（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

黨的十八大以來，習近平總書記提出了建設海洋強國的宏偉藍圖，掀起了我國新一輪海洋船舶設計建造高潮?！吨袊圃?025》把“海洋工程裝備和高科技船舶”作為重點領域，大力發(fā)展集成化、智能化、模塊化的設備和造船技術。中國船級社編制的《智能船舶規(guī)范（2015）》也于2016年出臺生效。規(guī)范劃分了智能航行、智能船體、智能機艙、智能能效管理、智能貨物管理、智能集成平臺六大主體功能及相應具體內(nèi)容［1］。該劃分方式具有較強的領域應用性特點，在項目實施與考核評價方面具有較強指導意義。

智能船舶的發(fā)展是利用現(xiàn)有條件，在傳感、通信、信息等技術的發(fā)展上，從能源、機械、導航、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等領域建立實體和虛擬設施，實現(xiàn)航行系統(tǒng)、設備運行、貨物管理等功能的智能化，逐步在船舶平臺上實現(xiàn)信息與實體智能融合的過程［2］。

智能集成平臺是船舶在智能化方面應用實現(xiàn)的高級形式，具有較為復雜的體系結構。因此，智能化集成平臺的設計建造應采用高適用可借鑒的軟硬件設計開發(fā)框架及接口標準，采用高復用可擴展的網(wǎng)絡資源、平臺條件，采用高通用可推廣的軟硬件技術、應用組件、實現(xiàn)模式，采用分系統(tǒng)、分層級的設計規(guī)劃、實現(xiàn)方式，以保證相應的分系統(tǒng)設計、分項目實施能夠具有相對較小的體系粒度，以具有更強的可操作性、低風險性、通用性、經(jīng)濟性和健壯性等要求。

1 智能集成平臺概述

1.1 定義和基本功能

船舶智能集成平臺集成智能航行、智能機艙等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，形成船上數(shù)據(jù)與應用的統(tǒng)一集成平臺。集成平臺應具備開放性，能夠整合現(xiàn)有船上信息管理系統(tǒng)及后續(xù)新增系統(tǒng)，以實現(xiàn)對船舶的全面監(jiān)控與智能化管理， 并與岸基實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。智能集成平臺基本功能如下：

（1）統(tǒng)計分析、綜合評估，能夠根據(jù)用戶定制實現(xiàn)自動和標準化的分析報告；

（2）根據(jù)用戶設置的多維度邊界條件，為航行、安全、經(jīng)濟性等相關指標提供綜合預報預警；

（3）利用船舶歷史運行狀態(tài)及相關參數(shù)，為當前的船舶操作及管理方案提供趨勢預測；

（4）支持良好的輔助決策，提高船舶性能，并減少人為因素的失誤，并能根據(jù)評估及預測結果，為事故響應、風險反應規(guī)劃、環(huán)境保護措施、事故察覺和預防、經(jīng)濟性能提升、資源管理和通信等提供綜合管理及操作方案；

（5）能夠?qū)崿F(xiàn)船岸數(shù)據(jù)交互［1］。

1.2 特點和技術基礎

信息物理系統(tǒng)（cyber-physical systems， CPS）通過嵌入式計算機和網(wǎng)絡，實現(xiàn)對物理進程的檢測以及控制，并將物理進程反饋到計算進程中［3-4］。智能船舶正好符合CPS所針對的復雜、異構、可靠性要求高的應用系統(tǒng)。船舶航行狀態(tài)、周圍環(huán)境、設備狀態(tài)，以及船舶間、船岸間交互等多源異構信息是船舶智能化的基礎。CPS體系結構的一般形式如圖 1 所示［3-5］。

圖1 CPS 體系結構的一般形式

智能集成平臺可認為是“基于計算機網(wǎng)絡平臺及其控制層、疊加層等通用化的可擴展資源，以數(shù)據(jù)中心作為信息匯聚、轉(zhuǎn)換、應用的中間平臺，以面向服務的Web應用作為平臺開發(fā)的關鍵內(nèi)容，構筑可實現(xiàn)泛在接入、快速擴展、敏捷開發(fā)、持續(xù)集成、長期演進的平臺、環(huán)境及條件，進而實現(xiàn)對基礎網(wǎng)絡及其資源的高效復用、對智能化裝備網(wǎng)絡接口及信息化功能的充分運用、對智能化領域系統(tǒng)二次集成及體系間的有效融合，為用戶提供更為系統(tǒng)全面、便捷可靠、經(jīng)濟高效、開放穩(wěn)定、安全可控的服務方式及內(nèi)容，為相關業(yè)務、領域系統(tǒng)、使命任務等提供業(yè)務支持、輔助決策、平臺支撐?！?/p>

