中小型漁船通導設備集成系統設計

甘易明，陳兆楠，楊淑潔，劉全良

(浙江海洋大學船舶與機電工程學院，浙江 舟山 316022)

自20世紀70年代開始，大型和遠洋船舶通導設備便朝著集成化和自動化方向發展，隨著科技發展，通導設備的種類不斷增加，船舶駕駛難度也不斷增加。為解決這一難題，高度自動化、智能化的船舶通導設備集成系統被廣泛研究[1-4]，如德國ATLAS、美國SPERRY、挪威NORCONTROL、意大利SELESMAR、英國RACAL等世界著名航海儀器廠先后推出的綜合駕駛臺都包含了綜合導航系統。面向中小型船舶，尤其是中小型漁船的低成本通導設備集成系統在國內外尚處于起步階段，國內一些學者前期對此也進行了一些研究，如：基于自動識別系統(AIS)的漁船航標管理以及避障系統設計[5-6]；船舶導航數據信息融合處理技術的研究[7-10]；漁船通導設備一體化、集成化的探究[11-14]；基于C++Builder、YimaEnc的電子海圖設計等[15-20]。

結合導航信息融合處理、電子海圖設計、避障系統設計等研究，以中小型漁船為研究對象，通過調研分析各駕駛設備的性能，結合生產實際，針對中小型漁船各通導設備多處于單機單控狀態，設備之間的信息聯絡依賴于人工操控，集成度、自動化程度低，設備的模塊化、標準化、通用化差，使用維護煩瑣等問題，重點突破通導設備集成技術、多源導航信息融合技術，研究符合中小型漁船生產需求的漁船駕駛設備集成系統，是當前迫切需要解決的技術問題，也是后續漁業船舶向智慧漁船發展的重要基礎。

1 中小型漁船駕駛設備配備現狀

根據對舟山某船舶設計院提供的船舶設計資料以及浙江舟山、寧波及周邊地區的各類常見作業方式捕撈漁船和輔助漁船進行實船調研(2018—2019年)，對調查的168艘不同生產類型中小型漁船的駕駛設備配備情況進行數據匯總。表1列舉了目前舟山及其周邊地區具有代表性作業方式的10條捕撈漁船和2艘漁運船的設備配備情況，圖1為168艘漁船駕駛艙配置的主要通導設備情況(部分)。

表1 漁船通導設備調研表

中國近幾年生產制造的漁船均依據《漁業船舶法定檢驗規則2017》[21]規定配備相應的通導設備，經調研的168艘漁船所配備的設備中，導航設備型號共有17種，其中全球定位系統GPS-180型導航設備78臺占總數的46%；雷達設備型號共有13種，其中，FR-8062型雷達89臺占總數的53%，M1831L型33臺占總數的20%；自動識別系統(AIS)設備型號共有6種，其中SI-108型94臺占總數的56%；甚高頻無線電設備型號共有10種，其中，STR600D型50臺占總數的30%，FT-805與FT-805B共計67臺占總數的40%。由圖1可見，通導設備種類繁多，集成度低。結合實船調研和漁民實際生產需求，表2為目前中小型漁船通導設備所配備的標準儀器及其常用功能，其中GPS、北斗一般只裝載其一。這些通導設備一般都具有導航定位功能，具有較高的功能重復性；同時，北斗、GPS、AIS、雷達、甚高頻無線電這5種設備在功能上也存在一定的互補性[22]，但缺乏系統的功能集成。因此，研究具有高度綜合功能的漁船綜合導航系統(INS)，顯得尤為重要。

圖1 168艘漁船駕駛艙通導設備配置基本情況

表2 通導設備主要功能對比

2 通導設備集成系統設計

2.1 集成系統框架

通導設備型號類別多，不同型號設備的操作界面存在差異，漁船駕駛臺通常配備有多臺相同或相近功能的設備，因此對設備進行系統集成顯得很有必要。結合中小型漁船的生產需求，提出其通導設備集成系統，框架如圖2所示。

圖2 集成系統框架

2.2 通導設備信息融合技術

通導設備集成技術的核心在于導航信息融合，即利用中央處理器(CPU)對不同時序的傳感數據進行自動分析、優化處理，從而對信息最優處理[23-26]。所處理的導航信息具有不穩定的特性，因此集成系統根據不同傳感器的時間、空間冗余和互補信息的優化準則合理調配和處理，從而得到與實際目標近似的數據。采用卡爾曼濾波技術中的分散化濾波法，將集中卡爾曼濾波器分化為多個特定傳感器相關的子濾波器和一個主濾波器。這些子濾波器并行處理傳感器數據，針對各子濾波器相應的局部進行估計，然后將這些狀態信息集中傳至主濾波器中，由主濾波器進行全局狀態估計。動態系統信息模型及其協方差矩陣作為加權約束,可提高系統狀態估計的可靠性，以此增強系統的容錯性。

