综合船桥系统（IBS）是集航海导航、船舶驾控及辅助决策于一体的信息化船舶自动化航行系统，它采用系统控制技术、信息技术、人机工程技术将船舶航行时的环境信息、状态信息与控制信息进行高度综合，从而实现船舶航行的自动化。系统的主要特点是具有完善的综合导航、自动操船、自动避碰、通信和航行管理控制等多种功能。系统的主要使命是实现船舶航行自动化，提高航行的安全性、经济性和有效性。
综合船桥系统是下一代船舶信息化管理系统。它采用了最先进的海上导航技术，将船舶上的所有导航传感器和系统，包括雷达、电子海图显示与信息系统、陀螺罗盘、测深仪、速度计程仪、差动全球定位系统（DGPS）接收机和自动操舵装置综合在一起。系统的核心是航行管理系统软件，可方便地进行精确的航路规划，在电子海图显示与信息系统上给出清晰的船舶精确位置和航行实时图像，及雷达指示目标和自动识别系统数据。
1.特点
出于系统实现效率和整体容错的考虑，综合船桥系统是由多个分散的、功能近似的航海作业台经互连网络连接而成的计算机系统。其中，各航海作业台既相互协同又高度自治，能在全系统范围内实现资源管理，能动态进行任务或功能分配，并能并行运行分布式程序。这些航海作业台上都运行几乎相同的航海系统软件，只是针对登录用户的角色而做相应的功能定制，满足不同操作人员的需求。这些航海作业台相互连接，组成分布式网络，航海作业的诸多功能不是集中在单个航海作业台上，而是配置在分布式网络内的多个航海作业台上；各个航海作业台所承担的角色不同，而且它们所承担的角色还会随时变化，它们之间需要相互通信以进行必要的协作来保障系统稳定运转。
综合船桥系统呈现以下的分布式特征。
（1）系统内具有大量独立的、自治的和可通信的计算机硬件设备。该系统由4~7个航海作业台组成，各个航海作业工作站在本地保存了船舶编队中所有船舶所产生的数据，包括用户数据、船舶的航行计划、船舶航行过程中的航迹数据以及其他航行态势数据等。
（2）对用户来说，该系统就像一个单一的系统。每个工作站都包含所有的功能模块和部分运行数据，通过对登录用户所具备的不同角色进行权限控制来实现不同的功能。因此对某一个特定的功能模块来说在哪个具体的工作站上运行并不重要，重要的是该功能模块能否在系统运行全过程中。
2.体系结构
综合船桥系统集成数据类型较多，包括电子海图、导航雷达、驾驶信息、船舶状态、视频监视等功能模块，构建多功能备份重组架构的核心思想是：利用触发器（trigger）记录各个独立数据库执行的数据更新操作，通过即时比较各数据库同步表、使用分布式选举算法来动态发现更新数据源，而后采用知识事务传播的方式同步相异数据信息，减少网络流量，从而解决数据动态同步问题。
如图1所示，综合船桥系统多功能备份重组数据同步体系结构由以下若干子系统构成。
图1 数据同步体系结构
（1）同步服务代理（SynchronizationServiceAgent，SSA）。出于实现效率和多数据库之间异构性的考虑，各个应用子系统（导航工作站、APPA雷达终端等）并不直接访问本地数据库系统，甚至可以不清楚数据库服务器的网络地址，应用子系统只是与SSA互相通信。SSA是整个系统的入口，当有应用子系统更新数据库的时候，由SSA回应请求，然后将请求发送给其他SSA处理。
（2）数据同步引擎（DataSynchronizationEngine，DSE）。数据同步引擎与本地数据库服务器是一一对应的，根据其他工作站上同步服务代理SSA发送的同步请求操作来更新本地数据。
（3）同步协议接口（SynchronizationProtocolInterface，SPI）。同步协议接口是同步协议适配器的应用编程接口，SSA通过该接口访问协议适配器，完成数据更新操作的消息发布。
（4）同步协议适配器（SynchronizationProtocolAdapter，SPA）。同步协议适配器是同步数据对象的发起者和接收者用来实现消息传递的概念过程。同步协议适配器也是与网络传输接口相互通信的构件实体，它负责维护多个应用子系统之间、用于数据同步的网络连接。
（5）同步数据源（SynchronizationDataSource，SDS）。在综合船桥系统运行过程中的任意时刻，总是存在某个独立数据库系统中的数据是最新的，或者说是最近更新的。SDS是综合航行数据库系统建立同步过程的关键，因为数据同步总是要有源头，总是需要确定哪个是最新的数据副本，哪个是需要更新的数据副本。SDS不是静态定义的，而是在系统运行过程中，通过分布式选举算法动态确定的。
（6）多功能台对等服务器（Peerto-PeerDataServer）。综合船桥系统为了增强系统的可靠性，提高系统的抗毁性，在系统内部通常设置多台数据库服务器，这些数据库服务器并不使用非常复杂的管理软件，因为这些数据库服务器只是为了保存数据，并不涉及复杂的数据管理需求，通常使用postgresql等轻量级数据库管理软件，甚至出于执行效率和运行成本的考虑，采用extremeDB等内存数据库系统。
当前，使用分布式的多功能台（MultiFunctionWorkstation，MFW）模式构建的综合船桥系统已经成为主流。分布式的综合船桥系统在物理拓扑结构上是由多个对等导航工作站通过TCP/IP网络搭建起来的分布式系统，每个导航工作站可以在ECDIS、ARPA和CONNING之间自由切换，极大地提高了系统的可靠性和容错性。综合航行数据库是基于P2P架构的分布式数据库系统，它是分布式综合船桥系统实现的基础。分布式综合船桥系统所需要实现的不同作业节点间高可靠性高实时性的数据同步与存储、导航工作站的角色管理与功能配置、系统任务失效检测、整体容错机理以及容错框架等，都与多功能备份重组体系结构的设计与实现紧密相关。
3.结语
本文对综合船桥系统多功能备份重组的体系结构进行了深入研究，构建了基于备份重组的综合船桥系统模型，为下一步设计与实现打下了坚实的基础。
作者：姚帅
本文刊发于《中国高新科技》杂志2020年第22期
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