基于電子航道圖船載綜合信息一體化終端的研制

施勤　汪寅生

摘 要：為了最大限度的方便駕駛?cè)藛T了解船舶航行過程中得各種信息，保證航行安全和航行效率。通過高集成度的綜合信息一體化應(yīng)用終端研制，將各種航行信息（如：GPS、AIS、ARPA、電羅經(jīng)、測深儀、計程儀、風(fēng)向風(fēng)速儀以及CCTV監(jiān)控系統(tǒng)）集成到電子航道圖中，大大提升電子航道圖導(dǎo)航系統(tǒng)的使用效率。

關(guān)鍵詞：電子航道圖 GPS 無線通信 AIS

隨著信息技術(shù)、通導(dǎo)技術(shù)在船舶上的不斷應(yīng)用，導(dǎo)致船舶上配備的導(dǎo)航設(shè)備日益增多（如：AIS、GPS、雷達、羅經(jīng)、測深儀、計程儀、風(fēng)向風(fēng)速儀、電子航道圖導(dǎo)航系統(tǒng)等等），這些設(shè)備各自獨立，使得駕駛?cè)藛T在航行期間要觀看多個屏幕，給駕駛?cè)藛T帶來很大麻煩，影響駕駛?cè)藛T瞭望和注意力。同時造成設(shè)備之間的連接混亂，非常容易出現(xiàn)各種連接故障，影響設(shè)備的正常使用，對設(shè)備維護和管理帶來很大困難。

船舶綜合信息系統(tǒng)，通過采用智能化儀表、網(wǎng)絡(luò)通信、計算機控制等技術(shù)，對艦船平臺的推進系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、損管系統(tǒng)和主輔機系統(tǒng)等自動地實施狀態(tài)采集、傳遞、綜合和顯示，為操作人員提供實時、動態(tài)信息，實現(xiàn)高度自動化的集中監(jiān)測、管理和控制，以達到節(jié)省人力資源，簡化復(fù)雜的系統(tǒng)操作，提高安全運行水平的目的。

對各設(shè)備之間的信息集成技術(shù)進行研究，研制高集成度的綜合信息一體化應(yīng)用終端。基于電子航道圖，在一體化終端的屏幕上可以獲得各種航行信息，最大限度地方便駕駛?cè)藛T了解船舶航行過程中得各種信息，保證航行安全和航行效率。

硬件系統(tǒng)設(shè)計

目前市場上的電子航道圖導(dǎo)航系統(tǒng)往往是一臺電子航道圖主機與其他導(dǎo)航設(shè)備（如GPS）連接，采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)在圖上顯示，完成導(dǎo)航功能。在此基礎(chǔ)上，我們構(gòu)思一個新的一體機概念，既將GPS、AIS、通信機全部在計算機內(nèi)部，實現(xiàn)計算機與這些常用導(dǎo)航設(shè)備之間真正意義下的系統(tǒng)集成，提高穩(wěn)定性、可靠性和安裝維護的簡易性。

參考國內(nèi)外各種船舶通導(dǎo)設(shè)備和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在一體機的框架下升級為綜合信息一體化應(yīng)用終端，將各種導(dǎo)航設(shè)備的信息接入一體機中，實現(xiàn)綜合信息導(dǎo)航。

終端系統(tǒng)硬件在配置上采用性能強大的工業(yè)級主板，采用四核CPU，配備大容量筆記本固態(tài)硬盤，確保足夠的運算處理能，配備UPS系統(tǒng)進行斷電保護。如圖1所示。

