周志鳳黃 嶸龔瑞良

（1.中國衛(wèi)星海上測控部 江陰214400；2.中國極地研究中心 上海200136；3.常熟瑞特電氣股份有限公司 常熟215500）

智能船舶的頂層規(guī)劃與體系架構(gòu)

周志鳳1黃 嶸2龔瑞良3

（1.中國衛(wèi)星海上測控部 江陰214400；2.中國極地研究中心 上海200136；3.常熟瑞特電氣股份有限公司 常熟215500）

文章立足于船舶裝備、物聯(lián)網(wǎng)、計算機網(wǎng)絡(luò)、通訊等技術(shù)基礎(chǔ)，從頂層規(guī)劃層面分析智能船舶在功能實現(xiàn)上的基本內(nèi)涵和在技術(shù)實現(xiàn)上的主要外延，適用性地提出了符合智能船舶平臺化集成要求的軟硬件體系架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)化接口體系。以此為設(shè)計開發(fā)框架，可以敏捷經(jīng)濟地指導(dǎo)智能船舶的規(guī)劃設(shè)計、設(shè)備訂購、船廠施工、分系統(tǒng)調(diào)試、大系統(tǒng)集成與信息融合等應(yīng)用實現(xiàn)。該文簡述了智能船舶的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用內(nèi)容，闡明了集成展示環(huán)境對于促進智能船舶推廣應(yīng)用的意義及作用。

智能船舶；頂層規(guī)劃；體系架構(gòu)；標(biāo)準(zhǔn)化接口；集成展示

1 背景分析

1.1 依據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)

2015年5月19日，國務(wù)院印發(fā)了《中國制造2025》。這是我國部署實施和全面推進“制造強國”戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領(lǐng)，把“海洋工程裝備和高科技船舶”作為需要聚集資源并實現(xiàn)突破發(fā)展的十大重點領(lǐng)域之一，并將集成化、智能化、模塊化的重點配套設(shè)備及關(guān)鍵造船技術(shù)作為所需掌握的核心技術(shù)。

2016年3月1日，中國船級社（CCS）編制的《智能船舶規(guī)范（2015）》［1］正式開始生效，該規(guī)范主要從智能船舶的定義描述以及主體功能（智能航行、智能船體、智能機艙、智能能效管理、智能貨物管理和智能集成平臺等六個方面的功能），進行具體細化明確。

1.2 基礎(chǔ)與條件

智能船舶的提出順應(yīng)了船舶裝備發(fā)展與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的新潮流。首先，隨著船舶裝備數(shù)字化、智能化、信息化技術(shù)的持續(xù)發(fā)展與廣泛應(yīng)用，越來越多的設(shè)備具有可接入其領(lǐng)域局域網(wǎng)或船舶互聯(lián)網(wǎng)的可能；其次，隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的提出與相應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，基于現(xiàn)場總線、領(lǐng)域局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等形式的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、應(yīng)用開發(fā)、系統(tǒng)集成、集中監(jiān)控、分析預(yù)警、輔助決策等信息技術(shù)得到充分發(fā)展并進而推廣和應(yīng)用；再者，隨著減員增效及人性化需求的不斷發(fā)展，無人機艙、中央集控系統(tǒng)、數(shù)字化橋樓系統(tǒng)等平臺化的應(yīng)用實現(xiàn)也獲得逐步推廣。

1.3 現(xiàn)實的痛點

物聯(lián)網(wǎng)軟硬件架構(gòu)體系及實現(xiàn)技術(shù)現(xiàn)已基本成熟并得到充分驗證和發(fā)展，但其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用還主要局限于分領(lǐng)域范圍內(nèi)，整個體系的標(biāo)準(zhǔn)化、平臺化、融合化的向基礎(chǔ)設(shè)施方向的發(fā)展進程較為緩慢。

現(xiàn)階段，船舶領(lǐng)域裝備系統(tǒng)的智能化為有限智能（初級），其有效范圍也僅限于各裝備系統(tǒng)自身，船舶裝備的物聯(lián)網(wǎng)化發(fā)展進程較為緩慢，信息化水平較低，主要表現(xiàn)為以下幾個方面：

（1）信息孤島效應(yīng)明顯。表現(xiàn)為主機、輔機、冷水機組等既有智能裝備的信息接口開放度不夠，信息的第三方應(yīng)用集成與二次開發(fā)相對困難。

（2）重復(fù)建設(shè)成本較高。表現(xiàn)為各類型裝備硬件形式的應(yīng)用終端在特定區(qū)域平臺上的集中布置與應(yīng)用實現(xiàn)、信號采集、通訊接口、資源部署、應(yīng)用終端等的實現(xiàn)基本上都是相互獨立的，系統(tǒng)建設(shè)的復(fù)雜度、重復(fù)性等其他成本較高，系統(tǒng)調(diào)整變更的實現(xiàn)成本較高。

（3）數(shù)據(jù)接口的等級較低。表現(xiàn)為以硬點信號線為承載的報警點信號量偏多，以串口通訊、寬帶通訊、光纖通訊等標(biāo)準(zhǔn)化接口及通訊協(xié)議為承載的應(yīng)用開發(fā)還不夠廣泛。

