关于渔船电子信息系统技术的探讨

关于渔船电子信息系统技术的探讨

阴惠义

阴惠义/中华人民共和国辽宁渔港监督局；辽宁省海洋渔业安全教育中心

【摘要】简要介绍了渔船电子信息系统的国内外的现状，同时构架了渔船电子信息系统工作原理及功能，并分析了实现渔船电子信息系统的关键技术。

【关键词】船舶自动识别系统（AIS）；渔船电子信息系统

一、概述

随着电子行业的不断发展，渔船电子类产品AIS船台、GPS接收机、电子海图等不断的出现，电子类产品对渔船作业的安全和工作效率起到了关键作用，但电子设备的渐进式发展方式导致电子设备功能分散，有的功能重叠，集成度不够高，既挤占了有限的设备空间，又使得设备使用维护繁琐，且增加了造船成本和维护成本。渔船电子信息系统是规划渔船电子信息设备，将所有电子设备最高效率的使用和融合使用来避免现有渔船电子设备的不足。

二、目前渔船电子信息系统的状况

20世纪70年代，渔船电子信息系统，即初期的综合船桥系统（IBS）已经开始使用。目前，世界上先进国家已研制推出第3代、第4代不同类型的综合船桥系统（IBS），其应用现代控制、信息处理等技术，将船上的各种导航、操作控制和雷达避碰等各种传感器有机地组合起来，对导航、驾驶、航行管理、避让、轮机监控、自动监测、自动报警等功能实施控制，以最少的人力、最低的燃料消耗，实现船舶自动化航行。

我国渔船数量多，分布面积广阔，游动性强，管理难度较大。目前渔船电子设备按功能分为：导航系统电子设备、通信系统电子设备、安全相关系统电子设备及生产作业电子设备。导航系统电子设备包括雷达、GPS卫导、测深仪、无线电测向仪、罗经系统，通信系统电子设备包括VHF电台、双向无线电话、单边带短波电台，安全相关系统电子设备包括雷达SART、

AIS船台，生产作业电子设备包括渔探系统，见下图。

目前渔船的每个电子设备都是独立工作，每个电子设备都配有独立的显示终端，由此带来以下弊端：

a)船舶空间的浪费：每个设备都有独立的显示和天馈系统，设备安装摆放造成船舶空间的严重浪费。

b)硬件资源的严重浪费：每个设备都配有独立的显示终端，每个设备都有独立天馈系统，造成硬件资源的严重浪费，成本的提高。

c)信息资源的严重浪费：目前每个设备的信息没有进行共享，每个设备独立工作，造成信息资源的严重浪费。

d)电子设备的接口管理混乱：在渔船建造初期没有对渔船进行总体规划设计，电子设备的接口不匹配，不能进行信息资源的共享。

e)电子设备先进性比较落后：渔船大部分采用手动驾驶，既增加了船员的劳动强度，也增加了渔船的定员数量，同时造成渔船航行时航线精确度误差较大，形成“S”形航迹。

三、渔船电子信息系统技术的探讨

（一）系统的工作原理及功能

针对以上存在的问题，建设渔船电子信息系统是渔船电子行业发展的必然。渔船电子信息系统是将渔船的导航系统、通信系统、安全相关系统及生产作业系统有机的结合起来，建设集导航、通信、安全、自动驾驶及监控一体化电子信息导航系统。

在机载电子设备和车载电子设备的系统总线使用比较成熟今天，船载电子设备总线的使用是船载电子产品发展的必然。该系统用以取代现有的AIS船台、GPS/DGPS接收机、电罗经、海图机、数据记录仪器（VDR）等分散设备，每个设备设计成标准的总线接口。该系统具有以下功能：

a)支持多种设备的同时接入功能；

b)支持避碰雷达信号接入同时进行数据的融合显示；

c)支持捕鱼机信号的接入；

d)同时作为自动驾驶系统中控机、本地与远程监控中控机使用；

e)集成RFID船只身份识别；

f)提供“黑匣子”VDR数据记录功能；

g)支持本船集中监控，包括主机、舵机、油耗、冷库等参数的集中监视；

h)支持岸基中心的远程监控和指挥船移动中心的监控；

i)集成远程监控必需的近海无线通讯设备如AIS接收机、VHF电台等；

j)支持中远海域无线通讯的可选择扩展如北斗接收机、海事卫星电话等。

（二）系统关键技术讨论

（1）电子海图信息显示技术

电子海图是渔船电子信息系统显示的平台，无论是纸质海图还是电子海图都是根据航行安全的需要，以一定的方式描述海道测量领域的诸要素。然而真实世界复杂得难以描述，因而必须使用简单的高度专业化的真实世界观察方法，这种方法用模拟真实世界来实现。S-57专门用于描述真实世界数据的传输，故用来模拟真实世界的理论数据模型就成了S-57标准的基础。

