一種應(yīng)用于綜合艦橋系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計＊

欒厚斌 王 立

（1．海軍駐426廠軍事代表室 大連 116005）（2．河南大學(xué)歐亞國際學(xué)院 鄭州 475001）

1 引言

綜合艦橋系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)存在多種多樣的方法，目前基本達(dá)成共識的是一個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)必須由多種視圖才能比較充分地描述出來。在分析研究當(dāng)前多種先進(jìn)信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想后，參考國外綜合艦橋系統(tǒng)的總體架構(gòu)，本文對三維綜合艦橋系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，包括運(yùn)作體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了論述。

2 運(yùn)作體系結(jié)構(gòu)

運(yùn)作體系結(jié)構(gòu)規(guī)定實現(xiàn)艦船安全經(jīng)濟(jì)航行所需執(zhí)行的任務(wù)和活動、主要節(jié)點、節(jié)點之間的信息流程，用于監(jiān)控艦船安全經(jīng)濟(jì)航行的工作過程。運(yùn)作體系結(jié)構(gòu)明確地描述了信息交換的狀態(tài)，確定需要何種層次的互操作能力。

運(yùn)作體系結(jié)構(gòu)可以作為高層體系結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。本文主要從工作流程和信息流程兩個角度表述綜合艦橋的運(yùn)作體系結(jié)構(gòu)。

1）綜合艦橋系統(tǒng)的工作流程

綜合艦橋的工作任務(wù)由信息探測采集任務(wù)、綜合決策任務(wù)、控制執(zhí)行任務(wù)與狀態(tài)監(jiān)視任務(wù)四個部分組成。

（1）信息探測采集任務(wù)通過各種傳感器感知和采集艦船的運(yùn)動參數(shù)、主機(jī)狀態(tài)信息、艦船平臺狀態(tài)、周圍環(huán)境的信息與運(yùn)動目標(biāo)信息，形成綜合航海態(tài)勢；

（2）綜合決策任務(wù)完成系統(tǒng)航行計劃業(yè)務(wù)，并根據(jù)航行計劃和綜合航海態(tài)勢，在航海專家知識庫支持下制定航行策略；

（3）控制執(zhí)行任務(wù)根據(jù)航行決策指令確定航行控制參數(shù)，通過車、舵聯(lián)合操縱，控制艦船按指定要求航行并記錄艦船航行過程；

（4）狀態(tài)監(jiān)視任務(wù)監(jiān)視艦船的航行狀態(tài)與艦船設(shè)備安全運(yùn)行狀態(tài)。

2）綜合艦橋系統(tǒng)的信息流程

綜合艦橋系統(tǒng)經(jīng)歷40年的發(fā)展，已經(jīng)集成了導(dǎo)航、駕控、航務(wù)管理、艦船安全、輪機(jī)控制、安全管理、通訊、艦船裝載、卸載和載荷控制等多種功能，這些功能的實現(xiàn)過程也就是相關(guān)信息的采集、處理及融合過程。所以，當(dāng)前最先進(jìn)的綜合艦橋系統(tǒng)被稱為綜合艦船信息系統(tǒng)（即Integrated Ship Information System，ISIS）。IBS 的信息流包含三個基本環(huán)節(jié)：一是導(dǎo)航信息獲取，即從導(dǎo)航傳感器獲取信息；二是航行規(guī)劃和指揮控制，即人的意志表達(dá)；三是操縱和控制，即意志的實現(xiàn)。因此，IBS 也是典型的自動控制系統(tǒng)。

導(dǎo)航傳感器是信息流的始端，艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)利用慣性、水聲、衛(wèi)星無線電、機(jī)械和電子傳感器測量艦船平臺的航向、位置、速度、縱橫搖及其變化率等平臺航姿信息，利用氣象、水文接受處理設(shè)備獲取海洋環(huán)境信息，建立導(dǎo)航信息數(shù)據(jù)庫，經(jīng)集成處理后，通過船用網(wǎng)絡(luò)提供給作戰(zhàn)平臺和艦船平臺。

操縱和航行控制是信息流的終端，根據(jù)航海人員的思想通過智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對艦船航行和導(dǎo)航設(shè)備的控制，并將控制結(jié)果反饋給IBS平臺，從而實現(xiàn)艦船自動控制。

