1 引 言

船舶是人類征服海洋、河流、湖泊的重要運(yùn)載工具，不同的船舶承擔(dān)著不同的重要任務(wù)。近幾十年來，為了更好地駕駛船舶及更好地應(yīng)用船舶載體，船舶綜合平臺管理系統(tǒng)(IPMS)應(yīng)運(yùn)而生，所謂綜合平臺管理系統(tǒng)是指利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將船舶平臺上的各系統(tǒng)及重要設(shè)備連接成可進(jìn)行集中管理的數(shù)字化系統(tǒng)，并為越來越復(fù)雜、越來越先進(jìn)的平臺設(shè)備提供更簡單、更安全和更實(shí)用的操作界面[1-4]。綜合平臺管理系統(tǒng)在船舶行業(yè)，尤其是在發(fā)達(dá)國家船舶行業(yè)已發(fā)展多年，有較成熟經(jīng)驗(yàn)。本文根據(jù)當(dāng)前該管理系統(tǒng)發(fā)展趨勢，抽象出通用系統(tǒng)模型，使其能為承擔(dān)各類不同任務(wù)的船舶所借鑒，并最終結(jié)合實(shí)際情況得到有效的船舶綜合平臺管理系統(tǒng)方案。

2 綜合平臺管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

建立船舶綜合平臺管理系統(tǒng)的目標(biāo)是在一個開放的平臺管理網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，完成船舶的機(jī)電管理、航行管理、特征信號管理、任務(wù)管理(不同船只將根據(jù)需求承擔(dān)不同的任務(wù))、船員生活管理等5大管理任務(wù)，通過高新技術(shù)將其多個功能系統(tǒng)高度集成，達(dá)到操縱更為方便,總體性能更為可靠,人員工作更為方便,生活更為舒適的目的。

2.2 設(shè)計(jì)思路

要達(dá)成上述目標(biāo)，必須明確設(shè)計(jì)思路，并吸收先進(jìn)理念和先進(jìn)技術(shù)，不斷加以修正。

1) 總體優(yōu)化原則。從全局視角出發(fā)，平衡各個部分的發(fā)展，使全系統(tǒng)在總體上達(dá)到平衡和優(yōu)化，避免各系統(tǒng)發(fā)展的失衡。強(qiáng)調(diào)單元間協(xié)作帶來的整體功能效益和效率。

2) 總體基本構(gòu)架既具有相對的穩(wěn)定性和獨(dú)立性，又具有高度的靈活性和持續(xù)升級能力。

3) 精簡硬件，強(qiáng)化軟件，充分發(fā)揮軟件的靈活性，以適應(yīng)任務(wù)變化對功能變化的需求，提升系統(tǒng)執(zhí)行多任務(wù)的能力和適應(yīng)任務(wù)變化的能力。

4) 始終考慮新的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)具備較強(qiáng)的可行性、可靠性、可維性、成長性及擴(kuò)展性。

5) 注重技術(shù)選型，充分考慮未來的可持續(xù)升級發(fā)展?jié)摿Γ乐剐畔⒒夹g(shù)的快速發(fā)展而導(dǎo)致系統(tǒng)迅速落后的被動局面。

6) 利用商業(yè)化的成熟技術(shù)縮短研發(fā)周期，減小技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和開銷。

2.3 設(shè)計(jì)方法

1) 分離控制與管理功能；

2) 面向科考任務(wù)進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)；

3) 以人為本的設(shè)計(jì)理念。

需要說明的是，此處的分離控制與管理功能是在具體實(shí)施過程中的一種方法，以便于分層次、按類別進(jìn)行既相互獨(dú)立、又相互關(guān)聯(lián)、且可并行實(shí)施的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它是一種設(shè)計(jì)過程和方法，其最終的目的是為了實(shí)現(xiàn)管控一體化，達(dá)成整體目標(biāo)最優(yōu)值。