智能集成平臺的建設是基于以下幾項技術：

（1）基于TCP/IP基礎網(wǎng)絡、鏈路轉(zhuǎn)換及相互接入技術、加解密及隧道技術、內(nèi)容管理及鏡像同步等，可以實現(xiàn)對前端異構網(wǎng)、領域局域網(wǎng)、后端客戶網(wǎng)、天基通信網(wǎng)在物理鏈路上的泛在接入、空間擴展、虛擬延伸、有效管控，并可以使得各類型計算機網(wǎng)絡資源及上層應用服務得到快速高效的部署及擴展。

（2）基于數(shù)據(jù)中心、知識策略、計算資源、認證中心、身份管理、權屬配置等，實現(xiàn)對裝備信息的有效匯聚、分析、挖掘等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化工作，以及相應的存儲、訪問、控制、安全等數(shù)據(jù)管理工作，并可以使得上層應用服務與底層智能化前端設備、智能化領域系統(tǒng)等僅具有松耦合關系，降低了系統(tǒng)開發(fā)的難度，并保證系統(tǒng)間仍具有較好的獨立性與安全性、穩(wěn)定性、可靠性。

（3）基于網(wǎng)絡應用的設計開發(fā)框架、測試與布署環(huán)境、專屬終端及通用化的移動設備等，可以實現(xiàn)對相關Web應用的敏捷開發(fā)、快速布署及高效使用，實現(xiàn)對相關數(shù)據(jù)產(chǎn)品、知識文檔、軟件應用的高效聚合、積極融合及消費促進，并使得相應的應用開發(fā)具有較小的體系粒度，易于開發(fā)、擴展與變更，也便于大系統(tǒng)的分步實現(xiàn)、持續(xù)集成、長期演進。

1.3 智能集成平臺設計的基本原則

（1）行業(yè)規(guī)范性：滿足行業(yè)規(guī)范要求；

（2）技術先進性：盡可能采用最新的通信、信息、計算機、自動控制、人工智能等方面的技術；

（3）標準規(guī)范性：盡可能采用最新的公開技術標準與規(guī)范，特別是開源系統(tǒng)的標準，同時制定一套針對瑞特智能船舶開發(fā)、生產(chǎn)、檢驗、調(diào)試的規(guī)范標準；

（4）平臺開發(fā)性：能兼容原有的技術積累，能夠整合現(xiàn)有及新增的船舶綜合管理系統(tǒng)，并能與岸基實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互；

（5）耦合性：目前階段設計智能化系統(tǒng)的增設和加裝，以不影響船舶原有系統(tǒng)正常運營為前提，盡量降低智能系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)耦合性；后續(xù)隨著智能化系統(tǒng)技術和工程應用的成熟，逐漸融合和取代常規(guī)系統(tǒng)，提升整船各類系統(tǒng)耦合性，進一步提高系統(tǒng)效率和交互速度。

1.4 國內(nèi)外現(xiàn)狀及趨勢分析

1986年，日本多家大學對基于陸上保障系統(tǒng)、船舶狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，通過智能算法做出決策，實現(xiàn)智能航行、生活保障等功能；2012年，由Fraunhofer CML等幾家公司合作對無人散貨輪展開研究，船舶通過雷達、自動識別系統(tǒng)實現(xiàn)有效規(guī)避；2013年，英國羅爾斯·羅伊斯公司開展無人駕駛貨船項目的研究，并預計10年內(nèi)投入使用；2015年，韓國現(xiàn)代重工集團與埃森哲合作設計智能船舶，以節(jié)約運營成本；2016年，我國開展了無人艇研發(fā)工作，包括高速識別、神經(jīng)元網(wǎng)絡芯片、遠程偵查等技術［6-7］；2017年12月，我國自主研發(fā)的全球首艘智能船舶“大智”號正式交付使用，該船擁有首個具有自主學習的船舶智能運行和維護系統(tǒng)。

隨著船舶底層設備越來越多，設備各廠家的接口也各不相同，因此，構建一個統(tǒng)一的集成平臺成為了當務之急。通過集成平臺，所有設備廠家的設備都可以無縫動態(tài)加入整個船舶系統(tǒng)，而無需再考慮設備接口問題；對于船員來說，通過集成平臺，可以在船上任意一個艙室監(jiān)控任意一個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并做相應的控制；通過虛擬化技術，可以最大限度地提升系統(tǒng)資源利用率，將系統(tǒng)性能發(fā)揮到最大，給予用戶最佳體驗。

