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人員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用終端研制，將各種航行信息（如：GPS、AIS、ARPA、電羅經、測深儀、計程儀、風向風速儀以及CCTV監控系統）集成到電子航道圖中，大大提升電子航道圖導航系統的使用效率。

關鍵詞：電子航道圖 GPS 無線通信 AIS

隨著信息技術、通導技術在船舶上的不斷應用，導致船舶上配備的導航設備日益增多（如：AIS、GPS、雷達、羅經、測深儀、計程儀、風向風速儀、電子航道圖導航系統等等），這些設備各自獨立，使得駕駛人員在航行期間要觀看多個屏幕，給駕駛人員帶來很大麻煩，影響駕駛人員瞭望和注意力。同時造成設備之間的連接混亂，非常容易出現各種連接故障，影響設備的正常使用，對設備維護和管理帶來很大困難。

船舶綜合信息系統，通過采用智能化儀表、網絡通信、計算機控制等技術，對艦船平臺的推進系統、電力系統、損管系統和主輔機系統等自動地實施狀態采集、傳遞、綜合和顯示，為操作人員提供實時、動態信息，實現高度自動化的集中監測、管理和控制，以達到節省人力資源，簡化復雜的系統操作，提高安全運行水平的目的。

對各設備之間的信息集成技術進行研究，研制高集成度的綜合信息一體化應用終端。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人員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。

硬件系統設計

目前市場上的電子航道圖導航系統往往是一臺電子航道圖主機與其他導航設備（如GPS）連接，采集相應的數據在圖上顯示，完成導航功能。在此基礎上，我們構思一個新的一體機概念，既將GPS、AIS、通信機全部在計算機內部，實現計算機與這些常用導航設備之間真正意義下的系統集成，提高穩定性、可靠性和安裝維護的簡易性。

參考國內外各種船舶通導設備和相關標準，在一體機的框架下升級為綜合信息一體化應用終端，將各種導航設備的信息接入一體機中，實現綜合信息導航。

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

一體化應用終端集成性強，需要同時集成GPS、AIS、ARPA、電羅經、測深儀、計程儀、風向風速儀等系統。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，分別開發完成模塊的數據轉換格式和解析方法。為了方便使用，主要研究和設計一體化應用終端的外形結構和內部結構。外形設計在美觀大方的前提下，確保一體化應用終端擺放穩固，整體不易變形。在內部結構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。在一體化應用終端內部集成了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，使一體化應用終端小型化。還要使得一體化應用終端結構緊湊，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用終端跟現有類似的導航產品比較，實現了完全集成，GPS、AIS、3G板集成在一體機內部，這些設備的數據直接輸出到主板的COM口，設備供電完全由主板承擔，外部不需要任何連線和其他輔助設備，實現了真正的系統集成。在系統集成度方面處于國內同類產品的領先地位。

系統硬件的特點

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。采用設計外部和內部減震器的方法實現抗震動要求。對于計算機來說主要是硬盤容易損壞，采用固態硬盤和減震墊解決設備的抗震抗搖擺問題。

防水、防霧、防潮、防鹽霧。在硬件設計上，采用防水鍵盤和顯示屏密封的方法實現防水防霧。適應船舶水上作業的需求。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防潮濕和防鹽霧。

抗高溫。高性能的硬件系統發熱較多，終端整體外殼為金屬制造，有利于散熱，同時采用增大CPU散熱片面積和雙風扇結構實現抗高溫。

抗陽光直射和夜航影響。在一體化應用終端上采用了高亮度顯示屏（≥300cd/m2），實現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可以調節顯示屏從關閉到最亮，解決了傳播夜航顯示器太亮的問題。

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

軟件系統設計

終端軟件的功能模塊有：導航設備接收與顯示、遇險報警與預警、船舶動態監控與查詢、船舶航行管理，電子航道圖顯示與控制。

導航設備接收與顯示模塊完成了GPS、AIS、ARPA等外接通導設備接口軟件的設計與開發，包括數據采集、分析、處理以及存儲管理。通導設備接口設計主要研究一體化應用終端與GPS、AIS、通信機（CDMA/GPRS/3G）、羅經、測深儀、計程儀、ARPA、風向風速儀和CCTV視頻數據的接口技術，包括各個通導設備的通信協議、信號轉換方法、接線方法、波特率范圍、數據標準格式以及解析算法等的設計。

遇險報警與預警模塊通過對各數據的分析，實現各類的報警和預計，主要有偏航、擱淺、禁航區、碰標、走錨、方向、區域、穿越安全等深線報警等；船舶動態監控與查詢模塊實現船位的標繪、目標船信息的查詢，以及CPA距離圈顯示等；船舶航行管理模塊實現航線的設計、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軟件中電子航道圖的導入顯示，參數、坐標等變換，圖層選擇等功能。為了滿足多設備數據的同步采集、數據處理以及即時顯示的性能要求，對綜合信息導航軟件系統的底層架構、中間件及調用方法、數據處理算法及程序處理流程等重要內容進行全面的設計與開發。為提高圖形界面的刷新速度，對海圖數據格式要進行特殊處理，為了提高海圖的現實速度，設計了一種全新的海圖數據存儲格式（.nm00），采用這種海圖數據格式可以提高海圖顯示速度3-5倍。節約了大量的CPU占用時間。對于官方提供的S-57和S-63標準的海圖數據，通過我們提供的數據轉換模塊可以直接生成 .nm00文件。

應用軟件系統采用三層架構（基礎層、中間層和應用層）的軟件框架，海圖顯示平臺作為基礎層（BASE層），數據采集、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用層（UI層）。通過UI層向M層發出指令（或者調用）到中間層，由中間層執行具體的動作（采集數據并進行實時處理），并將運算結果自動發給BASE層進行顯示或聲音輸出。

系統應用

系統完成以來，船載綜合信息一體化應用終端，如圖2所示，經過一段時間的測試和試用，達到了設計的功能和性能技術指標。目前已經在多艘船舶上安裝試用。實際表明，終端系統具有如下的特性：①可靠性高，系統應能滿足長期穩定運行的需要，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，在進行系統結構、容量、通訊和處理能力等方面設計開發時，要充分考慮未來需求和目標，保證系統的擴展能力。③易操作性強，系統軟件功能豐富，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，系統具有自動故障判別、告警等能力。終端系統具有集成度高、運行穩定、操作方便，達到了預定目標。

結束語

在高性能工控主板的基礎上，開發了電子航道圖的船載綜合信息終端。終端高度集成了GPS、AIS等各類船載設備，通過軟件和顯示系統最大限度的方便了駕駛人員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。終端系統結構緊湊、構架合理、穩定高效，將大大提升電子航道圖導航系統的使用效率，帶動電子航道圖導航系統的推廣應用。

（作者單位：長江南京航道局）