基于电子航道图船载综合信息一体化终端的研制

施勤　汪寅生

摘 要：为了最大限度的方便驾驶人员了解船舶航行过程中得各种信息，保证航行安全和航行效率。通过高集成度的综合信息一体化应用终端研制，将各种航行信息（如：GPS、AIS、ARPA、电罗经、测深仪、计程仪、风向风速仪以及CCTV监控系统）集成到电子航道图中，大大提升电子航道图导航系统的使用效率。

关键词：电子航道图 GPS 无线通信 AIS

随着信息技术、通导技术在船舶上的不断应用，导致船舶上配备的导航设备日益增多（如：AIS、GPS、雷达、罗经、测深仪、计程仪、风向风速仪、电子航道图导航系统等等），这些设备各自独立，使得驾驶人员在航行期间要观看多个屏幕，给驾驶人员带来很大麻烦，影响驾驶人员瞭望和注意力。同时造成设备之间的连接混乱，非常容易出现各种连接故障，影响设备的正常使用，对设备维护和管理带来很大困难。

船舶综合信息系统，通过采用智能化仪表、网络通信、计算机控制等技术，对舰船平台的推进系统、电力系统、损管系统和主辅机系统等自动地实施状态采集、传递、综合和显示，为操作人员提供实时、动态信息，实现高度自动化的集中监测、管理和控制，以达到节省人力资源，简化复杂的系统操作，提高安全运行水平的目的。

对各设备之间的信息集成技术进行研究，研制高集成度的综合信息一体化应用终端。基于电子航道图，在一体化终端的屏幕上可以获得各种航行信息，最大限度地方便驾驶人员了解船舶航行过程中得各种信息，保证航行安全和航行效率。

硬件系统设计

目前市场上的电子航道图导航系统往往是一台电子航道图主机与其他导航设备（如GPS）连接，采集相应的数据在图上显示，完成导航功能。在此基础上，我们构思一个新的一体机概念，既将GPS、AIS、通信机全部在计算机内部，实现计算机与这些常用导航设备之间真正意义下的系统集成，提高稳定性、可靠性和安装维护的简易性。

参考国内外各种船舶通导设备和相关标准，在一体机的框架下升级为综合信息一体化应用终端，将各种导航设备的信息接入一体机中，实现综合信息导航。

终端系统硬件在配置上采用性能强大的工业级主板，采用四核CPU，配备大容量笔记本固态硬盘，确保足够的运算处理能，配备UPS系统进行断电保护。如图1所示。

一体化应用终端集成性强，需要同时集成GPS、AIS、ARPA、电罗经、测深仪、计程仪、风向风速仪等系统。通过研究，采用多串口扩展卡，将工控机主板扩展出足够的通信口用于连接各个模块，分别开发完成模块的数据转换格式和解析方法。为了方便使用，主要研究和设计一体化应用终端的外形结构和内部结构。外形设计在美观大方的前提下，确保一体化应用终端摆放稳固，整体不易变形。在内部结构方面要研究各个另部件布局的合理性和使用及维修时的方便性。在一体化应用终端内部集成了GPS、AIS和3G通信模块，GPS、ASI和通信机都采用单板配件最大限度地减少占用空间，使一体化应用终端小型化。还要使得一体化应用终端结构紧凑，尽量小型化，以适合各种小型船舶的安装使用。

船载综合信息一体化应用终端跟现有类似的导航产品比较，实现了完全集成，GPS、AIS、3G板集成在一体机内部，这些设备的数据直接输出到主板的COM口，设备供电完全由主板承担，外部不需要任何连线和其他辅助设备，实现了真正的系统集成。在系统集成度方面处于国内同类产品的领先地位。

系统硬件的特点

抗电磁干扰。在抗外部电磁干扰方面采用铁板外壳屏蔽方法，对于内部的电磁干扰采用增加铝盒罩、锡箔纸密封等方法进行屏蔽，大大提高抗干扰能力，适用于强无线电干扰的场合。

防震动、摇摆。采用设计外部和内部减震器的方法实现抗震动要求。对于计算机来说主要是硬盘容易损坏，采用固态硬盘和减震垫解决设备的抗震抗摇摆问题。

防水、防雾、防潮、防盐雾。在硬件设计上，采用防水键盘和显示屏密封的方法实现防水防雾。适应船舶水上作业的需求。在芯片管脚处以及焊接点处采用硅胶密封，在零部件连线处采用热缩管封装方法实现防潮湿和防盐雾。

