一種應用于綜合艦橋系統的體系結構設計＊

欒厚斌 王 立

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

1 引言

綜合艦橋系統體系結構存在多種多樣的方法，目前基本達成共識的是一個系統的結構必須由多種視圖才能比較充分地描述出來。在分析研究當前多種先進信息系統體系結構的設計思想后，參考國外綜合艦橋系統的總體架構，本文對三維綜合艦橋系統的體系結構，包括運作體系結構、系統體系結構和技術體系結構進行了論述。

2 運作體系結構

運作體系結構規定實現艦船安全經濟航行所需執行的任務和活動、主要節點、節點之間的信息流程，用于監控艦船安全經濟航行的工作過程。運作體系結構明確地描述了信息交換的狀態，確定需要何種層次的互操作能力。

運作體系結構可以作為高層體系結構，指導系統體系結構和技術體系結構的構建。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作體系結構。

1）綜合艦橋系統的工作流程

綜合艦橋的工作任務由信息探測采集任務、綜合決策任務、控制執行任務與狀態監視任務四個部分組成。

（1）信息探測采集任務通過各種傳感器感知和采集艦船的運動參數、主機狀態信息、艦船平臺狀態、周圍環境的信息與運動目標信息，形成綜合航海態勢；

（2）綜合決策任務完成系統航行計劃業務，并根據航行計劃和綜合航海態勢，在航海專家知識庫支持下制定航行策略；

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

（4）狀態監視任務監視艦船的航行狀態與艦船設備安全運行狀態。

2）綜合艦橋系統的信息流程

綜合艦橋系統經歷40年的發展，已經集成了導航、駕控、航務管理、艦船安全、輪機控制、安全管理、通訊、艦船裝載、卸載和載荷控制等多種功能，這些功能的實現過程也就是相關信息的采集、處理及融合過程。所以，當前最先進的綜合艦橋系統被稱為綜合艦船信息系統（即Integrated Ship Information System，ISIS）。IBS 的信息流包含三個基本環節：一是導航信息獲取，即從導航傳感器獲取信息；二是航行規劃和指揮控制，即人的意志表達；三是操縱和控制，即意志的實現。因此，IBS 也是典型的自動控制系統。

導航傳感器是信息流的始端，艦船綜合導航系統利用慣性、水聲、衛星無線電、機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、水文接受處理設備獲取海洋環境信息，建立導航信息數據庫，經集成處理后，通過船用網絡提供給作戰平臺和艦船平臺。

操縱和航行控制是信息流的終端，根據航海人員的思想通過智能控制系統，實現對艦船航行和導航設備的控制，并將控制結果反饋給IBS平臺，從而實現艦船自動控制。

3 系統體系結構

系統體系結構將運作體系結構定義的任務和活動轉換為一系列系統功能模塊，定義支持信息傳輸的網絡體系，以保證系統使命任務的完成。系統體系結構關注物理組件（包括軟件模塊）的耦合關系，描述實現運作體系結構所需軟硬件資源的層次結構，促進系統組件間的互操作和重用［1～2］。

1）綜合艦橋系統的組成元素

綜合艦橋系統（IBS）是在組合導航系統（INS）基礎上發展起來的一種新型、功能更強的海上自動航行系統，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的主要功能體現在對艦船的監測和控制以及輔助其實現的通信功能上。INS是IBS完成監測和控制艦船的信息來源。IBS采用系統設計的方法，將船上的各種導航設備、艦船操作控制設備和雷達避碰設備通過網絡有機結合起來，利用計算機、現代控制、信息融合等技術實現艦船的自動、安全和經濟航行。系統具有完善的導航、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已發展成集導航、控制、顯示、監視、管理和通信等功能于一體的綜合艦船航行、控制系統，主要由以下幾部分組成：

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

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

（3）自動雷達標繪輔助系統ARPA（Automated Radar Plotting Aid）自動獲得和追蹤避碰點，給觀察人員提供準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、碰危預判、避碰路線、速度和CPA 自動計算、雷達疊層圖、航向操縱等。

（4）艦船綜合報警系統（Alarm System）。IBS的報警系統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定的時間內沒有對報警進行確認，警報將會被自動轉到駕駛員房間、辦公室和餐廳，以要求援助（Call For Back-up Assistance）。所有主要導航設備的報警都必須接入IBS報警系統。

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

另外IBS還包括數字通訊子系統、操縱與控制子系統、航行數據記錄儀等部分。這些子系統通過網絡連接，通過相應軟件在綜導數據庫的支撐下實現導航、駕控與艦船安全管理。

目前尚無國際性標準對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應具備的功能和設備都有具體的要求，從中我們可以看出IBS的基本必要的組成。

2）系統功能

目前國際上各類IBS產品都具有五大基本功能。綜合導航、綜合駕控、雷達避碰輔助決策、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所需要的。

各類典型的IBS產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、體系結構、配套設備的完備程度和人機界面的人性化水平等方面又各具特色。仔細分析各個廠家典型產品的特點，不難看到，Sperry Marine最新的VisionMaster FT 產品在通導和駕控功能方面的設計和配備比較全面；Konsberg最新的K-Bridge產品新開發的功能有動力定位（DP）和綜合艦船管理（IVMS）功能；Sam 的新一代IBS系統是NACOS 55，這是在新系列1100雷達設備基礎上，把雷達和駕控、電子海圖完美結合的系統；L3Navigation的典型產品是Navinet，在人機工程學方面很有特色，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系統技術確實是最具活力、其發展勢頭經久不衰，這些特色值得借鑒。

