探討根據(jù)信息集成預(yù)處理的船舶綜合艦橋系統(tǒng)

羅毅

摘要：艦橋在船舶中擔(dān)負(fù)著指揮樞紐的地位，是航行安全的一線保障。在航海事業(yè)發(fā)展初期，艦橋采用的是單獨(dú)工作的模式，船舶整體信息集成度不高，信息處理能力較為有限。隨著自動(dòng)化機(jī)械的普及、航海理論的深化，以自動(dòng)航行為特征的綜合艦橋系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，有效提升了船舶管理效率，保障了航行安全。本文從三個(gè)關(guān)鍵方面對(duì)艦橋系統(tǒng)信息集成處理進(jìn)行了設(shè)計(jì)思路探究，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化路徑。

Abstract： The bridge bears the position of command hub in ships and is the front-line guarantee of navigation safety.In the early stage of the development of navigation， the bridge adopts the separate work mode， the overall information integration degree of the ship is not high， and the information processing capacity is relatively limited.With the popularization of automatic machinery and the deepening of navigation theory， the comprehensive bridge system characterized by automatic navigation emerged at the historic moment， which effectively improved the efficiency of ship management and ensured the navigation safety.This paper explores the design idea of information integration of ship bridge system from three key aspects and proposes the corresponding optimization path.

關(guān)鍵詞：信息集成;綜合艦橋系統(tǒng);電子海圖;CAN總線

Key words： information integration;integrated bridge system;electronic chart;CAN bus

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）23-0237-02

0? 引言

航海業(yè)是我國(guó)國(guó)民產(chǎn)業(yè)的重要成分，除運(yùn)輸航海、漁業(yè)航海外，還有以軍事、科考等為目標(biāo)的航海，發(fā)展航海事業(yè)是我國(guó)擴(kuò)大經(jīng)濟(jì)交流范圍，提升國(guó)防安全實(shí)力的重要渠道。然而，舊有模式中由于科技手段的限制，船舶對(duì)海洋坐標(biāo)、航行狀態(tài)等信息的收集處理過(guò)于分散，集成處理能力較差，在一定程度上增加了航行風(fēng)險(xiǎn)，亟需尋找新型的集成化信息處理模式。

1? 綜合艦橋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

綜合艦橋系統(tǒng)IBS是為改善傳統(tǒng)模式中駕駛、指揮單獨(dú)運(yùn)作，信息處理能力受限等狀況而研發(fā)出來(lái)的，從20世紀(jì)70年代誕生至今，它與自動(dòng)化技術(shù)的融合度愈發(fā)緊密，當(dāng)前已經(jīng)成為了集電子導(dǎo)航、駕駛控制、信息交換等功能為一體的綜合性系統(tǒng)，在現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支撐下，面對(duì)突發(fā)事件響應(yīng)速度極快，控制性能優(yōu)良，為航行安全提供了有力保障。挪威是該技術(shù)的第一發(fā)源地，研發(fā)之初系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，避障和導(dǎo)航是其主要的功能價(jià)值。至20世紀(jì)80年代以后，受經(jīng)濟(jì)環(huán)境影響，各國(guó)紛紛將目光聚焦到IBS的優(yōu)化上，系統(tǒng)功能持續(xù)完善，智能化和綜合化特征日趨明顯。當(dāng)前針對(duì)IBS的研究已經(jīng)上升到了系統(tǒng)工程層面，在自動(dòng)駕駛、雷達(dá)避碰等傳統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，主張通過(guò)信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)、控制技術(shù)等的融合，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控、消防報(bào)警等功能的全面統(tǒng)一?？v觀現(xiàn)階段世界各國(guó)IBS系統(tǒng)產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)基本可以劃分為五個(gè)部分，一是電子海圖系統(tǒng)，借助衛(wèi)星定位和信息采集，可以輔助航線規(guī)劃決策，顯示海區(qū)情況等;二是自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，主要面向其他船舶或航空器，能夠滿足船舶型號(hào)、位置等信息的傳送和接收需求;三是自動(dòng)雷達(dá)輔助系統(tǒng)，可以自動(dòng)獲取避碰點(diǎn)，為駕駛員提供實(shí)時(shí)避碰信息;四是艦船綜合報(bào)警系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)提供潛在危險(xiǎn)信息，引導(dǎo)駕駛員及時(shí)排除風(fēng)險(xiǎn)因素;五是綜合顯示信息系統(tǒng)，貫穿航行、靠泊的所有階段，負(fù)責(zé)顯示主要設(shè)備信息。考慮到信息收集階段有可能存在的誤差情況，數(shù)據(jù)預(yù)處理是十分必要的，因此本文從導(dǎo)航、數(shù)據(jù)庫(kù)、報(bào)警系統(tǒng)三個(gè)層面對(duì)信息集成預(yù)處理進(jìn)行了設(shè)計(jì)思路分析和優(yōu)化探討，以提升數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度，使IBS系統(tǒng)更好地服務(wù)于航海事業(yè)。