船舶綜合導航系統多源信息融合的主要過程是對測量數據預處理以保證測量數據的有效性，通過對濾波后測量信息的融合得到更準確全面的船舶運動及環境信息。多源信息融合結構如圖3所示。

圖3 多源信息融合結構框圖

2.3 集成系統總體設計

參照現有的大型船舶綜合導航系統，結合中國民用漁船的需求，擬定中小型漁船通導設備集成系統總體設計(圖4)。系統硬件部分包括中央處理器、電源、系統輸出模塊、數據存儲模塊、人機交互模塊和導航設備接口；軟件部分主要包括傳感器數據處理模塊、管理和功能軟件。

圖4 集成系統總體設計框圖

中央處理器接收傳感數據后，配合系統控制要求對數據進行處理，最終把處理結果傳至輸出設備。主要處理內容包括：導航數據的優化濾波，航速數據的處理與顯示，水深數據的處理與顯示，雷達信號數據處理，AIS導航信息處理等。

2.4 集成系統功能模塊設計

采用局域網(LAN)總線和控制器局域網絡(CAN)總線構成系統內部局域網，所有傳感器通過專用的數據采集單元連接到局域網上。數據采集單元作為從串口到局域網的數據橋，用于從串口到LAN或者從LAN到串口的導航傳感器數據的收集和分發。綜合導航系統中顯示的信息均是在收集以下來源并傳輸、綜合處理的結果，包括：GPS、北斗、羅經等設備的導航信息，雷達的目標信息，AIS的船舶動態、靜態和航線等相關信息，狀態監控及報警信息等。集成系統拓撲結構，如圖5所示。

圖5 系統拓撲結構圖

3 通導設備集成系統功能實現

3.1 YimaEnc及MFC的應用

本系統以YimaEnc為基礎，利用MFC編程技術實行二次開發而成。MFC是用于開發圖形用戶界面的類庫，開發平臺為Visual Studio，通過調用API實現所需功能；MFC中包含大量Windows句柄封裝類和Windows的內建控件和組件的封裝類，MFC界面運行效率高，適合對數據處理速度要求高的系統。結合中小型漁船通導設備集成系統的實時性功能需求，本系統選擇數據處理速度較高的MFC編程技術。

YimaEnc是基于YimapCore開發的應用于電子海圖領域的GIS引擎，具備業界領先的刷新顯示效率和海圖動態加載速度，其利用了YimapCore開放的設計架構，具有易擴展和升級的優點[27]。因此，用MFC封裝所有API的二次開發組件包進行系統界面搭建，在程序中調用組件提供的API對電子海圖進行操作；另外，YimaEncSDK可與GPS、AIS、雷達等系統結合，實現漁船的定位、導航、避碰及航跡記錄等功能，能基本滿足漁船通導設備集成系統的界面設計要求。

3.2 集成系統主要功能

(1)基本信息顯示。通過主界面體現，實時顯示本船的航行位置、航速航向、當前位置水深以及地圖比例尺等航行基本信息。系統主界面如圖6所示。

圖6 系統主界面

(2)電子海圖設置。自定義海圖顯示項目，如顯示指北針、設置經緯網格、顯示傳統紙海圖符號等；實現對海圖圖層操作和圖層管理，分為S57、S63和VCF圖層管理。

(3)航線編輯。在航線編輯模式進行航線規劃，可添加和刪除多個航路點，通過添加的航路點設置航線，編輯航線數據后可設為模擬航線。在航線列表中可存儲多條航線，便于航行過程中選擇。

(4)避碰計算。利用AIS實現船舶航行狀態的自動識別、收發和監測，利用GPS、電羅經、計程儀等傳感器獲得本船的定位信息和航速航向，根據定位信息和航速航向計算出兩船會遇時最近會遇距離DCPA和最小會遇時間TCPA，依據DCPA和TCPA的值判斷兩船是否存在碰撞危險。

3.3 集成系統功能實現

3.3.1 顯示模塊

顯示模塊是人機交互的主要部分，是系統基礎組成部分，分為菜單欄、電子海圖和信息欄，菜單欄包括圖層操作、航線編輯等，信息欄包括位置、航速、航向、航跡列表等。采用MFC進行主界面窗口布局，根據系統需要向窗口中添加YimaEnc的CYimaEnc類和成員變量；以位置信息為例，調用classCNavigationDlgBar中的voidShowNavigationInfoText()顯示定位信息。

