漁船電子信息系統技術的探討*

高麗娟

（成都天奧信息科技有限公司，四川 成都 610036）

漁船電子信息系統技術的探討*

高麗娟

（成都天奧信息科技有限公司，四川 成都 610036）

根據漁船電子信息系統的國內外管理經驗，針對目前漁船電子信息系統管理分散的現狀，將導航電子設備、通信系統電子設備、安全相關系統電子設備、生產作業電子設備高度集成，建設集導航、通信、安全、自動駕駛及監控一體化的現代電子信息系統，以有效緩解漁船電子設備資源嚴重浪費、管理混亂的局面。同時，介紹該系統需要的關鍵技術如電子海圖技術，以計算機網絡、現場總線技術為標志的集成平臺管理系統技術等。

船舶自動識別系統；漁船電子信息系統；電子海圖技術；多導航傳感器多源信息融合處理技術

0 引 言

隨著電子行業的不斷發展，漁船電子類產品AIS船臺﹑GPS接收機﹑電子海圖等不斷出現，電子類產品對漁船作業的安全和工作效率起到了關鍵作用。但是，電子設備的漸進式發展方式導致電子設備功能分散，有的功能重疊，集成度不夠高，既擠占了有限的設備空間，又使得設備使用維護繁瑣，且增加了造船成本和維護成本。漁船電子信息系統通過合理規劃漁船電子信息設備，將所有電子設備以最高效率的使用和融合使用來避免現有漁船電子信息能力設備的不足。

1 漁船電子信息系統的現狀

20世紀70年代，漁船電子信息系統，即初期的綜合船橋系統（IBS）已經開始使用。目前，世界上先進國家已研制推出第3代﹑第4代不同類型的綜合船橋系統（IBS）。它應用現代控制﹑信息處理等技術，將船上的各種導航﹑操作控制和雷達避碰等各種傳感器有機組合起來，對導航﹑駕駛﹑航行管理﹑避讓﹑輪機監控﹑自動監測﹑自動報警等功能實施控制，以最少的人力﹑最低的燃料消耗，實現船舶自動化航行[1]。

我國漁船數量多，分布面積廣闊，游動性強，管理難度較大。目前，漁船電子設備按功能分為導航系統電子設備﹑通信系統電子設備﹑安全相關系統電子設備及生產作業電子設備。導航系統電子設備包括雷達﹑GPS衛導﹑測深儀﹑無線電測向儀﹑羅經系統；通信系統電子設備包括VHF電臺﹑雙向無線電話﹑單邊帶短波電臺；安全相關系統電子設備包括雷達SART﹑AIS船臺；生產作業電子設備包括漁探系統。漁船電子設備組成，如圖1所示。

圖1 漁船電子設備組成

目前，漁船的每個電子設備都是獨立工作，每個電子設備都配有獨立的顯示終端，由此帶來了諸多弊端。

（1）船舶空間的浪費。每個設備都有獨立的顯示和天饋系統，設備安裝擺放造成船舶空間的嚴重浪費。

（2）硬件資源的嚴重浪費。每個設備都配有獨立的顯示終端，每個設備都有獨立的天饋系統，造成硬件資源的嚴重浪費，提高了成本。

（3）信息資源的嚴重浪費。目前，設備信息沒有實現共享，每個設備獨立工作，造成信息資源嚴重浪費。

（4）電子設備的接口管理混亂。在漁船建造初期，沒有對漁船進行總體規劃設計，致使電子設備的接口不匹配，不能進行信息資源的共享。

（5）電子設備先進性比較落后。漁船大部分采用手動駕駛，既增加了船員的勞動強度，也增加了漁船的定員數量，同時造成漁船航行時航線精確度誤差較大，形成“S”形航跡。

2 漁船電子信息系統技術的探討

2.1 系統的工作原理及功能

針對以上存在的問題，建設漁船電子信息系統是漁船電子行業發展的必然選擇。漁船電子信息系統是將漁船的導航系統﹑通信系統﹑安全相關系統及生產作業系統有機結合起來，建設集導航﹑通信﹑安全﹑自動駕駛及監控一體化電子信息導航系統[2]。漁船電子信息系統框圖，如圖2所示。