3）綜合艦橋系統邏輯結構

系統邏輯結構描述了艦橋系統的組成、結構以及各部分之間的相互聯系方式。綜合艦橋系統通過一體化通信網絡實現導航傳感器、駕控設備、工作臺等各種設備及儀器的互聯；通過對艦船航行綜合態勢信息的探測、采集、處理、融合及決策實現艦船安全經濟航行。因此，依據網絡結構和信息處理過程將系統的邏輯結構劃分為三個層次。

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

第二層為數據處理層，包括了艦橋集成駕駛臺的所有導航、駕控、雷達、安全、通訊工作站。其中，導航工作站完成速度、航向、姿態與艦位推算，海圖數據顯示，計劃航線設計等工作；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的重要信息顯示；雷達工作站完成目標識別與跟蹤、碰危預判、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狀態和各種配套設備故障監視和報警。另外，艦橋各工作臺之間以及與外系統之間通過網絡進行信息交換。

第三層為綜合決策層，在該層，經過處理的各類艦船狀態信息及綜合態勢信息進一步融合，并運用人工智能技術、現代控制理論、多信息融合技術、模式識別技術及數據庫技術等對自動航行、避碰、安全管理作出最優決策，達到安全經濟航行的目的。

這樣設計的系統邏輯結構形成了支持系統各類應用程序、數據結構、信息流通和運作各項任務的基礎框架，為功能和信息集成的實現提供安全性、可用性和可靠性；在這個基礎框架上可以實現各工作站之間的互連、互通，可以實時傳播和接收各類導航信息和航行數據，進行數據存貯并可以通過體系結構的現場控制總線傳播和接收各類操控命令、實施遠程操控和監視，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視和控制；實現了艦船的導航、駕控、雷達探測、航行監視、通訊和報警的高度綜合和一體化。

4 技術體系結構

技術體系結構是決定系統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則，其目的是確保組成的系統滿足一系列特定的要求。

技術體系結構定義了一系列系統設計與工作時必須遵守的規范和標準，這些規范包括起支配作用的全局標準以及局部范圍有效的約定。綜合艦橋是一個多種工作平臺、多種導航傳感器信息源的集成處理工作系統，系統體系結構的基本目標是促進各工作平臺、多種導航傳感器信息源之間的數據傳輸，以及信息、資源的互操作和重用，這一目標在體系結構中某些機制的支持下得以部分實現，例如網絡通信服務、數據共享服務等。但是，這些機制只是簡單的使信息共享和重用成為可能，必須定義適當的標準，并在研制過程中強制執行，才能真正實現上述目標。此外，標準還包括指定工具和資源在體系結構中的應用范圍，定義各種模塊投入實際應用的過程和方法等。對于那些可以應用于整個體系結構的公共工具、資源和基礎設施，建立全局范圍的標準將有助于重用、互操作和信息共享。

技術體系結構應遵循國際通用的各種標準和規范，盡可能的涵蓋系統總體結構中所需的所有標準，包括全局標準和部門局部規范［3］。

1）系統設計標準

關于綜合艦橋系統的設計在國際上已有一部分標準規定，歸納起來可以概括為：首先是SOLAR公約關于艦載設備的規定，IMO MSC RESOLUTIONS＼MSC．64（67）決議是從IBS應具有的功能、性能方面做了總體規定，而IEC 61209 標準是對IMO MSC RESOLUTIONS＼MSC．64（67）的細化規定，ISO 8468-1990是從IBS在現場布設方面做了具體的規定。各國著名船級社在消化這些國際標準規定基礎上，對IBS提出了應具備的60項功能規定以及電氣電子產品型式認可試驗指南。另外，還有與IBS配套的一系列設備IMO、IEC、IHO等國際組織都有相關的標準規定，這些都是我們進行綜合艦橋系統設計時首先應該弄清楚的國際標準和規范，是設計的總體依據。

2）數字接口與通信標準

（1）IEC 61162-1：航海導航與無線電通訊設備和系統數字接口（Part 1：Single talker and multiple listeners）

本標準是單播者和多個接收者、高速發送的數字接口的總體標準規定。

（2）IEC 61162-2（第一版1998-09）：航海導航與無線電通訊設備和系統數字接口（Part 2：Single talker and multiple listeners，high-speed transmission）

本標準是航海導航與無線電通訊設備和系統數字接口的第一部分：單播多聽，包含了對航海電子儀器，導航和無線電通訊設備互連之間進行數據通訊的要求。它是61162-1認可的各條語句的補充規定，對語句中各個字段做了具體規定。

3）RS-232、RS-422與RS-485標準

RS-232、RS-422與RS-485都是串行數據接口標準，是由電子工業協會（EIA）制訂并發布的，RS-232在1962年發布，命名為EIA-232-E。RS-422由RS-232發展而來，它是為彌補RS-232的不足而提出的。為擴展應用范圍，EIA 又于1983年在RS-422基礎上制定了RS-485標準，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發送器連接到同一條總線上，同時增加了發送器的驅動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，后命名為TIA／EIA-485-A 標準。由于EIA 提出的建議標準都是以“RS”作為前綴，所以在通訊工業領域，仍然習慣將上述標準以RS作前綴稱謂。

4）NMEA 0183標準

NMEA 0183標準定義了航海儀器間通信的電器接口和數據協議。

5）CAN 2．0規范（ISO11898）

CAN 2．0規范分為CAN 2．0A 與CAN 2．0B。CAN 2．0A 支持標準的11 位標識符；CAN 2．0B同時支持標準的11位標識符和擴展的29位標識符。CAN 2．0規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；規范定義了傳輸層，并定義了CAN 協議在周圍各層當中所發揮的作用。CAN 2．0規范涉及兼容性的不同方面比如電氣特性和數據轉換的解釋。

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