2? 綜合艦橋系統(tǒng)信息集成預(yù)處理實(shí)現(xiàn)價(jià)值

2.1 提升故障預(yù)報(bào)和診斷能力

船舶動(dòng)力裝置是船舶設(shè)備管理中的重點(diǎn)對(duì)象，在航行能量的供應(yīng)中具有直觀重要的地位，其中主動(dòng)力裝置主要有汽輪機(jī)、柴油機(jī)等類型，能夠?yàn)榇暗暮叫刑峁┩苿?dòng)力。這些裝置通常由主機(jī)、傳動(dòng)設(shè)備等組成，運(yùn)行中各部件受熱能、外部摩擦等的共同作用，較易發(fā)生磨損老化，一旦關(guān)鍵設(shè)備出現(xiàn)故障，將會(huì)直接帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)用艦橋系統(tǒng)可以對(duì)設(shè)備運(yùn)行信息進(jìn)行集成化的實(shí)時(shí)收集和處理，防止重大安全事故出現(xiàn)，集成預(yù)處理功能的實(shí)現(xiàn)，還能對(duì)數(shù)據(jù)起到校正作用，使之更加符合數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)要求，同時(shí)提升兼容性，保障故障預(yù)報(bào)和診斷的準(zhǔn)確性。

2.2 強(qiáng)化船舶綜合管理功能

綜合艦橋系統(tǒng)本身具有高度的整合性，可以將海域信息、船舶狀態(tài)等信息匯聚到控制設(shè)備當(dāng)中進(jìn)行集中處理，通過(guò)共享機(jī)制消除信息差，使全船能夠在統(tǒng)一信息資源儲(chǔ)備、統(tǒng)一事務(wù)調(diào)度指令下完成航行作業(yè)，集成后的信息還可以通過(guò)衛(wèi)星遠(yuǎn)程傳輸至航運(yùn)公司、陸地管理機(jī)構(gòu)，從而提升航運(yùn)信息動(dòng)態(tài)監(jiān)控能力，保障管理的有效性。綜合航運(yùn)系統(tǒng)對(duì)航線、氣象等信息的收集也能為航運(yùn)規(guī)劃提供依據(jù)，提升決策的合理性，集成信息預(yù)處理的實(shí)現(xiàn)，還可以及時(shí)糾正數(shù)據(jù)，避免系統(tǒng)信息渠道不暢帶來(lái)的嚴(yán)重后果，使船舶綜合管理更加科學(xué)和優(yōu)質(zhì)。

3? 綜合艦橋系統(tǒng)信息集成預(yù)處理實(shí)現(xiàn)策略

3.1 集成導(dǎo)航系統(tǒng)信息預(yù)處理設(shè)計(jì)