（4）智能化信息化應(yīng)用的體系度還不夠。比如：主推進系統(tǒng)中的主機、齒輪箱、可調(diào)螺距槳等的智能化監(jiān)測與控制，與其輔助系統(tǒng)中的燃油駁運及分油系統(tǒng)、滑油駁運及分油系統(tǒng)、中央冷卻水系統(tǒng)等的管理與控制，主、輔兩類系統(tǒng)間的數(shù)字化智能化信息化的能力水平差距較大，基于相互間信息融合的應(yīng)用不足。

（5）信息化應(yīng)用的層級水平還較低。應(yīng)用范圍僅限于現(xiàn)場總線級具有互操作能力的應(yīng)用終端以及有限智能的軟件交付，其故障預(yù)警與自診斷能力、故障處置的決策支持能力、維修保養(yǎng)的計劃性管理與實時監(jiān)測能力、備品件管理能力等智能化的應(yīng)用實現(xiàn)還不足。

（6）信息有效應(yīng)用的形式較少。表現(xiàn)為用于支持復(fù)雜業(yè)務(wù)場景的信息融合與應(yīng)用開發(fā)還非常欠缺，用于評價裝備可靠性與體系能力貢獻率的模型、框架及相互間邏輯關(guān)系的應(yīng)用還沒有。

（7）平臺化集成的實現(xiàn)等級還較低。集成方式仍主要體現(xiàn)為對各類型終端設(shè)備在統(tǒng)一物理平臺上的布置位置的空間規(guī)劃、優(yōu)化與調(diào)整等，基于信息集成、應(yīng)用集成、服務(wù)集成、網(wǎng)絡(luò)集成的標(biāo)準(zhǔn)化客戶端及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的信息化數(shù)字平臺還稀少。

1.4 指導(dǎo)方法

智能船舶的提出、研究與建設(shè)，就是要在既有數(shù)字化、智能化裝備基礎(chǔ)上，以及無人機艙、中央集控系統(tǒng)、數(shù)字化橋樓系統(tǒng)等平臺化的應(yīng)用實現(xiàn)上，借鑒物聯(lián)網(wǎng)軟硬件架構(gòu)體系及其實現(xiàn)方式，借助成熟的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其資源配置管理方法，適用性地提出船舶裝備物聯(lián)網(wǎng)及信息化應(yīng)用的軟硬件體系架構(gòu)，定義相應(yīng)的接口標(biāo)準(zhǔn)，并據(jù)此規(guī)劃與部署相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)資源、進行相應(yīng)的應(yīng)用開發(fā)，突出對用戶需求的調(diào)研、分析、挖掘、發(fā)現(xiàn)與實現(xiàn)，最終以網(wǎng)絡(luò)平臺環(huán)境下的基礎(chǔ)資源及應(yīng)用服務(wù)向廣泛的用戶提供權(quán)屬范圍內(nèi)的業(yè)務(wù)支撐，促進裝備信息的有效流動、科學(xué)管理、高效應(yīng)用，使數(shù)字化智能化的船舶分裝備向船舶裝備物聯(lián)網(wǎng)及信息化智能化協(xié)同化的應(yīng)用體系轉(zhuǎn)變。

2 概念分析

2.1 基本定義

目前，英國勞氏船級社（LR）和中國船級社（CCS）都有針對智能船舶的描述。

英國勞氏船級社發(fā)布智能船舶入級指導(dǎo)文件，定義了船舶自動化的程度，從AL1～AL6，分為六個等級，從設(shè)計到營運，針對每個等級的特征進行定義。

相比之下，CCS的定義相對更具體。智能船舶系指利用傳感器、通信、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，自動感知和獲得船舶自身、海洋環(huán)境、物流、港口等方面的信息和數(shù)據(jù)，并基于計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理、分析技術(shù)，在船舶航行、管理、維護保養(yǎng)、貨物運輸?shù)确矫鎸崿F(xiàn)智能化運行的船舶，使船舶運行更加安全、環(huán)保、經(jīng)濟、可靠［2］。

中國船級社（CCS）《智能船舶規(guī)范》，針對常規(guī)的軸系柴油機推進的運輸商船提出有關(guān)智能的六大基本符號，概括為：

i-ship（N） 智能航行/Navigation

i-ship（H） 智能船體/Hull

i-ship（M） 智能機艙/Machinery

i-ship（E） 智能能效/Energy

i-ship（C） 智能貨控/Cargo

i-ship（I） 智能集成平臺/Integration

智能船舶與常規(guī)船的技術(shù)差異主要是在常規(guī)船的基礎(chǔ)上增設(shè)以下功能：

（1）增加船端統(tǒng)一集成平臺，實現(xiàn)船端各系統(tǒng)的互聯(lián)互通，通過數(shù)據(jù)的綜合分析和評估，提供輔助決策功能，同時通過船岸通訊實現(xiàn)遠程監(jiān)測。

（2）船舶實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)能力，并可完成部分的自主操作，通過加強岸端系統(tǒng)的建設(shè)實現(xiàn)對船舶的遠程控制。

