綜合航行執法系統在公務船艇上的應用

高 健，高 偉，李慶宇，宋亞鵬

(1.陸軍裝備部駐沈陽地區軍事代表局駐大連地區軍事代表室，遼寧 大連 116033；2.大連真想科技有限公司，遼寧 大連 116051)

0 引言

傳統的船舶駕控臺僅是將船舶導航、動力集控、通信和監控設備在物理結構上進行合理布局，即統一布置于船舶的駕控室，導致各設備之間信息數據不兼容、不共享、不同屏，船舶駕駛人員要在不同設備、不同位置的顯示終端上才能讀取所需的航行、駕控和監控信息。這種駕控臺設備多、操作復雜、信息孤立、綜合性不強且需多人配合完成，或是有豐富的操控經驗的人完成，工作效率低下。

綜合船橋系統(Integrated Bridge System， IBS)是實施船舶導航與控制的集成系統，是集導航、監控、管理、顯示于一體的智能化、網絡化的綜合航行管理系統[1]。它通過相互連接以集中使用來自工作站的傳感器信息、命令或控制，大大提高了操作人員管理船舶的安全性和工作效率。

目前，國外一些先進的綜合船橋系統雖然可以實現信息互通和兼容顯示，但也僅限于其自身的系列產品，與國內雷達、北斗等導航產品及主機集控均不兼容，且其技術協議不公開，對系統綜合集成、后期維護和更換設備帶來較大隱患。而國內公務執法船艇所裝備的視頻取證、警告驅離等水上執法設備還需共享船舶航行信息，亟需集船艇航行操縱與綜合執法于一體的信息化公務船橋系統。因此，有必要研發國產自主可控的可兼容國內外導航、監控、集控設備且適合國內公務船艇特點的智能化、網絡化的公務船艇綜合航行執法系統。

本文在研究國內外綜合船橋系統的基礎上，結合國內公務船艇水上綜合執法特點，采用綜合船橋網絡架構技術、無線通信系統軟組織技術和導航信息融合技術，將船艇的導航駕控功能、通信通聯功能和公務執法取證功能等多項管控環節有機集成到一個高度信息化和一體化的綜合航行執法系統中。

1 系統組成功能

公務船艇綜合航行執法系統主要由導航駕控子系統、綜合執法子系統、綜合通信子系統三部分組成，整個系統以千兆雙冗余光纖網絡為主干網絡。

導航駕控子系統主要由綜合監視與報警終端、雷達顯控終端、綜合信息顯示終端、電子海圖顯示終端、船艇機電及日常管理終端等組成，主要提供以下功能：

(1)導航定位、巡邏執法路線管理與監視、越界報警、巡邏再現、地理信息顯示等綜合導航功能。

(2)提供綜合駕控信息顯示、航行綜合態勢監視、輔助避碰等綜合駕控功能。

(3)具備航行狀態、設備狀態、重要部位、船艇工況等監視與報警功能。

執法取證子系統主要由云臺跟蹤、白光/紅外攝像、激光測距、激光炫目設備和綜合顯控終端組成，具備光電搜索、雷達指引、手動捕捉、自動跟蹤、視頻實時顯控、實時拍照錄像取證、視頻回放再現等功能，可執行光電取證、跟蹤監視、執法取證、攔截驅離等綜合執法任務。

綜合通信子系統主要由無線通信設備、寬帶自組電臺傳輸設備、無線電臺遙控裝置、通信工作站等設備組成。該系統具備遠程遙控、視頻傳輸、語音通信、鏈路監控、報文收發、數據分發、隊列維護、數據記錄、通信設置等功能。通信子系統還安裝日常管理平臺，具備日常管理、信息管理、資料管理等功能模塊，為船舶的信息處理和記錄工作提供統一、高效的信息化平臺。