3.3.2 電子海圖模塊

電子海圖模塊的主要功能是把本船位置、所處靜態環境、動態目標信息集成顯示在屏幕上，使船員能夠快速獲得所有航行信息，輔助做出有效決策。電子海圖模塊基本功能包括移動、漫游等。為提高模塊的實用性，同時判斷鼠標事件和按鈕事件，按鈕事件是在MFC菜單框架上添加各功能對應按鈕，通過點擊按鈕可實現海圖基本功能。電子海圖模塊還包括圖層操作，其作用為切換底圖或顯示隱藏底圖物標。

3.3.3 航線編輯模塊

航線編輯模塊用于漁船輔助生產，船員根據實際生產經驗和漁場信息確定多個航路點，利用這些航路點設置航線，生成模擬航線后儲存到航線列表中。依據生產需要預設航路點生成的模擬航線，在程序中利用CNavigationDlgBar類來實現。考慮操作細節需要定義較為全面的操作集合，主要包括：

voidCNavigationDlgBar::ClearDlgContents()

//清空數據內容。

voidCNavigationDlgBar::RefreshRouteList()

//刷新航線列表。

voidCNavigationDlgBar::RefreshVesselList()……//刷新船舶列表。

voidCNavigationDlgBar::OnSetNavRouteButton()

//設置模擬航線。

voidCNavigationDlgBar::OnDelRouteBtn()

//刪除航線。

以上操作集合體現了航線編輯模塊的基本功能，包括航線設置、刪除等功能，具體操作通過內部數據列表進行，航線和船舶信息儲存在航線內部數據結構列表中。

3.3.4 避碰模塊

避碰是船舶安全作業的核心部分，是漁業安全生產的重要保證，根據文獻[21]的規定自動識別系統船載終端(AIS)是強制安裝的避碰設備。系統中的避碰模塊首先依據AIS獲得目標船的實時定位坐標、航速、航向，利用GPS、電羅經、計程儀等傳感器獲得本船的定位信息和航速航向，將其作為輸入參數，結合船舶避碰決策算法，得出兩船會遇時最近會遇距離DCPA和最小會遇時間TCPA，根據DCPA和TCPA判斷兩船是否存在碰撞的危險。

在船舶避碰決策算法的程序中，利用YimaEnc的CGetDcpaTcpaDlg類的實現功能，依據DCPA和TCPA可直觀預知船舶碰撞的可能性，輔助船員做出避碰決策，極大提高漁船駕駛的安全性。

4 通導集成系統特點與后續工作

基于中國目前中小型漁船通導設備配備標準和實船配備情況，分析通導設備的功能重復性和可集成性，同時參考國內外應用于大型船艦的綜合導航系統的設計方案，提出符合中小型漁船特點和需求的低成本通導設備集成系統設計方案。完成對中小型漁船通導設備集成系統的綜合顯示界面的設計，應用S-57國際標準電子海圖和Visio Studio開發環境及YimaEnc海圖引擎開發組件進行系統設計，創建漁船通導設備集成系統顯示界面，融合北斗、GPS、AIS和雷達的導航信息，實現導航信息顯示、電子海圖設置、航線編輯、避碰計算等功能。

本系統集成了位置、航向、速度及周邊目標等各種航行安全相關的數據，便于船員使用，開發成本較低，符合中小型漁船的特點和需求。但該系統還不夠成熟，顯示界面還不夠完善。需完善的內容有：1)實船調研數據不夠全面，需收集浙江省及周邊省市以外的實船數據，更全面地探討國內中小型漁船通導設備集成的可行性和預期效果。2)提出的多源定位數據融合處理方法雖提高了船舶定位精度，但由于實船用于定位的導航設備不只是AIS和雷達，需要輸入更多設備的定位信息融合，從而進一步提高導航精度。3)集成系統顯示界面僅初步實現導航界面的顯示，仍存在諸多不足，模塊功能方面也需完善。因此，尚需對系統的界面進行優化，使之更美觀、更合理，提高易用性。

5 結論

在YimaEnc海圖引擎基礎上利用MFC編程技術進行二次開發，創建通導設備集成系統顯示界面，融合北斗、GPS、AIS和雷達的導航信息，實現導航信息顯示、電子海圖設置、航線編輯、避碰計算等功能，完成了中小型漁船通導設備系統集成的初步探索。利用該技術有利于快速開發符合中小型漁船生產需求的集成系統，是漁船駕駛設備集成系統開發的有力工具；通過集成系統的研究，致力于減少駕駛臺設備，降低操作難度，輔助船員完成駕駛決策，提高漁船生產駕駛安全性。提出的基于目前中小型漁船現有通導設備各功能模塊通過多源信息融合技術、軟件界面集成等為核心的通導設備集成解決方案，在船舶電子設備集成和智能化發展中做了初步探索。漁船駕駛設備集成化是推動船舶智能化發展的重要基礎，對智慧漁船、智慧海洋的發展有著重要意義。

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