（3）通過船岸港的一體智能化建設(shè)，船舶實現(xiàn)最終的無人駕駛，自主航行、自主靠港。

基于以上定義以及相關(guān)功能組成，智能船舶是以用戶需求及關(guān)鍵業(yè)務(wù)內(nèi)容為牽引，將人性化、智能化的應(yīng)用實現(xiàn)，貫穿于船舶平臺設(shè)計、建造、運用、管理、維修等全壽命周期的所屬產(chǎn)品、環(huán)境及體驗的船舶系統(tǒng)的總稱，包含物聯(lián)網(wǎng)體系中的感知層、傳輸層、應(yīng)用層等各層級領(lǐng)域內(nèi)容［3］，并需要選用較為經(jīng)濟、高效、便捷、可靠的計算機網(wǎng)絡(luò)及其資源為支撐，采用合理的接入、控制、承載、疊加、部署、認(rèn)證和協(xié)同形式等，目的是以人性化智能化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的形式實現(xiàn)對船舶系統(tǒng)及其裝備的體系性信息描述及高效合理的信息使用。

2.2 內(nèi)涵分析

智能船舶實現(xiàn)的物理平臺是船舶，這是由其領(lǐng)域特性及服務(wù)對象所決定的，其人性化、智能化應(yīng)用的首要目的是支持船舶系統(tǒng)所屬功能性能的發(fā)揮。其實現(xiàn)形式及主要內(nèi)容必然是圍繞船舶系統(tǒng)領(lǐng)域范圍內(nèi)的相關(guān)業(yè)務(wù)內(nèi)容而展開；其次才是對船舶系統(tǒng)輔助功能及相關(guān)應(yīng)用的拓展。所交付的產(chǎn)品也是支持船舶系統(tǒng)相關(guān)業(yè)務(wù)需求的終端產(chǎn)品、應(yīng)用環(huán)境、交互體驗等。

2.3 外延分析

（1）組成要素及硬件體系。智能船舶實現(xiàn)的基礎(chǔ)條件是數(shù)字化智能化裝備、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，其相關(guān)技術(shù)與實現(xiàn)方式亦具有通用性、多樣性等特點。在多領(lǐng)域、多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成中，需作好“云與?！斌w系規(guī)劃；在大系統(tǒng)的應(yīng)用集成中，需作好分布式應(yīng)用部署與虛擬化集中部署的體系規(guī)劃；在多鏡像系統(tǒng)中，需作好數(shù)據(jù)的同步、緩存、更新等。

（2）用戶關(guān)注點及其輸入條件。智能船舶實現(xiàn)的核心是以用戶需求與關(guān)鍵業(yè)務(wù)內(nèi)容為牽引，以及以此為目的的對相關(guān)人性化智能化應(yīng)用的技術(shù)實現(xiàn)與條件創(chuàng)造。簡單便捷、智能高效、安全可靠的人性化交互界面以及對于業(yè)務(wù)內(nèi)容、應(yīng)用環(huán)境的保障，是用戶體驗的首要關(guān)注點；相關(guān)技術(shù)、設(shè)施、設(shè)備的應(yīng)用則是實現(xiàn)手段。

（3）系統(tǒng)框架及標(biāo)準(zhǔn)化接口。智能船舶實現(xiàn)的關(guān)鍵是可用于指導(dǎo)智能船舶設(shè)計、建造的高可用性的開發(fā)框架及標(biāo)準(zhǔn)化的接口體系，包括硬件體系架構(gòu)及其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?、軟件體系架構(gòu)及其業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系、交互信息及通訊協(xié)議等。按照該框架、體系，總體負(fù)責(zé)單位就可以對分系統(tǒng)設(shè)備商和分系統(tǒng)開發(fā)團隊形成有效的規(guī)定約束并開展相應(yīng)的分工、協(xié)同，從而實現(xiàn)智能船舶設(shè)計建設(shè)過程的敏捷化和高效化。

（4）信息流是智能船舶的血液。智能船舶實現(xiàn)的工質(zhì)是船舶系統(tǒng)及其裝備的描述信息。通過對智能裝備及其信息接口的開放和補充，對裝備信息的數(shù)據(jù)采集、分析、管理、控制、消費等的應(yīng)用開發(fā)，以及所需元數(shù)據(jù)庫建設(shè)、數(shù)據(jù)中心建設(shè)、數(shù)據(jù)消費方式實現(xiàn)、軟件開發(fā)平臺建設(shè)、應(yīng)用部署環(huán)境建設(shè)、人員身份信息及信息訪問權(quán)限管理等，實現(xiàn)對船舶系統(tǒng)及其裝備信息的科學(xué)、高效、合理使用。

（5）中間產(chǎn)品及資源消耗。智能船舶實現(xiàn)的難點是基于業(yè)務(wù)邏輯的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、知識表示、知識完善、知識應(yīng)用的底層領(lǐng)域應(yīng)用開發(fā)。數(shù)據(jù)分析時，主要以基于既有知識及相關(guān)業(yè)務(wù)邏輯的特征提取，通過對數(shù)據(jù)的向上鉆取，實現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)空間數(shù)據(jù)在時間序列上的最大程度的降維與性能評價，并用以支持系統(tǒng)監(jiān)控與運維管理等；當(dāng)發(fā)生異常狀態(tài)評價時，可基于特定的知識及業(yè)務(wù)邏輯，對數(shù)據(jù)進行向下鉆取，實現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)空間數(shù)據(jù)在時間序列上的最大程度的增維，通過對系統(tǒng)狀態(tài)空間的可觀性來支持輔助決策。數(shù)據(jù)挖掘時，主要以基于時間序列的統(tǒng)計分析、回歸分析、關(guān)聯(lián)分析、分類分析、聚類分析等方法為主，并且需要對所發(fā)現(xiàn)的知識特征以及奇異點等進行基于業(yè)務(wù)邏輯的分析解釋，并采用計算機邏輯語言的形式為知識表示，進而將其補充到可供分析應(yīng)用的知識策略庫中。