3 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)將運(yùn)作體系結(jié)構(gòu)定義的任務(wù)和活動轉(zhuǎn)換為一系列系統(tǒng)功能模塊，定義支持信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)體系，以保證系統(tǒng)使命任務(wù)的完成。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)關(guān)注物理組件（包括軟件模塊）的耦合關(guān)系，描述實現(xiàn)運(yùn)作體系結(jié)構(gòu)所需軟硬件資源的層次結(jié)構(gòu)，促進(jìn)系統(tǒng)組件間的互操作和重用［1～2］。

1）綜合艦橋系統(tǒng)的組成元素

綜合艦橋系統(tǒng)（IBS）是在組合導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型、功能更強(qiáng)的海上自動航行系統(tǒng)，圖1給出了國際海事組織對IBS及INS的定義。從圖中可以看出IBS的主要功能體現(xiàn)在對艦船的監(jiān)測和控制以及輔助其實現(xiàn)的通信功能上。INS是IBS完成監(jiān)測和控制艦船的信息來源。IBS采用系統(tǒng)設(shè)計的方法，將船上的各種導(dǎo)航設(shè)備、艦船操作控制設(shè)備和雷達(dá)避碰設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)有機(jī)結(jié)合起來，利用計算機(jī)、現(xiàn)代控制、信息融合等技術(shù)實現(xiàn)艦船的自動、安全和經(jīng)濟(jì)航行。系統(tǒng)具有完善的導(dǎo)航、自動駕駛、自動避碰、通信和航行管理控制等多種功能。

圖1 國際海事組織定義的IBS和INS

目前IBS已發(fā)展成集導(dǎo)航、控制、顯示、監(jiān)視、管理和通信等功能于一體的綜合艦船航行、控制系統(tǒng)，主要由以下幾部分組成：

（1）電子海圖顯示與信息系統(tǒng)ECDIS（Electronic Chart Display and Information System）通過電子海圖及導(dǎo)航傳感器的定位信息幫助航海人員進(jìn)行航線規(guī)劃和航線監(jiān)測，還可以按照航海人員的需要顯示其它相關(guān)航行信息。ECDIS是在專用計算機(jī)的控制下，集中處理海圖數(shù)據(jù)以及從慣性系統(tǒng)、GPS、羅蘭-C、雷達(dá)等獲得的導(dǎo)航信息以及艦船運(yùn)動參數(shù)，實時顯示航海信息。它可顯示海區(qū)情況、提供航海資料、自動進(jìn)行海圖作業(yè)、進(jìn)行航路監(jiān)測、危險情況自動告警等。

（2）艦船自動識別系統(tǒng)艦船自動識別系統(tǒng)AIS（Automated Identification System）是一種新型的輔助航行系統(tǒng)。AIS能夠自動向裝備AIS設(shè)備的海岸電臺、其它艦船及航空器提供或接收相關(guān)信息，包括國籍、船型、位置、航向、航速、航行狀態(tài)及其它相關(guān)的安全信息，監(jiān)視和跟蹤這些艦船并能與岸基電臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

（3）自動雷達(dá)標(biāo)繪輔助系統(tǒng)ARPA（Automated Radar Plotting Aid）自動獲得和追蹤避碰點，給觀察人員提供準(zhǔn)確和實時的避碰信息。ARPA主要包括以下功能：避碰點自動探測、濾波跟蹤、碰危預(yù)判、避碰路線、速度和CPA 自動計算、雷達(dá)疊層圖、航向操縱等。

（4）艦船綜合報警系統(tǒng)（Alarm System）。IBS的報警系統(tǒng)能提醒值班駕駛員及時注意潛在的危險局面。一旦值班駕駛員在設(shè)定的時間內(nèi)沒有對報警進(jìn)行確認(rèn)，警報將會被自動轉(zhuǎn)到駕駛員房間、辦公室和餐廳，以要求援助（Call For Back-up Assistance）。所有主要導(dǎo)航設(shè)備的報警都必須接入IBS報警系統(tǒng)。