2 系統功能優勢

公務船艇綜合航行執法系統將綜合導航駕控、視頻監控、執法取證融為一體，形成集導航駕控、視頻監控、偵察取證、通信保障、日常管理等多功能體系，具有完善的導航、駕控、避碰、信息集中顯示、監測報警、通信、航行管理和執法取證等多種功能，便于駕控操縱人員觀測、操縱和指令控制。

2.1 綜合導航駕控能力顯著提高

(1)實現了綜合駕控信息的集中顯示。系統專門設置了綜合信息顯示工作站，以圖文并茂形式提供本船狀態數據、航路數據、環境參數和航行態勢等綜合信息，便于駕控人員隨時觀測航行水域和航路信息，監視本船位置、航向、速度、操舵狀態和主機推進狀態，掌控船艇的航向和航速，為安全導航和駕控決策提供充分的信息支持。

(2)實現了綜合駕控信息的共享服務。系統配有船艇綜合信息服務器，可在船載雙冗余光纖網、導航儀表網基礎上為船艇航行管理系統提供船艇綜合信息一體化共享服務。

(3)實現了航行態勢實時監控。通過雷達信息和電子海圖信息的疊加顯示，將本船和雷達獲取的周圍動、靜態目標位置及航行信息在電子海圖進行實時動態顯示，形成綜合導航態勢，以提高駕控操縱人員對船艇航行態勢的認知能力，為船艇操控提供實時、直觀、綜合性的導航態勢信息，極大地提升船艇航行的安全性[2]。

(4)綜合駕控操縱更加便捷實用。系統按照一體化的設計理念，駕駛操縱人員在配備的專用座椅上按照不同駕控要求執行多項操作功能，改變了傳統駕控臺多人多職位操縱模式，真正實現了“一人船橋”的駕控模式。另外，在結構布局和人機界面設計上更加人性化，系統采用更有助于理解的圖形化界面和操作方式，方便各職位人員使用。

2.2 執法取證與監視報警實時高效

(1)船艇對外執法取證實時高效。系統通過紅外/白光視頻取證設備對船艇外部環境信息進行全時監控，對船艇執勤過程中發現的可疑目標和突發情況進行視頻和拍照取證，并通過無線通信手段實時上傳船隊或岸基監控中心，為日常執法巡邏和處置突發情況提供決策依據，提高了可視化的執法監控指揮。

(2)船艇對內監視報警自動可視。系統具備設備狀態監視、故障報警功能，可實時監控主要船載設備，按照故障等級自動提示報警；具有航路監視與航行狀態參量超差報警功能，當船舶遇到危險時，可通過一鍵報警功能，將遇險信息發至監控中心，通過聲音、圖示和文本示警；可在電子海圖上繪制執法警戒線，當公務執法船艇越界航行時，系統自動進行越界報警提示；系統配備CCTV監視報警功能，當某艙室發生火災或破損等突發災難時，系統駕控臺監視系統可自動切換至該艙室，并發出聲光報警，操控人員可按優先級直接查看報警具體內容，并通過視頻監控查看報警場所情況。

(3)提高了數據交換和功能擴充能力。通過開放式的數據接口，實現本船航行、機艙、視頻及圖像信息等數據與其他船艇數據、岸基中心數據的分發共享，提高了協同執法能力；通過系統所提供的開放式接口可擴充接入衛星通信機和相關的助航設備，大大提高了系統的可擴展能力。

2.3 多功能工作站使操作更便捷可靠

系統采用多功能標準模塊終端設計理念，即每個工作終端都內置了全系統功能模塊，可以在任一標準終端上，根據需要分別切換綜合信息顯示、導航雷達、電子海圖、綜合報警、安全監視、機艙工況、視頻取證等功能模塊，實現了不同功能模塊之間的顯示和操作切換。船艇指揮駕控人員可在任意工作終端上操作所有功能模塊，實現了多系統之間的備份，增強了系統可靠性，減少了船艇駕控航行人員的工作量。