（6）終端產(chǎn)品及價值體現(xiàn)。智能船舶實現(xiàn)的亮點是基于用戶需求及業(yè)務(wù)內(nèi)容的人性化交互接口、信息聚合方式、消息推送服務(wù)等頂層應(yīng)用開發(fā)，包括基于人員身份信息的單點登錄、訪問權(quán)限控制等。面向用戶的頂層應(yīng)用開發(fā)及其終端設(shè)備、平臺環(huán)境等是支持用戶完成特定業(yè)務(wù)內(nèi)容的信息化交互接口，是智能船舶的外在表現(xiàn)形式，是用戶體驗獲取與應(yīng)用評價的直接對象，也是底層應(yīng)用實現(xiàn)及數(shù)據(jù)產(chǎn)品消費并表現(xiàn)相應(yīng)價值的承載主體。

（7）一般性特點、要求、關(guān)系等。智能船舶實現(xiàn)的特點是基于接口的通用性、實現(xiàn)上的多樣性、建設(shè)上的經(jīng)濟性，以及功能性能上的安全性、可靠性、穩(wěn)定性，還有規(guī)模、內(nèi)容、空間、時間上的擴展、延伸、變更、遷移、異構(gòu)、演進等。其中，功能、性能的安全性是依靠相對獨立的有限開放來實現(xiàn)，尤其是要求快速響應(yīng)的領(lǐng)域系統(tǒng)或智能化裝備，如船舶主機、發(fā)電機等的控制主要依靠于本地化的智能模塊及控制器；建設(shè)上的經(jīng)濟性是通過接口上的通用性和實現(xiàn)上的多樣性來保證，并構(gòu)成為可擴展、變更的基礎(chǔ)；空間上的延伸性包括感知層面有效節(jié)點的擴展、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入方式的擴展、傳輸層面信息隧道的應(yīng)用與端到端信息鏡像的管理等。

3 頂層規(guī)劃

3.1 概 念

智能船舶實現(xiàn)的顯著特征是智能，是在船舶設(shè)計、建造、運用、管理、維修等全壽命周期中，將人性化智能化的應(yīng)用需求實現(xiàn)，并將其集成到相應(yīng)的終端產(chǎn)品、應(yīng)用環(huán)境、系統(tǒng)平臺中；具有友好的交互體驗，對船舶系統(tǒng)相關(guān)業(yè)務(wù)的開展具有良好支撐作用。

3.2 頂層規(guī)劃體系

智能船舶實現(xiàn)的內(nèi)在本質(zhì)是對船舶系統(tǒng)及其所屬裝備相關(guān)信息體系的科學(xué)規(guī)劃、正確描述、安全管理、高效使用的應(yīng)用實現(xiàn)方式。在規(guī)劃這套信息體系時，需要充分考慮現(xiàn)有的船舶系統(tǒng)，包括總體、船體、輪機、電氣以及舾裝等特征，能夠?qū)Υ跋到y(tǒng)及其所屬裝備的相關(guān)功能、性能、狀態(tài)進行準(zhǔn)確全面的描述和反映，并以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的形式給出相應(yīng)的評價分析、趨勢分析、診斷分析、決策分析、管理分析或信息支持等。

4 體系架構(gòu)

4.1 硬件體系架構(gòu)

與物聯(lián)網(wǎng)體系的硬件實現(xiàn)相類似，在技術(shù)實現(xiàn)上，智能船舶的硬件體系也可切分為多個邏輯平面，具體可分為現(xiàn)場感知層、異構(gòu)接入層、基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)層、平臺疊加層、用戶接口層、平臺環(huán)境層。其中，現(xiàn)場感知層主要由開放接口的智能裝備及基于現(xiàn)場總線的感知網(wǎng)絡(luò)、基于光纖的傳感網(wǎng)絡(luò)等組成，如用于船體健康監(jiān)測的分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)及其設(shè)備終端等；異構(gòu)接入層主要是指實現(xiàn)對現(xiàn)場感知網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換并將其接入TCP/IP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的設(shè)施設(shè)備，包括光纖、以太網(wǎng)、總線和無線接入的各種形式。基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)層是船舶系統(tǒng)通訊實現(xiàn)的最基本方式，實現(xiàn)形式如以太網(wǎng)、光纖等；平臺疊加層主要用于部署數(shù)據(jù)中心、基礎(chǔ)應(yīng)用服務(wù)器、Web應(yīng)用服務(wù)器、加解密服務(wù)器、CDN服務(wù)器等；用戶接口層主要為人性化智能化應(yīng)用的終端設(shè)備，包括計算機工作站、桌面、移動終端等；平臺環(huán)境層主要是指用以集成或支持終端設(shè)備的臺體、電源、接入網(wǎng)及其他人性化的設(shè)計實現(xiàn)等。