（5）綜合顯示信息系統(tǒng)（Conning Display）。在IBS系統(tǒng)的控制位置必須能顯示所有與航行和靠泊有關(guān)的重要設(shè)備的信息。在中央控制位置，必須能監(jiān)控主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和駕駛員設(shè)定的狀態(tài)，從而進(jìn)行比較和判斷。

另外IBS還包括數(shù)字通訊子系統(tǒng)、操縱與控制子系統(tǒng)、航行數(shù)據(jù)記錄儀等部分。這些子系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接，通過相應(yīng)軟件在綜導(dǎo)數(shù)據(jù)庫的支撐下實現(xiàn)導(dǎo)航、駕控與艦船安全管理。

目前尚無國際性標(biāo)準(zhǔn)對IBS的組成提出具體要求，但世界著名的船級社對綜合艦橋系統(tǒng)應(yīng)具備的功能和設(shè)備都有具體的要求，從中我們可以看出IBS的基本必要的組成。

2）系統(tǒng)功能

目前國際上各類IBS產(chǎn)品都具有五大基本功能。綜合導(dǎo)航、綜合駕控、雷達(dá)避碰輔助決策、安全與綜合報警、通信和航海輔助控制等是各類IBS產(chǎn)品都具有的五大基本功能［2］，這正是解決艦船出航五項基本工作任務(wù)所需要的。

各類典型的IBS產(chǎn)品既有共性又有個性，共性就是五大基本功能，而在提供自動化、智能化水平、體系結(jié)構(gòu)、配套設(shè)備的完備程度和人機(jī)界面的人性化水平等方面又各具特色。仔細(xì)分析各個廠家典型產(chǎn)品的特點，不難看到，Sperry Marine最新的VisionMaster FT 產(chǎn)品在通導(dǎo)和駕控功能方面的設(shè)計和配備比較全面；Konsberg最新的K-Bridge產(chǎn)品新開發(fā)的功能有動力定位（DP）和綜合艦船管理（IVMS）功能；Sam 的新一代IBS系統(tǒng)是NACOS 55，這是在新系列1100雷達(dá)設(shè)備基礎(chǔ)上，把雷達(dá)和駕控、電子海圖完美結(jié)合的系統(tǒng)；L3Navigation的典型產(chǎn)品是Navinet，在人機(jī)工程學(xué)方面很有特色，具備一人艦橋的能力；還有Norcontrol／Kelvin-Hughes／Raytheon Anschutz都有新品IBS推出，可見IBS系統(tǒng)技術(shù)確實是最具活力、其發(fā)展勢頭經(jīng)久不衰，這些特色值得借鑒。

3）綜合艦橋系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)描述了艦橋系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)以及各部分之間的相互聯(lián)系方式。綜合艦橋系統(tǒng)通過一體化通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)導(dǎo)航傳感器、駕控設(shè)備、工作臺等各種設(shè)備及儀器的互聯(lián)；通過對艦船航行綜合態(tài)勢信息的探測、采集、處理、融合及決策實現(xiàn)艦船安全經(jīng)濟(jì)航行。因此，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和信息處理過程將系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)劃分為三個層次。

第一層為信息采集層，包括了艦橋系統(tǒng)的所有傳感器、通信接口及現(xiàn)場總線（含通信協(xié)議）。該層完成導(dǎo)航信息、操舵信息、操車信息、艦船狀態(tài)信息、設(shè)備故障監(jiān)視和報警信息以及艦船安全性信息的探測及采集。

第二層為數(shù)據(jù)處理層，包括了艦橋集成駕駛臺的所有導(dǎo)航、駕控、雷達(dá)、安全、通訊工作站。其中，導(dǎo)航工作站完成速度、航向、姿態(tài)與艦位推算，海圖數(shù)據(jù)顯示，計劃航線設(shè)計等工作；駕控工作站完成航線跟蹤、自動操舵、自動操車及與艦船駕駛有關(guān)的重要信息顯示；雷達(dá)工作站完成目標(biāo)識別與跟蹤、碰危預(yù)判、速度和CPA 自動計算等；安全管理及綜合報警工作站完成系統(tǒng)狀態(tài)和各種配套設(shè)備故障監(jiān)視和報警。另外，艦橋各工作臺之間以及與外系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換。

