李寶鋼，劉慶亮，鄒祥依，徐全香，宋士吉，桑 威

(1. 國家深海基地管理中心，山東 青島 266237；2. 清華大學(xué)，北京 100084；3. 中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011)

載人潛水器母船網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)設(shè)計分析

李寶鋼1，劉慶亮1，鄒祥依1，徐全香1，宋士吉2，桑 威3

(1. 國家深海基地管理中心，山東 青島 266237；2. 清華大學(xué)，北京 100084；3. 中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011)

本文結(jié)合我國載人深潛科學(xué)考察對母船網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的需求，闡述了載人潛水器母船網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的設(shè)計原則及總體設(shè)計方法，并對各分系統(tǒng)設(shè)計與實施進(jìn)行論述，旨在為我國新建載人潛水器母船網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)建設(shè)提供參考。

載人潛水器；母船；網(wǎng)絡(luò)信息；設(shè)計分析

0 引 言

載人潛水器母船作為一種特殊的海洋科學(xué)考察船，同樣需要配備基于船載網(wǎng)絡(luò)的信息化系統(tǒng)，在潛水器下潛作業(yè)期間及常規(guī)調(diào)查設(shè)備作業(yè)期間，為船舶各設(shè)備間信息共享、數(shù)據(jù)融合提供可靠、先進(jìn)的手段，為各專業(yè)領(lǐng)域人員提供協(xié)同一致的工作環(huán)境，有效提高載人深潛航次的效率。

1 基本設(shè)計原則

船舶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是構(gòu)筑網(wǎng)絡(luò)平臺，實現(xiàn)資源共享；建立基于船舶網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以實現(xiàn)船舶各類設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、傳輸、交換和存儲；基于船舶網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)網(wǎng)訪問及郵件收發(fā)系統(tǒng)；船域網(wǎng)內(nèi)視頻點播系統(tǒng)；船域網(wǎng)內(nèi)信息交換和共享[1]。

基于以上設(shè)計目標(biāo)，整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)堅持實用性、完整性、可靠性，同時還應(yīng)考慮先進(jìn)性。具體表現(xiàn)在充分考慮載人潛水器母船網(wǎng)絡(luò)的特殊性，數(shù)據(jù)的安全高效性，良好的系統(tǒng)可擴(kuò)展性，良好的可管理性等[2]，如圖1 所示。

2 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體設(shè)計

載人潛水器母船信息系統(tǒng)可歸納為“一二六”設(shè)計思路。即 1 個平臺，2 個中心，六大系統(tǒng)。

1 個平臺是指船舶一體化網(wǎng)絡(luò)平臺，該平臺是網(wǎng)絡(luò)信息化建設(shè)的基礎(chǔ)，承擔(dān)全船乃至岸基及其他平臺的數(shù)據(jù)傳輸和信息交互任務(wù)。同時負(fù)責(zé)將通信設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備、專業(yè)調(diào)查裝備、通用服務(wù)調(diào)查裝備、深海水下平臺互連成一個整體。

2 個中心是指數(shù)據(jù)中心和作業(yè)管理中心，是船舶網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的實體，除了遍布全船的傳感器、網(wǎng)絡(luò)接口和信息終端外，網(wǎng)絡(luò)信息化系統(tǒng)的大多數(shù)核心部件均布置在數(shù)據(jù)中心和作業(yè)管理中心。

六大系統(tǒng)是指船舶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)下轄的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)、業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)、綜合視頻系統(tǒng)及遠(yuǎn)程交互系統(tǒng) 6 個應(yīng)用系統(tǒng)[3]。

圖1 船舶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計原則Fig. 1 Principles of ship network systemdesign

3 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心即全船的計算中心、存儲中心和網(wǎng)絡(luò)中心，數(shù)據(jù)中心通常位于船舶的中心位置，方便網(wǎng)絡(luò)布線和維護(hù)，是服務(wù)器、磁盤陣列、路由器、交換機(jī)、配線系統(tǒng)、安全技防系統(tǒng)、UPS 系統(tǒng)等綜合集成場所，其計算資源、存儲備份資源、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)資源為調(diào)查業(yè)務(wù)活動提供硬件的支撐和服務(wù)，圖2 為數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure diagramof data center system

