综合航行执法系统在公务船艇上的应用

2020-10-23李庆宇宋亚鹏

江苏船舶 2020年4期

高健，高伟，李庆宇，宋亚鹏

(1.陆军装备部驻沈阳地区军事代表局驻大连地区军事代表室，辽宁大连 116033；2.大连真想科技有限公司，辽宁大连 116051)

0 引言

传统的船舶驾控台仅是将船舶导航、动力集控、通信和监控设备在物理结构上进行合理布局，即统一布置于船舶的驾控室，导致各设备之间信息数据不兼容、不共享、不同屏，船舶驾驶人员要在不同设备、不同位置的显示终端上才能读取所需的航行、驾控和监控信息。这种驾控台设备多、操作复杂、信息孤立、综合性不强且需多人配合完成，或是有丰富的操控经验的人完成，工作效率低下。

综合船桥系统(Integrated Bridge System， IBS)是实施船舶导航与控制的集成系统，是集导航、监控、管理、显示于一体的智能化、网络化的综合航行管理系统[1]。它通过相互连接以集中使用来自工作站的传感器信息、命令或控制，大大提高了操作人员管理船舶的安全性和工作效率。

目前，国外一些先进的综合船桥系统虽然可以实现信息互通和兼容显示，但也仅限于其自身的系列产品，与国内雷达、北斗等导航产品及主机集控均不兼容，且其技术协议不公开，对系统综合集成、后期维护和更换设备带来较大隐患。而国内公务执法船艇所装备的视频取证、警告驱离等水上执法设备还需共享船舶航行信息，亟需集船艇航行操纵与综合执法于一体的信息化公务船桥系统。因此，有必要研发国产自主可控的可兼容国内外导航、监控、集控设备且适合国内公务船艇特点的智能化、网络化的公务船艇综合航行执法系统。

本文在研究国内外综合船桥系统的基础上，结合国内公务船艇水上综合执法特点，采用综合船桥网络架构技术、无线通信系统软组织技术和导航信息融合技术，将船艇的导航驾控功能、通信通联功能和公务执法取证功能等多项管控环节有机集成到一个高度信息化和一体化的综合航行执法系统中。

1 系统组成功能

公务船艇综合航行执法系统主要由导航驾控子系统、综合执法子系统、综合通信子系统三部分组成，整个系统以千兆双冗余光纤网络为主干网络。

导航驾控子系统主要由综合监视与报警终端、雷达显控终端、综合信息显示终端、电子海图显示终端、船艇机电及日常管理终端等组成，主要提供以下功能：

(1)导航定位、巡逻执法路线管理与监视、越界报警、巡逻再现、地理信息显示等综合导航功能。

(2)提供综合驾控信息显示、航行综合态势监视、辅助避碰等综合驾控功能。

(3)具备航行状态、设备状态、重要部位、船艇工况等监视与报警功能。

执法取证子系统主要由云台跟踪、白光/红外摄像、激光测距、激光炫目设备和综合显控终端组成，具备光电搜索、雷达指引、手动捕捉、自动跟踪、视频实时显控、实时拍照录像取证、视频回放再现等功能，可执行光电取证、跟踪监视、执法取证、拦截驱离等综合执法任务。

综合通信子系统主要由无线通信设备、宽带自组电台传输设备、无线电台遥控装置、通信工作站等设备组成。该系统具备远程遥控、视频传输、语音通信、链路监控、报文收发、数据分发、队列维护、数据记录、通信设置等功能。通信子系统还安装日常管理平台，具备日常管理、信息管理、资料管理等功能模块，为船舶的信息处理和记录工作提供统一、高效的信息化平台。

2 系统功能优势

公务船艇综合航行执法系统将综合导航驾控、视频监控、执法取证融为一体，形成集导航驾控、视频监控、侦察取证、通信保障、日常管理等多功能体系，具有完善的导航、驾控、避碰、信息集中显示、监测报警、通信、航行管理和执法取证等多种功能，便于驾控操纵人员观测、操纵和指令控制。

2.1 综合导航驾控能力显著提高

(1)实现了综合驾控信息的集中显示。系统专门设置了综合信息显示工作站，以图文并茂形式提供本船状态数据、航路数据、环境参数和航行态势等综合信息，便于驾控人员随时观测航行水域和航路信息，监视本船位置、航向、速度、操舵状态和主机推进状态，掌控船艇的航向和航速，为安全导航和驾控决策提供充分的信息支持。