2 智能集成平臺的系統(tǒng)架構

規(guī)范將智能集成集成平臺系統(tǒng)結構劃分為：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)資源、數(shù)據(jù)整合、信息應用、信息展示、標準規(guī)范體系、信息安全體系，如圖2所示。

圖2 智能集成平臺系統(tǒng)結構示意圖

智能集成平臺利用標準采集模塊收集各類型采集設備向外發(fā)送的不同格式的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為符合OPC UA統(tǒng)一標準的數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)將OPC UA格式的數(shù)據(jù)發(fā)送至系統(tǒng)基礎平臺，保存在集群數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)管理員及系統(tǒng)用戶可以在船上任何地點通過訪問不同虛擬機及安裝在虛擬機中的應用軟件實現(xiàn)監(jiān)測底層設備數(shù)據(jù)、控制底層設備等功能。利用虛擬化技術，可以實現(xiàn)資源利用率的最大化，增強用戶體驗。智能船舶集成平臺的建設架構如圖3所示。

圖3 智能集成平臺建設架構

3 智能集成平臺方案設計

3.1 數(shù)據(jù)的采集和傳輸

3.1.1 數(shù)據(jù)采集終端設計

3.1.1.1 功能要求

數(shù)據(jù)終端采集各種傳感器及設備的信息，進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，以統(tǒng)一的接口標準將數(shù)據(jù)加密上傳到數(shù)據(jù)接口服務器，然后由數(shù)據(jù)接口服務器統(tǒng)一存入數(shù)據(jù)庫。同時，終端也能接收控制命令，以實現(xiàn)設備一定程度的配置與控制。

對于數(shù)據(jù)采集，根據(jù)軟硬件設計架構，針對特定的設備進行研發(fā)，如機艙管理系統(tǒng)中發(fā)電機系統(tǒng)、電力推進系統(tǒng)、機艙輔助設備等系統(tǒng)的信號標準特性，并形成文檔，定義采集接口標準方法，通過對信號數(shù)據(jù)采集與分析，完成數(shù)據(jù)采集、協(xié)議轉(zhuǎn)換及終端顯示。

對于船用設備來說，采集終端需要根據(jù)接口及協(xié)議進行針對性的協(xié)議轉(zhuǎn)換，并以統(tǒng)一的接口標準將數(shù)據(jù)加密上傳到數(shù)據(jù)接口服務器上，再由數(shù)據(jù)接口服務器統(tǒng)一存入數(shù)據(jù)庫。涉及到的接口可能包括CAN、RS485、RS232、RS22向以太網(wǎng)轉(zhuǎn)化等，涉及到的協(xié)議包括Modbus RTU 、OPC DA、串口自定義、CAN open、各類以太網(wǎng)向標準內(nèi)部以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換等。

終端硬件模塊采用嵌入式系統(tǒng)，通過軟件實現(xiàn)各種不同的數(shù)據(jù)采集功能。

對數(shù)據(jù)采集終端軟件要具備以下功能要求：

（1）硬件：嵌入式系統(tǒng)終端；

（2）數(shù)據(jù)采集硬件接口標準：RS232/485，CAN，Ethernet等；

（3）數(shù)據(jù)采集軟件接口標準：ModBus-RTU、NMEA-0183、串口自定義、ModBus-TCP、CAN Open、CAN自定義等；

（4）信息建模：采用標準OPC UA的信息建模方式對終端設備的元數(shù)據(jù)進行封裝和建模；

（5）信息傳輸：采用標準OPC UA的信息傳輸方式，構建數(shù)據(jù)傳輸服務器軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的加密傳輸。

3.1.1.2 功能設計

為了實現(xiàn)標準化的數(shù)據(jù)采集和傳輸，擬采用OPC UA標準進行加密傳輸。終端內(nèi)部通過軟件將不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的元數(shù)據(jù)描述方式，再通過OPC UA標準將數(shù)據(jù)從采集終端傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接口服務器，最后由數(shù)據(jù)接口服務器統(tǒng)一將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、訪問的總體框圖見圖4。數(shù)據(jù)采集終端對數(shù)據(jù)接口服務器來說是一個OPC UA服務器。

圖4 數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、訪問的總體框圖

系統(tǒng)設計時考慮無線接口的提前設計與實現(xiàn)，為今后機器人巡視以及全船范圍的數(shù)據(jù)定時采集提供技術途徑；同時，考慮現(xiàn)場控制器的數(shù)據(jù)存儲功能，以滿足定時數(shù)據(jù)打包上傳等功能要求，需要時可配置實時數(shù)據(jù)庫。