3 系統(tǒng)模型總體規(guī)劃

3.1 綜合平臺管理系統(tǒng)要素

船舶綜合平臺管理系統(tǒng)需要3大要素：網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)操控站、管理軟件。適合的管理系統(tǒng)充分利用成熟的商業(yè)化技術(shù)和資源，通過對3大要素的合理組合完成對船舶的動力、操縱、環(huán)境監(jiān)測、保障、聲吶、導(dǎo)航、視頻監(jiān)控、任務(wù)管理、人員生活等全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控及管理。

1) 網(wǎng)絡(luò)

綜合平臺管理系統(tǒng)需要有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的選擇應(yīng)當(dāng)從信息業(yè)務(wù)的實(shí)際需求出發(fā)，重點(diǎn)考慮技術(shù)的先進(jìn)性、安全性、成熟性、實(shí)用性、集成性、可擴(kuò)展性及可管理性。目前可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)傳輸、交換和分發(fā)的主流網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括： 以太網(wǎng)、SDH(同步數(shù)字體系)和RPR(彈性分組環(huán))[5-6]。

隨著“信息化”的發(fā)展，用戶對傳輸系統(tǒng)的性能提出了越來越高的要求，這就要求傳輸系統(tǒng)至少應(yīng)同時(shí)具備如下能力： 良好的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸能力; 語音、視頻、異步數(shù)據(jù)的接入和透明傳輸能力; 高度的可靠性、穩(wěn)定性; 網(wǎng)絡(luò)自愈能力; 強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)綜合管理及故障定位能力; 較強(qiáng)的擴(kuò)展能力。

目前船舶組網(wǎng)多數(shù)考慮選用以太網(wǎng)技術(shù)[7-9]，更多的是看重其成熟性、主流性和通用性，在國內(nèi)外船舶管理系統(tǒng)組網(wǎng)中也有選用SDH及RPR技術(shù)的，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)比較不是本文重點(diǎn)，在此不多贅述。

2) 系統(tǒng)操控站

系統(tǒng)操控站從系統(tǒng)設(shè)備中獲取所需信息，經(jīng)匯總分析后，得到各系統(tǒng)狀態(tài)信息，并根據(jù)需要發(fā)出控制指令，下達(dá)至底層設(shè)備執(zhí)行指令。每個系統(tǒng)操控站都應(yīng)是通用顯控臺，能完成預(yù)定義的系統(tǒng)功能，具有相對獨(dú)立的事務(wù)處理和控制能力，并且各通用顯控臺可實(shí)現(xiàn)相互動態(tài)冗余(包括軟件冗余與硬件冗余)。

3) 管理軟件

以某科考艦為例，管理軟件是整個系統(tǒng)的核心，無論是承擔(dān)何種任務(wù)的船舶，其管理系統(tǒng)都將分為如下5個管理子系統(tǒng)(此處的管理子系統(tǒng)是指綜合平臺管理系統(tǒng)內(nèi)的管理子系統(tǒng)，不是船舶本身劃分的固有系統(tǒng)，為了不出現(xiàn)混淆，子系統(tǒng)專指平臺管理子系統(tǒng))，即機(jī)電管理子系統(tǒng)、航行管理子系統(tǒng)、特征信號管理子系統(tǒng)、科學(xué)考察管理子系統(tǒng)、船員生活管理子系統(tǒng)。船舶管理系統(tǒng)必將是該5大系統(tǒng)的簡化、組合或全部。

3.2 綜合平臺管理系統(tǒng)通用架構(gòu)

從全局來看，整個平臺綜合管理體系在邏輯上劃分為2層：系統(tǒng)控制層和平臺管理層。兩層結(jié)構(gòu)單元既相對獨(dú)立，各司其職，又相互協(xié)調(diào)和支持，可并行實(shí)施和工作。整個系統(tǒng)最多具有3級操控能力：板前手操、系統(tǒng)控制層操控和平臺管理層操控。這是一個在邏輯上為兩層結(jié)構(gòu)的總體基本構(gòu)架。系統(tǒng)控制層向平臺管理層提供服務(wù)，同時(shí)從平臺管理層接收指令并負(fù)責(zé)指令的執(zhí)行，根據(jù)需要將執(zhí)行結(jié)果反饋到管理層。分層結(jié)構(gòu)體系使各系統(tǒng)更容易管理、維護(hù)和使用。