圖2 漁船電子信息系統

在機載電子設備和車載電子設備的系統總線使用比較成熟的今天，船載電子設備總線的使用是船載電子產品發展的必然。該系統通過將每個設備設計為標準總線接口，能夠實現對現有的AIS船臺[3]﹑GPS/DGPS接收機﹑電羅經﹑海圖機﹑數據記錄儀器（VDR）等分散設備的整合。

該系統具有以下功能：

（1）支持多種設備的同時接入；

（2）支持避碰雷達信號接入的同時，進行數據的融合顯示；

（3）支持捕魚機信號的接入；

（4）同時作為自動駕駛系統中控機﹑本地與遠程監控中控機使用；

（5）集成RFID船只身份識別；

（6）提供“黑匣子”VDR數據記錄功能；

（7）支持本船集中監控，包括主機﹑舵機﹑油耗﹑冷庫等參數的集中監視；

（8）支持岸基中心的遠程監控和指揮船移動中心的監控；

（9）集成遠程監控必需的近海無線通訊設備，如AIS接收機﹑VHF電臺等；

（10）支持中遠海域無線通訊的可選擇擴展，如北斗接收機﹑海事衛星電話等。

2.2 系統關鍵技術

2.2.1 電子海圖信息顯示技術

電子海圖是漁船電子信息系統顯示的平臺。無論是紙質海圖還是電子海圖，都是根據航行安全的需要，以一定的方式描述海道測量領域的諸要素。然而，真實世界復雜得難以描述，必須使用簡單的﹑高度專業化的真實世界觀察方法來模擬真實世界。這種方法使用的數據格式應符合IHO數字海道測量數據傳輸標準S-57[4]。S-57專門用于描述真實世界數據的傳輸，故用來模擬真實世界的理論數據模型就成了S-57標準的基礎。

理論數據模型將真實世界定義為描述屬性和空間屬性的混合體，這些屬性的集合被稱作特征目標和空間目標。特征目標包括描述屬性但不包括任何幾何形狀；空間目標可以包含描述信息，同時必須包括幾何形狀。

特征目標的位置由一個或多個相關聯的空間目標確定。特征目標可以不關聯任何空間而存在，但每一個空間目標必須至少與一個特征目標相關聯。

S-57定義了四類特征目標，依次如下：

元目標：包含其他目標信息的特征目標。

制圖目標：包含真實世界物體的﹑由制圖符號代表的信息組成的特征目標。

地理目標：包含真實世界物體的描述信息的特征目標。

集合目標：包含描述其他目標關系的特征目標。

為了轉換真實世界的信息，S-57采用了分層逼近的方式。首先，真實世界建立了現實模型從而便于理解，獲得的模型被轉換成已命名的組成部分。實現這種轉換的部分是指對組成部分及其內容的各種規則和約束的定義[5]。

2.2.2 以計算機網絡、現場總線技術為標志的集成平臺管理系統技術

20世紀90年代中期，以現場總線技術為基礎的全數字式控制系統擴展到船舶工業領域，使艦船自控技術獲得了新的發展。對于船舶這個具體的對象，船用現場總線系統的優勢主要表現在：

（1）提高抗干擾性和可靠性；

（2）有利于系統的模塊化設計；

（3）便于不同開發小組之間的協調和合作；

（4）連線減少，便于設計和維護。

綜合以上因素，船舶自控系統應該采用實時性好﹑抗干擾能力強﹑成本較低﹑開發和使用難度較小的現場總線系統。目前，有報道的應用于船舶總線主要包括：CAN﹑LonWorks﹑WorldFIP。其中，使用較多的為CAN總線。全世界所有船舶自動化設備公司，如SIEMENS﹑NORCOTROL﹑MTU等，幾乎都支持CAN標準。在我國，一些科研院所和企業也開發了基于CAN總線的船舶監控平臺。

