綜合航行執(zhí)法系統(tǒng)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(qū)軍事代表局駐大連地區(qū)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(tǒng)的船舶駕控臺僅是將船舶導航、動力集控、通信和監(jiān)控設備在物理結構上進行合理布局，即統(tǒng)一布置于船舶的駕控室，導致各設備之間信息數(shù)據(jù)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(jiān)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(jīng)驗的人完成，工作效率低下。

綜合船橋系統(tǒng)(Integrated Bridge System， IBS)是實施船舶導航與控制的集成系統(tǒng)，是集導航、監(jiān)控、管理、顯示于一體的智能化、網(wǎng)絡化的綜合航行管理系統(tǒng)[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(tǒng)雖然可以實現(xiàn)信息互通和兼容顯示，但也僅限于其自身的系列產(chǎn)品，與國內雷達、北斗等導航產(chǎn)品及主機集控均不兼容，且其技術協(xié)議不公開，對系統(tǒng)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(zhí)法船艇所裝備的視頻取證、警告驅離等水上執(zhí)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(zhí)法于一體的信息化公務船橋系統(tǒng)。因此，有必要研發(fā)國產(chǎn)自主可控的可兼容國內外導航、監(jiān)控、集控設備且適合國內公務船艇特點的智能化、網(wǎng)絡化的公務船艇綜合航行執(zhí)法系統(tǒng)。

本文在研究國內外綜合船橋系統(tǒng)的基礎上，結合國內公務船艇水上綜合執(zhí)法特點，采用綜合船橋網(wǎng)絡架構技術、無線通信系統(tǒng)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(lián)功能和公務執(zhí)法取證功能等多項管控環(huán)節(jié)有機集成到一個高度信息化和一體化的綜合航行執(zhí)法系統(tǒng)中。

1 系統(tǒng)組成功能

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

導航駕控子系統(tǒng)主要由綜合監(jiān)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(zhí)法路線管理與監(jiān)視、越界報警、巡邏再現(xiàn)、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(tài)勢監(jiān)視、輔助避碰等綜合駕控功能。

(3)具備航行狀態(tài)、設備狀態(tài)、重要部位、船艇工況等監(jiān)視與報警功能。

執(zhí)法取證子系統(tǒng)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(xiàn)等功能，可執(zhí)行光電取證、跟蹤監(jiān)視、執(zhí)法取證、攔截驅離等綜合執(zhí)法任務。

綜合通信子系統(tǒng)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(tǒng)具備遠程遙控、視頻傳輸、語音通信、鏈路監(jiān)控、報文收發(fā)、數(shù)據(jù)分發(fā)、隊列維護、數(shù)據(jù)記錄、通信設置等功能。通信子系統(tǒng)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(tǒng)一、高效的信息化平臺。

2 系統(tǒng)功能優(yōu)勢

公務船艇綜合航行執(zhí)法系統(tǒng)將綜合導航駕控、視頻監(jiān)控、執(zhí)法取證融為一體，形成集導航駕控、視頻監(jiān)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(jiān)測報警、通信、航行管理和執(zhí)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(xiàn)了綜合駕控信息的集中顯示。系統(tǒng)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(tài)數(shù)據(jù)、航路數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)和航行態(tài)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(jiān)視本船位置、航向、速度、操舵狀態(tài)和主機推進狀態(tài)，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(xiàn)了綜合駕控信息的共享服務。系統(tǒng)配有船艇綜合信息服務器，可在船載雙冗余光纖網(wǎng)、導航儀表網(wǎng)基礎上為船艇航行管理系統(tǒng)提供船艇綜合信息一體化共享服務。

(3)實現(xiàn)了航行態(tài)勢實時監(jiān)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(tài)目標位置及航行信息在電子海圖進行實時動態(tài)顯示，形成綜合導航態(tài)勢，以提高駕控操縱人員對船艇航行態(tài)勢的認知能力，為船艇操控提供實時、直觀、綜合性的導航態(tài)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(tǒng)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(zhí)行多項操作功能，改變了傳統(tǒng)駕控臺多人多職位操縱模式，真正實現(xiàn)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(tǒng)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(zhí)法取證與監(jiān)視報警實時高效

(1)船艇對外執(zhí)法取證實時高效。系統(tǒng)通過紅外/白光視頻取證設備對船艇外部環(huán)境信息進行全時監(jiān)控，對船艇執(zhí)勤過程中發(fā)現(xiàn)的可疑目標和突發(fā)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(jiān)控中心，為日常執(zhí)法巡邏和處置突發(fā)情況提供決策依據(jù)，提高了可視化的執(zhí)法監(jiān)控指揮。