圖1 平臺綜合管理系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)圖

從物理結(jié)構(gòu)形式上看，整個網(wǎng)絡(luò)是由多個以太網(wǎng)交換機(jī)組成，通過光纖連接的一個環(huán)網(wǎng)(一般為雙冗余環(huán)網(wǎng)，當(dāng)然也可能有其他形式，甚至選用其他技術(shù)組網(wǎng))，如圖1所示，各類型設(shè)備掛接在環(huán)網(wǎng)上，同時(shí)也可通過虛擬局域網(wǎng)(VLAN)的方式將同系統(tǒng)設(shè)備在邏輯上劃分成獨(dú)立區(qū)域的子網(wǎng)，并可根據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

系統(tǒng)控制層是控制核心，空間站上各系統(tǒng)底層的現(xiàn)場設(shè)備通過“轉(zhuǎn)接箱”的方式接入到網(wǎng)絡(luò)中，各種現(xiàn)場設(shè)備的控制依然由各系統(tǒng)負(fù)責(zé)，“轉(zhuǎn)接箱”是一個轉(zhuǎn)接設(shè)備，完全面向現(xiàn)場設(shè)備，提取現(xiàn)場信息，并初步處理后上傳至平臺管理層，同時(shí)，從平臺管理層獲取操作人員的指令，將指令轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的設(shè)備執(zhí)行，以實(shí)現(xiàn)操作人員的意圖，并根據(jù)需要將執(zhí)行結(jié)果上傳，從而做到了管控分離。系統(tǒng)控制層應(yīng)盡量考慮統(tǒng)一工控標(biāo)準(zhǔn)，并以高度集成為工作方向。部分獨(dú)立控制的大型設(shè)備可根據(jù)需要依然保留其控制方式及主體，但需要增設(shè)網(wǎng)絡(luò)接口，以方便接入網(wǎng)絡(luò)。

平臺管理層是管理核心，由各通用操控站及服務(wù)器組組成。平臺管理層從系統(tǒng)控制層的“轉(zhuǎn)接箱”獲取所需信息，經(jīng)匯總分析后，得到各系統(tǒng)狀態(tài)信息，并根據(jù)需要發(fā)出控制指令，下達(dá)至現(xiàn)場設(shè)備層的具體設(shè)備執(zhí)行指令。每個通用操控站能完成預(yù)定義的任務(wù)功能， 具有相對獨(dú)立的事務(wù)處理和控制能力，并且各通用操控站可實(shí)現(xiàn)相互動態(tài)冗余(包括軟件冗余和硬件冗余)，一旦某臺設(shè)備失效后，可指定其他系統(tǒng)操控站臨時(shí)接管。同時(shí)，通用操控站上設(shè)定具有預(yù)定義功能的按鈕(比如對空間站安全有重大影響的緊急按鈕)，按鈕與底層控制器有直接相連的硬接線，方便工作人員迅速做出指令動作，并能有效執(zhí)行，增加了整個系統(tǒng)的可靠性。

平臺管理層數(shù)據(jù)在符合TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)上傳遞，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)具備3層交換功能，對于各系統(tǒng)，可在網(wǎng)絡(luò)上劃分成相對獨(dú)立的VLAN，這樣可使各系統(tǒng)根據(jù)需要進(jìn)行邏輯隔離，以方便管理。

4 綜合平臺管理系統(tǒng)典型方案

我們以某科考船臺綜合管理系統(tǒng)方案為例，介紹在通用模型下管理系統(tǒng)的實(shí)體配置方案。該科考船綜合平臺管理系統(tǒng)包括機(jī)電管理子系統(tǒng)、航行管理子系統(tǒng)、特征信號管理子系統(tǒng)、科學(xué)考察管理子系統(tǒng)、船員生活管理子系統(tǒng)。

系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 某科考船平臺綜合管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.1 各管理子系統(tǒng)介紹