(2)实现了综合驾控信息的共享服务。系统配有船艇综合信息服务器，可在船载双冗余光纤网、导航仪表网基础上为船艇航行管理系统提供船艇综合信息一体化共享服务。

(3)实现了航行态势实时监控。通过雷达信息和电子海图信息的叠加显示，将本船和雷达获取的周围动、静态目标位置及航行信息在电子海图进行实时动态显示，形成综合导航态势，以提高驾控操纵人员对船艇航行态势的认知能力，为船艇操控提供实时、直观、综合性的导航态势信息，极大地提升船艇航行的安全性[2]。

(4)综合驾控操纵更加便捷实用。系统按照一体化的设计理念，驾驶操纵人员在配备的专用座椅上按照不同驾控要求执行多项操作功能，改变了传统驾控台多人多职位操纵模式，真正实现了“一人船桥”的驾控模式。另外，在结构布局和人机界面设计上更加人性化，系统采用更有助于理解的图形化界面和操作方式，方便各职位人员使用。

2.2 执法取证与监视报警实时高效

(1)船艇对外执法取证实时高效。系统通过红外/白光视频取证设备对船艇外部环境信息进行全时监控，对船艇执勤过程中发现的可疑目标和突发情况进行视频和拍照取证，并通过无线通信手段实时上传船队或岸基监控中心，为日常执法巡逻和处置突发情况提供决策依据，提高了可视化的执法监控指挥。

(2)船艇对内监视报警自动可视。系统具备设备状态监视、故障报警功能，可实时监控主要船载设备，按照故障等级自动提示报警；具有航路监视与航行状态参量超差报警功能，当船舶遇到危险时，可通过一键报警功能，将遇险信息发至监控中心，通过声音、图示和文本示警；可在电子海图上绘制执法警戒线，当公务执法船艇越界航行时，系统自动进行越界报警提示；系统配备CCTV监视报警功能，当某舱室发生火灾或破损等突发灾难时，系统驾控台监视系统可自动切换至该舱室，并发出声光报警，操控人员可按优先级直接查看报警具体内容，并通过视频监控查看报警场所情况。

(3)提高了数据交换和功能扩充能力。通过开放式的数据接口，实现本船航行、机舱、视频及图像信息等数据与其他船艇数据、岸基中心数据的分发共享，提高了协同执法能力；通过系统所提供的开放式接口可扩充接入卫星通信机和相关的助航设备，大大提高了系统的可扩展能力。

2.3 多功能工作站使操作更便捷可靠

系统采用多功能标准模块终端设计理念，即每个工作终端都内置了全系统功能模块，可以在任一标准终端上，根据需要分别切换综合信息显示、导航雷达、电子海图、综合报警、安全监视、机舱工况、视频取证等功能模块，实现了不同功能模块之间的显示和操作切换。船艇指挥驾控人员可在任意工作终端上操作所有功能模块，实现了多系统之间的备份，增强了系统可靠性，减少了船艇驾控航行人员的工作量。

2.4 提高了船艇通信通畅性和可靠性

系统采用虚拟电台技术，利用通信软件管理系统将船载各型无线通信电台进行有效集成和组合，通过通信链路实时监控、数据报文解析分发、通信队列状态维护等通信系统功能，统一组织、管理、调度和遥控各型通信设备，使各型通信设备协调工作，大大提高了船艇通信通畅性和可靠性。

2.5 高速冗余网络提升系统综合性能

系统充分借鉴了国外船艇成熟的船桥系统设计经验，采用船艇双冗余光纤网络作为全船的主干网络，同时接入船艇导航仪表网、船艇CAN数据网、船艇视频监控网和通信网络，共同组成船艇一体化网络平台。该一体化网络平台采用开放式分布式网络设计理念，在全船重要位置布设高速冗余的控制网络接入点，可根据系统功能扩展灵活增加相应的功能模块，新增功能无需重新布设网络设备，提高了系统的灵活性；同时采用双冗余的高速光纤网络作为主干网络，不仅可以抗电磁干扰，提高了安全性，而且带宽大，实时性好，可以满足日益增长的全船内部通联需求；同时各接入网络具有独立的控制网络，提高了系统拓扑结构的健壮性，进而也提高了系统运行的可靠性。

2.6 实现公务船艇日常信息数字化管理

系统根据公务船艇管理特点和日常执法功能需求，可按照公务船艇实际业务流程和航行惯例进行日常管理系统的设计和开发，提高了日常管理的针对性和实用性。船艇系统管理功能需包含航行信息管理、执行信息管理、日常资料管理等日常管理功能模块，为公务船艇的信息处理和记录工作提供统一、高效的数字化管理平台。