理论数据模型将真实世界定义为描述属性和空间属性的混合体，这些属性的集合被称作特征目标和空间目标。特征目标包括描述属性但不包括任何几何形状，空间目标可以包含描述信息，同时必须包括几何形状。

特征目标的位置由一个或多个相关联的空间目标确定，特征目标可以不关联任何空间而存在,但每一个空间目标必须至少与一个特征目标相关联。S-57定义了四类特征目标：

元目标：包含其他目标信息的特征目标。

制图目标：包含真实世界物体的、由制图符号代表的信息组成的特征目标。

地理目标：包含真实世界物体的描述信息的特征目标。

集合目标：包含描述其他目标关系的特征目标。

为了转换真实世界的信息，S-57采用了分层逼近的方式。首先，真实世界建立了现实模型从而便于理解，获得的模型被转换成已命名的组成部分，实现这种转换的部分是指对组成部分及其内容的各种规则和约束的定义。

（2）以计算机网络、现场总线技术为标志的集成平台管理系统技术

20世纪九十年代中期,以现场总线技术为基础的全数字式控制系统扩展到船舶工业领域,使舰船自控技术获得了新的发展。对于船舶这个具体的对象,船用现场总线系统的优势主要表现在:

(a)提高抗干扰性和可靠性;

(b)有利于系统的模块化设计;

(c)便于不同开发小组之间的协调和合作;

(d)连线减少,便于设计和维护。

综合以上因素,船舶自控系统应该采用实时性好、抗干扰能力强、成本较低、开发和使用难度较小的现场总线系统。目前,有报道的应用于船舶总线主要是以下几种:CAN,LonWorks,WorldFIP。其中使用较多的为CAN总线。全世界所有船舶自动化设备公司,如SIEMENS、NORCOTROL、MTU等,几乎都支持CAN标准。我国国内,一些科研院所和企业,也开发了基于CAN总线的船舶监控平台。

作为一种串行通讯技术，CAN-bus是20世纪80年代中后期适应汽车控制网络化要求而产生并迅速发展起来的，并已成为开放的国际标准通讯协议（ISO11898），在众多领域得到了广泛的应用。目前，有许多著名的大半导体制造商生产CAN芯片，并在工业中得到了广泛的应用。ICAN系统全称为“工业CAN-bus现场总线控制系统（IndustryCAN-busFieldbusControlSystem）”,它是一种基于CAN-bus（ControllerAreaNetwork）的现场总线控制系统。ICAN系统提供一个低成本的通信链路，它使用CAN-bus将工业现场设备（传感器、仪表等）与管理设备（工控机、PLC等）连成网络，从而消除了昂贵的连接线路，典型的ICAN系统如下图。

（3）多导航传感器多源信息融合处理技术

根据国内外的研究成果，多传感器信息融合比较确切的定义可以概括为：充分利用不同时间与空间的多传感器信息资源，采用计算机技术对按时间序列获得的多传感器观测数据，在一定准则下进行分析、综合、支配和使用，获得对被测对象的一致性解释与描述，进而实现相应的决策和估计，使系统获得比它的各组成部分更充分的信息。因此，多传感器是信息融合的硬件基础，多源信息是信息融合的加工对象，协调优化和综合处理是信息融合的核心。信息融合技术对来自多传感器的信息进行检测、关联、相关、识别、综合等多级、多方面处理，以得到准确的目标状态，属性估计和完整、及时的现场态势及评估。信息融合通过对多传感器信息进行综合处理，得到更为准确、可靠的结论。

