一種大型艦船的信息綜合顯示系統(tǒng)研究

劉志宏 呂云飛 吳堅(jiān)

（武漢第二艦船設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064）

1 引言

隨著造船工業(yè)的發(fā)展，各種大型艦船被越來(lái)越多，如各種軍艦、遠(yuǎn)洋漁船、集裝箱船、液化氣船、豪華游輪等。這些艦船包含的系統(tǒng)越來(lái)越多，功能日趨復(fù)雜。為了保證艦船的航行安全性、船上設(shè)備和人員安全以及執(zhí)行任務(wù)的安全，這就需要船長(zhǎng)能夠及時(shí)、全面掌握艦船各系統(tǒng)的運(yùn)行狀況以及各種平臺(tái)的信息，提高指揮速度，保證及時(shí)高效的處理各種緊急情況，發(fā)出快速有效的任務(wù)指令[1,2]。因此，大型艦船需要一種能夠綜合顯示全船各系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息以及各自任務(wù)平臺(tái)信息的系統(tǒng)或設(shè)備。

目前艦船的各系統(tǒng)大都有相應(yīng)的控制和顯示設(shè)備，可以顯示本系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行信息，重要設(shè)備還有專業(yè)人員操控，這些人員負(fù)責(zé)向船長(zhǎng)匯報(bào)該系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行情況，或者船長(zhǎng)直接到相關(guān)設(shè)備上觀看其所需信息，這種操作方式大大影響了船長(zhǎng)的指揮效率：其一，船長(zhǎng)無(wú)法快速了解各系統(tǒng)的信息，通過口報(bào)或直接前往觀看的方式速率較慢，特別是某些系統(tǒng)的顯示設(shè)備離船長(zhǎng)較遠(yuǎn)時(shí)，船長(zhǎng)根本無(wú)法及時(shí)了解該系統(tǒng)的狀況；其二，船長(zhǎng)全面了解各系統(tǒng)的信息十分困難，由各專業(yè)人員分別匯報(bào)的方式根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)船長(zhǎng)對(duì)各系統(tǒng)的及時(shí)全面掌握；其三，船長(zhǎng)通過上述方式了解信息內(nèi)容有限。這使船長(zhǎng)很可能由于無(wú)法迅速掌握全船信息而不能及時(shí)處理緊急情況，或發(fā)出錯(cuò)誤指令，造成其執(zhí)行的任務(wù)失敗，甚至出現(xiàn)船毀人亡的慘劇[4,5]。

2 艦船綜合信息顯示系統(tǒng)總體技術(shù)方案

針對(duì)上面提出的問題，本文提供一種集網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)接收處理、數(shù)字信息顯示和模擬信號(hào)顯示功能于一體的艦船綜合信息顯示系統(tǒng)，為船長(zhǎng)提供全船各系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行信息的綜合信息顯示以及艦船上各系統(tǒng)顯示設(shè)備屏幕信息的復(fù)顯，使船長(zhǎng)可以及時(shí)、準(zhǔn)確全面的掌握全船的各種信息以及外部傳來(lái)的各種信息。

如圖1所示，智能液晶顯示設(shè)備通過以太網(wǎng)接口連接到艦船局域網(wǎng)[3,6]上，接收艦船動(dòng)力系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、裝置系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等各系統(tǒng)的信息，通過其配套的綜合信息處理軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別、分類和綜合處理后，在屏幕上清晰、綜合地顯示出來(lái)，并能實(shí)時(shí)對(duì)艦船上各系統(tǒng)、設(shè)備的故障、異常進(jìn)行報(bào)警。另外，它還通過VGA接口直接與雷達(dá)系統(tǒng)、聲納系統(tǒng)、電子海圖系統(tǒng)及其它系統(tǒng)的顯示設(shè)備直接相連，復(fù)顯這些顯示設(shè)備的顯示內(nèi)容，船長(zhǎng)通過遙控器對(duì)顯示的內(nèi)容進(jìn)行隨意切換，及時(shí)全面掌握各系統(tǒng)的信息。

圖1 艦船信息綜合顯示系統(tǒng)技術(shù)方案示意圖

另外，該智能顯示器還具有VGA信號(hào)接口，可以直接將艦船其他系統(tǒng)的顯控臺(tái)的顯示信息接入到本設(shè)備中顯示，該設(shè)備可以同時(shí)接入多個(gè)顯控臺(tái)的顯示信號(hào)，其自帶的顯示切換電路模塊可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)外部 VGA信號(hào)和本機(jī)設(shè)備顯示信號(hào)間的切換。

遙控器主要是為了方便用戶使用而提供的一種遙操裝置，用戶可以通過其上的按鈕對(duì)智能液晶顯示器的顯示內(nèi)容進(jìn)行切換，它可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)VGA信號(hào)顯示的切換，并可對(duì)該設(shè)備的綜合信息處理軟件的顯示畫面進(jìn)行控制。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