在數(shù)據(jù)終端設計過程中，對數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)鏈路安全進行設計，可從以下兩種方案入手：

（1）通過軟加密方式對采集信號進行加密傳輸，可保證數(shù)據(jù)上傳不被干擾；

（2）增加一個硬件加密模塊，對部分需要應用加密的場景加裝模塊。

以上兩種方式均包含接收端的解密部分（軟件或硬件）。

所開發(fā)的數(shù)據(jù)采集終端是一個功能演示系統(tǒng)，可以接入一個采用Modbus協(xié)議的設備采集數(shù)據(jù)，以及采集傳感器的模擬與數(shù)字量信息，將上述信息進行建模，包括協(xié)議轉(zhuǎn)換和打包處理，轉(zhuǎn)換成OPC UA協(xié)議的不同結點進行傳輸。

終端作為一個OPC UA Server等待OPC UA Client的連接請求。終端硬件應具有數(shù)據(jù)加密傳輸功能和簡單的基于Web的配置界面。

終端操作系統(tǒng)可以有兩種選擇，如采用Windows系統(tǒng)，則用Visual Studio.Net C#語言和微軟的OPCUA SDK開發(fā)。如采用Linux操作系統(tǒng)，則可以用Flask和python-opcua開源庫，或者Node.js和node-opcua開源庫。

本地數(shù)據(jù)庫考慮采用SQLite（或MySQL），SQLite是一種嵌入式數(shù)據(jù)庫，它的數(shù)據(jù)庫就是一個文件，本身是用C寫的，體積非常小，經(jīng)常被用于嵌入式端的應用。

3.1.2 數(shù)據(jù)通信標準及數(shù)據(jù)庫設計

3.1.2.1 功能要求

在研究常用船用硬件及軟件接口的基礎上，針對船用數(shù)據(jù)的特點，選擇數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，設計數(shù)據(jù)結構、數(shù)據(jù)表、索引方式等，并構建一個實驗數(shù)據(jù)庫。在此基礎上構建數(shù)據(jù)接口服務器以提供數(shù)據(jù)采集、設備控制、數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)查詢等功能。內(nèi)容包括：

（1）數(shù)據(jù)通信標準：包括信息模型、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)庫訪問等標準；

（2）數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)表設計與構建，根據(jù)業(yè)務需求采用SQL或NoSQL；

（3）數(shù)據(jù)接口服務器構建：通過中間件的形式提供各種數(shù)據(jù)采集、設備控制、數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)查詢等功能。

數(shù)據(jù)接口標準規(guī)范數(shù)據(jù)終端與數(shù)據(jù)庫服務器之間的數(shù)據(jù)接口方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向?qū)崟r通信，包括數(shù)據(jù)和功能接口，分別用技術元數(shù)據(jù)與業(yè)務元數(shù)據(jù)來描述。在接口標準基礎上，通過數(shù)據(jù)接口服務器收發(fā)數(shù)據(jù)終端的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)實時存入數(shù)據(jù)庫服務器，也可接收其他應用系統(tǒng)發(fā)來的查詢和設備控制命令，所有對數(shù)據(jù)庫的訪問通過數(shù)據(jù)庫接口服務器進行。

對數(shù)據(jù)采集傳輸存儲規(guī)范及數(shù)據(jù)庫設計詳細要求：

● 數(shù)據(jù)采集傳輸存儲規(guī)范

（1）總體架構設計：數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、訪問的總體架構；

（2）信息建模標準規(guī)范；

（3）數(shù)據(jù)傳輸標準規(guī)范；

（4）數(shù)據(jù)庫訪問接口標準規(guī)范；

● 數(shù)據(jù)庫設計與構建

在研究常用船用硬件及軟件的基礎上，針對船用數(shù)據(jù)的特點，選擇數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，設計數(shù)據(jù)結構、數(shù)據(jù)表、索引方式等，并構建一個實驗數(shù)據(jù)庫。

3.1.2.2 功能設計

數(shù)據(jù)采集及通信采用美國OPC基金會發(fā)起的OPC UA標準［8］。它以語義和面向服務為架構，既實現(xiàn)底層設備的橫向信息集成，還能實現(xiàn)從設備經(jīng)SCADA、MES到云端的垂直信息集成。

OPC UA特性定義基于TCP的二進制通信協(xié)議，通過最小的開銷提供最快的性能，也支持Web服務和HTTP通信。另外它可以用不同編程語言進行開發(fā)并適用于多種操作系統(tǒng)。