第三層為綜合決策層，在該層，經(jīng)過處理的各類艦船狀態(tài)信息及綜合態(tài)勢信息進(jìn)一步融合，并運(yùn)用人工智能技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、多信息融合技術(shù)、模式識別技術(shù)及數(shù)據(jù)庫技術(shù)等對自動航行、避碰、安全管理作出最優(yōu)決策，達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)航行的目的。

這樣設(shè)計的系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)形成了支持系統(tǒng)各類應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、信息流通和運(yùn)作各項任務(wù)的基礎(chǔ)框架，為功能和信息集成的實現(xiàn)提供安全性、可用性和可靠性；在這個基礎(chǔ)框架上可以實現(xiàn)各工作站之間的互連、互通，可以實時傳播和接收各類導(dǎo)航信息和航行數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)存貯并可以通過體系結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場控制總線傳播和接收各類操控命令、實施遠(yuǎn)程操控和監(jiān)視，在一個全集成的綜合艦橋中央駕駛工作站上實施對整艘艦船的監(jiān)視和控制；實現(xiàn)了艦船的導(dǎo)航、駕控、雷達(dá)探測、航行監(jiān)視、通訊和報警的高度綜合和一體化。

4 技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

技術(shù)體系結(jié)構(gòu)是決定系統(tǒng)部件或組成要素的安排、相互配合和相互依存的最低限度的一組規(guī)則，其目的是確保組成的系統(tǒng)滿足一系列特定的要求。

技術(shù)體系結(jié)構(gòu)定義了一系列系統(tǒng)設(shè)計與工作時必須遵守的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，這些規(guī)范包括起支配作用的全局標(biāo)準(zhǔn)以及局部范圍有效的約定。綜合艦橋是一個多種工作平臺、多種導(dǎo)航傳感器信息源的集成處理工作系統(tǒng)，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的基本目標(biāo)是促進(jìn)各工作平臺、多種導(dǎo)航傳感器信息源之間的數(shù)據(jù)傳輸，以及信息、資源的互操作和重用，這一目標(biāo)在體系結(jié)構(gòu)中某些機(jī)制的支持下得以部分實現(xiàn)，例如網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)、數(shù)據(jù)共享服務(wù)等。但是，這些機(jī)制只是簡單的使信息共享和重用成為可能，必須定義適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，并在研制過程中強(qiáng)制執(zhí)行，才能真正實現(xiàn)上述目標(biāo)。此外，標(biāo)準(zhǔn)還包括指定工具和資源在體系結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用范圍，定義各種模塊投入實際應(yīng)用的過程和方法等。對于那些可以應(yīng)用于整個體系結(jié)構(gòu)的公共工具、資源和基礎(chǔ)設(shè)施，建立全局范圍的標(biāo)準(zhǔn)將有助于重用、互操作和信息共享。

技術(shù)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)遵循國際通用的各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，盡可能的涵蓋系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)中所需的所有標(biāo)準(zhǔn)，包括全局標(biāo)準(zhǔn)和部門局部規(guī)范［3］。

1）系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)于綜合艦橋系統(tǒng)的設(shè)計在國際上已有一部分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，歸納起來可以概括為：首先是SOLAR公約關(guān)于艦載設(shè)備的規(guī)定，IMO MSC RESOLUTIONS＼MSC．64（67）決議是從IBS應(yīng)具有的功能、性能方面做了總體規(guī)定，而IEC 61209 標(biāo)準(zhǔn)是對IMO MSC RESOLUTIONS＼MSC．64（67）的細(xì)化規(guī)定，ISO 8468-1990是從IBS在現(xiàn)場布設(shè)方面做了具體的規(guī)定。各國著名船級社在消化這些國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定基礎(chǔ)上，對IBS提出了應(yīng)具備的60項功能規(guī)定以及電氣電子產(chǎn)品型式認(rèn)可試驗指南。另外，還有與IBS配套的一系列設(shè)備IMO、IEC、IHO等國際組織都有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，這些都是我們進(jìn)行綜合艦橋系統(tǒng)設(shè)計時首先應(yīng)該弄清楚的國際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，是設(shè)計的總體依據(jù)。

2）數(shù)字接口與通信標(biāo)準(zhǔn)

（1）IEC 61162-1：航海導(dǎo)航與無線電通訊設(shè)備和系統(tǒng)數(shù)字接口（Part 1：Single talker and multiple listeners）

