systems of the fishing vessel the navigation electronic equipment, communication electronic equipment, safety-related electronic equipment and production electronic devices are intensely integrated, thus to build up a modern integrative electronic information system of navigation, communication, security, automatic driving and monitoring capabilities, and effectively mitigate the situation of serious electronic resources waste and indisorder management for the fishing vessel. In addition, the key technologies for the electronic information systeMare also described, including ECIDS, integrated platform management with computer network and environmental bus as main indication.

automatic identification system; fishing-vessel electronic information system; electronic chart display system; multi-navigation sensor and multi-source information fusion processing technology

TP2

A

1002-0802(2016)-11-1546-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.11.025

高麗娟（1976—），女，學士，工程師，主要研究方向為產(chǎn)品總體設計和開發(fā)。

2016-07-19；

2016-10-10 Received date:2016-07-19;Revised date:2016-10-10