對于設備實時控制所涉及到實時數(shù)據(jù)庫，鑒于其與設備監(jiān)控系統(tǒng)密切相關，這部分由設備自帶監(jiān)控系統(tǒng)或數(shù)據(jù)采集終端解決，平臺解決上層的大數(shù)據(jù)采集和智能分析，以關系數(shù)據(jù)庫為主，輔以必要的NoSQL數(shù)據(jù)庫。

3.1.3 數(shù)據(jù)接口服務器軟件設計

3.1.3.1 功能要求

基于OPC UA標準，本軟件實現(xiàn)向OPC UA Server（數(shù)據(jù)采集終端等）接收數(shù)據(jù)，并向數(shù)據(jù)庫服務器讀寫實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集入庫；構建面向數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)庫訪問接口。

系統(tǒng)達到的功能為：

（1）能夠連接多個數(shù)據(jù)采集終端（OPC UA Server）；

（2）B/S模式的用戶操作界面，可視化的終端及數(shù)據(jù)顯示；

（3）可以配置不同的數(shù)據(jù)采集參數(shù)，如加密方式、采集時間間隔等。

數(shù)據(jù)接口服務器有以下功能要求：

（1）OPC UA客戶端程序；

（2）接收數(shù)據(jù)的入庫；

（3）數(shù)據(jù)庫訪問接口。

3.1.3.2 功能設計

軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和入庫功能。本程序擬基于OPC UA的Python開源SDK開發(fā)包，采用Python語言開發(fā)客戶端程序，連接多個不同的OPC UA服務器；整體程序采用基于HTML5、CSS3、Python的B/S模式開發(fā)，功能包括OPC UA客戶器、數(shù)據(jù)庫讀寫和軟件界面等部分。

3.2 網(wǎng)絡方案

3.2.1 功能要求

智能船舶網(wǎng)絡分為外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)兩部分。外網(wǎng)即標準采集模塊與基礎平臺通信網(wǎng)絡，內(nèi)網(wǎng)即服務器與服務器、服務器與存儲之間的通信網(wǎng)絡。各網(wǎng)絡之間均要求冗余，使網(wǎng)絡達到高度可靠。

3.2.2 功能設計

在硬件選擇上，外網(wǎng)選擇千兆交換機，內(nèi)網(wǎng)選擇光纖交換機。其網(wǎng)絡部署方式如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡架構圖

存儲服務器和平臺服務器中通過光纖交換機連接，任意一臺交換機宕機情況下，均可保證系統(tǒng)正常使用。云平臺和外部平臺網(wǎng)之間采用4臺千兆交換機并采取全連接方式，保證服務器和平臺網(wǎng)之間的網(wǎng)絡高可用性。

交換機選擇：

（1）H3C：千兆交換機H3CS5500-52C-EI；

（2）IBM B24：24口光纖交換機，激活16口帶模塊，16條5M光纖線。

3.2.3 功能設計

（1）H3C：48個10/100/1000Base-T以太網(wǎng)端口，4個復用的1000Base-X千兆SFP端口；支持全雙工；可堆疊；支持所有VLAN；支持GVPR/QinQ。

（2）IBM B24：24個8G FC端口；支持熱插拔。

3.3 基礎平臺方案

3.3.1 基礎平臺硬件

智能集成平臺2臺機柜中共有4臺云計算服務器，1臺為主管理服務器，另外3臺均為節(jié)點服務器。另有2臺數(shù)據(jù)庫服務器互為備份，每臺數(shù)據(jù)服務器中配置600 G硬盤40塊。每個機柜中還包含2臺供平臺網(wǎng)使用的H3C千兆交換機，1臺供服務器內(nèi)部使用的IBM B24光纖交換機。

3.3.2 基礎平臺軟件

3.3.2.1 功能要求

設計云平臺系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)庫集群、云計算平臺和網(wǎng)絡組成。要求如下：

（1）云服務器

1臺管理服務器、3個節(jié)點服務器，當管理服務器死機或者物理毀滅時，軟件可實現(xiàn)自動將其中一臺節(jié)點服務器轉(zhuǎn)成管理服務器繼續(xù)，保證系統(tǒng)可靠性。

（2）云計算平臺

支持最大可支持同時運行50臺虛擬機，管理員可配置分配各不同虛擬機資源，支持Docker容器，管理員可配置虛擬機路由器，支持統(tǒng)一登錄功能。

（3）云存儲

由2臺及以上物理數(shù)據(jù)庫服務器；1臺中間件服務器；1臺數(shù)據(jù)接口服務器構成；存儲有效容量大于20 T（至少提供雙冗余備份）；MySQL Server；MyCat分布式數(shù)據(jù)庫中間件。

