一种应用于综合舰桥系统的体系结构设计＊

栾厚斌 王 立

（1．海军驻426厂军事代表室 大连 116005）（2．河南大学欧亚国际学院 郑州 475001）

1 引言

综合舰桥系统体系结构存在多种多样的方法，目前基本达成共识的是一个系统的结构必须由多种视图才能比较充分地描述出来。在分析研究当前多种先进信息系统体系结构的设计思想后，参考国外综合舰桥系统的总体架构，本文对三维综合舰桥系统的体系结构，包括运作体系结构、系统体系结构和技术体系结构进行了论述。

2 运作体系结构

运作体系结构规定实现舰船安全经济航行所需执行的任务和活动、主要节点、节点之间的信息流程，用于监控舰船安全经济航行的工作过程。运作体系结构明确地描述了信息交换的状态，确定需要何种层次的互操作能力。

运作体系结构可以作为高层体系结构，指导系统体系结构和技术体系结构的构建。本文主要从工作流程和信息流程两个角度表述综合舰桥的运作体系结构。

1）综合舰桥系统的工作流程

综合舰桥的工作任务由信息探测采集任务、综合决策任务、控制执行任务与状态监视任务四个部分组成。

（1）信息探测采集任务通过各种传感器感知和采集舰船的运动参数、主机状态信息、舰船平台状态、周围环境的信息与运动目标信息，形成综合航海态势；

（2）综合决策任务完成系统航行计划业务，并根据航行计划和综合航海态势，在航海专家知识库支持下制定航行策略；

（3）控制执行任务根据航行决策指令确定航行控制参数，通过车、舵联合操纵，控制舰船按指定要求航行并记录舰船航行过程；

（4）状态监视任务监视舰船的航行状态与舰船设备安全运行状态。

2）综合舰桥系统的信息流程

综合舰桥系统经历40年的发展，已经集成了导航、驾控、航务管理、舰船安全、轮机控制、安全管理、通讯、舰船装载、卸载和载荷控制等多种功能，这些功能的实现过程也就是相关信息的采集、处理及融合过程。所以，当前最先进的综合舰桥系统被称为综合舰船信息系统（即Integrated Ship Information System，ISIS）。IBS 的信息流包含三个基本环节：一是导航信息获取，即从导航传感器获取信息；二是航行规划和指挥控制，即人的意志表达；三是操纵和控制，即意志的实现。因此，IBS 也是典型的自动控制系统。

导航传感器是信息流的始端，舰船综合导航系统利用惯性、水声、卫星无线电、机械和电子传感器测量舰船平台的航向、位置、速度、纵横摇及其变化率等平台航姿信息，利用气象、水文接受处理设备获取海洋环境信息，建立导航信息数据库，经集成处理后，通过船用网络提供给作战平台和舰船平台。

操纵和航行控制是信息流的终端，根据航海人员的思想通过智能控制系统，实现对舰船航行和导航设备的控制，并将控制结果反馈给IBS平台，从而实现舰船自动控制。

3 系统体系结构

系统体系结构将运作体系结构定义的任务和活动转换为一系列系统功能模块，定义支持信息传输的网络体系，以保证系统使命任务的完成。系统体系结构关注物理组件（包括软件模块）的耦合关系，描述实现运作体系结构所需软硬件资源的层次结构，促进系统组件间的互操作和重用［1～2］。

1）综合舰桥系统的组成元素

综合舰桥系统（IBS）是在组合导航系统（INS）基础上发展起来的一种新型、功能更强的海上自动航行系统，图1给出了国际海事组织对IBS及INS的定义。从图中可以看出IBS的主要功能体现在对舰船的监测和控制以及辅助其实现的通信功能上。INS是IBS完成监测和控制舰船的信息来源。IBS采用系统设计的方法，将船上的各种导航设备、舰船操作控制设备和雷达避碰设备通过网络有机结合起来，利用计算机、现代控制、信息融合等技术实现舰船的自动、安全和经济航行。系统具有完善的导航、自动驾驶、自动避碰、通信和航行管理控制等多种功能。

图1 国际海事组织定义的IBS和INS

目前IBS已发展成集导航、控制、显示、监视、管理和通信等功能于一体的综合舰船航行、控制系统，主要由以下几部分组成：

（1）电子海图显示与信息系统ECDIS（Electronic Chart Display and Information System）通过电子海图及导航传感器的定位信息帮助航海人员进行航线规划和航线监测，还可以按照航海人员的需要显示其它相关航行信息。ECDIS是在专用计算机的控制下，集中处理海图数据以及从惯性系统、GPS、罗兰-C、雷达等获得的导航信息以及舰船运动参数，实时显示航海信息。它可显示海区情况、提供航海资料、自动进行海图作业、进行航路监测、危险情况自动告警等。