其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问娇梢愿爬榛赥CP/IP基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的泛在接入與無限擴展，包括處于網(wǎng)絡(luò)前端的現(xiàn)場感知網(wǎng)絡(luò)、處于網(wǎng)絡(luò)中端的平臺疊加層、處于網(wǎng)絡(luò)后端的客戶終端等。另外，對于岸船協(xié)同系統(tǒng)，其還包括數(shù)據(jù)中心相關(guān)內(nèi)容的鏡像遷移與管理等，以及所需的通訊隧道技術(shù)的應(yīng)用。

4.2 軟件體系架構(gòu)

與計算機網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用實現(xiàn)相類似，在技術(shù)實現(xiàn)上，智能船舶軟件體系可以分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)分析層、數(shù)據(jù)管理層、應(yīng)用層等。其中，數(shù)據(jù)采集層主要部署于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點并實現(xiàn)相關(guān)通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)分析層主要部署于專業(yè)化的數(shù)據(jù)分析、處理工作站，其配置有豐富的數(shù)據(jù)分析策略及相關(guān)應(yīng)用，并可以向數(shù)據(jù)中心訂閱相應(yīng)的有待分析的數(shù)據(jù)源；數(shù)據(jù)管理層主要由數(shù)據(jù)中心或數(shù)據(jù)庫及其管理工具來實現(xiàn)，實現(xiàn)對有效數(shù)據(jù)的存儲管理、訪問控制、消息推送等；應(yīng)用層主要由分布式應(yīng)用服務(wù)器、Web應(yīng)用服務(wù)器等來提供應(yīng)用服務(wù)，用戶可以采用基于富客戶端的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)或基于瘦客戶端的Web服務(wù)來獲取應(yīng)用服務(wù)。

其業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系可以簡述為：數(shù)據(jù)采集層主要用以支持底層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的匯聚；數(shù)據(jù)分析層主要用以專業(yè)化的數(shù)據(jù)分析及領(lǐng)域范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)邏輯解讀，其產(chǎn)品輸出是可供消費的有效數(shù)據(jù)、評價、決策等；數(shù)據(jù)管理層是數(shù)據(jù)存儲、管理、訪問、推送的中間層，可以隔離底層應(yīng)用開發(fā)與上層應(yīng)用開發(fā)之間的接口耦合關(guān)系，并且簡化對海量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)管理與有效控制；應(yīng)用層是面向用戶的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)實現(xiàn)，是對有效數(shù)據(jù)、評價、決策等信息的消費接口，也是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與用戶間的交互接口，并可以分為服務(wù)端和客戶端，其表現(xiàn)層的實現(xiàn)方式還可以細分為MVC開發(fā)框架。

4.3 標(biāo)準(zhǔn)化接口體系

標(biāo)準(zhǔn)化接口體系的基礎(chǔ)是模型語言與功能屬性描述，表現(xiàn)形式是元數(shù)據(jù)及其資源庫，模型對象庫，以及模型對象間發(fā)生相互作用時所需的消息應(yīng)用協(xié)議。其中，模型表述所需的元數(shù)據(jù)是有粒度的，具有自描述、自包含的特點，以及格式化、結(jié)構(gòu)化的特點。模型對象之間的關(guān)系必須是面向?qū)ο螅∣O）的和具有實體關(guān)系（ER）的。

采用元數(shù)據(jù)，通過可編配、可擴展的方式來結(jié)構(gòu)化地定義各種信息模型的數(shù)據(jù)類型、組成結(jié)構(gòu)、屬性特點、數(shù)據(jù)格式、單位度量等，能使各種數(shù)據(jù)類型在其相應(yīng)組成、屬性、格式、度量等的描述與定義方式上高度一致，從而為跨系統(tǒng)集成與信息融合等提供有利條件，并降低數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等的實現(xiàn)成本與運算復(fù)雜度，也為數(shù)據(jù)的存儲、查詢與使用等管理提供有效的技術(shù)手段。

元數(shù)據(jù)信息模型的設(shè)計與生成，按照面向復(fù)用的原則，在中心數(shù)據(jù)庫及其數(shù)據(jù)字典的統(tǒng)一環(huán)境下，采用自頂向下的細化設(shè)計，以及自底向上的編配組合。區(qū)別于傳統(tǒng)的ER數(shù)據(jù)庫信息模型的設(shè)計方法，元數(shù)據(jù)信息模型通常采用星形模型或雪花模型。這種基于細粒度的元數(shù)據(jù)信息模型的編配與組合方式，能夠在特定的領(lǐng)域主題范圍內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)倉庫的范式要求，且體現(xiàn)了ER數(shù)據(jù)庫信息模型設(shè)計的基本思想。

