基于船载的智能船舶集成系统设计

范新刚 管日升

摘要

近年来，智能船舶领域的兴起以及智能船舶技术的不断发展，使船舶智能化、无人化成为全球航运的大势所趋。文中具体介绍了智能船舶技术中基于船载的智能船舶集成系统的主要功能、系统设计流程等，智能船舶集成系统根据船平台各类传感器和岸基指挥中心提供的信息，判别智能船舶航行状态，实时完成信息处理，为智能船舶自主航行提供决策和控制信息，指挥智能船舶安全航行。

【关键词】智能船舶 船载 集成系统

1 引言

目前，世界上80%以上的贸易通过航运完成;有超过50000艘商船从事国际贸易，维护着全球物资运输的稳定，近年来，“智能化”的制造模式和产品向各个领域延伸。作为传统行业，船舶工业和航运业都在经历智能化的冲击。

智能船舶领域的兴起以及智能船舶技术的不断发展，使船舶智能化、无人化成为全球航运的大势所趋，有关智能船舶的定义，目前尚无定论。一种较为普遍的说法是，所谓智能船舶的概念，即是以“大数据”为基础，运用先进的信息化技术，如实时数据传输和汇集、大计算容量、数字建模能力、远程控制、传感器等，实现船舶智能化的感知、判断分析，以及决策和控制，从而更好地保证船舶的航行安全和效率以及经济性。

2 智能船舶集成技术

2.1 智能船舶集成技术原理

智能船舶集成系统接收本船避碰声纳、测深声纳、光电传感器、导航雷达、AIS系统、GPS/北斗等传感器发送的航行数据和设备信息，接入本船的航行数据感知系统、船舶状态检测系统、甲板设备控制系统和智能机舱系统，以及接入岸基中心外部信息，智能船舶集成系统通过自动感知和获得船舶自身位置、航速、航向等船舶运动参数，水深、港口设施、危险区等静态环境信息，它船位置、航速、航向等目标参数以及风、波、浪、涌、潮、气象等海洋环境信息和数据，结合智能化电子海图，并依据计算机技术、自动控制技术和大数据处理和分析技术，在船舶航行、管理、维护保养、货物运输等方面实现智能化运行的船舶，为智能船舶航运实时提供决策和控制信息，以使船舶更加安全、环保、经济、可靠。

2.2 功能研究

智能船舶集成系统主要根据船平台各类传感器和岸基指挥中心提供的信息，判别智能船舶航行状态，实时完成信息处理，为智能船舶自主航行提供决策和控制信息，其主要功能如下。

2.2.1 信息接收与上传功能

（1）接收本平台各传感器（雷达、光电、声纳、导航等）发送的航行数据和设备信息;

（2）接收岸基指挥中心传送的外部信息（包括海洋环境、目标参数、航行管理信息等）;

（3）向岸基指挥中心上报本平台信息。

2.2.2 情报综合处理功能

（1）对来自本平台雷达、声纳、导航等传感器信息以及岸基指挥中心传送的信息进行综合处理和全景态势显示;

（2）对来自本平台各类设备工作状态信息进行综合处理，识别设备状态。

2.2.3 航行辅助决策功能

（1）根据岸基指挥中心的指令，在电子海图背景下自动规划航行路线;

（2）对发现目标的运动要素进行自动解算，提供目標机动判断，为安全避碰、船舶机动优化提供依据;

（3）根据设备工作信息，判断本平台设备工作状态，对船舶及系统运行趋势作预测和实时优化决策，当设备故障时给出报警，并按照预案自动或人工控制，采取措施保障航行。

2.2.4 数据存储与回放功能

实时记录存储航行和设备工作状态数据，并可回放和驱动打印。

2.2.5 冗余备份功能

系统具有双冗余热备份功能。当任一显示控制台（或网络）故障时，系统可功能重组，确保系统不间断运行，完成原系统全部功能。

2.2.6 模拟演练功能

借助数据库服务器，模拟生成系统演练、检测工作状态必需的传感器和设备信息，模拟生成船舶航行工作流程，在特定的海洋环境条件下，进行船舶航行模拟演练。

2.2.7 故障自检功能

系统具有诊断和定位设备故障功能，故障定位到板级电子模块。

2.3 系统软件设计原则

智能船舶集成系统软件设计原则，遵守软件工程规范，实施版本控制，使软件系统易于维护、升级、扩展。着重考虑系统性能效率 （特别是大容量船舶目标的更新显示效率）和稳定可靠性。该系统采用模块化开发思想，确定系统的总体设计的思路，在分析整个系统的输入/输出基础上，以提高系统的开放性、可伸缩性和通用性。