一體化應(yīng)用終端集成性強，需要同時集成GPS、AIS、ARPA、電羅經(jīng)、測深儀、計程儀、風(fēng)向風(fēng)速儀等系統(tǒng)。通過研究，采用多串口擴展卡，將工控機主板擴展出足夠的通信口用于連接各個模塊，分別開發(fā)完成模塊的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式和解析方法。為了方便使用，主要研究和設(shè)計一體化應(yīng)用終端的外形結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。外形設(shè)計在美觀大方的前提下，確保一體化應(yīng)用終端擺放穩(wěn)固，整體不易變形。在內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面要研究各個另部件布局的合理性和使用及維修時的方便性。在一體化應(yīng)用終端內(nèi)部集成了GPS、AIS和3G通信模塊，GPS、ASI和通信機都采用單板配件最大限度地減少占用空間，使一體化應(yīng)用終端小型化。還要使得一體化應(yīng)用終端結(jié)構(gòu)緊湊，盡量小型化，以適合各種小型船舶的安裝使用。

船載綜合信息一體化應(yīng)用終端跟現(xiàn)有類似的導(dǎo)航產(chǎn)品比較，實現(xiàn)了完全集成，GPS、AIS、3G板集成在一體機內(nèi)部，這些設(shè)備的數(shù)據(jù)直接輸出到主板的COM口，設(shè)備供電完全由主板承擔(dān)，外部不需要任何連線和其他輔助設(shè)備，實現(xiàn)了真正的系統(tǒng)集成。在系統(tǒng)集成度方面處于國內(nèi)同類產(chǎn)品的領(lǐng)先地位。

系統(tǒng)硬件的特點

抗電磁干擾。在抗外部電磁干擾方面采用鐵板外殼屏蔽方法，對于內(nèi)部的電磁干擾采用增加鋁盒罩、錫箔紙密封等方法進行屏蔽，大大提高抗干擾能力，適用于強無線電干擾的場合。

防震動、搖擺。采用設(shè)計外部和內(nèi)部減震器的方法實現(xiàn)抗震動要求。對于計算機來說主要是硬盤容易損壞，采用固態(tài)硬盤和減震墊解決設(shè)備的抗震抗搖擺問題。

防水、防霧、防潮、防鹽霧。在硬件設(shè)計上，采用防水鍵盤和顯示屏密封的方法實現(xiàn)防水防霧。適應(yīng)船舶水上作業(yè)的需求。在芯片管腳處以及焊接點處采用硅膠密封，在零部件連線處采用熱縮管封裝方法實現(xiàn)防潮濕和防鹽霧。

抗高溫。高性能的硬件系統(tǒng)發(fā)熱較多，終端整體外殼為金屬制造，有利于散熱，同時采用增大CPU散熱片面積和雙風(fēng)扇結(jié)構(gòu)實現(xiàn)抗高溫。

抗陽光直射和夜航影響。在一體化應(yīng)用終端上采用了高亮度顯示屏（≥300cd/m2），實現(xiàn)了在任何陽光的情況下屏幕都能清晰可見。同時采用了一項新技術(shù)可以調(diào)節(jié)顯示屏從關(guān)閉到最亮，解決了傳播夜航顯示器太亮的問題。

抗電源波動。在一體化應(yīng)用終端中采用了鋰電池（或UPS）電源保護手段，當(dāng)外部電源波動或斷電時，設(shè)備中的斷電保護裝置會自動供電，保證系統(tǒng)正常運行。

軟件系統(tǒng)設(shè)計

終端軟件的功能模塊有：導(dǎo)航設(shè)備接收與顯示、遇險報警與預(yù)警、船舶動態(tài)監(jiān)控與查詢、船舶航行管理，電子航道圖顯示與控制。

導(dǎo)航設(shè)備接收與顯示模塊完成了GPS、AIS、ARPA等外接通導(dǎo)設(shè)備接口軟件的設(shè)計與開發(fā)，包括數(shù)據(jù)采集、分析、處理以及存儲管理。通導(dǎo)設(shè)備接口設(shè)計主要研究一體化應(yīng)用終端與GPS、AIS、通信機（CDMA/GPRS/3G）、羅經(jīng)、測深儀、計程儀、ARPA、風(fēng)向風(fēng)速儀和CCTV視頻數(shù)據(jù)的接口技術(shù)，包括各個通導(dǎo)設(shè)備的通信協(xié)議、信號轉(zhuǎn)換方法、接線方法、波特率范圍、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式以及解析算法等的設(shè)計。