由于領(lǐng)域范圍內(nèi)相應(yīng)主題關(guān)注點的部分交叉，不同主題應(yīng)用間的多個大粒度的元數(shù)據(jù)信息模型，會存在一定程度的信息冗余。由于采用在統(tǒng)一環(huán)境下的元數(shù)據(jù)信息模型的設(shè)計與生成方法，該部分冗余并不會導(dǎo)致信息在表述上的不一致。相反，其更有助于發(fā)現(xiàn)各分系統(tǒng)間的信息關(guān)聯(lián)，有效促進信息融合與系統(tǒng)融合，且能使大粒度的元數(shù)據(jù)信息模型可以基于此逐漸生成并不斷完善。

面向?qū)ο蟮膶嶓w關(guān)系（即對象間接口關(guān)系），包括數(shù)據(jù)接口和功能接口兩個部分，并可采用技術(shù)元數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)分別描述。其在應(yīng)用實現(xiàn)上可以采用SOAP、JOSN、XML等語言形式來表述。

5 主要內(nèi)容

5.1 基于框架體系的設(shè)計、采購、建造

依托于高可用性的指導(dǎo)智能船舶設(shè)計建造的開發(fā)框架及標(biāo)準(zhǔn)化的接口體系，總體責(zé)任單位就可以對分系統(tǒng)設(shè)備商和分系統(tǒng)開發(fā)團隊形成有效的規(guī)約并開展相應(yīng)的分工、協(xié)同，從而實現(xiàn)智能船舶在設(shè)計、建設(shè)、管理過程中的敏捷化和高效化，并且有效促進各類型裝備、設(shè)備、設(shè)施向該框架體系的靠攏與發(fā)展。

智能船舶的實施是一項綜合性系統(tǒng)工程，在設(shè)計之初就應(yīng)該根據(jù)船級社的入級要求從總體、船體、輪機、電氣和舾裝各專業(yè)綜合考慮。

以智能機艙為例，設(shè)計者除了要考慮常規(guī)船機艙的設(shè)備、系統(tǒng)、布置以及安裝外，還應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求，綜合利用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)所獲得的各種信息和數(shù)據(jù)，對機艙內(nèi)機械設(shè)備的運行狀態(tài)、健康狀況進行分析和評估，用于機械設(shè)備操作決策和維護保養(yǎng)計劃的制定。對機艙內(nèi)的主推進發(fā)動機、輔助發(fā)電用發(fā)動機、軸系的運行狀態(tài)進行監(jiān)測；根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)，對機械設(shè)備的運行狀態(tài)和健康狀況進行分析和評估；根據(jù)分析與評估結(jié)果，提出糾正建議，為船舶操作提供決策建議［2］。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，不但需要確定物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的軟、硬件框架，同時需要整理出數(shù)據(jù)采集和控制點的清單。為解決本文1.3節(jié)中列出現(xiàn)實的痛點，設(shè)計者需要和設(shè)備供應(yīng)商進行充分的溝通和協(xié)商，整理出各個設(shè)備的數(shù)據(jù)接口格式、數(shù)據(jù)類型等，將有數(shù)據(jù)接口的設(shè)備數(shù)據(jù)利用采集終端轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式上傳，設(shè)計者同時還應(yīng)對沒有數(shù)據(jù)接口的設(shè)備增加傳感器和采集終端。由于船用設(shè)備供應(yīng)商多樣性，這需要采購部門和供應(yīng)商共同努力，對于相關(guān)設(shè)備盡量采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口。從短期來看，這些確實是阻礙智能船舶發(fā)展的痛點，但從長期來看則是大勢所趨。另外，對于像主機遙控、監(jiān)測報警、閥門遙控和液位遙測等本身就有控制臺的設(shè)備和系統(tǒng)，應(yīng)考慮從標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口獲取數(shù)據(jù)，減少或取消控制臺，由應(yīng)用層服務(wù)器統(tǒng)一顯示和控制，將來甚至可以取消集控室或貨控室，而由數(shù)據(jù)監(jiān)測和設(shè)備控制中心取代。

5.2 能化感知系統(tǒng)的補充與完善

隨著船舶安全監(jiān)測及人居環(huán)境評價等相關(guān)業(yè)務(wù)需求的發(fā)展，可以建設(shè)用以船體健康監(jiān)測的分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)及其智能化的設(shè)備終端，可以建設(shè)用以船體、設(shè)備、平臺振動或噪聲監(jiān)測的感知網(wǎng)絡(luò)。

5.3 泛在接入的模塊化標(biāo)準(zhǔn)化實現(xiàn)

對于現(xiàn)場感知層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，其數(shù)據(jù)定義格式、網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)形式等的差異性較大，需要采用接口及協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊來實現(xiàn)由底層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)向平臺性基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的接入。采用模塊化標(biāo)準(zhǔn)化的接口轉(zhuǎn)換模塊，并實現(xiàn)相應(yīng)轉(zhuǎn)換協(xié)議的自定義配置，這將是高效便捷的實現(xiàn)方法及應(yīng)用模式。

5.4 基于策略集的數(shù)據(jù)分析與補充

策略集是對裝備系統(tǒng)構(gòu)成及其內(nèi)部邏輯的計算機語言表述，這是由裝備系統(tǒng)的構(gòu)成原理、分系統(tǒng)間關(guān)系、人員認(rèn)知水平等先驗知識所決定的，對裝備功能性能的描述與評價具有非常積極的作用。由于認(rèn)知水平的發(fā)展以及分系統(tǒng)間關(guān)系的變更等，策略集需進行相應(yīng)補充、完善或調(diào)整。