（4）在开放式体系中的实时多任务操作系统基础上的系统集成技术

渔船信息系统集成处理是在实时多任务操作系统上完成的，实时多任务操作系统是能在确定的时间内执行其功能，并对外部的异步事件作出响应的计算机系统。多任务环境允许一个实时应用作为一系列独立任务来运行，各任务有各自的线程和系统资源。实时多任务操作系统提供多处理器间和任务间高效的信号灯、消息队列、管道、网络透明的套接字。实时系统的另一关键特性是硬件中断处理。为了获得最快速可靠的中断响应，实时多任务操作系统的中断服务程序ISR有自己的上下文。实时多任务操作系统由多个相对独立的、短小精炼的目标模块组成，用户可根据需要选择适当模块来裁剪和配置系统，这有效地保证了系统的安全性和可靠性。系统的链接器可按应用的需要自动链接一些目标模块。这样，通过目标模块之间的按需组合，可得到许多满足功能需求的应用。

（5）船舶--船岸信息一体化系统技术

船舶--船岸信息一体化系统技术是为远洋运输船舶和远洋渔业捕捞队等在世界各海域中执行各项作业任务的大中型船舶提供船舶航行状态的实时监视、调度、管理、指挥的大型的自动管理系统。该系统主要是船舶自动识别系统（AIS），通过扩充远程无线网络通信功能，而实现海上数字交通，并且通过卫星通信网、陆地计算机广域网和局域网，以规定的报告格式实时地与岸上基站自动进行通信，构成船岸信息一体化网络，成为集导航、通信、控制为一体的船舶自动化系统。这对于海上船舶航行安全有很重要意义。

（6）系统集成信息网络搭建技术

该系统网络采用分布式数据库设计，按照行政管辖域分级对信息内容和软件功能进行定义，灵活适应不同行政区域监控和指挥，通过统一的接口定义管理实现各级中心之间与其他需使用数据的部门系统之间信息交互。在软件体系内部，自下而上传输各基站接收到的船舶动态或静态报文、各网络部件工作状态等信息。

网络系统拓扑图

自下而上，网络系统分为一级管理中心、二级管理中心两个层次。

二级管理中心是系统设计的基础，利用该区域内布设的基站管理设备终端、区域业务数据服务器、区域网络管理服务器、外部船舶动态监控及航标管理等应用终端，对区域管辖范围内的沿海/江一线实现通信、监视、控制和识别等功能。

一级管理中心，利用各区域所辖范围内的岸海态势信息集结处理和信息共享分发功能，形成全局性的船舶态势信息输出给一级中心的应用终端，为渔政/海事部门提供决策支持，根据需要可向其它需要全局性数据的部门提供数据信息。

在每个区域内加载数据库服务器，基站控制软件，网络管理服务器软件，数据分发软件，船舶动态管理软件，航标管理软件，数据流量统计分析软件等。

（7）渔船电子信息系统集成处理技术

渔船电子信息系统集通信、导航、安全、自动驾驶于一体。该系统用以取代原来的AIS、GPS卫导、电罗经、VDR（黑匣子）等分散设备，并同时作为自动驾驶系统中控机、本地与远程监控中控机使用。

渔船电子信息系统在渔船上配置单独的显控终端和中央处理机。显控终端显示界面为电子海图（具有电子海图仪的功能）。渔船用电子设备通过信息总线把雷达信息、AIS船台信息、北斗接收系统信息、海事电话信息、VHF电台信息、单边带电台信息、渔船导航、通信、生产工作电子与自动控制设备信息接入中央处理机，中央处理机将接收到的信息按照国际标准将信息解析，将雷达数据与AIS船台信息进行融合处理后在显控终端上进行显示。显控终端可以自动弹出渔船被碰、偏离航线、危险海区等报警信息。把冷库传感器、油耗传感器、舵位传感与操控单元等各种传感器通过信息总线接入中央处理机，显控终端可以显示渔船自身运行的各项参数（舵位参数、油耗参数、冷库参数）。渔探系统可以提供海底状况和水深、水温数据，使渔船随时掌握海底信息并在显控终端进行显示，提高渔民的生产效率。同时中央处理机将接收到的信息打包成特定的格式传送给VDR记录仪保存。

四、结论

综上所述，渔船电子信息系统是船舶科学技术的重要组成部分，采用高速传输技术组成一个综合网络系统，在网络上根据需要连接一定数量的船舶设备，各设备对船舶进行监测、控制和操纵等，该系统由于高度集成取代多个独立设备，可大大降低设备总成本；同时渔船上的电子设备的信息可以进行共享和信息进行融合，解决现有渔船电子设备的弊端，同时渔船电子信息系统正朝着数字化、智能化、模块化、网络化、集成化的方向迅速发展，是国际船舶电子技术发展总趋势。

【参考文献】

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