软件体系结构：三层模型设计，数据层、处理层、功能组件层。数据层为多源传感器数据的输入输出等;处理层主要实现多传感器数据融合处理等;功能组件层由各种组件和控件组成。

软件设计流程：定义数据模型及输出结果的类型;数据层与处理层的代码实现;功能组件层接口定义;功能组件层代码实现及单元模块测试;系统测试等。

3 智能船舶集成系统设计

智能船舶集成系统设计内容包括人工智能深度学习服务集群、智能大型数据库服务集群、智能机舱服务器、综合导航服务器、智能航行数据服务器、船舶状态服务器、甲板设备控制服务器和服务器通讯设备等，智能船舶集成系统在智能船舶体系结构中的设计思路见图1所示。

3.1 系统流程设计

智能船舶集成系统流程设计见图2所示。

3.2 数据传输设计

智能船舶集成系统采用了多种通信路由，包括海洋通讯卫星、无线3G/4G网络等作为数据传输方式，通过与岸基控制中心的信息交互，实现对智能船舶的智能控制，提高智能航运船舶的航行安全性，减少水上交通事故，保障生命财产安全。

基于3G/4G的船载数据传输网络由3G/4G网络和Internet组成，通过3G/4G模块连接到Internet，通过Socket套接字编程接收船载终端发送到Internet的数据信息;本系统集成了3G/4G通信模块，具有接收和发送数据的功能，可以接收来自监控中心的数据信息。

3.3 数据处理设计

智能船舶集成系统自动获取雷达光电、声纳、AIS等实时数据，实现实时监测目标的动态信息，但是由于多目标数据融合时间不同步、数据率不一致以及多传感器空间分布存在差异，本系统结合统一坐标方法，采用时空对准算法，以及对各传感器采集的目标数据进行内插、外推，并通过航迹关联算法，解决传感器空间覆盖区域中的重复跟踪问题，通过采用信息优化技术、数据转换技术、数据相关技术、态势分析评估技术和融合推理技术，实现在航线选择，船舶避让、防台避风、船舶营运等方面的优化，生成正确的航行决策。

本系统数据处理设计见图3所示。

3.4 协同探测设计

智能船舶集成系统实现多传感器情报的集成分发与融合，完成对各类传感器的指挥控制和协同探测。多种传感器的应用环境、作用距离、目标识别能力均不同，为实现系统对目标的远程预警、中程跟踪与近程分类与识别能力，需要多种传感器对目标进行协同探测。

3.5 航行辅助决策设计

根据岸基控制中心的指令，根据设备工作信息，判断本平台设备工作状态，通过对多传感器和海洋信息等进行处理分析，采用动态拾取海图数据法，对海图起始点和终点间的海图路线间的元素进行提取，并接入岸基指挥中心的海洋信息数据、各传感器的目标数据，对发现目标的运动要素进行自动解算，提供船舶机动方案，结合电子海图自动规划路线算法，在电子海图背景下自动规划航行路线，并按照预案自动或人工控制，采取措施保障航行。

4 结论

智能船舶领域正在迅速发展，智能船舶集成系统是智能船舶的重要组成部分，智能船舶集成系统智能化不可避免，是今后智能船舶领域的发展趋势。

本文主要介绍了智能船舶集成系統的设计思想、信息流程和主要功能，描述了基于船载的智能船舶集成系统根据船平台各类传感器、岸基指挥中心信息、海洋环境信息和它船运动信息等，判别智能船舶航行状态，实时完成信息处理，为智能船舶航运实时提供决策和控制信息，辅助船舶安全航行，本文对设计和制造智能船舶智能平台方面具有一定借鉴意义。

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