（2）舰船自动识别系统舰船自动识别系统AIS（Automated Identification System）是一种新型的辅助航行系统。AIS能够自动向装备AIS设备的海岸电台、其它舰船及航空器提供或接收相关信息，包括国籍、船型、位置、航向、航速、航行状态及其它相关的安全信息，监视和跟踪这些舰船并能与岸基电台进行数据交换。

（3）自动雷达标绘辅助系统ARPA（Automated Radar Plotting Aid）自动获得和追踪避碰点，给观察人员提供准确和实时的避碰信息。ARPA主要包括以下功能：避碰点自动探测、滤波跟踪、碰危预判、避碰路线、速度和CPA 自动计算、雷达叠层图、航向操纵等。

（4）舰船综合报警系统（Alarm System）。IBS的报警系统能提醒值班驾驶员及时注意潜在的危险局面。一旦值班驾驶员在设定的时间内没有对报警进行确认，警报将会被自动转到驾驶员房间、办公室和餐厅，以要求援助（Call For Back-up Assistance）。所有主要导航设备的报警都必须接入IBS报警系统。

（5）综合显示信息系统（Conning Display）。在IBS系统的控制位置必须能显示所有与航行和靠泊有关的重要设备的信息。在中央控制位置，必须能监控主要设备的运行状态和驾驶员设定的状态，从而进行比较和判断。

另外IBS还包括数字通讯子系统、操纵与控制子系统、航行数据记录仪等部分。这些子系统通过网络连接，通过相应软件在综导数据库的支撑下实现导航、驾控与舰船安全管理。

目前尚无国际性标准对IBS的组成提出具体要求，但世界著名的船级社对综合舰桥系统应具备的功能和设备都有具体的要求，从中我们可以看出IBS的基本必要的组成。

2）系统功能

目前国际上各类IBS产品都具有五大基本功能。综合导航、综合驾控、雷达避碰辅助决策、安全与综合报警、通信和航海辅助控制等是各类IBS产品都具有的五大基本功能［2］，这正是解决舰船出航五项基本工作任务所需要的。

各类典型的IBS产品既有共性又有个性，共性就是五大基本功能，而在提供自动化、智能化水平、体系结构、配套设备的完备程度和人机界面的人性化水平等方面又各具特色。仔细分析各个厂家典型产品的特点，不难看到，Sperry Marine最新的VisionMaster FT 产品在通导和驾控功能方面的设计和配备比较全面；Konsberg最新的K-Bridge产品新开发的功能有动力定位（DP）和综合舰船管理（IVMS）功能；Sam 的新一代IBS系统是NACOS 55，这是在新系列1100雷达设备基础上，把雷达和驾控、电子海图完美结合的系统；L3Navigation的典型产品是Navinet，在人机工程学方面很有特色，具备一人舰桥的能力；还有Norcontrol／Kelvin-Hughes／Raytheon Anschutz都有新品IBS推出，可见IBS系统技术确实是最具活力、其发展势头经久不衰，这些特色值得借鉴。

3）综合舰桥系统逻辑结构

系统逻辑结构描述了舰桥系统的组成、结构以及各部分之间的相互联系方式。综合舰桥系统通过一体化通信网络实现导航传感器、驾控设备、工作台等各种设备及仪器的互联；通过对舰船航行综合态势信息的探测、采集、处理、融合及决策实现舰船安全经济航行。因此，依据网络结构和信息处理过程将系统的逻辑结构划分为三个层次。

第一层为信息采集层，包括了舰桥系统的所有传感器、通信接口及现场总线（含通信协议）。该层完成导航信息、操舵信息、操车信息、舰船状态信息、设备故障监视和报警信息以及舰船安全性信息的探测及采集。

第二层为数据处理层，包括了舰桥集成驾驶台的所有导航、驾控、雷达、安全、通讯工作站。其中，导航工作站完成速度、航向、姿态与舰位推算，海图数据显示，计划航线设计等工作；驾控工作站完成航线跟踪、自动操舵、自动操车及与舰船驾驶有关的重要信息显示；雷达工作站完成目标识别与跟踪、碰危预判、速度和CPA 自动计算等；安全管理及综合报警工作站完成系统状态和各种配套设备故障监视和报警。另外，舰桥各工作台之间以及与外系统之间通过网络进行信息交换。