綜合艦橋系統(tǒng)中主要應(yīng)用電子海圖作為導(dǎo)航工具，它能夠以最新海圖信息為依據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，滿足投影顯示和比例尺縮放需求，并在航行中實(shí)時(shí)調(diào)取靜態(tài)地理坐標(biāo)，向船舶控制室傳達(dá)周圍暗礁、島嶼等的相對(duì)位置。在靜態(tài)坐標(biāo)基礎(chǔ)上，電子海圖還能實(shí)時(shí)判別設(shè)定航線是否科學(xué)，與周圍地物之間的相對(duì)間距是否合理，從而降低人為因素在航行中的作用。實(shí)踐操作中只需要事先設(shè)置偏差極值，當(dāng)實(shí)際航線超出這一極值限定時(shí)，電子海圖就會(huì)發(fā)出偏離警告，以此保證航跡正確。為電子海圖提供導(dǎo)航信息的設(shè)備是非常多樣的，除GPS外，還有測(cè)深儀、氣象儀等，因此可以通過(guò)對(duì)多渠道、多維度的信息進(jìn)行綜合分析處理，從而得出最為準(zhǔn)確的船位、航速等數(shù)據(jù)。此外，電子海圖還具有數(shù)據(jù)備份功能，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，船舶可以選擇使用備份系統(tǒng)完成航行，從而降低系統(tǒng)癱瘓帶來(lái)的不穩(wěn)定影響。

電子海圖系統(tǒng)信息的集成預(yù)處理主要體現(xiàn)在圖像更正、航海信息咨詢等環(huán)節(jié)，它所對(duì)接的是由官方ENC專門制作的更正數(shù)據(jù)[1]，船舶航行中航海人員還可以經(jīng)由通告、航行警告等進(jìn)行實(shí)時(shí)更正，在自動(dòng)化基礎(chǔ)上，支持手工和半自動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理，靈活性更高，數(shù)據(jù)適用性和準(zhǔn)確性都顯著提升。同時(shí)，電子海圖還設(shè)置有信息查詢功能，以潮汐時(shí)間、地點(diǎn)數(shù)據(jù)為例，航行期間駕駛員可以通過(guò)鼠標(biāo)對(duì)意向位置進(jìn)行數(shù)據(jù)請(qǐng)求，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)獲取該地歷史潮汐數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)復(fù)雜計(jì)算將信息文字信息等顯示在屏幕上，輔助航海路線決策，以此實(shí)現(xiàn)信息集成預(yù)處理。

3.2 集成數(shù)據(jù)庫(kù)信息預(yù)處理設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是綜合艦橋系統(tǒng)集成化運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)，能夠?yàn)閿?shù)據(jù)的處理提供更精準(zhǔn)更實(shí)時(shí)的信息，保障電子海圖等子系統(tǒng)的運(yùn)行效率。在事務(wù)處理方面，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)普遍采用ACID模型，在此規(guī)則內(nèi)單個(gè)事務(wù)必須完成全部操作，數(shù)據(jù)事務(wù)之間具有明顯的隔離性，事務(wù)完成后也不能滿足撤回要求，這種運(yùn)作模式在航海事業(yè)發(fā)展早期較為適用，但隨著當(dāng)前數(shù)據(jù)信息的多元化發(fā)展，已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)踐需要。基于此，本文引進(jìn)了以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)模式，采用開(kāi)放源碼運(yùn)行方式，數(shù)據(jù)庫(kù)在滿足存儲(chǔ)功能的基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)行查詢和分析，通過(guò)日志讀取、寫入完成數(shù)據(jù)更改和記錄，同時(shí)重新設(shè)計(jì)了TCP/IP協(xié)議接口，系統(tǒng)可以根據(jù)忙線程數(shù)量等信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。當(dāng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行中遇到阻斷障礙，重啟后會(huì)自動(dòng)恢復(fù)中斷事務(wù)，降低系統(tǒng)損失，從而保障信息集成化處理的穩(wěn)定性。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)于集成信息的預(yù)處理主要體現(xiàn)事務(wù)調(diào)度、I/O緩沖區(qū)域等的設(shè)計(jì)上，采用BASE思想建立事務(wù)調(diào)度模型，通過(guò)事務(wù)重要性、順序性等指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)先等級(jí)劃分，增強(qiáng)模型面對(duì)并發(fā)事務(wù)時(shí)的適應(yīng)性，同時(shí)還附加了加鎖控制設(shè)定，可以有效提升數(shù)據(jù)完整性?？紤]到數(shù)據(jù)體量過(guò)大會(huì)給實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)帶來(lái)較大的負(fù)荷壓力，甚至導(dǎo)致存儲(chǔ)功能癱瘓，因此在算法上還做了調(diào)整，對(duì)于超過(guò)限值大小的文件，提前進(jìn)行壓縮處理，提升數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)作能力，保障實(shí)時(shí)更新穩(wěn)定性。由于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上搭建起來(lái)的，需要連接較多的傳感設(shè)備、硬件設(shè)施等，因此可能出現(xiàn)不兼容問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，因此在讀寫集成化信息讀寫操作前，還設(shè)置了I/O緩沖區(qū)域，對(duì)接口不匹配的問(wèn)題進(jìn)行預(yù)處理[2]。