2.4 提高了船艇通信通暢性和可靠性

系統采用虛擬電臺技術，利用通信軟件管理系統將船載各型無線通信電臺進行有效集成和組合，通過通信鏈路實時監控、數據報文解析分發、通信隊列狀態維護等通信系統功能，統一組織、管理、調度和遙控各型通信設備，使各型通信設備協調工作，大大提高了船艇通信通暢性和可靠性。

2.5 高速冗余網絡提升系統綜合性能

系統充分借鑒了國外船艇成熟的船橋系統設計經驗，采用船艇雙冗余光纖網絡作為全船的主干網絡，同時接入船艇導航儀表網、船艇CAN數據網、船艇視頻監控網和通信網絡，共同組成船艇一體化網絡平臺。該一體化網絡平臺采用開放式分布式網絡設計理念，在全船重要位置布設高速冗余的控制網絡接入點，可根據系統功能擴展靈活增加相應的功能模塊，新增功能無需重新布設網絡設備，提高了系統的靈活性；同時采用雙冗余的高速光纖網絡作為主干網絡，不僅可以抗電磁干擾，提高了安全性，而且帶寬大，實時性好，可以滿足日益增長的全船內部通聯需求；同時各接入網絡具有獨立的控制網絡，提高了系統拓撲結構的健壯性，進而也提高了系統運行的可靠性。

2.6 實現公務船艇日常信息數字化管理

系統根據公務船艇管理特點和日常執法功能需求，可按照公務船艇實際業務流程和航行慣例進行日常管理系統的設計和開發，提高了日常管理的針對性和實用性。船艇系統管理功能需包含航行信息管理、執行信息管理、日常資料管理等日常管理功能模塊，為公務船艇的信息處理和記錄工作提供統一、高效的數字化管理平臺。

3 關鍵技術應用

3.1 綜合船橋一體化網絡架構技術

綜合船橋系統網絡是系統實現將導航、駕控、通信、控制、監測、預警和安全管理等功能集成于一體的基礎設施，是系統的基礎核心技術。而系統具備這諸多功能，需要配備船載導航儀表網、船載光纖寬帶局域網、船載CCTV視頻監視網、船載通信綜合業務通信網、船-船和船岸無線電通信網絡等多種網絡，將這諸多的網絡連成一體，形成連接全系統的多節點、溝通儀表網絡、光纖寬帶局域網、視頻監視網和綜合業務通信網的高速度、大容量的船載一體化網絡；并通過無線電通信軟組合多功能臺配置的網橋將船載一體化網絡與岸基、船隊聯網，構成協調一致的、可互連、互通、互操縱的船舶一體化航海信息平臺架構。

在系統設計過程中，還應充分考慮系統的可擴展性，允許在網絡上增加新的應用節點、新的系統資源和新的系統需求，各節點分層模式架構支持系統擴展；采用平等獨立的分布式體系結構，確保各信息節點數據存儲及處理具有獨立性，單獨系統的功能不受其他節點的控制和限制；一個節點的坍塌，不會造成整個系統的崩潰，大大提高了系統的可靠性。同時，各節點分層模式支持針對不同層次采取安全措施，每層均進行嚴格的安全有效性驗證，提高了系統安全性的處理效率，降低了安全性處理的復雜度。

公務執法船艇受惡劣天氣、潮濕、鹽霧、霉菌、搖擺、振動、顛簸、沖擊等惡劣工作環境影響，還存在較強的電磁干擾。由此，船艇綜合船橋系統的一體化網絡設計中，應特別強調網絡的穩定性和可靠性。為此，除了依據系統需求恰當地構建一體化網絡架構、選擇高可靠的HOTS網絡設備、簡化網絡設計外，還應采用適宜的以太環網技術和雙冗余接入網技術，作為保證網絡穩定性和可靠性的主要措施。

考慮到交換式以太網和以太環網具有相對較好的帶寬和可靠性，尤其是以太環網具有良好的冗余自保護能力，船載一體化網絡架構采用光纖以太環網拓撲結構做主干網絡架構，鏈路雙冗余的星型拓撲結構做接入網架構，構成船載一體化網絡架構的主體，以期從物理拓撲結構層面提高可靠性。一體化網絡架構主體視圖見圖1。

