船舶导航信息系统接口设计

万 军，陈凯华

(1.重庆科创职业学院，重庆402160;2.上海海事大学，上海201306)

0 引 言

船舶导航信息系统集成了计算机、通信、信号处理、自动控制等多个领域的专业技术，是当代航海运输中不可或缺的重要助航设备。自从20 世纪出现以来，就以精确性、实时性、高效性等优点，迅速得到应用和普及［1］，因而在学术领域和工程领域对于船舶导航技术和导航系统的研究成果也相对较多，逐渐发展成为一门较为成熟的技术。近年来，由于信息科技的突飞猛进，一方面为船舶导航技术带来了新的生机，另一方面也为船舶导航信息系统提出了新的挑战。随着多种新技术被引入该系统，使得系统的复杂性大大增加，同时由于航运业的不断发展和用户需求的不断变换，使得原先品种功能单一的船舶导航系统逐渐向差异化、多功能化方向演进。在这种发展趋势下，对于如何设计和实现功能复杂多样，性能稳定可靠的船舶导航信息系统，研究比较欠缺，本文正是着眼于系统的实际需要和实现，对相关问题进行了研究和探讨。本文主要介绍船舶导航信息系统的背景，以及实现的关键点;对导航系统需要处理的信息种类及信息系统中的接口进行研究和实际;并根据文中所提方案进行初步的软件实现。

1 船舶导航信息系统

船舶导航信息系统是信号处理系统、数据通信系统、计算机系统等的集成，是一个包含了软件和硬件的复杂系统。其主要利用GPS 等卫星定位技术实现船舶的定位，同时依靠船舶中的多种传感器和航海设备，通过计算机的处理和融合得到船舶的经纬度、航向、航速等信息，并借助GIS 等地理信息系统，以直观、实时的方式向操作员或用户显示这些信息。其优势在于信息收集自动化程度高、精确度高、结果显示直观、信息实时更新等，其劣势在于需要综合多种信息技术，实现起来有较大的难度［2］。

对于不同类型和用途的船舶来说，对于导航信息系统有着不同的需求，例如对于大型船舶来讲，对于船舶的经纬度、航速、航向等信息有较为精确的需求，而对信息的实时性则没有太高要求;对于小型船舶来说，其往往出没于繁忙的港口，需要实时的导航信息，以及时规避其他船只，避免碰撞，因而对于导航的更新速率有着很高的要求;而对于特殊用途船舶来说，常常需要应对恶劣的海况，则要求船舶导航信息系统有较好的稳定性和可靠性。正因为此，至今还未有国际公认的船舶导航信息系统的设计标准。

在该系统中，需要借助GPS 芯片等硬件设备实现相应的功能，当前这些硬件设备技术比较成熟，相应的接口已经得到标准化，应用比较方便［3］。然而，如何处理各种设备收集的信息，并将其合成为有效的导航信息，是整个船舶导航系统实现的难点，因此，该系统的核心为软件设计，而软件接口设计是连接系统各个部分的关键。如图1所示，本文将系统的接口设计分为3个层次。

图1 系统接口设计Fig.1 Design of the system interface

如上文介绍，当前所需要应用的硬件设备，如GPS 系统、船舶测速仪等，其接口已经开发成熟，使用较为方便，不需要进行二次开发。而用户界面设计，由于用户需求差异较大，在实际实现过程中，需要根据具体的需求进行开发。而信息接口是本文关注的重点，一方面硬件通过该接口将收集到的信息传递给导航信息系统的中央处理模块，另一方面上层用户界面通过调用相应的信息接口，实现信息的传输、显示、分析等具体功能。因而，信息接口是导航信息系统的核心，本文将主要对这类接口进行研究和设计。

2 导航信息分析

船舶导航信息系统处理和储存多种信息，首先，系统需要处理硬件接口递交的监测信息，并根据上层用户的需求给予硬件设备相应的反馈;其次，系统需要将处理和合成之后的信息显示给用户，同时从用户的输入设备中收集用户的需求并进行处理;最后，系统还需要与GIS、卫星通信系统等模块进行交互，实现信息的分析和更新［4－6］。因此，导航信息在系统的流动过程中形成3个闭环，如图2所示。

在硬件信息闭环中，硬件接口产生的信息主要为经纬度、航向、航速等初始信息，并通过硬件设备本身接口输出该信息。然而，由于不同设备采用不同的标准并由不同的厂商制造，因而其产生的数据格式差异较大，无法被信息接口直接使用，因而需要信息收集与格式化模块进行数据的格式化。该模块从硬件接口中收集数据，并根据预先定义的数据结构将数据重新组织，并以一定的格式提交给信息接收接口，在信息接收接口中，则对数据的合法性进行检验，同时识别数据的类型，交付给相应的中央处理功能。

图2 硬件信息闭环Fig.2 The circle of hardware information

图3 用户信息闭环Fig.3 The circle of user information

在用户信息闭环中，中央处理模块将处理完毕的信息，按照一定的消息格式，通过信息交付接口输出给用户界面，并显示给终端用户。因此可以看出，用户界面的设计需要相应的信息交付接口的支持，同时用户根据自己的需求，通过用户界面对导航信息系统进行相应的操作，该请求也通过信息交付接口递交给中央处理模块，进行进一步的处理。

图4 外部信息闭环Fig.4 The circle of external system information

在外部信息闭环中，中央处理模块需要借助一些外部系统获取需要的信息，如通过GIS 可以结合数字地图等平台，直观地显示导航信息，而通过卫星通信网络，可以将通信功能集成入导航信息平台中，实现多节点的位置和导航信息交换。在整个过程中，中央处理模块根据实际的需要向外部系统提交信息请求，并从外部系统中下载相应的信息。需要注意的是，外部系统中采用的消息格式往往有较为明确的标准，因而信息扩展接口必须具备相应的适配机制，支持相应的标准，识别对应格式的数据和消息，并将其转换为中央处理模块能够处理的数据结构。

