中船航?？萍加邢挢?zé)任公司 李松霖 胡春洋 王鴻顯 鄭鵬宇

1.引言

由于船舶自動(dòng)化程度的提高，各種傳感器也隨之增加。為提高操船人員的工作效率，而自然地產(chǎn)生了信息綜合顯示需求，因此在上世紀(jì)60年代末誕生了第一代的綜合船橋產(chǎn)品——挪威Norcontrol公司的“數(shù)據(jù)橋”，該系統(tǒng)能將導(dǎo)航、操舵、雷達(dá)目標(biāo)等信息進(jìn)行綜合集中顯示。它一經(jīng)面世就得到廣泛關(guān)注，各航運(yùn)大國(guó)也開(kāi)始研制自己的船橋系統(tǒng)。后來(lái)隨著自動(dòng)操舵儀、電子海圖、網(wǎng)絡(luò)通訊、計(jì)算機(jī)技術(shù)的引入，船橋系統(tǒng)開(kāi)始步入快速發(fā)展的道路。

1996年，IMO通過(guò)決議MSC.64(67)，給出了綜合船橋系統(tǒng)的定義及性能標(biāo)準(zhǔn)：船橋系統(tǒng)由多個(gè)互聯(lián)互通，但又功能獨(dú)立的子系統(tǒng)組合而成，它通過(guò)工作站不僅能集中顯示傳感器信息，還能對(duì)其發(fā)出控制指令，其設(shè)計(jì)目的在于提高船舶航行安全性及管理效率。船橋系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)以下功能中的兩種或者更多：（1）航路規(guī)劃、航路監(jiān)視、航跡控制；（2）通訊；（3）機(jī)械控制；（4）裝貨、卸貨、克令吊控制；（5）安全保障。

總的看來(lái)，綜合船橋系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)出模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)一體化的趨勢(shì)。

當(dāng)前我國(guó)的船橋系統(tǒng)正處于發(fā)展過(guò)程中，各船舶總體所也陸續(xù)開(kāi)展了相關(guān)的研發(fā)工作，但是因?yàn)橄嚓P(guān)設(shè)備如ECDIS、導(dǎo)航雷達(dá)、自動(dòng)舵、導(dǎo)航傳感器等分別由不同的設(shè)備廠家獨(dú)立研制，缺乏統(tǒng)一的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，互操作接口沒(méi)有做到開(kāi)放化、網(wǎng)絡(luò)化，因此在進(jìn)行系統(tǒng)集成時(shí)有接口對(duì)接困難，設(shè)備間的連接關(guān)系復(fù)雜、不易維護(hù)，缺乏調(diào)試手段等問(wèn)題，從而導(dǎo)致項(xiàng)目周期變長(zhǎng)，維護(hù)成本高。所以，亟需對(duì)船橋系統(tǒng)尤其是軟件系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備具有統(tǒng)一的互聯(lián)互通接口，加強(qiáng)系統(tǒng)集成能力，提高開(kāi)發(fā)、聯(lián)調(diào)和維護(hù)的效率，降低成本。

圖1 綜合船橋系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2.軟件需求分析

2.1 綜合船橋系統(tǒng)的模塊化

目前，國(guó)際上比較優(yōu)秀的船橋系統(tǒng)有： Sperry的VisionMaster FT TotalWatch、Raytheon的Synapsis、Kongsberg的K-Bridge、Kelvin Hughes的MantaDigital、Furuno的Voyager。這些船橋系統(tǒng)普遍采用圖1所示的體系結(jié)構(gòu)，都是以工作站為核心，集成ARPA雷達(dá)、ECDIS、CONNING的多功能顯示（MFD，Multi-Function Display），并對(duì)傳感器進(jìn)行集中訪問(wèn)及控制。多個(gè)工作站可互為備份，但是每臺(tái)工作站都有一個(gè)主功能，并為此提供相應(yīng)的人機(jī)接口。船橋系統(tǒng)主要通過(guò)雙冗余網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，但是重要的控制信息，比如操舵、操車(chē)的信號(hào)要通過(guò)CAN總線傳遞。傳感器則通過(guò)CAN/串口通道連接到統(tǒng)一的接口適配器，轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分發(fā)給各工作站。