圖1 綜合船橋系統一體化網絡架構主體視圖

3.2 無線通信系統軟組合技術

無線通信系統主要采用虛擬電臺軟組合技術，在一個開放式、模塊化、標準化的硬件平臺基礎上，把各種無線電臺作為傳感設備，通過軟件集成和組合，形成船艇一體化的無線電通信系統，實現對數據通信的統一組織、管理、調度和遙控操作，協同工作，確保公務執法船艇通信通暢。

無線通信系統以現有的基本通信能力為基礎，采用時分多址(TDMA)通信原理，吸取先進的自組織通信機制技術，采取半自組的方式進行通信鏈路的組建、協調、動作，保證數據高效交互。系統采用主臺協調發送的方式，組織各個通信單元的數據發送；新加入的副臺采取“先偵聽、后接入”的原則進行通信，主臺收到發送申請后，再為新加入的臺站分配新的空間，實現數據的交互使用及高效傳輸。

為達到開放式無線通信系統架構的設計目標，將運行于服務器、電臺節點機、遙控終端、使用終端、控制終端的軟件系統進行統一的層次化劃分。一方面提高軟件系統復用程度，另一方面清晰的層次結構可以使系統具有更高的可維護性，能夠促使系統在功能變更時走向良性循環。

3.3 綜合導航信息融合技術

船艇導航涉及羅經、雷達、AIS、電子海圖、氣象等種類和數量眾多的傳感器，各種傳感器分布在船艇不同部位，各自所觀測感知的數據和信息是多樣而復雜的、帶噪聲又不相匹配的。利用綜合導航信息融合技術，主要把不同類別傳感器的實時測量值集合當成一個個測量子空間，把系統整體當成一個融合信息空間，各個測量子空間在進行匹配處理基礎上，借助于現代控制理論與估值理論，按照最佳化融合準則向系統融合信息空間進行投影，形成優勢互補、關聯、評估和組合的融合處理過程，使系統融合信息空間比單個測量子空間獲取更高的信息合理性、準確性和可靠性，達到最佳的融合效果。

目前，船艇導航信息融合處理方法主要有多位置傳感器信息的融合處理、分段常增益線性濾波方法的融合(估值)處理、自適應卡爾曼濾波的數據融合(估值)處理、應急綜合導航模式的處理、冗余導航模式處理等信息處理方法，其中：多位置傳感器信息的融合處理主要針對不同傳感器的測量精度不一樣、同一個位置可能得到不同的數據的問題，對配置的多個位置傳感器的位置信息進行一致性的融合處理。例如：系統配備有北斗導航定位系統和GPS系統，定位信息需要進行融合處理。因為兩者精度相當，所以，定位信息(經緯度)的融合可以采用下式處理算法：

4 系統結構形態

根據不同的船型和客戶需求，提供各種形態的結構，主要有環式、直式和折式三種結構，也可以提供客戶個性化定制服務。系統終端可多可少，亦可靈活配置。綜合執法終端和通信工作站可統一配置在駕駛室，也可配置于其他艙室。系統結構形態見圖2。

圖2 系統結構形態

5 結論

(1)綜合船橋系統在公務船艇上的應用具有重大價值。通過系統提供的船艇航行態勢的實時、直觀、綜合性顯示監控，以及船艇避碰、監測報警、航行管理等綜合性輔助決策措施，可大大提高船艇駕控人員的操縱便捷性，實現一人多控。

(2)通過綜合船橋網絡架構技術應用，有效融合了船艇各類數據信息，解決了“信息孤島”問題，實現了數據共享服務。如：執法取證光電設備可利用導航雷達目標數據實施目標指引；執法取證視頻可實時標注船艇位置數據信息等。

(3)通過無線通信系統軟組合技術應用，有效整合了船艇無線通信手段，使船艇與船艇間、船艇與岸基間通信更加暢通快捷，提高了船艇通聯能力和通信效率。