（4）數(shù)據(jù)終端

支持100臺及以上，終端由其他項目實現(xiàn)。

（5）云網(wǎng)絡

云平臺內(nèi)部采用2臺光纖交換機，采用雙冗余，物理服務器之間通過交換機連接，外部交換機采用4臺交換機部署全連接方式，外部設備通過外部交換機連接。

3.3.2.2 集群數(shù)據(jù)庫設計

研究表明數(shù)據(jù)庫集群化方法能夠低成本地把本地數(shù)據(jù)庫和應用傳輸?shù)健霸啤倍耍行Ы鉀Q了業(yè)務規(guī)模飛速增長下帶來數(shù)據(jù)存儲的難題。本方案擬采用多臺數(shù)據(jù)庫服務器，構成虛擬數(shù)據(jù)庫邏輯映像，為客戶端提供透明、高效、安全的數(shù)據(jù)服務。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：SQL、NoSQL，能平滑遷移原有系統(tǒng)。集群方案：能融合內(nèi)存緩存技術、SQL技術、Nosql技術、HDFS大數(shù)據(jù)、中間件技術。

關系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用開源MySQL，NoSQL數(shù)據(jù)庫采用MongoDB，數(shù)據(jù)庫集群方案采用MyCat構建［9］。MyCat是一個開源分布式數(shù)據(jù)庫中間件，如圖6所示。

圖6 MyCat架構設計圖

3.3.2.3 云計算平臺設計

云計算平臺通過軟件手段將服務器集群化，并進行統(tǒng)一管理和調(diào)度，對外提供具有可彈性伸縮、高可用、高安全等特性服務。應用、Web、數(shù)據(jù)接口等服務器均可構建在不同的虛擬云服務器中，基于資源需求和業(yè)務優(yōu)先級靈活部署虛擬機，節(jié)約硬件資源。

本方案擬基于分布式集群搭建虛擬化服務器，將原有的服務器設備與虛擬服務器融合，并統(tǒng)一管理。客戶端方面，傳統(tǒng)物理服務器和虛擬服務器的訪問模式是一樣的。

本方案利用OpenStack建立私有云，它是一個開源的云計算管理平臺項目，支持多種云環(huán)境，結構如圖7所示，通過各種互補的服務提供了基礎設施的解決方案。OpenStack是一個中間層，可以創(chuàng)建、管理和銷毀虛擬機，但要依賴第三方的Hypervisor，如默認Linux 內(nèi)核虛擬機［10］。

圖7 OpenStack云平臺架構

研究采用Docker技術實現(xiàn)應用系統(tǒng)的快速便捷部署和運維。Docker提供一個高效、敏捷和輕量的容器方案，能動態(tài)適應各種規(guī)模的系統(tǒng)部署需求。Docker整個生命周期包含三部分：鏡像（Image）、容器（Container）、倉庫（Repository）。鏡像和容器的關系就像程序和進程——鏡像是容器運行的一大前提，而容器是鏡像的一個運行實例，倉庫則是鏡像的管理中心。

3.3.3 基礎應用軟件

3.3.3.1 功能要求

將各應用軟件部署在虛擬機上，用戶訪問虛擬機能夠運行應用軟件以達到如監(jiān)測報警、配電監(jiān)控、統(tǒng)一登錄等功能。

（1）平臺應用軟件框架要求與原型軟件要求

應用軟件開發(fā)框架：

（a）軟件系統(tǒng)架構設計；

（b）統(tǒng)一用戶認證方案設計；

（c）大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)接口規(guī)范；

（d）子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互規(guī)范。

功能原型集成監(jiān)控軟件實現(xiàn)：

（a）實時監(jiān)控界面，能動態(tài)顯示實時監(jiān)控狀態(tài)數(shù)據(jù)、異常報警等；

（b）統(tǒng)一用戶認證，調(diào)用統(tǒng)一用戶認證系統(tǒng)接口實現(xiàn)統(tǒng)一的用戶認證和授權；

（c）通過WebService接口實現(xiàn)子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互。

（2）統(tǒng)一用戶認證軟件

統(tǒng)一用戶認證是智能船舶系統(tǒng)中的基礎性的平臺功能，對用戶登錄進行授權和集中管理。具體要求包括：

支持Web方式認證，提供單點登錄服務功能：

（a）提供基于LDAP開放標準的統(tǒng)一用戶管理功能；

（b）支持基于改進Kerberos認證機制，加強應用安全。

3.3.3.2 應用軟件框架設計

在研究最新軟件開發(fā)技術的基礎上，針對船用工控及管理軟件的實際需求，提出整體的系統(tǒng)軟件架構，要在技術的先進性、成熟度、發(fā)展趨勢等方面進行綜合考慮，選取最佳的技術方案。