機(jī)電管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理科考船核心部分——動力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)。該子系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)對動力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的綜合管理及監(jiān)控，執(zhí)行高級控制邏輯以及管理功能，管控指令和數(shù)據(jù)信息通過“轉(zhuǎn)接箱”轉(zhuǎn)接，但不參與動力和電力系統(tǒng)各設(shè)備的直接控制，不對各分系統(tǒng)設(shè)備本身的安全可靠運(yùn)行負(fù)責(zé)。預(yù)定義的機(jī)電管理操控站上盡量減少電操按鈕及指示燈，僅保留關(guān)鍵參數(shù)的顯示和與安全相關(guān)的操作按鈕。動力系統(tǒng)及電力系統(tǒng)將不再單獨(dú)設(shè)置操控臺。

航行管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)科考船的航行操縱管理。該子系統(tǒng)功能包括科考船的駕駛和均衡、系船操縱和無人自動巡航，可對科考船的航向、深度和均衡狀態(tài)實(shí)施控制，并對科考船的姿態(tài)和航行參數(shù)進(jìn)行圖形化集中顯示。由于操縱管理的特殊性，在通用操控站上將增加操舵儀等附屬設(shè)施，當(dāng)其出現(xiàn)故障時(shí)，其他操控站可降功能使用。

特征信號管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)科考船的各類特征信號監(jiān)控。特征信號包括科考船特征信號及周邊海域特征信號，科考船特征信號包括自噪聲、振動、視頻監(jiān)控、大氣環(huán)境、火災(zāi)報(bào)警、艙底進(jìn)水報(bào)警等數(shù)據(jù)；周邊海域特征信號包括海域溫度、鹽度、深度信號等，重要數(shù)據(jù)在網(wǎng)上共享。

由于科考船承擔(dān)科學(xué)考察的重要任務(wù)，因此其任務(wù)管理子系統(tǒng)即科學(xué)考察管理子系統(tǒng)，但該系統(tǒng)不另設(shè)系統(tǒng)操控站，僅以軟件形式體現(xiàn)。工作人員可通過自己的便攜計(jì)算機(jī)登陸科學(xué)考察管理子系統(tǒng)進(jìn)行資料查詢、任務(wù)安排、工作記錄等，完成相關(guān)科考工作任務(wù)。

船員生活管理子系統(tǒng)同科考管理子系統(tǒng)一樣，該子系統(tǒng)不設(shè)置系統(tǒng)操控站。由于科考船需長期在海洋工作，船員生活難免感到枯燥，生活管理子系統(tǒng)可讓船員在緊張工作的同時(shí)，享受到豐富的生活樂趣，可通過網(wǎng)路在線欣賞影視、交流情感等。

4.2 平臺網(wǎng)絡(luò)

平臺網(wǎng)絡(luò)由若干以太網(wǎng)交換機(jī)、光纖及連接器、網(wǎng)管服務(wù)器、網(wǎng)管軟件等組成，構(gòu)建雙冗余千兆以太網(wǎng)，完成平臺管理系統(tǒng)的基本網(wǎng)絡(luò)配置。核心設(shè)備——以太網(wǎng)交換機(jī)支持1 000 M光纖接口能力；支持雙冗余體系結(jié)構(gòu)、虛擬局域網(wǎng)技術(shù)、三層交換技術(shù)和組播技術(shù)等。

4.3 服務(wù)器組

綜合平臺管理系統(tǒng)方案將劃分5大管理子系統(tǒng)，因此需設(shè)置相應(yīng)的服務(wù)器組，這些服務(wù)器組也是雙冗余備份配置，以保障較高的可靠性，除以上5個服務(wù)器組外，還需增設(shè)存儲數(shù)據(jù)庫管理服務(wù)器和音視頻管理服務(wù)器，存儲數(shù)據(jù)庫管理服務(wù)器進(jìn)行科考船各類數(shù)據(jù)的存儲及備份，數(shù)據(jù)的存儲包括完成“黑匣子”功能的短時(shí)數(shù)據(jù)存儲和為科考船以后進(jìn)行使用狀況分析而留存的長時(shí)數(shù)據(jù)存儲，該服務(wù)器的存儲功能可在后臺自動完成；音視頻服務(wù)器主要用來處理電話語音業(yè)務(wù)和視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)。因此，整個綜合平臺管理系統(tǒng)將設(shè)置7個服務(wù)器組(圖2)。