(2)船艇對內監(jiān)視報警自動可視。系統(tǒng)具備設備狀態(tài)監(jiān)視、故障報警功能，可實時監(jiān)控主要船載設備，按照故障等級自動提示報警；具有航路監(jiān)視與航行狀態(tài)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(fā)至監(jiān)控中心，通過聲音、圖示和文本示警；可在電子海圖上繪制執(zhí)法警戒線，當公務執(zhí)法船艇越界航行時，系統(tǒng)自動進行越界報警提示；系統(tǒng)配備CCTV監(jiān)視報警功能，當某艙室發(fā)生火災或破損等突發(fā)災難時，系統(tǒng)駕控臺監(jiān)視系統(tǒng)可自動切換至該艙室，并發(fā)出聲光報警，操控人員可按優(yōu)先級直接查看報警具體內容，并通過視頻監(jiān)控查看報警場所情況。

(3)提高了數(shù)據(jù)交換和功能擴充能力。通過開放式的數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)本船航行、機艙、視頻及圖像信息等數(shù)據(jù)與其他船艇數(shù)據(jù)、岸基中心數(shù)據(jù)的分發(fā)共享，提高了協(xié)同執(zhí)法能力；通過系統(tǒng)所提供的開放式接口可擴充接入衛(wèi)星通信機和相關的助航設備，大大提高了系統(tǒng)的可擴展能力。

2.3 多功能工作站使操作更便捷可靠

系統(tǒng)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(tǒng)功能模塊，可以在任一標準終端上，根據(jù)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(jiān)視、機艙工況、視頻取證等功能模塊，實現(xiàn)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(xiàn)了多系統(tǒng)之間的備份，增強了系統(tǒng)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(tǒng)采用虛擬電臺技術，利用通信軟件管理系統(tǒng)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(jiān)控、數(shù)據(jù)報文解析分發(fā)、通信隊列狀態(tài)維護等通信系統(tǒng)功能，統(tǒng)一組織、管理、調度和遙控各型通信設備，使各型通信設備協(xié)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(wǎng)絡提升系統(tǒng)綜合性能

系統(tǒng)充分借鑒了國外船艇成熟的船橋系統(tǒng)設計經(jīng)驗，采用船艇雙冗余光纖網(wǎng)絡作為全船的主干網(wǎng)絡，同時接入船艇導航儀表網(wǎng)、船艇CAN數(shù)據(jù)網(wǎng)、船艇視頻監(jiān)控網(wǎng)和通信網(wǎng)絡，共同組成船艇一體化網(wǎng)絡平臺。該一體化網(wǎng)絡平臺采用開放式分布式網(wǎng)絡設計理念，在全船重要位置布設高速冗余的控制網(wǎng)絡接入點，可根據(jù)系統(tǒng)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(wǎng)絡設備，提高了系統(tǒng)的靈活性；同時采用雙冗余的高速光纖網(wǎng)絡作為主干網(wǎng)絡，不僅可以抗電磁干擾，提高了安全性，而且?guī)挻螅瑢崟r性好，可以滿足日益增長的全船內部通聯(lián)需求；同時各接入網(wǎng)絡具有獨立的控制網(wǎng)絡，提高了系統(tǒng)拓撲結構的健壯性，進而也提高了系統(tǒng)運行的可靠性。

2.6 實現(xiàn)公務船艇日常信息數(shù)字化管理

系統(tǒng)根據(jù)公務船艇管理特點和日常執(zhí)法功能需求，可按照公務船艇實際業(yè)務流程和航行慣例進行日常管理系統(tǒng)的設計和開發(fā)，提高了日常管理的針對性和實用性。船艇系統(tǒng)管理功能需包含航行信息管理、執(zhí)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(tǒng)一、高效的數(shù)字化管理平臺。