第三层为综合决策层，在该层，经过处理的各类舰船状态信息及综合态势信息进一步融合，并运用人工智能技术、现代控制理论、多信息融合技术、模式识别技术及数据库技术等对自动航行、避碰、安全管理作出最优决策，达到安全经济航行的目的。

这样设计的系统逻辑结构形成了支持系统各类应用程序、数据结构、信息流通和运作各项任务的基础框架，为功能和信息集成的实现提供安全性、可用性和可靠性；在这个基础框架上可以实现各工作站之间的互连、互通，可以实时传播和接收各类导航信息和航行数据，进行数据存贮并可以通过体系结构的现场控制总线传播和接收各类操控命令、实施远程操控和监视，在一个全集成的综合舰桥中央驾驶工作站上实施对整艘舰船的监视和控制；实现了舰船的导航、驾控、雷达探测、航行监视、通讯和报警的高度综合和一体化。

4 技术体系结构

技术体系结构是决定系统部件或组成要素的安排、相互配合和相互依存的最低限度的一组规则，其目的是确保组成的系统满足一系列特定的要求。

技术体系结构定义了一系列系统设计与工作时必须遵守的规范和标准，这些规范包括起支配作用的全局标准以及局部范围有效的约定。综合舰桥是一个多种工作平台、多种导航传感器信息源的集成处理工作系统，系统体系结构的基本目标是促进各工作平台、多种导航传感器信息源之间的数据传输，以及信息、资源的互操作和重用，这一目标在体系结构中某些机制的支持下得以部分实现，例如网络通信服务、数据共享服务等。但是，这些机制只是简单的使信息共享和重用成为可能，必须定义适当的标准，并在研制过程中强制执行，才能真正实现上述目标。此外，标准还包括指定工具和资源在体系结构中的应用范围，定义各种模块投入实际应用的过程和方法等。对于那些可以应用于整个体系结构的公共工具、资源和基础设施，建立全局范围的标准将有助于重用、互操作和信息共享。

技术体系结构应遵循国际通用的各种标准和规范，尽可能的涵盖系统总体结构中所需的所有标准，包括全局标准和部门局部规范［3］。

1）系统设计标准

关于综合舰桥系统的设计在国际上已有一部分标准规定，归纳起来可以概括为：首先是SOLAR公约关于舰载设备的规定，IMO MSC RESOLUTIONS＼MSC．64（67）决议是从IBS应具有的功能、性能方面做了总体规定，而IEC 61209 标准是对IMO MSC RESOLUTIONS＼MSC．64（67）的细化规定，ISO 8468-1990是从IBS在现场布设方面做了具体的规定。各国著名船级社在消化这些国际标准规定基础上，对IBS提出了应具备的60项功能规定以及电气电子产品型式认可试验指南。另外，还有与IBS配套的一系列设备IMO、IEC、IHO等国际组织都有相关的标准规定，这些都是我们进行综合舰桥系统设计时首先应该弄清楚的国际标准和规范，是设计的总体依据。

2）数字接口与通信标准

（1）IEC 61162-1：航海导航与无线电通讯设备和系统数字接口（Part 1：Single talker and multiple listeners）

本标准是单播者和多个接收者、高速发送的数字接口的总体标准规定。

（2）IEC 61162-2（第一版1998-09）：航海导航与无线电通讯设备和系统数字接口（Part 2：Single talker and multiple listeners，high-speed transmission）

本标准是航海导航与无线电通讯设备和系统数字接口的第一部分：单播多听，包含了对航海电子仪器，导航和无线电通讯设备互连之间进行数据通讯的要求。它是61162-1认可的各条语句的补充规定，对语句中各个字段做了具体规定。

3）RS-232、RS-422与RS-485标准

RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准，是由电子工业协会（EIA）制订并发布的，RS-232在1962年发布，命名为EIA-232-E。RS-422由RS-232发展而来，它是为弥补RS-232的不足而提出的。为扩展应用范围，EIA 又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA／EIA-485-A 标准。由于EIA 提出的建议标准都是以“RS”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以RS作前缀称谓。

4）NMEA 0183标准

NMEA 0183标准定义了航海仪器间通信的电器接口和数据协议。

5）CAN 2．0规范（ISO11898）

CAN 2．0规范分为CAN 2．0A 与CAN 2．0B。CAN 2．0A 支持标准的11 位标识符；CAN 2．0B同时支持标准的11位标识符和扩展的29位标识符。CAN 2．0规范的目的是为了在任何两个基于CAN-bus的仪器之间建立兼容性；规范定义了传输层，并定义了CAN 协议在周围各层当中所发挥的作用。CAN 2．0规范涉及兼容性的不同方面比如电气特性和数据转换的解释。

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