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

載人潛水器母船可參考科考船，信息采集節(jié)點（含導(dǎo)航信息采集和設(shè)備信息采集）通常按照 64 個統(tǒng)一設(shè)計，能滿足 RS-232、RS-422、RS-485 等類型的串口輸入輸出設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)輸入輸出設(shè)備的數(shù)據(jù)采集要求，自適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)多種波特率，支持網(wǎng)路協(xié)議：ICMP/IP/TCP/UDP 等[4]，圖3 為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖Fig. 3 Block diagramof data acquisition system

3.2 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)包括設(shè)備信息管理、數(shù)據(jù)管理、發(fā)布管理和報告管理等，如圖4 所示。作為載人潛水器母船，除各類常規(guī)調(diào)查設(shè)備的信息管理外，載人潛水器本體及其水面支持系統(tǒng)的信息管理也是非常重要的部分。對調(diào)查資料進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)化處理和常規(guī)質(zhì)量控制，并根據(jù)分析研究的要求，對觀測調(diào)查數(shù)據(jù)做必要的預(yù)處理、存儲、備份與管理，數(shù)據(jù)處理應(yīng)符合大洋數(shù)據(jù)處理規(guī)范，便于數(shù)據(jù)下船后與大洋資料中心數(shù)據(jù)處理與管理無縫交接。

圖4 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)框圖Fig. 4 Block diagramof datamanagement system

這里以 CTD 為例，介紹整個船舶數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程，如圖5 所示。首先，是數(shù)據(jù)生成，在 CTD作業(yè)過程中，會產(chǎn)生 CTD 采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)先進(jìn)入 CTD末端處理計算機(jī)，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)適配，進(jìn)入原始數(shù)據(jù)庫，原始庫的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，進(jìn)入到初步質(zhì)控數(shù)據(jù)庫，再經(jīng)過數(shù)據(jù)發(fā)布審核，進(jìn)入到發(fā)布數(shù)據(jù)庫，用戶能夠通過訪問發(fā)布數(shù)據(jù)庫獲取 CTD 數(shù)據(jù)。

3.3 安全管理系統(tǒng)

安全管理系統(tǒng)實現(xiàn)對船舶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的訪問管理控制、殺毒策略管理等，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）接入控制：防止計算機(jī)終端被非法接入，必須經(jīng)過管理員審核后才能進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。

2）訪問控制：入網(wǎng)的人員應(yīng)根據(jù)不同工作崗位劃分相應(yīng)角色，并賦予相應(yīng)的訪問權(quán)限，避免越權(quán)訪問和涉密資源的非法操作，圖6 為用戶準(zhǔn)入管理模式圖。

圖5 CTD 數(shù)據(jù)管理框圖Fig. 5 Block diagramof CTD datamanagement

圖6 用戶準(zhǔn)入管理模式圖Fig. 6 User accessmanagement pattern

3）安全控制：網(wǎng)絡(luò)的終端必須強(qiáng)制安裝統(tǒng)一的防病毒軟件，并方便病毒庫和系統(tǒng)補丁的及時更新推送。

4）終端控制：應(yīng)對于網(wǎng)內(nèi)統(tǒng)一配置的計算機(jī)進(jìn)行管控，禁止私自安裝與工作無關(guān)的軟件，影響網(wǎng)內(nèi)工作效率及信息安全。

5）數(shù)據(jù)安全控制：自動識別隱藏在文件中的關(guān)鍵字，防止關(guān)鍵數(shù)據(jù)、信息泄露，如圖7 為數(shù)據(jù)安全管理控制。

4 作業(yè)管理中心

作業(yè)管理中心是全船的作業(yè)集控管理、會商決策中心，實現(xiàn)對全船設(shè)備監(jiān)控視頻、船舶監(jiān)控視頻、遠(yuǎn)程視頻會議等音視頻資源的統(tǒng)一監(jiān)控與調(diào)度；與其他船平臺、岸基的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程技術(shù)支持。作為載人潛水器母船，作業(yè)管理中心還有個主要功能是載人潛水器下潛作業(yè)期間的指揮、監(jiān)控、調(diào)度等。

4.1 業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)

業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)實現(xiàn)以載人潛水器為主的調(diào)查計劃、作業(yè)流程、調(diào)查人員、調(diào)查設(shè)備、樣品的信息化、規(guī)范化管理，以航次→航段→下潛試驗的形式組織報告及相關(guān)試驗過程信息，同時將試驗產(chǎn)生的數(shù)據(jù)上傳數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)統(tǒng)一管理，能夠完成試驗項目的跟蹤管理、進(jìn)度掌控、流程規(guī)范、歷史項目統(tǒng)計。如圖8所示為業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)框圖。