遇險報警與預(yù)警模塊通過對各數(shù)據(jù)的分析，實現(xiàn)各類的報警和預(yù)計，主要有偏航、擱淺、禁航區(qū)、碰標(biāo)、走錨、方向、區(qū)域、穿越安全等深線報警等；船舶動態(tài)監(jiān)控與查詢模塊實現(xiàn)船位的標(biāo)繪、目標(biāo)船信息的查詢，以及CPA距離圈顯示等；船舶航行管理模塊實現(xiàn)航線的設(shè)計、檢查、編輯、記錄以及日志管理功能；

電子航道圖顯示與控制實現(xiàn)軟件中電子航道圖的導(dǎo)入顯示，參數(shù)、坐標(biāo)等變換，圖層選擇等功能。為了滿足多設(shè)備數(shù)據(jù)的同步采集、數(shù)據(jù)處理以及即時顯示的性能要求，對綜合信息導(dǎo)航軟件系統(tǒng)的底層架構(gòu)、中間件及調(diào)用方法、數(shù)據(jù)處理算法及程序處理流程等重要內(nèi)容進行全面的設(shè)計與開發(fā)。為提高圖形界面的刷新速度，對海圖數(shù)據(jù)格式要進行特殊處理，為了提高海圖的現(xiàn)實速度，設(shè)計了一種全新的海圖數(shù)據(jù)存儲格式（.nm00），采用這種海圖數(shù)據(jù)格式可以提高海圖顯示速度3-5倍。節(jié)約了大量的CPU占用時間。對于官方提供的S-57和S-63標(biāo)準(zhǔn)的海圖數(shù)據(jù)，通過我們提供的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊可以直接生成 .nm00文件。

應(yīng)用軟件系統(tǒng)采用三層架構(gòu)（基礎(chǔ)層、中間層和應(yīng)用層）的軟件框架，海圖顯示平臺作為基礎(chǔ)層（BASE層），數(shù)據(jù)采集、處理和輸出到海圖顯示平臺為中間層（M層），各種軟件功能模塊為應(yīng)用層（UI層）。通過UI層向M層發(fā)出指令（或者調(diào)用）到中間層，由中間層執(zhí)行具體的動作（采集數(shù)據(jù)并進行實時處理），并將運算結(jié)果自動發(fā)給BASE層進行顯示或聲音輸出。

系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)完成以來，船載綜合信息一體化應(yīng)用終端，如圖2所示，經(jīng)過一段時間的測試和試用，達到了設(shè)計的功能和性能技術(shù)指標(biāo)。目前已經(jīng)在多艘船舶上安裝試用。實際表明，終端系統(tǒng)具有如下的特性：①可靠性高，系統(tǒng)應(yīng)能滿足長期穩(wěn)定運行的需要，具備抵御斷電、誤操作、計算機病毒、人為攻擊的能力。②擴展性強，在進行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、容量、通訊和處理能力等方面設(shè)計開發(fā)時，要充分考慮未來需求和目標(biāo)，保證系統(tǒng)的擴展能力。③易操作性強，系統(tǒng)軟件功能豐富，人機界面友好，有幫助和在線幫助功能。操作簡潔、方便。④可維護性強，系統(tǒng)具有自動故障判別、告警等能力。終端系統(tǒng)具有集成度高、運行穩(wěn)定、操作方便，達到了預(yù)定目標(biāo)。

結(jié)束語

在高性能工控主板的基礎(chǔ)上，開發(fā)了電子航道圖的船載綜合信息終端。終端高度集成了GPS、AIS等各類船載設(shè)備，通過軟件和顯示系統(tǒng)最大限度的方便了駕駛?cè)藛T了解船舶航行過程中得各種信息，保證航行安全和航行效率。終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、構(gòu)架合理、穩(wěn)定高效，將大大提升電子航道圖導(dǎo)航系統(tǒng)的使用效率，帶動電子航道圖導(dǎo)航系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

（作者單位：長江南京航道局）