作為一種串行通訊技術，CAN-bus是20世紀80年代中后期適應汽車控制網絡化要求而產生并迅速發展起來的，并已成為開放的國際標準通訊協議（ISO 11898），在眾多領域得到了廣泛應用。目前，許多著名的大半導體制造商生產CAN芯片，并在工業中得到了廣泛應用。ICAN系統全稱為“工業CAN-bus現場總線控制系統（Industry CAN-bus Fieldbus Control System）”。它是一種基于CAN-bus（Controller Area Network）的現場總線控制系統。ICAN系統提供一個低成本的通信鏈路，使用CAN-bus將工業現場設備（傳感器﹑儀表等）與管理設備（工控機﹑PLC等）連成網絡，從而逐步替代了昂貴的連接線路。典型的ICAN系統，如圖3所示。

圖3 典型的ICAN系統

2.2.3 多導航傳感器多源信息融合處理技術

根據國內外的研究成果，多傳感器信息融合比較確切的定義可以概括為：充分利用不同時間與空間的多傳感器信息資源，采用計算機技術對按時間序列獲得的多傳感器觀測數據，在一定準則下進行分析﹑綜合﹑支配和使用，獲得對被測對象的一致性解釋與描述，進而實現相應的決策和估計，使系統獲得比它的各組成部分更充分的信息。因此，多傳感器是信息融合的硬件基礎，多源信息是信息融合的加工對象，協調優化和綜合處理是信息融合的核心。信息融合技術對來自多傳感器的信息進行檢測﹑關聯﹑相關﹑識別﹑綜合等多級﹑多方面處理，以得到準確的目標狀態，屬性估計和完整﹑及時的現場態勢及評估。信息融合通過對多傳感器信息進行綜合處理，得到更為準確﹑可靠的結論。

2.2.4 在開放式體系中的實時多任務操作系統基礎上的系統集成技術

漁船信息系統集成處理是在實時多任務操作系統上完成的。實時多任務操作系統是能在確定的時間內執行其功能，并對外部的異步事件作出響應的計算機系統。多任務環境允許一個實時應用作為一系列獨立任務來運行，各任務有各自的線程和系統資源。實時多任務操作系統提供多處理器間和任務間高效的信號燈﹑消息隊列﹑管道﹑網絡透明的套接字。實時系統的另一關鍵特性是硬件中斷處理。為了獲得最快速可靠的中斷響應，實時多任務操作系統的中斷服務程序ISR有自己的上下文[6]。實時多任務操作系統由多個相對獨立的﹑短小精煉的目標模塊組成，用戶可根據需要選擇適當模塊來裁剪和配置系統，從而有效保證了系統的安全性和可靠性。系統的鏈接器可按應用的需要自動鏈接一些目標模塊。這樣通過目標模塊之間的按需組合，可得到許多滿足功能需求的應用。

2.2.5 船舶—船岸信息一體化系統技術

船舶—船岸信息一體化系統技術是為遠洋運輸船舶和遠洋漁業捕撈隊等在世界各海域中執行各項作業任務的大中型船舶提供船舶航行狀態的實時監視﹑調度﹑管理﹑指揮的大型的自動管理系統。該系統主要是船舶自動識別系統（AIS），通過擴充遠程無線網絡通信功能實現海上數字交通，并且通過衛星通信網﹑陸地計算機廣域網和局域網，以規定的報告格式實時與岸上基站自動進行通信，構成船岸信息一體化網絡，成為集導航﹑通信﹑控制為一體的船舶自動化系統。這對于海上船舶航行安全具有重要意義。

2.2.6 系統集成信息網絡搭建技術

該系統網絡采用分布式數據庫設計，按照行政管轄域分級對信息內容和軟件功能進行定義，靈活適應不同行政區域監控和指揮，通過統一的接口定義管理實現各級中心之間與其他需使用數據的部門系統之間信息交互。在軟件體系內部，自下而上傳輸各基站接收到的船舶動態或靜態報文﹑各網絡部件工作狀態等信息。它的網絡系統拓撲，如圖4所示。

由圖4可見，自下而上，網絡系統分為一級管理中心和二級管理中心兩個層次。

二級管理中心是系統設計的基礎。利用該區域內布設的基站管理設備終端﹑區域業務數據服務器﹑區域網絡管理服務器﹑外部船舶動態監控及航標管理等應用終端，對區域管轄范圍內的沿海/江一線實現通信﹑監視﹑控制和識別等功能。