圖7 數(shù)據(jù)安全管理控制Fig. 7 Data securitymanagement and control

圖8 業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)框圖Fig. 8 Block diagramof businessmanagement system

首先總指揮和科學(xué)家通過業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)登錄到相關(guān)主頁；然后針對航次計劃進(jìn)行相關(guān)的規(guī)劃，主要包含航段計劃、起始時間、應(yīng)急預(yù)案、?？扛劭诘刃畔?；將確定的航段計劃任務(wù)發(fā)送給相關(guān)人員，如科學(xué)家、潛航員、調(diào)查人員及深潛保障人員等；上述人員針對任務(wù)完善相關(guān)的信息，做好人員、設(shè)備等的準(zhǔn)備工作及任務(wù)結(jié)束后的后續(xù)工作。如圖9 為業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)流程圖。

圖9 業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)流程圖Fig. 9 Flow diagramof businessmanagement system

4.2 綜合視頻系統(tǒng)

載人潛水器母船綜合視頻系統(tǒng)主要包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)、船舶動態(tài)信息顯示系統(tǒng)、IPTV 播放系統(tǒng)、大屏綜合顯示系統(tǒng)和視頻會議系統(tǒng)等。

4.2.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)利用攝像頭對船舶平臺的重要部位進(jìn)行實時監(jiān)控，如前后甲板和重要的實驗艙室等，并通過公共信息子網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸、存儲和控制，監(jiān)控視頻應(yīng)連續(xù)記錄，并且保存時間一般不小于 60 d。目前常用的攝像頭有球型攝像機(jī)、槍式攝像機(jī)和激光攝像機(jī)，通常防護(hù)等級為 IP66，通過三防檢測。

4.2.2 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)在船域網(wǎng)內(nèi)實現(xiàn)對載人潛水器和常規(guī)調(diào)查設(shè)備運行的全面監(jiān)控，能實時錄播設(shè)備的屏幕顯示信息，可對設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行回溯[5]。設(shè)備實時監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)不消耗調(diào)查設(shè)備本身的處理資源，不影響設(shè)備的穩(wěn)定性。另外從安全保密角度出發(fā)，應(yīng)給不同用戶分配相應(yīng)的控制權(quán)限。

4.2.3 船舶動態(tài)信息顯示系統(tǒng)

船舶動態(tài)信息顯示系統(tǒng)向船上人員實時提供船舶動態(tài)信息，顯示內(nèi)容通常為船舶航行狀態(tài)、環(huán)境信息和平臺信息，包括船舶的經(jīng)度、緯度、航向、航速、時間、水深、艙室外溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓以及導(dǎo)航、絞車、吊機(jī)等平臺系統(tǒng)的信息參數(shù)。同時能提供可定制的信息顯示以及多種形式的多媒體通知、公告、作業(yè)調(diào)度信息。各類信息通過布設(shè)在實驗室、相關(guān)住艙、公共空間的 IPTV 電視終端顯示，或通過網(wǎng)絡(luò)在電腦上查詢。

4.2.4 IPTV 播放系統(tǒng)

IPTV 播放系統(tǒng)用于實現(xiàn)基于船舶局域網(wǎng)絡(luò)的交互式視頻點播應(yīng)用，包含網(wǎng)絡(luò)視頻點播、視頻會議及在船舶局域網(wǎng)絡(luò)中傳播的數(shù)字音視頻信息等，利用視頻編碼盒對全船的視頻信息進(jìn)行編碼，生成數(shù)字碼流，IPTV 播放系統(tǒng)對全部碼流進(jìn)行存儲、播放，終端通常布置在住艙和公共區(qū)域。

4.2.5 大屏綜合顯示系統(tǒng)

大屏綜合顯示系統(tǒng)實現(xiàn)本船作業(yè)指揮調(diào)度及其綜合信息顯示等功能，為作業(yè)調(diào)度、作業(yè)監(jiān)控和船舶管理提供一體化的服務(wù)平臺，考慮到實際應(yīng)用，大屏綜合顯示系統(tǒng)的大屏幕通常設(shè)置在作業(yè)指揮監(jiān)控室，目前主流的多采用 LCD 拼接屏或者 DLP 屏幕。實驗室區(qū)域內(nèi)，通常設(shè)置為可通過網(wǎng)絡(luò)在計算機(jī)上訪問。大屏綜合顯控系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)采用先進(jìn)的技術(shù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)可靠性和安全性，不能對其他子系統(tǒng)造成安全影響和環(huán)境影響，提供冗余配置，采用模塊設(shè)計，具備擴(kuò)展能力。圖10 為大屏幕綜合顯示系統(tǒng)示意圖。