2.2 綜合船橋系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化

與綜合船橋系統(tǒng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要由四個(gè)組織制定：國(guó)際海事組織IMO，國(guó)際電工委員會(huì)IEC，國(guó)際航道測(cè)量組織 IHO，美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)NMEA。IMO以會(huì)議決議、通函的形式通過(guò)各項(xiàng)航海公約及設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，IHO 則負(fù)責(zé)制定電子海圖數(shù)據(jù)（ENC）相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，IMO和IHO還成立了ECDIS協(xié)調(diào)小組。 IEC則以二者的標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，對(duì)系統(tǒng)或設(shè)備擬定進(jìn)一步的試驗(yàn)及檢測(cè)方法。NMEA制定的接口標(biāo)準(zhǔn)是用來(lái)傳遞GPS定位數(shù)據(jù)的，而由于GPS在船舶導(dǎo)航領(lǐng)域的巨大成功，該標(biāo)準(zhǔn)也因此被IEC采納，廣泛應(yīng)用于船用導(dǎo)航設(shè)備間接口通訊。

IEC標(biāo)準(zhǔn)具有良好的可操作性，是各大船級(jí)社型式認(rèn)證的主要依據(jù)，常用的船橋系統(tǒng)IEC標(biāo)準(zhǔn)如表 1所示。

表1 常用IEC標(biāo)準(zhǔn)及其依據(jù)

2.3 綜合船橋系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)一體化

船橋系統(tǒng)主要信息通道類(lèi)型有：串口、CAN、以太網(wǎng)。

串口傳輸性能最差，但是它有著成本低廉、技術(shù)成熟、便于施工的特點(diǎn)，目前仍有較為廣泛的應(yīng)用。

CAN總線可靠性最高，但是兼容性、可擴(kuò)展性較差。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都需要一個(gè)控制器來(lái)控制收發(fā)，所以在編程中都需要SDK的支持。其可靠性保證機(jī)制是針對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)幀，對(duì)超出8字節(jié)的數(shù)據(jù)比如雷達(dá)圖像，要保證傳輸可靠性就需要進(jìn)行應(yīng)用層編程。此外，總線采用仲裁機(jī)制避免沖突，以廣播的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，導(dǎo)致帶寬利用率不高，而且隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，帶寬利用率會(huì)越來(lái)越低，實(shí)時(shí)性也會(huì)變差。

以太網(wǎng)具有兼容性好、易于擴(kuò)展的特點(diǎn)，但是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載大的情況下，以太網(wǎng)傳輸會(huì)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，可靠性比CAN總線要差，但有很多提高可靠性的辦法。比如IEC61162-450規(guī)定了報(bào)文的“標(biāo)簽塊（TAG BLOCK）”中應(yīng)包含報(bào)文計(jì)數(shù)器，用于檢測(cè)丟包現(xiàn)象，并還規(guī)定了應(yīng)采用“圖像發(fā)送-應(yīng)答”的方式來(lái)保證在圖像發(fā)送失敗的情況下重新傳送圖像。此外，還有增加網(wǎng)絡(luò)帶寬，加裝專(zhuān)門(mén)的視頻網(wǎng)絡(luò)等方法。

由于成本方面的考慮，商船船橋系統(tǒng)一般采用串口、CAN總線、以太網(wǎng)等多種方式混合組建網(wǎng)絡(luò)。在軍用艦艇上，出于數(shù)據(jù)共享、互備互切、快速部署、方便擴(kuò)展的需求，導(dǎo)致艦橋系統(tǒng)的性能升級(jí)主要是以軟件更新?lián)Q代的形式來(lái)體現(xiàn)，而軟件多以網(wǎng)絡(luò)作為主要信息通道，所以艦橋系統(tǒng)的發(fā)展呈網(wǎng)絡(luò)一體化趨勢(shì)。比如美國(guó)海軍新型多任務(wù)驅(qū)逐艦DDG-1000的關(guān)鍵技術(shù)之一全艦計(jì)算環(huán)境（TSCE[1]），它具有3 層結(jié)構(gòu)：核心層、適配層和表示層。核心層負(fù)責(zé)提供統(tǒng)一的計(jì)算資源；適配層通過(guò)分布式適配處理器DAP收集傳感器、武器、機(jī)電設(shè)備等前端設(shè)備信息并發(fā)送到全艦主干網(wǎng)上；表示層的顯示終端具有靈活部署、人機(jī)交互友好的優(yōu)點(diǎn)，只具備有限的運(yùn)算性能。顯示終端負(fù)責(zé)程序的輸入與輸出，后臺(tái)大部分運(yùn)算在核心層完成，從而實(shí)現(xiàn)了計(jì)算與顯示的分離。