抗高温。高性能的硬件系统发热较多，终端整体外壳为金属制造，有利于散热，同时采用增大CPU散热片面积和双风扇结构实现抗高温。

抗阳光直射和夜航影响。在一体化应用终端上采用了高亮度显示屏（≥300cd/m2），实现了在任何阳光的情况下屏幕都能清晰可见。同时采用了一项新技术可以调节显示屏从关闭到最亮，解决了传播夜航显示器太亮的问题。

抗电源波动。在一体化应用终端中采用了锂电池（或UPS）电源保护手段，当外部电源波动或断电时，设备中的断电保护装置会自动供电，保证系统正常运行。

软件系统设计

终端软件的功能模块有：导航设备接收与显示、遇险报警与预警、船舶动态监控与查询、船舶航行管理，电子航道图显示与控制。

导航设备接收与显示模块完成了GPS、AIS、ARPA等外接通导设备接口软件的设计与开发，包括数据采集、分析、处理以及存储管理。通导设备接口设计主要研究一体化应用终端与GPS、AIS、通信机（CDMA/GPRS/3G）、罗经、测深仪、计程仪、ARPA、风向风速仪和CCTV视频数据的接口技术，包括各个通导设备的通信协议、信号转换方法、接线方法、波特率范围、数据标准格式以及解析算法等的设计。

遇险报警与预警模块通过对各数据的分析，实现各类的报警和预计，主要有偏航、搁浅、禁航区、碰标、走锚、方向、区域、穿越安全等深线报警等；船舶动态监控与查询模块实现船位的标绘、目标船信息的查询，以及CPA距离圈显示等；船舶航行管理模块实现航线的设计、检查、编辑、记录以及日志管理功能；

电子航道图显示与控制实现软件中电子航道图的导入显示，参数、坐标等变换，图层选择等功能。为了满足多设备数据的同步采集、数据处理以及即时显示的性能要求，对综合信息导航软件系统的底层架构、中间件及调用方法、数据处理算法及程序处理流程等重要内容进行全面的设计与开发。为提高图形界面的刷新速度，对海图数据格式要进行特殊处理，为了提高海图的现实速度，设计了一种全新的海图数据存储格式（.nm00），采用这种海图数据格式可以提高海图显示速度3-5倍。节约了大量的CPU占用时间。对于官方提供的S-57和S-63标准的海图数据，通过我们提供的数据转换模块可以直接生成 .nm00文件。

应用软件系统采用三层架构（基础层、中间层和应用层）的软件框架，海图显示平台作为基础层（BASE层），数据采集、处理和输出到海图显示平台为中间层（M层），各种软件功能模块为应用层（UI层）。通过UI层向M层发出指令（或者调用）到中间层，由中间层执行具体的动作（采集数据并进行实时处理），并将运算结果自动发给BASE层进行显示或声音输出。

系统应用

系统完成以来，船载综合信息一体化应用终端，如图2所示，经过一段时间的测试和试用，达到了设计的功能和性能技术指标。目前已经在多艘船舶上安装试用。实际表明，终端系统具有如下的特性：①可靠性高，系统应能满足长期稳定运行的需要，具备抵御断电、误操作、计算机病毒、人为攻击的能力。②扩展性强，在进行系统结构、容量、通讯和处理能力等方面设计开发时，要充分考虑未来需求和目标，保证系统的扩展能力。③易操作性强，系统软件功能丰富，人机界面友好，有帮助和在线帮助功能。操作简洁、方便。④可维护性强，系统具有自动故障判别、告警等能力。终端系统具有集成度高、运行稳定、操作方便，达到了预定目标。

结束语

在高性能工控主板的基础上，开发了电子航道图的船载综合信息终端。终端高度集成了GPS、AIS等各类船载设备，通过软件和显示系统最大限度的方便了驾驶人员了解船舶航行过程中得各种信息，保证航行安全和航行效率。终端系统结构紧凑、构架合理、稳定高效，将大大提升电子航道图导航系统的使用效率，带动电子航道图导航系统的推广应用。

（作者单位：长江南京航道局）