3 關鍵技術應用

3.1 綜合船橋一體化網(wǎng)絡架構技術

綜合船橋系統(tǒng)網(wǎng)絡是系統(tǒng)實現(xiàn)將導航、駕控、通信、控制、監(jiān)測、預警和安全管理等功能集成于一體的基礎設施，是系統(tǒng)的基礎核心技術。而系統(tǒng)具備這諸多功能，需要配備船載導航儀表網(wǎng)、船載光纖寬帶局域網(wǎng)、船載CCTV視頻監(jiān)視網(wǎng)、船載通信綜合業(yè)務通信網(wǎng)、船-船和船岸無線電通信網(wǎng)絡等多種網(wǎng)絡，將這諸多的網(wǎng)絡連成一體，形成連接全系統(tǒng)的多節(jié)點、溝通儀表網(wǎng)絡、光纖寬帶局域網(wǎng)、視頻監(jiān)視網(wǎng)和綜合業(yè)務通信網(wǎng)的高速度、大容量的船載一體化網(wǎng)絡；并通過無線電通信軟組合多功能臺配置的網(wǎng)橋將船載一體化網(wǎng)絡與岸基、船隊聯(lián)網(wǎng)，構成協(xié)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(tǒng)設計過程中，還應充分考慮系統(tǒng)的可擴展性，允許在網(wǎng)絡上增加新的應用節(jié)點、新的系統(tǒng)資源和新的系統(tǒng)需求，各節(jié)點分層模式架構支持系統(tǒng)擴展；采用平等獨立的分布式體系結構，確保各信息節(jié)點數(shù)據(jù)存儲及處理具有獨立性，單獨系統(tǒng)的功能不受其他節(jié)點的控制和限制；一個節(jié)點的坍塌，不會造成整個系統(tǒng)的崩潰，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。同時，各節(jié)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(tǒng)安全性的處理效率，降低了安全性處理的復雜度。

公務執(zhí)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(huán)境影響，還存在較強的電磁干擾。由此，船艇綜合船橋系統(tǒng)的一體化網(wǎng)絡設計中，應特別強調網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和可靠性。為此，除了依據(jù)系統(tǒng)需求恰當?shù)貥嫿ㄒ惑w化網(wǎng)絡架構、選擇高可靠的HOTS網(wǎng)絡設備、簡化網(wǎng)絡設計外，還應采用適宜的以太環(huán)網(wǎng)技術和雙冗余接入網(wǎng)技術，作為保證網(wǎng)絡穩(wěn)定性和可靠性的主要措施。

考慮到交換式以太網(wǎng)和以太環(huán)網(wǎng)具有相對較好的帶寬和可靠性，尤其是以太環(huán)網(wǎng)具有良好的冗余自保護能力，船載一體化網(wǎng)絡架構采用光纖以太環(huán)網(wǎng)拓撲結構做主干網(wǎng)絡架構，鏈路雙冗余的星型拓撲結構做接入網(wǎng)架構，構成船載一體化網(wǎng)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(wǎng)絡架構主體視圖見圖1。

圖1 綜合船橋系統(tǒng)一體化網(wǎng)絡架構主體視圖

3.2 無線通信系統(tǒng)軟組合技術

無線通信系統(tǒng)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(tǒng)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)通信的統(tǒng)一組織、管理、調度和遙控操作，協(xié)同工作，確保公務執(zhí)法船艇通信通暢。

無線通信系統(tǒng)以現(xiàn)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(xié)調、動作，保證數(shù)據(jù)高效交互。系統(tǒng)采用主臺協(xié)調發(fā)送的方式，組織各個通信單元的數(shù)據(jù)發(fā)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(fā)送申請后，再為新加入的臺站分配新的空間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互使用及高效傳輸。

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

3.3 綜合導航信息融合技術

船艇導航涉及羅經(jīng)、雷達、AIS、電子海圖、氣象等種類和數(shù)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(shù)據(jù)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(tǒng)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(xiàn)代控制理論與估值理論，按照最佳化融合準則向系統(tǒng)融合信息空間進行投影，形成優(yōu)勢互補、關聯(lián)、評估和組合的融合處理過程，使系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tǒng)配備有北斗導航定位系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)，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(jīng)緯度)的融合可以采用下式處理算法：

4 系統(tǒng)結構形態(tài)

根據(jù)不同的船型和客戶需求，提供各種形態(tài)的結構，主要有環(huán)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(tǒng)終端可多可少，亦可靈活配置。綜合執(zhí)法終端和通信工作站可統(tǒng)一配置在駕駛室，也可配置于其他艙室。系統(tǒng)結構形態(tài)見圖2。

圖2 系統(tǒng)結構形態(tài)

5 結論

(1)綜合船橋系統(tǒng)在公務船艇上的應用具有重大價值。通過系統(tǒng)提供的船艇航行態(tài)勢的實時、直觀、綜合性顯示監(jiān)控，以及船艇避碰、監(jiān)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(xiàn)一人多控。

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

(3)通過無線通信系統(tǒng)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(lián)能力和通信效率。