艦船信息綜合顯示系統(tǒng)包括智能液晶顯示器和遙控器兩部分。如圖2所示，智能液晶顯示器包括LCD顯示屏、工業(yè)計(jì)算機(jī)、電源模塊、顯示切換模塊、紅外無(wú)線信號(hào)接收模塊、功能按鍵電路以及軌跡球組成。其對(duì)外接口包括 VGA信號(hào)接口、10 /100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口、電源接口和紅外接口。

圖2 智能信息顯示設(shè)備硬件組成示意圖

在本實(shí)施方案中，采用工業(yè)級(jí)的45寸的LCD顯示屏及配套的驅(qū)動(dòng)電路完成信息的顯示，該顯示屏的工作溫度范圍在0～50℃，滿足船用環(huán)境的需求。工業(yè)加固計(jì)算機(jī)集成在智能液晶顯示器內(nèi)，負(fù)責(zé)通過其自帶的以太網(wǎng)接口采集艦船局域網(wǎng)上的各種信息，并通過其配套的軟件對(duì)這些信息處理，完成艦船信息的綜合智能顯示和異常故障報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船各系統(tǒng)設(shè)備的綜合集中監(jiān)控。計(jì)算機(jī)與顯示切換模塊間存在 VGA接口和RS232接口。加固計(jì)算機(jī)的顯卡模塊通過 VGA接口將顯示信息發(fā)送給顯示切換模塊作為 1路LCD顯示的VGA信號(hào)源。加固計(jì)算機(jī)通過RS232接口與顯示切換模塊通信，實(shí)現(xiàn)其配套顯示軟件信息顯示界面的切換控制。

顯示切換模塊負(fù)責(zé)根據(jù)指令從多路 VGA輸入信號(hào)中選擇1路信號(hào)輸出給LCD顯示屏顯示；紅外無(wú)線接收模塊和遙控器完成對(duì)智能液晶顯示器的顯示切換以及綜合信息處理軟件界面切換的遙控控制。

功能按鍵電路和軌跡球?yàn)楹?jiǎn)化的計(jì)算機(jī)鍵盤電路和鼠標(biāo)電路，它們與加固計(jì)算機(jī)采用 PS-2接口連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)加固計(jì)算機(jī)的本地操控。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能液晶顯示屏的工業(yè)計(jì)算機(jī)模塊上運(yùn)行的綜合信息處理軟件完成艦船網(wǎng)絡(luò)上各系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息的接收、分類處理、綜合顯示以及異常故障的監(jiān)測(cè)報(bào)警。圖3為綜合信息處理軟件的功能框架示意圖，它由信息顯示模塊、視頻監(jiān)控模塊、異常故障檢測(cè)模塊、集中操控模塊以及用戶管理模塊組成。信息處理采用消息觸發(fā)的方式，當(dāng)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊從以太網(wǎng)接口收到信息后，通過分析識(shí)別，判定是否為視頻數(shù)據(jù)，如果為視頻數(shù)據(jù)則交給視頻處理模塊解碼后發(fā)送給信息顯示模塊顯示，如果是系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，則放入數(shù)據(jù)緩存區(qū)，等待信息顯示模塊以及故障異常監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)行處理。

圖3 綜合信息處理軟件功能框架示意圖

（1）信息顯示模塊

信息顯示模塊負(fù)責(zé)將收到的各種信息數(shù)據(jù)，按不同的使用情況顯示于不同的界面中，并接收操作指示，動(dòng)態(tài)切換屏幕顯示內(nèi)容。

信息顯示模塊能對(duì)各種信息進(jìn)行篩選和綜合顯示，例如在正常航行綜合顯示模式下，主要綜合顯示導(dǎo)航信息，航行操縱信息，以及動(dòng)力、電力等系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息，并及時(shí)顯示故障異常報(bào)警。

在各種顯示模式下，都可以根據(jù)需要進(jìn)行各系統(tǒng)詳細(xì)信息顯示。如圖4所示，這些系統(tǒng)詳細(xì)信息包括導(dǎo)航信息、推進(jìn)系統(tǒng)信息、電力系統(tǒng)信息、雷達(dá)探測(cè)信息、聲納探測(cè)信息、消防信息、艦船監(jiān)控信息、航行操縱信息、動(dòng)力系統(tǒng)信息、通信信息等。這些信息類別依艦船類型的不同而不同。

（2）視頻監(jiān)控模塊

視頻監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)對(duì)艦船網(wǎng)絡(luò)上的視頻監(jiān)控信息進(jìn)行解碼播放，由于視頻的解碼播放占用資源很多，且視頻數(shù)據(jù)流占用較多的網(wǎng)絡(luò)帶寬，在本方案中采取按需進(jìn)行視頻流接收、解碼播放。

圖4 信息顯示模塊示意圖

在需要顯示監(jiān)控畫面時(shí)，顯示控制模塊發(fā)送視頻解碼命令，視頻監(jiān)控模塊向被監(jiān)控對(duì)象發(fā)送建立視頻數(shù)據(jù)傳輸連接請(qǐng)求，在建立連接后開始接收視頻數(shù)據(jù)并進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的解碼播放，當(dāng)監(jiān)控畫面關(guān)閉時(shí)，則斷開與被監(jiān)控對(duì)象的視頻數(shù)據(jù)傳輸連接，并停止視頻解碼播放；當(dāng)改變監(jiān)控對(duì)象時(shí)，則首先斷開與原監(jiān)控對(duì)象的連接，并與新的監(jiān)控對(duì)象建立連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、解碼播放。