除特殊的應用場合（如嵌入式端的數(shù)據(jù)采集程序），系統(tǒng)的高層軟件采用B/S架構。軟件設計采用MVC（Model View Controller）典范，如圖8所示。MVC 模式同時提供了對 HTML、CSS 和JavaScript 的完全控制。

圖8 MVC 軟件設計模式

開發(fā)語言要兼顧考慮軍船和民船的需求特點，為了使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)跨平臺互聯(lián)和兼容，可以采用Python、Java、JavaScript等語言。鑒于船用系統(tǒng)的實時性特點，研究采用Node.js運行環(huán)境或Django和Falsk框架、WebSocket技術等實現(xiàn)顯示頁面的動態(tài)更新和即時相應。

功能原型軟件針對某一特定設備進行設計和實施，基于B/S架構實施，包括幾個功能：

（1）實時監(jiān)控界面，能動態(tài)顯示實時監(jiān)控狀態(tài)數(shù)據(jù)、異常報警、設備健康狀況等；

（2）統(tǒng)一的用戶認證，調(diào)用統(tǒng)一用戶認證系統(tǒng)接口實現(xiàn)統(tǒng)一的用戶認證和授權；

（3）制定大數(shù)據(jù)分析的WebService接口，通過大數(shù)據(jù)分析中間件實現(xiàn)特定的智能處理功能；

（4）通過WebService實現(xiàn)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互。

3.3.3.3 統(tǒng)一用戶認證軟件設計

現(xiàn)在目錄服務技術是許多新型技術實現(xiàn)信息存儲、管理和查詢的首選方案［11］。建立基于輕量級目錄訪問協(xié)議（LDAP）技術的統(tǒng)一身份認證系統(tǒng)，用目錄服務數(shù)據(jù)庫存儲用戶和和應用系統(tǒng)的信息，實現(xiàn)對用戶認證、授權和管理，以及訪問控制，如圖9所示。

圖9 統(tǒng)一用戶認證體系結構

3.4 用戶管理使用方案

3.4.1 功能要求

通過統(tǒng)一用戶管理及認證系統(tǒng)，對智能船舶信息網(wǎng)絡系統(tǒng)中的所有用戶身份進行統(tǒng)一管理，其中功能要求如下：

（1）統(tǒng)一用戶管理

統(tǒng)一用戶管理為各級管理員提供一個統(tǒng)一的用戶管理入口，由各級管理員對機構、組群、用戶、應用進行相應的管理維護。

（2）統(tǒng)一管理員管理

由超級管理員為各級管理員進行相應的機構、人員、組群、應用等管理權限的管理維護。

（3）用戶應用授權

系統(tǒng)界面將向管理員展現(xiàn)出一棵機構樹方便管理員對相應人員或組群應用授權。

（4）分級分權管理

通過集中管理人員信息，企業(yè)各級管理員可為各級機構人員進行分級委托授權。

（5）統(tǒng)一用戶數(shù)據(jù)管理

所有用戶信息、機構信息和授權信息都歸于統(tǒng)一用戶管理系統(tǒng)

（6）統(tǒng)一身份認證

包含UAM系統(tǒng)認證、應用系統(tǒng)認證。UAM系統(tǒng)支持用戶名/口令、數(shù)字證書兩種方式登錄；與UAM結合的應用系統(tǒng)可通過DAS分布認證系統(tǒng)組件進行用戶名/口令、數(shù)字證書兩種方式登錄。

（7）安全審計

對所有操作行為進行的安全日志記錄。提供全面、可靠的安全審計功能。可以記錄用戶登錄的時間、具體操作行為等。

用戶通過用戶名/口令或數(shù)字證書的登錄虛擬機，可以通過運行該虛擬機中的應用軟件實現(xiàn)對底層設備的數(shù)據(jù)監(jiān)控和控制功能，不受地點限制。

3.4.2 功能設計

通過虛擬機訪問，無功能設計。

4 極地科考船智能船舶集成平臺實例

4.1 項目背景及其需求牽引

極地科考船是到達極地海洋目標區(qū)域、開展冰區(qū)海洋調(diào)查作業(yè)必備的基本條件和重要保證，是我國實施兩級戰(zhàn)略布局、拓展戰(zhàn)略空間的關鍵。本項目為極地科考船進行智能機艙加裝，在具有特殊性和代表性的極區(qū)科學考察船上的應用尚屬首次，通過該項目工作的研發(fā)與實施，建成之后的極地科考船將成為世界上最先進的極地科考破冰船之一。