3 关键技术应用

3.1 综合船桥一体化网络架构技术

综合船桥系统网络是系统实现将导航、驾控、通信、控制、监测、预警和安全管理等功能集成于一体的基础设施，是系统的基础核心技术。而系统具备这诸多功能，需要配备船载导航仪表网、船载光纤宽带局域网、船载CCTV视频监视网、船载通信综合业务通信网、船-船和船岸无线电通信网络等多种网络，将这诸多的网络连成一体，形成连接全系统的多节点、沟通仪表网络、光纤宽带局域网、视频监视网和综合业务通信网的高速度、大容量的船载一体化网络；并通过无线电通信软组合多功能台配置的网桥将船载一体化网络与岸基、船队联网，构成协调一致的、可互连、互通、互操纵的船舶一体化航海信息平台架构。

在系统设计过程中，还应充分考虑系统的可扩展性，允许在网络上增加新的应用节点、新的系统资源和新的系统需求，各节点分层模式架构支持系统扩展；采用平等独立的分布式体系结构，确保各信息节点数据存储及处理具有独立性，单独系统的功能不受其他节点的控制和限制；一个节点的坍塌，不会造成整个系统的崩溃，大大提高了系统的可靠性。同时，各节点分层模式支持针对不同层次采取安全措施，每层均进行严格的安全有效性验证，提高了系统安全性的处理效率，降低了安全性处理的复杂度。

公务执法船艇受恶劣天气、潮湿、盐雾、霉菌、摇摆、振动、颠簸、冲击等恶劣工作环境影响，还存在较强的电磁干扰。由此，船艇综合船桥系统的一体化网络设计中，应特别强调网络的稳定性和可靠性。为此，除了依据系统需求恰当地构建一体化网络架构、选择高可靠的HOTS网络设备、简化网络设计外，还应采用适宜的以太环网技术和双冗余接入网技术，作为保证网络稳定性和可靠性的主要措施。

考虑到交换式以太网和以太环网具有相对较好的带宽和可靠性，尤其是以太环网具有良好的冗余自保护能力，船载一体化网络架构采用光纤以太环网拓扑结构做主干网络架构，链路双冗余的星型拓扑结构做接入网架构，构成船载一体化网络架构的主体，以期从物理拓扑结构层面提高可靠性。一体化网络架构主体视图见图1。

图1 综合船桥系统一体化网络架构主体视图

3.2 无线通信系统软组合技术

无线通信系统主要采用虚拟电台软组合技术，在一个开放式、模块化、标准化的硬件平台基础上，把各种无线电台作为传感设备，通过软件集成和组合，形成船艇一体化的无线电通信系统，实现对数据通信的统一组织、管理、调度和遥控操作，协同工作，确保公务执法船艇通信通畅。

无线通信系统以现有的基本通信能力为基础，采用时分多址(TDMA)通信原理，吸取先进的自组织通信机制技术，采取半自组的方式进行通信链路的组建、协调、动作，保证数据高效交互。系统采用主台协调发送的方式，组织各个通信单元的数据发送；新加入的副台采取“先侦听、后接入”的原则进行通信，主台收到发送申请后，再为新加入的台站分配新的空间，实现数据的交互使用及高效传输。

为达到开放式无线通信系统架构的设计目标，将运行于服务器、电台节点机、遥控终端、使用终端、控制终端的软件系统进行统一的层次化划分。一方面提高软件系统复用程度，另一方面清晰的层次结构可以使系统具有更高的可维护性，能够促使系统在功能变更时走向良性循环。

3.3 综合导航信息融合技术

船艇导航涉及罗经、雷达、AIS、电子海图、气象等种类和数量众多的传感器，各种传感器分布在船艇不同部位，各自所观测感知的数据和信息是多样而复杂的、带噪声又不相匹配的。利用综合导航信息融合技术，主要把不同类别传感器的实时测量值集合当成一个个测量子空间，把系统整体当成一个融合信息空间，各个测量子空间在进行匹配处理基础上，借助于现代控制理论与估值理论，按照最佳化融合准则向系统融合信息空间进行投影，形成优势互补、关联、评估和组合的融合处理过程，使系统融合信息空间比单个测量子空间获取更高的信息合理性、准确性和可靠性，达到最佳的融合效果。

目前，船艇导航信息融合处理方法主要有多位置传感器信息的融合处理、分段常增益线性滤波方法的融合(估值)处理、自适应卡尔曼滤波的数据融合(估值)处理、应急综合导航模式的处理、冗余导航模式处理等信息处理方法，其中：多位置传感器信息的融合处理主要针对不同传感器的测量精度不一样、同一个位置可能得到不同的数据的问题，对配置的多个位置传感器的位置信息进行一致性的融合处理。例如：系统配备有北斗导航定位系统和GPS系统，定位信息需要进行融合处理。因为两者精度相当，所以，定位信息(经纬度)的融合可以采用下式处理算法：