（3）異常故障檢測(cè)模塊

異常故障監(jiān)測(cè)模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各系統(tǒng)、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并根據(jù)歷史狀態(tài)信息、參數(shù)改變趨勢(shì)以及各系統(tǒng)間的協(xié)作關(guān)系及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種異常情況并智能判斷各種隱藏故障信息或故障隱患。

圖5 異常故障檢測(cè)模塊示意圖

當(dāng)異常故障檢測(cè)模塊收到一個(gè)信息數(shù)據(jù)包時(shí)，首先判定信息包的各數(shù)據(jù)是否在正常范圍內(nèi)，如果沒有，則向信息顯示模塊發(fā)送報(bào)警指示并向顯示控制模塊發(fā)送強(qiáng)制切換請(qǐng)求。如果在正常范圍內(nèi)，則交由異常檢測(cè)專家系統(tǒng)子模塊處理，它根據(jù)歷史數(shù)據(jù)以及相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)利用專家系統(tǒng)等智能技術(shù)判定發(fā)送該信息的設(shè)備的工作狀態(tài)趨勢(shì)以及與其它相關(guān)設(shè)備的協(xié)同性，并給出判斷結(jié)果，如果判定有故障或異常則向信息顯示模塊發(fā)送報(bào)警指示并向顯示控制模塊發(fā)送強(qiáng)制切換請(qǐng)求，使信息顯示模塊及時(shí)顯示故障、異常報(bào)警信息。

（4）顯示控制模塊

顯示控制模塊負(fù)責(zé)接收各種操控指令，并根據(jù)這些指令切換顯示內(nèi)容；另外顯示控制模塊接收故障異常監(jiān)測(cè)模塊的強(qiáng)制切換請(qǐng)求，將軟件顯示內(nèi)容切換為報(bào)警內(nèi)容的界面，并通過RS232接口向圖2中的顯示切換模塊發(fā)送強(qiáng)制切換命令，從而使智能液晶顯示器顯示加固計(jì)算機(jī)的 VGA信號(hào)，從而及時(shí)顯示報(bào)警、故障信息。

（5）用戶管理模塊

用戶管理模塊負(fù)責(zé)管理用戶帳號(hào)，并根據(jù)帳號(hào)類型賦予使用者不同信息查看權(quán)限。綜合信息處理軟件對(duì)本軟件的用戶在使用本軟件時(shí)進(jìn)行身份認(rèn)證。具有合法身份的用戶才能使用本軟件，并且使用相應(yīng)權(quán)限等級(jí)的操作。保證本軟件運(yùn)行的安全性。該模塊具有用戶帳號(hào)申請(qǐng)、用戶帳號(hào)注銷、操作權(quán)限設(shè)置等功能。

綜合信息處理軟件的用戶分為超級(jí)用戶和普通用戶兩種。超級(jí)用戶主要負(fù)責(zé)普通用戶帳號(hào)的申請(qǐng)、注銷及其操作權(quán)限的設(shè)置。普通用戶主要針對(duì)用于綜合信息處理軟件的使用者，根據(jù)使用者的身份不同，超級(jí)用戶將分配不同權(quán)限的普通用戶帳號(hào)。例如，對(duì)于船長(zhǎng)用戶帳號(hào)具有查看所有系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，并能夠進(jìn)行各種操作功能的權(quán)限；而對(duì)于動(dòng)力長(zhǎng)帳號(hào)則只具有查看綜合動(dòng)力系統(tǒng)信息的權(quán)限。

5 結(jié)論

艦船信息綜合顯示系統(tǒng)將大型艦船上的各種信息綜合顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船各系統(tǒng)運(yùn)行的綜合監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除艦船的異常故障和事故，減少故障危害；使船長(zhǎng)可以全局掌握艦船的狀態(tài)和應(yīng)對(duì)的各種狀況，從而能夠做出快速有效的決策，大大提高整個(gè)艦船的機(jī)動(dòng)性、操縱性以及生存能力。

[1] 郝勇, 胡昌桂. 艦船信息綜合系統(tǒng)探討, 船海工程,2004, (2): 30～32.

[2] 船舶集成平臺(tái)管理系統(tǒng)研究.柴油機(jī), 2005, (2):42～45.

[3] 艦船綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信與集成技術(shù)研究.艦船電子工程, 2005(5): 47～51.

[4] 船舶綜合管理控制一體化系統(tǒng)的研究. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2005, (11): 34～35.

[5] 戰(zhàn)興群, 趙雋, 張炎華, 徐廷良. 機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)研制,船舶工程. 2001,(3): 42～46.

[6] 丁承衛(wèi), 曹征宇. 船舶網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)系統(tǒng).船舶, 2004,(6):52～54.