本標(biāo)準(zhǔn)是單播者和多個接收者、高速發(fā)送的數(shù)字接口的總體標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

（2）IEC 61162-2（第一版1998-09）：航海導(dǎo)航與無線電通訊設(shè)備和系統(tǒng)數(shù)字接口（Part 2：Single talker and multiple listeners，high-speed transmission）

本標(biāo)準(zhǔn)是航海導(dǎo)航與無線電通訊設(shè)備和系統(tǒng)數(shù)字接口的第一部分：單播多聽，包含了對航海電子儀器，導(dǎo)航和無線電通訊設(shè)備互連之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的要求。它是61162-1認(rèn)可的各條語句的補(bǔ)充規(guī)定，對語句中各個字段做了具體規(guī)定。

3）RS-232、RS-422與RS-485標(biāo)準(zhǔn)

RS-232、RS-422與RS-485都是串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，是由電子工業(yè)協(xié)會（EIA）制訂并發(fā)布的，RS-232在1962年發(fā)布，命名為EIA-232-E。RS-422由RS-232發(fā)展而來，它是為彌補(bǔ)RS-232的不足而提出的。為擴(kuò)展應(yīng)用范圍，EIA 又于1983年在RS-422基礎(chǔ)上制定了RS-485標(biāo)準(zhǔn)，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線共模范圍，后命名為TIA／EIA-485-A 標(biāo)準(zhǔn)。由于EIA 提出的建議標(biāo)準(zhǔn)都是以“RS”作為前綴，所以在通訊工業(yè)領(lǐng)域，仍然習(xí)慣將上述標(biāo)準(zhǔn)以RS作前綴稱謂。

4）NMEA 0183標(biāo)準(zhǔn)

NMEA 0183標(biāo)準(zhǔn)定義了航海儀器間通信的電器接口和數(shù)據(jù)協(xié)議。

5）CAN 2．0規(guī)范（ISO11898）

CAN 2．0規(guī)范分為CAN 2．0A 與CAN 2．0B。CAN 2．0A 支持標(biāo)準(zhǔn)的11 位標(biāo)識符；CAN 2．0B同時支持標(biāo)準(zhǔn)的11位標(biāo)識符和擴(kuò)展的29位標(biāo)識符。CAN 2．0規(guī)范的目的是為了在任何兩個基于CAN-bus的儀器之間建立兼容性；規(guī)范定義了傳輸層，并定義了CAN 協(xié)議在周圍各層當(dāng)中所發(fā)揮的作用。CAN 2．0規(guī)范涉及兼容性的不同方面比如電氣特性和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的解釋。

［1］沈中杰，王武宏，侯福國，等．智能交通信息網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下數(shù)字駕駛系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)［J］．交通運(yùn)輸工程學(xué)報，2002，2（1）：96-100．

［2］吳傳利，孫堯，何佳洲．新型海戰(zhàn)場信息融合體系結(jié)構(gòu)［J］．船舶工程，2005，27（2）：49-53．

［3］ISO，8468-1990，Ships bridge layout and associated equipment-Requirements and guidelines，ISO，1990．

［4］曾慶軍，周耀庭．綜合船橋系統(tǒng)研究的核心內(nèi)容［J］．航海技術(shù)，2001（4）：24-27．

［5］孟憲堯．?dāng)?shù)據(jù)融合技術(shù)與船舶自動化［M］．大連：大連海事大學(xué)出版社，2003：207-218．

［6］Sperry Marine．Military Integrated Bridge System（IBS）［EB／OL］．http：／／www．sperrymarine．northropgrumman．com，2005．

［7］IMO，MSC．64（67）Annex 1，Recommendation on Performance Standards for Integrated Bridge System（IBS），London，4December 1996．

［8］應(yīng)士君，潘杰．基于電子海圖的綜合船橋系統(tǒng)［J］．上海海運(yùn)學(xué)院學(xué)報，1999，20（2）：42-47．

［9］SAM Electronics Shanghai Office．Technical Agreement Integrated Bridge System，SAM Electronics，Oct．2003．

［10］高玉德．航海學(xué)［M］．大連：大連海事大學(xué)出版社，2005：471-483．