3.3 集成報(bào)警系統(tǒng)信息預(yù)處理設(shè)計(jì)

在IBS系統(tǒng)中，報(bào)警系統(tǒng)主要有兩種控制運(yùn)作模式，一種是集散型控制系統(tǒng)，它采用了分布式控制的策略，可以實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)信息采集工作，局域網(wǎng)特征較為明顯，某節(jié)點(diǎn)的故障并不會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生較大影響，穩(wěn)定性較高。同時(shí)，它的監(jiān)測(cè)分站一般分布在設(shè)備附近，電纜連接需求量不高，因此信號(hào)傳送過(guò)程中受線路穩(wěn)定性的制約也不甚明顯，整體故障率較低。但在分布式架構(gòu)中，數(shù)據(jù)是以遞進(jìn)形式傳播，點(diǎn)到點(diǎn)的架構(gòu)使得傳輸量極為受限，精準(zhǔn)度也相對(duì)降低，節(jié)點(diǎn)排列時(shí)對(duì)設(shè)備總量要求較高，前期成本極大。另一種則是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，主要有網(wǎng)關(guān)、操作站等幾個(gè)組成部分，結(jié)構(gòu)較為分散，可以滿足多機(jī)艙分部運(yùn)行的需求，通過(guò)和以太網(wǎng)的配合，能夠有效提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，并實(shí)現(xiàn)集成化管理，在當(dāng)前的航海實(shí)踐中得到了極其廣泛的應(yīng)用。

因此在艦橋系統(tǒng)信息集成預(yù)處理設(shè)計(jì)中，引入了CAN總線技術(shù)，各分部設(shè)備均通過(guò)雙絞線形式與總線相連接，數(shù)據(jù)交流采用串行通行模式，每臺(tái)設(shè)備的標(biāo)識(shí)符都是獨(dú)一無(wú)二的，當(dāng)主機(jī)進(jìn)行信息廣播時(shí)，無(wú)論是否為目標(biāo)設(shè)備，各節(jié)點(diǎn)都會(huì)進(jìn)入待接收裝填，并根據(jù)附帶的地址信息進(jìn)行判別與讀取。例如總線結(jié)構(gòu)中船舶防火監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)，其總監(jiān)控并入集成的船舶綜合艦橋系統(tǒng)，另在船長(zhǎng)室內(nèi)有分控屏，其它船艙內(nèi)部則設(shè)置了聲光報(bào)警器，總線模塊在接受到隱患信息之后，將其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和傳輸[3]。CAN總線還具有錯(cuò)誤檢測(cè)與處理機(jī)制，這是集成信息預(yù)處理的關(guān)鍵所在，通過(guò)循環(huán)冗余檢查、報(bào)文格式檢查等，可以有效提升數(shù)據(jù)傳送的準(zhǔn)確性。

4? 結(jié)論

綜上所述，加強(qiáng)綜合艦橋系統(tǒng)信息集成預(yù)處理性能，有助于提升船艙設(shè)備故障預(yù)防和診斷能力，強(qiáng)化船舶綜合管理能力，因此要正視這一技術(shù)的優(yōu)越性，發(fā)掘電子海圖系統(tǒng)在圖像更正、航海信息咨詢等方面的運(yùn)用機(jī)制，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與船舶實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的融合，引入CAN總線技術(shù)提升異常報(bào)警的準(zhǔn)確性，從而實(shí)現(xiàn)綜合艦橋系統(tǒng)的優(yōu)化，為航海安全奠定扎實(shí)基礎(chǔ)。

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