圖10 大屏幕綜合顯示系統(tǒng)示意圖Fig. 10 Schematic diagramof large screen display system

4.2.6 視頻會議系統(tǒng)

視頻會議系統(tǒng)利用衛(wèi)星通信技術(shù)進(jìn)行船岸以及海上不同船舶之間的視頻會議，支持終端點對點、多點遠(yuǎn)程會議，通過將安全服務(wù)認(rèn)證和通話隱私合并的方法加強(qiáng)遠(yuǎn)程視頻會議的安全性，同時系統(tǒng)可以將重要的會議存儲在錄播服務(wù)器。

4.3 遠(yuǎn)程交互系統(tǒng)

遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)通過海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)，通過先進(jìn)的圖像、語音處理設(shè)備及專業(yè)的船舶采集處理技術(shù)，在確保數(shù)據(jù)安全的前提下，實現(xiàn)在岸基對船舶狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。并且可實現(xiàn)岸基與船上技術(shù)人員對船載設(shè)備的遠(yuǎn)程故障診斷及其相關(guān)技術(shù)支持，技術(shù)人員能夠及時進(jìn)行語音、視頻的遠(yuǎn)程技術(shù)溝通與技術(shù)交流，建立具有互動功能的遠(yuǎn)程視頻技術(shù)協(xié)調(diào)系統(tǒng)。

5 船舶網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)建設(shè)實施流程

網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的建設(shè)分為不同階段建設(shè)，如圖11所示。論證階段和方案設(shè)計階段主要根據(jù)船東的需求，完成各分系統(tǒng)設(shè)計說明書、系統(tǒng)原理圖等技術(shù)文件編制工作；技術(shù)設(shè)計階段主要完成系統(tǒng)原理圖、外部接線圖、設(shè)備安裝圖等技術(shù)文件的編制，完成軟件需求調(diào)研并完成軟件開發(fā)，同時完成陸上聯(lián)調(diào)及系泊航行試驗方案的編制等；陸上聯(lián)調(diào)階段主要是根據(jù)陸上聯(lián)調(diào)試驗方案驗證系統(tǒng)性能及功能指標(biāo)是否滿足設(shè)計要求，縮短船廠安裝調(diào)試周期，確保項目進(jìn)度；系泊航行階段主要配合船廠完成設(shè)備安裝及接線，完成系統(tǒng)功能及性能指標(biāo)驗收；系統(tǒng)運維階段主要是提供系統(tǒng)全壽命保障，承諾為船東提供軟件功能持續(xù)完善更新等[6]。

圖11 網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)實施流程圖Fig. 11 Implementation flow chart of network information system

6 結(jié) 語

船舶網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)猶如人的神經(jīng)系統(tǒng)，遍布于船舶的每個角落，同時也將各個部位的信息進(jìn)行匯總，并通過各種方式呈現(xiàn)在人們面前。建設(shè)一套功能全面、安全可靠、更加人性化的載人潛水器母船網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)對于提高我國載人深潛科考能力具有現(xiàn)實意義。

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Design and analysis the systemof network information of themanned submersiblemother ship

LI Bao-gang1, LIU Qing-liang1, ZOU Xiang-yi1, XU Quan-xiang1, SONG Shi-ji2, SANG Wei3
(1. National Deep Sea Center, Qingdao 266237, China; 2. Tsinghua University, Beijing 100084, China; 3.marine Design and Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

According to the requriment of themother ship network information systemof China'smanned submersible scientific investigation, discussed the design principles andmethods of themanned submersiblemother ship network information system, and discussed the design and implementation of each system, to provide reference for the construction of the network information systemof the newmanned submersible vehicle in our country.

manned submersible；mother ship；network information；design and analysis

TP393.1

：A

1672 - 7619(2016)10 - 0062 - 05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.010.012

2016 - 03 - 29；

2016 - 05 - 05

國家海洋局大洋專項資助項目(BS-DY2012-01)

李寶鋼(1983 - )，男，碩士，工程師，主要從事深海技術(shù)及船舶裝備技術(shù)研究。