一級管理中心利用各區域所轄范圍內的岸海態勢信息集結處理和信息共享分發功能，形成全局性的船舶態勢信息，輸出給一級中心的應用終端，為漁政/海事部門提供決策支持，且可根據需要向其他需要全局性數據的部門提供數據信息。

此外，可在每個區域內加載數據庫服務器，如基站控制軟件﹑網絡管理服務器軟件﹑數據分發軟件﹑船舶動態管理軟件﹑航標管理軟件﹑數據流量統計分析軟件等。

2.2.7 漁船電子信息系統集成處理技術

漁船電子信息系統集通信﹑導航﹑安全﹑自動駕駛于一體。該系統用以取代原來的AIS﹑GPS衛導﹑電羅經﹑VDR（黑匣子）等分散設備，并同時作為自動駕駛系統中控機﹑本地與遠程監控中控機使用。

圖4 網絡系統拓撲

漁船電子信息系統在漁船上配置單獨的顯控終端和中央處理機。顯控終端顯示界面為電子海圖（具有電子海圖儀的功能）。漁船用電子設備通過信息總線把雷達信息﹑AIS船臺信息﹑北斗接收系統信息﹑海事電話信息﹑VHF電臺信息﹑單邊帶電臺信息﹑漁船導航﹑通信﹑生產工作電子與自動控制設備信息接入中央處理機；中央處理機將接收到的信息按照國際標準進行信息解析；將雷達數據與AIS船臺信息進行融合處理后，顯示在顯控終端上。顯控終端可以自動彈出漁船被碰﹑偏離航線﹑危險海區等報警信息。把冷庫傳感器﹑油耗傳感器﹑舵位傳感與操控單元等各種傳感器通過信息總線接入中央處理機，顯控終端可以顯示漁船自身運行的各項參數，如舵位參數﹑油耗參數﹑冷庫參數等[7]。漁探系統可以提供海底狀況和水深﹑水溫數據，使漁船隨時掌握海底信息并在顯控終端進行顯示，以提高漁民的生產效率。同時，中央處理機將接收到的信息打包成特定的格式傳送給VDR記錄儀保存。

3 結 語

綜上所述，漁船電子信息系統是船舶科學技術的重要組成部分，采用高速傳輸技術組成一個綜合網絡系統，在網絡上根據需要連接一定數量的船舶設備，各設備對船舶進行監測﹑控制和操縱等。該系統由于高度集成取代多個獨立設備，可大大降低設備總成本。同時，漁船上的電子設備的信息可以進行共享和信息融合，解決現有漁船電子設備的弊端。此外，漁船電子信息系統正朝著數字化﹑智能化﹑模塊化﹑網絡化﹑集成化的方向迅速發展，是國際船舶電子技術發展演進的整體趨勢。

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Exp loration on Electronic InforMation System s of Fishing Vessels

GAO Li-juan

(Chengdu Spaceon Info Tech Ltd, Chengdu Sichuan 610036, China)

Based on management experience of fishing-vessel electronic information systems both at home and abroad, and for the current situation of separate management on electronic information systems of the fishing vessel the navigation electronic equipment, communication electronic equipment, safety-related electronic equipment and production electronic devices are intensely integrated, thus to build up a modern integrative electronic information system of navigation, communication, security, automatic driving and monitoring capabilities, and effectively mitigate the situation of serious electronic resources waste and indisorder management for the fishing vessel. In addition, the key technologies for the electronic information systeMare also described, including ECIDS, integrated platform management with computer network and environmental bus as main indication.

automatic identification system; fishing-vessel electronic information system; electronic chart display system; multi-navigation sensor and multi-source information fusion processing technology

TP2

A

1002-0802(2016)-11-1546-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.11.025

高麗娟（1976—），女，學士，工程師，主要研究方向為產品總體設計和開發。

2016-07-19；

2016-10-10 Received date:2016-07-19;Revised date:2016-10-10