5.5 基于相關(guān)屬性的數(shù)據(jù)挖掘與解釋

實現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘需要成本，這就要求我們采用經(jīng)濟高效的分析方法。而基于相關(guān)屬性的數(shù)據(jù)挖掘則相對較為容易，對于其所產(chǎn)生的知識特征也較容易判讀和解釋，對于有用的知識特征可將其補充到數(shù)據(jù)分析的策略集中。

5.6 頂層應(yīng)用開發(fā)及其終端設(shè)備

以面向用戶和需求拉動的方式來規(guī)劃設(shè)計頂層應(yīng)用，并且按照人員的領(lǐng)域特性及視角特點來規(guī)劃信息實現(xiàn)，通過不同的信息聚合方式及上下鉆取方式、導(dǎo)航方式等來提供人性化智能化的信息消費及應(yīng)用服務(wù)。

5.7 遠程監(jiān)控、診斷、托管等實現(xiàn)

智能船舶實現(xiàn)所需的基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)資源、計算資源、存儲資源、軟件資源、應(yīng)用資源等的訂購、開發(fā)、建設(shè)、部署、應(yīng)用等相對受設(shè)計建設(shè)時的資金預(yù)算、布置空間分配、使用范圍及其體系性作用、可復(fù)用程度及其成本攤薄、智能化實現(xiàn)的軟件能力及等級水平等條件所限制。因此，即使最先進的智能化船舶，其單船智能化程度在實現(xiàn)上也是受限制的，更為專業(yè)而復(fù)雜的業(yè)務(wù)功能，如領(lǐng)域性故障分析診斷、路徑規(guī)劃決策、方案優(yōu)化設(shè)計等，需采用服務(wù)租用的形式，交付給相應(yīng)的岸基服務(wù)中心來獲取。通過相應(yīng)的隧道通信技術(shù)、鏡像管理技術(shù)等保證岸船間的準(zhǔn)實時性和近似同步；相應(yīng)的監(jiān)控、診斷、托管等技術(shù)實現(xiàn)也是柔性化的，相應(yīng)物理系統(tǒng)間的關(guān)系是自主化的；岸基服務(wù)中心的軟硬件資源、知識庫資源、專家?guī)熨Y源都是最優(yōu)化的。

5.8 特殊應(yīng)用開發(fā)及其業(yè)務(wù)實現(xiàn)環(huán)境

（1）船舶安全中心。火災(zāi)報警、疏散指示、防火門及防火風(fēng)閘控制、風(fēng)機控制、速關(guān)閥控制、水噴淋控制、CO2釋放報警與控制、船體健康監(jiān)測、艙室環(huán)境監(jiān)測、船體振動監(jiān)測等監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用集成。

（2）視情維修監(jiān)測、決策、保障系統(tǒng)。基于裝備系統(tǒng)構(gòu)成與業(yè)務(wù)邏輯的故障分析、預(yù)警、告警、診斷、評價、決策的裝備監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用集成，以及基于設(shè)備維護保養(yǎng)規(guī)程的計劃性維修提醒、基于設(shè)備實時監(jiān)控與狀態(tài)性能評價的視情性維修決策、備品件出入庫管理及申報管理等智能化的管理軟件。

（3）完整性、安全性、可靠性能力評價系統(tǒng)。基于船舶系統(tǒng)間接口關(guān)系與業(yè)務(wù)邏輯的模型描述，以及對平臺體系內(nèi)相關(guān)能力的評估和體系貢獻率的計算，并據(jù)此設(shè)計的評價推演軟件或仿真平臺。

5.9 用戶端無線接入與桌面集成的平臺環(huán)境

包括人性化的移動用戶端的無線接入與單點登錄方式，以及對工作站形式的桌面應(yīng)用客戶端主機及其顯示器等的統(tǒng)一桌面集成，還有所需的網(wǎng)絡(luò)管控、正常電源、應(yīng)急電源、接地系統(tǒng)等平臺條件、環(huán)境條件。這是智能船舶實現(xiàn)人機交互的宏觀接口，是增強或改善人機交互體驗的一個重要環(huán)節(jié)。

6 集成展示環(huán)境

智能船舶集成展示環(huán)境的打造引領(lǐng)了未來船舶設(shè)計建造與裝備使用管理的新方向。

船舶系統(tǒng)的設(shè)計建造具有典型的集約性，從設(shè)計到交付的時間周期相對較短，而所需集成的設(shè)備設(shè)施卻日益增多、日趨先進，以滿足不斷提高的功能性能要求。與此相比，智能船舶對于智能裝備及其標(biāo)準(zhǔn)化接口、通訊協(xié)議的要求更嚴(yán)，系統(tǒng)實現(xiàn)的難度和復(fù)雜度更高。這就需要有較成熟、經(jīng)濟、敏捷、高效的指導(dǎo)船舶系統(tǒng)，進行裝備集成的設(shè)計開發(fā)框架、標(biāo)準(zhǔn)化接口體系和總體責(zé)任單位，并可以采用設(shè)計所主導(dǎo)并推薦的方式來促進智能裝備、智能船舶的應(yīng)用實現(xiàn)。對于具體的船舶項目而言，其總體設(shè)計單位、總體施工單位基本具有唯一性，在此基礎(chǔ)上引入智能船舶系統(tǒng)集成的總體責(zé)任單位可以形成更為專業(yè)化、系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的業(yè)務(wù)分工與協(xié)同合作，并形成為船舶系統(tǒng)設(shè)計建造過程中高效運行推進的一種新體系下的合理且具有示范意義的模式。