4.4 轉(zhuǎn)接箱

綜合平臺管理系統(tǒng)將配置若干轉(zhuǎn)接箱設(shè)備，完成各系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)接功能。轉(zhuǎn)接箱布置在各系統(tǒng)設(shè)備最集中的艙室。

4.5 通用操控站

綜合平臺管理系統(tǒng)將配置3個通用操控站，預(yù)定義為機(jī)電管理操控站、航行管理操控站和特征信號管理操控站，這些操控站可互為備用，一旦其中之一因故障失效，其他的操控站可降功能使用，承擔(dān)有故障的操控站任務(wù)。同時(shí)，便攜計(jì)算機(jī)也可通過網(wǎng)絡(luò)接口，承擔(dān)各操控站管理任務(wù)，滿足在操控站損壞，離線維修時(shí)，科考船各系統(tǒng)依然可運(yùn)行正常。

4.6 軟件系統(tǒng)

軟件構(gòu)架采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)軟件平臺，選用Windows操作系統(tǒng)，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要對操作系統(tǒng)進(jìn)行裁減，提高可靠性、安全性和運(yùn)行效率。利用中間件技術(shù)，將各子系統(tǒng)應(yīng)用軟件以軟件模塊的方式嵌入到軟件系統(tǒng)中。

5 效能評估

船舶綜合平臺管理系統(tǒng)通用模型效能評估可以從可行性、可靠性、成長性、擴(kuò)展性、可維性等幾個方面來分析[10]，具體如下：

1) 可行性。綜合平臺管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案需要注重現(xiàn)實(shí)意義，系統(tǒng)不宜過于復(fù)雜，綜合平臺管理系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)對各系統(tǒng)技術(shù)責(zé)任單位提出建議工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)備配置優(yōu)化要求。

2) 可靠性。綜合平臺管理系統(tǒng)配置了通用操控站，可與底層設(shè)備一起完成冗余監(jiān)管控制功能，若某個操控站損壞，可離線維修，同時(shí)指定另一操控站或移動操控站(即裝有管理軟件的便攜計(jì)算機(jī))代理工作。底層工業(yè)網(wǎng)絡(luò)建議采用標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)了系統(tǒng)控制層的可靠性；另外網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用雙冗余環(huán)網(wǎng)形式，相對鏈型結(jié)構(gòu)形式增加了斷纖保護(hù)功能，可靠性更高。

3) 成長性。采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)(或選用其它技術(shù)組網(wǎng))作為船舶平臺基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)充分考慮到未來根據(jù)實(shí)際需要方便地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)軟硬件升級。

4) 擴(kuò)展性。在該通用模型中，當(dāng)各系統(tǒng)設(shè)備需要增加時(shí)，可方便地通過“轉(zhuǎn)接箱”接到網(wǎng)絡(luò)上，而不破壞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在管理軟件上考慮采用模塊化設(shè)計(jì)，以方便應(yīng)用軟件的擴(kuò)展與升級，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)具備三層交換功能，可根據(jù)需要方便劃分VLAN并允許異構(gòu)網(wǎng)互連。

5) 可維性。由于各系統(tǒng)底層控制設(shè)備建議考慮采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線網(wǎng)絡(luò)通過“轉(zhuǎn)接箱”接入網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)了底層設(shè)備的通用性，維護(hù)工作將變得更為簡單，增加了船只各系統(tǒng)設(shè)備的可維性。

6 結(jié)束語

實(shí)現(xiàn)船舶平臺信息的一體化綜合管理可提高船舶整體可靠性、可維性、成長性和擴(kuò)展性，為船舶提供了良好的信息平臺，能大大提高各系統(tǒng)綜合優(yōu)化控制管理水平，也為工作人員創(chuàng)造了優(yōu)良的工作和生活環(huán)境。船舶綜合平臺管理系統(tǒng)模型旨在提供一個通用的研究思路和構(gòu)建系統(tǒng)準(zhǔn)則，為科研人員從事該課題研究奠定基礎(chǔ)。

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