3 信息接口设计

在第2 节中，对系统应用的信息接口进行了介绍，并对其功能进行了较为详细的描述，根据其功能和作用位置的不同，可以将其分为信息接收接口、信息交付接口和信息扩展接口3 类。

3.1 信息接收接口

信息接收接口的主要功能是:接收由硬件提交的信息，并对信息的格式进行检验和分类，最终递交给中央处理模块。其主要结构和工作流程如图5所示。

图5 信息接收接口Fig.5 Information collection interface

如图5所示，在信息接收接口中，收到的信息首先存储在消息缓冲中，信息格式模式匹配单元通过预先定义的合法消息格式，对消息缓冲中的信息进行匹配，监测其合法性，当出现异常时，反馈控制单元调度消息缓冲，根据异常消息的来源，向相应的硬件接口做出反馈，进而将异常消息丢弃或封闭/重置相应的硬件接口。合法的消息被送入消息分类单元，该单元维护若干个列表，列表中存储格式化的消息数据。当中央处理模块或其他模块，调用相应的功能时，则通过相应的功能子接口，将对应的数据取出并交给相应的功能。

信息接收接口是基础硬件设施和软件处理单元之间的桥梁，通过扩展消息格式化的适配功能，能够有效拓展支持的硬件种类，从而使得系统的功能更加强大。

3.2 信息交付接口

信息接收接口面向的是底层硬件设备和系统，而信息交付接口面向的是上层的用户和用户界面，其功能是:将中央处理模块处理完毕的数据和信息，按照不同的种类递交给用户界面，在用户界面中进行集成和显示。其主要结构和工作流程如图6所示。

图6 信息交付接口Fig.6 Information delivery interface

与信息接收接口的不同之处在于，交付接口担负了双向的信息传递功能。首先，通过数据调用单元可以将处理完成的数据交付给用户界面使用，根据类型的不同有图形化数据、字节化数据、GIS数据等，用户界面通过调用这些不同种类的数据，即可按照实际需求，合成和显示出包含丰富内容的导航信息图示。同时，用户通过用户界面对导航信息系统进行控制、设置或调用其需要的单个数据，此时用户指令被传递到用户指令解释单元，若用户指令合法，则通过编译器对指令进行解释，产生针对系统每个模块的具体指令，并通过控制信息产生单元将具体指令转换为系统模块能够识别的具体控制信息。然后利用系统控制接口，对系统的软件和硬件进行直接的控制或设置等操作。

信息交付接口是实现用户界面的基础，其并不关心用户界面如何实现，终端用户有着怎样的具体需求，仅仅是提供了一系列标准化的数据交付接口，这样就可以根据不同类型的船舶和不同的应用场景，设计不同的用户界面，而不需要受到核心软件系统的束缚。

3.3 信息扩展接口

与前2 种接口不同，信息扩展接口是向外部开放的接口，通过这个接口，例如卫星通信网、GIS系统、AIS 系统等，均可以连接入导航信息系统，为系统提供更加丰富的信息和更加强大的功能。其主要结构和工作流程如图7所示。

图7 信息扩展接口Fig.7 Information external information

信息扩展接口同样需要担负数据的双向传递任务，一方面其运行有相应数据交换/传输协议的协议栈，如AIS数据传输协议栈、VSAT 卫星通信协议栈等，以便通过相应系统的接口下载和传输消息，同时将接收到的消息转换为系统能够识别的数据结构，供中央处理模块处理。另一方面，系统根据需要，提出相应的信息下载请求，该请求通过请求处理单元，转换为相应系统的控制和请求指令，封装为合适的控制消息后，发送给对应的外部系统。

信息扩展接口可以通过扩展外部数据交换协议栈来扩展其可以支持的外部系统种类，从而能够综合更多的外部信息，丰富导航信息系统的内容。

4 仿真与实现

根据以上研究和设计，本文采用软件实现的方法对导航信息系统进行仿真和模拟。采用的环境是Core i3 1.8G Hz，4G 内存，Win7 64bit，采用Java作为程序开发语言。

仿真的重点在于实现各个接口的功能，验证各个接口工作的有效性和高效性，依托当前较为成熟的中央处理模块［7］，实现对信息的处理和存储，并使用Java 语言开发整个模拟系统，模拟系统界面如图8所示。

图8 系统界面图Fig.8 The interface of the system

通过编写相应的代码，模拟各种硬件设备，信息接收接口成功地收集和转换了不同种类的消息，并通过信息交付接口递交给用户界面，从图8 可以看出其成功地实现了信息的收集和显示。

如图9所示，进行信息设置的测试，通过设计控制面板，设置相应的参数，观察能否对系统进行有效控制。

图9 系统设置界面图Fig.9 The frame of system configuration

通过以上实践证明，在理论上本文所设计的接口能够发挥相应的功能，实现导航信息的收集、处理和交付等功能，说明了本文提出的方案具有一定的可行性。

5 结 语

本文针对当前船舶导航系统的新发展，研究了该系统的实际需求，分析了系统需要处理的信息种类和结构，并对导航信息系统中若干关键接口进行了研究和设计，并在此基础上，进行了初步的实现和仿真，证明了本文提出方案的可行性，同时为今后导航信息系统的设计和制造提供了一定的依据。

在下一步的工作中，将通过在实践中实用本文提出的方案，来检验各个接口的实际功能，并对各个接口的设计方法进行进一步的优化，最终构建一个功能完备、性能稳定的船舶导航信息系统。

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