基于高安全性、可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性、可變更性、可擴展性、可演進性的軟硬件體系架構(gòu)，構(gòu)建人性化智能化的數(shù)據(jù)分析、消息推送、應(yīng)用開發(fā)、軟件部署、配置管理、應(yīng)用交互、輔助決策、監(jiān)控管理的平臺化應(yīng)用集成環(huán)境，這是滿足用戶關(guān)于設(shè)備智能化集約化平臺化管理、應(yīng)對復(fù)雜業(yè)務(wù)場景、新功能新需求可以不斷植入、變更實現(xiàn)較為敏捷經(jīng)濟高效的必然趨勢與有效途徑，并可以由該類型業(yè)務(wù)需求及其應(yīng)用實現(xiàn)的不斷豐富、完善與發(fā)展來拉動智能裝備、智能船舶的不斷發(fā)展。對于需要新造船舶的用戶而言，智能船舶的集成展示環(huán)境實際上是用戶各類型潛在需求及其應(yīng)用實現(xiàn)的范例性成果展示平臺?；谠撈脚_，用戶可以獲取相關(guān)應(yīng)用實現(xiàn)的感性交互體驗，并對其作用、價值等作出合理評估，進而可用以指導(dǎo)自身的業(yè)務(wù)需求分析與選擇規(guī)劃，最終以菜單選項的方式完成對相關(guān)業(yè)務(wù)需求及其應(yīng)用實現(xiàn)的快速配置?？傮w責(zé)任單位則可據(jù)此進行基于相關(guān)框架體系、標(biāo)準(zhǔn)接口、使用經(jīng)驗、應(yīng)用范例的項目定制，對內(nèi)外部產(chǎn)品及其配套廠商等進行合理計劃、分配、跟進、管理等；可據(jù)此進行基于產(chǎn)品設(shè)計制造流程的資源配置、范例復(fù)制、軟件移植等工作。

7 結(jié) 論

本文以實現(xiàn)智能船舶的應(yīng)用為關(guān)注點，突出了用戶需求及關(guān)鍵業(yè)務(wù)內(nèi)容的牽引性作用，從頂層規(guī)劃層面分析其在功能實現(xiàn)上的基本內(nèi)涵和在技術(shù)實現(xiàn)上的主要外延；提出符合智能船舶平臺化集成要求的軟硬件體系架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)化接口體系，該框架可以敏捷經(jīng)濟且高效地指導(dǎo)智能船舶，相應(yīng)規(guī)劃設(shè)計、設(shè)備訂購、船廠施工、分系統(tǒng)調(diào)試、大系統(tǒng)集成與信息融合等應(yīng)用實現(xiàn)；指出用以支持智能船舶應(yīng)用實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用內(nèi)容，確認(rèn)智能船舶由概念走向?qū)崿F(xiàn)的主要內(nèi)容及基本方法；論述了集成展示環(huán)境對于促進智能船舶推廣應(yīng)用的意義及作用。

［1］中國船級社.智能船舶規(guī)范［S］.北京：中國船級社，2015：1-39.

［2］龔瑞良，吉雨冠.智能船舶技術(shù)和無人駕駛技術(shù)研究［J］.船舶，2016（5）：82-87.

［2］周志鳳.船舶裝備物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺的規(guī)劃研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2013：1-80.

Top-level planning and system architecture of intelligent vessel

ZHOU Zhi-feng1HUANG Rong2GONG Rui-liang3
(1. China Satellite Maritime Tracking & Control Department, Jiangyin 214400, China; 2. Polar Research Institute of China, Shanghai 200136, China; 3. RUITE ELECTRIC, Changshu 215500, China)

This paper analyzes the intelligent vessel from the top-level planning aspect for the basic intension in function and the main extension in technology based on the technology foundation, such as ship equipment, internet of things, computer network and communication. The proposed hardware/software system and standardized interface system can meet the integration requirement of the intelligent vessel platform. As the design and development framework, it can provide the intelligent vessel with easy and economic guidance for the planning and design, equipment order, shipyard construction, subsystem debugging, large system integration and information fusion. It introduces the key technologies and applications of the intelligent vessel, and points out the signif i cance of the integrated demonstration environment for promoting the application of intelligent vessels.

intelligent vessel; top-level planning; system architecture; standardized interface; integrated demonstration

U671.99

A

1001-9855（2017）03-0089-08

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.03.089

2017-03-27；

2017-04-28

周志鳳（1979-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶裝備物聯(lián)網(wǎng)、信息物理系統(tǒng)，以及基于信息融合的應(yīng)用開發(fā)、規(guī)劃、設(shè)計等。

黃 嶸（1979-），男，高級輪機長。研究方向：極地船舶動力配置。

龔瑞良（1965-），男，高級工程師。研究方向：電氣自動化。