3.通用型船橋系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

3.1 軟件功能需求

綜合船橋軟件應(yīng)具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)收發(fā)接口，并能動(dòng)態(tài)調(diào)整接收?qǐng)?bào)文的解析方法和發(fā)送報(bào)文的組裝方法，能處理串口、CAN、網(wǎng)絡(luò)等不同通道的數(shù)據(jù)，能檢測(cè)信息交互狀況；具備高速的動(dòng)態(tài)繪圖能力；具備統(tǒng)一的核心模塊，有良好的可擴(kuò)展性，可衍生出多樣化的應(yīng)用軟件。軟件在.Net平臺(tái)上采用C#[2]語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

3.2 軟件總體架構(gòu)

根據(jù)上述功能需求，以及各模塊間相互獨(dú)立，數(shù)據(jù)處理與具體業(yè)務(wù)分離的原則，將通用型船橋系統(tǒng)軟件劃分為三層：基本數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層、UI層，軟件結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

基本數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)報(bào)文數(shù)據(jù)的收發(fā)，并包含一個(gè)用于構(gòu)建UI界面的基本控件庫(kù)。

圖2 通用型綜合船橋系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

業(yè)務(wù)層內(nèi)的各模塊封裝了綜合船橋系統(tǒng)各項(xiàng)業(yè)務(wù)的具體實(shí)現(xiàn)。基本數(shù)據(jù)層和業(yè)務(wù)層的模塊基本都是封裝好的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL），對(duì)外提供API接口。

UI層包含綜合船橋系統(tǒng)所有的軟件產(chǎn)品，每個(gè)產(chǎn)品是獨(dú)立的可執(zhí)行程序，通過(guò)調(diào)用統(tǒng)一的底層模塊獲得了一致的數(shù)據(jù)接口和業(yè)務(wù)邏輯，并根據(jù)每型船舶的具體需求再開(kāi)發(fā)相應(yīng)的軟件界面（如圖 3所示），這些軟件雖然界面不同，但是共享同一個(gè)報(bào)文解析和處理模塊，通過(guò)船橋?qū)Ｓ谜{(diào)試工具對(duì)信息通道連接參數(shù)和報(bào)文解析方法進(jìn)行相應(yīng)的配置。針對(duì)不同型號(hào)船舶的綜合船橋體系結(jié)構(gòu)差異，可以利用接口適配程序?qū)鞲衅餍畔⑥D(zhuǎn)化為統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，使體系結(jié)構(gòu)的差異限制在數(shù)據(jù)采集層，減輕其他應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)量。

圖3 不同型號(hào)船舶狀態(tài)監(jiān)控軟件界面外觀比較

4.關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)

4.1 信息配置管理

在綜合船橋系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程中，信息傳輸通道（信道）、報(bào)文（分為接收?qǐng)?bào)文和發(fā)送報(bào)文）、信號(hào)點(diǎn)是三個(gè)主要構(gòu)成元素，三者的關(guān)系如圖4所示。

圖4 綜合船橋系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞鏈

接收?qǐng)?bào)文以字節(jié)數(shù)組的形式沿信道傳遞，當(dāng)其符合預(yù)設(shè)特征時(shí)，將被揀選出來(lái)進(jìn)行解析，解析方法由多個(gè)解析器串聯(lián)而成，解析結(jié)果將以ID為索引在信號(hào)點(diǎn)倉(cāng)庫(kù)中尋找存放位置。信號(hào)點(diǎn)按組態(tài)軟件的常用分類(lèi)方法分為模擬量、開(kāi)關(guān)量、報(bào)警量。