目前主機、輔機、軸系等關鍵設備的運行狀態(tài)監(jiān)測技術已非常成熟，而沒有對柴油機燃燒室溫度、增壓器性能方面的精細化監(jiān)測，沒有主要設備健康評估模型，也缺乏主要設備性能評估模型。

因此，需要利用現(xiàn)有的自動化技術對柴油機、發(fā)電機、軸系等主要機械設備及其輔助設備進行持續(xù)狀態(tài)監(jiān)測，要求主動力設備按照《規(guī)范》對機艙主要設備進行更加細致的監(jiān)測和更加精確的控制，并給出比較詳細的能耗和性能參數(shù)或者曲線，供上位優(yōu)化控制。系統(tǒng)根據(jù)各種機艙設備的監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行系統(tǒng)健康評估和輔助決策技術，包括維護保養(yǎng)的決策。［12］

4.2 智能機艙集成平臺方案實施

4.2.1 工作目標

對本船機艙柴油機系統(tǒng)、電力推進系統(tǒng)、輔助設備進行系統(tǒng)化集成，在各系統(tǒng)達到故障預警、健康分析的前提下，對系統(tǒng)進行整合達到機艙設備間的信息融合和聯(lián)動功能，并在此基礎上為船舶操作和管理人員提供實時船舶運行數(shù)據(jù)、健康狀態(tài)等信息，幫助船員進行輔助決策建議。集成柴油機健康管理系統(tǒng)、電力推進健康管理系統(tǒng)、輔助設備健康管理系統(tǒng)并申請CCS智能機艙（i-ship M）附加標志。

4.2.2 平臺功能

（1）機艙各系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息集中顯示、處理；

（2）系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合與集中化顯示，根據(jù)后續(xù)船東要求預留關聯(lián)性分析接口；

（3）機艙整體設備輔助決策；

（4）為柴油機健康管理系統(tǒng)、電力推進健康管理系統(tǒng)、輔助設備健康管理系統(tǒng)提供上層硬件支持；

（5）為柴油機健康管理系統(tǒng)、電力推進健康管理系統(tǒng)、輔助設備健康管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)導出及備份接口；

（6）提供統(tǒng)一的破冰/清水工況設置功能；

（7）為智能船舶其他部分提供機艙設備數(shù)據(jù)與健康狀態(tài)（預留）。

4.2.3 初始化數(shù)據(jù)及來源

（1） 柴油機數(shù)據(jù)來源于柴油機健康管理系統(tǒng)；

（2） 電力推進數(shù)據(jù)來源于電力推進健康管理系統(tǒng)；

（3） 輔助設備數(shù)據(jù)來源于輔助設備健康管理系統(tǒng)；

柴油機健康管理系統(tǒng)、電力推進健康管理系統(tǒng)所需的IAS數(shù)據(jù)由平臺統(tǒng)一采集后提供給所需設備。

4.2.4 平臺搭建

硬件由三臺安裝在集控室的工控機，UPS模塊、信息采集箱I型、顯示器、鍵盤鼠標等組成。軟件則包括人機交互界面、通信接口模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、報警管理模塊、權限管理模塊組成。

三臺工控機分別連上信息采集箱I型中的KVM，操作員可在集控室通過KVM視頻切換器切換柴油機健康管理系統(tǒng)、電力推進健康管理系統(tǒng)和輔助設備健康管理系統(tǒng)，各子系統(tǒng)接口如表1所示。

表1 各子系統(tǒng)接口

柴油機健康管理系統(tǒng)、電力推進健康管理系統(tǒng)、輔助設備健康管理系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)通過信息采集箱I型中的交換機統(tǒng)一存入智能機艙集成平臺內(nèi)。智能機艙集成平臺系統(tǒng)框圖如圖10所示。

圖10 智能機艙集成平臺系統(tǒng)框圖

5 結 語

在“建設海洋強國”和“大力發(fā)展海洋工程裝備和高科技船舶”的時代背景下，以CCS《智能船舶規(guī)范（2015）》開始生效為契機，從功能特點、技術基礎、系統(tǒng)架構等方面對智能船舶集成平臺進行了研究，探索其實現(xiàn)路徑和技術手段，提出一種通用的智能船舶集成平臺的設計思路，包括系統(tǒng)架構和實施步驟，最后以新型極地科考船的智能機艙加裝方案為實例，說明智能集成平臺設計與搭建方法。通過集成平臺建設、數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)機艙智能化，為船員提供機艙狀態(tài)、健康情況、輔助決策，降低船員勞動強度，提高本船運營效能。