圖5展示了一組解析器的工作過(guò)程：它由6個(gè)解析器組成，用于解析一個(gè)11字節(jié)長(zhǎng)的報(bào)文，每個(gè)解析器的解析結(jié)果會(huì)更新至對(duì)應(yīng)的若干個(gè)信號(hào)點(diǎn)。

圖5 報(bào)文解析方法

報(bào)文組裝是報(bào)文解析的逆過(guò)程，按照預(yù)設(shè)的模板組裝，組裝方法由多個(gè)組裝器串聯(lián)而成。對(duì)每一個(gè)字節(jié)或是填寫(xiě)固定值，或者是從信號(hào)點(diǎn)倉(cāng)庫(kù)中按ID檢索相應(yīng)的信號(hào)點(diǎn)值填入相應(yīng)的字節(jié)中。發(fā)送報(bào)文組裝完成后，再沿著預(yù)定的信道發(fā)送出去。

4.2 航行態(tài)勢(shì)高速實(shí)時(shí)繪制

由于底層顯卡硬件機(jī)制的限制，繪制對(duì)象的數(shù)量會(huì)影響繪制的效果，數(shù)量多會(huì)導(dǎo)致畫(huà)面更新的幀數(shù)低、畫(huà)面閃爍的現(xiàn)象。在一副航行態(tài)勢(shì)圖像中，包含數(shù)以千記的海圖物標(biāo)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、雷達(dá)視頻等對(duì)象，故在屏幕上直接繪制所有對(duì)象的方法無(wú)法滿足高速實(shí)時(shí)的要求。

要解決這一問(wèn)題：（1）需減少顯存中繪制對(duì)象的數(shù)量；（2）需提高對(duì)象進(jìn)入顯存的速度。針對(duì)此，系統(tǒng)采取了雙緩沖圖像結(jié)合顯存快速拷貝的方法。

在實(shí)際開(kāi)發(fā)的時(shí)候，利用了圖層來(lái)管理要繪制的對(duì)象，底圖為海圖數(shù)據(jù)處理模塊生成的海圖背景層，其上依次放置透明態(tài)勢(shì)圖層，每次繪制時(shí)從下至上將所有圖層繪制到緩沖圖像上（見(jiàn)圖 6）。整幅態(tài)勢(shì)圖像的繪制頻率要等于刷新率最高的圖像頻率:如果不疊加雷達(dá)視頻圖層，態(tài)勢(shì)圖像的刷新率就是0.5Hz，如果疊加，刷新率需提高到20Hz。

圖6 繪制航行態(tài)勢(shì)圖像

5.系統(tǒng)應(yīng)用情況及展望

將船橋系統(tǒng)軟件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)之后，不僅提高了軟件的開(kāi)發(fā)和維護(hù)效率，而且利用基礎(chǔ)模塊可以針對(duì)不同的使用人群靈活地開(kāi)發(fā)出新的軟件產(chǎn)品：（1）型號(hào)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、測(cè)試周期縮短了80%；（2）可為項(xiàng)目經(jīng)理快速開(kāi)發(fā)原型產(chǎn)品；（3）可為調(diào)試人員開(kāi)發(fā)調(diào)試工具；（4）所有的船橋系統(tǒng)軟件具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸接口，節(jié)省了系統(tǒng)內(nèi)部接口聯(lián)調(diào)的時(shí)間。

目前，軟件是基于.Net平臺(tái)開(kāi)發(fā)的，采用了GDI/GDI+的繪圖技術(shù)，只能運(yùn)行在Windows系統(tǒng)上。由于Windows固有的缺點(diǎn)，軟件實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性較差，繪圖效率不高，所以未來(lái)可以考慮基于QT平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并采用OpenGL技術(shù)進(jìn)行繪圖，以解決上述缺陷。

[1]董曉明,馮浩,石朝明等.美海軍DDG-1000全艦計(jì)算環(huán)境體系結(jié)構(gòu)探析[J].中國(guó)艦船研究,2012,7(6):815.

[2]李銘.C#高級(jí)編程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2014.