王碩仁 陳清滿 于化冰 張永正 宋棟芳

研究論文

“雪龍2”號科考作業(yè)協(xié)同管理平臺設計與實現(xiàn)

王碩仁1陳清滿1于化冰2張永正2宋棟芳2

(1中國極地研究中心, 上海 200136;2大連陸海科技股份有限公司, 遼寧 大連 116085)

“科考作業(yè)協(xié)同管理平臺”以國家極地戰(zhàn)略需求為導向, 以“雪龍2”號極地科考破冰船為對象, 按照科考破冰船的航行與科考作業(yè)要求, 針對“科考協(xié)同作業(yè)”問題進行協(xié)同創(chuàng)新與應用研究, 切實提高我國極地科考能力水平。通過分析科考航次計劃執(zhí)行與管理活動, 提煉核心管理要素和業(yè)務流程, 在充分調(diào)查與梳理中國極地研究中心“業(yè)務化調(diào)查”歷史文件的基礎上, 采用統(tǒng)一建模語言UML (Unified Modeling Language)[1], 總結(jié)和分析極地科考業(yè)務, 提出解決科考業(yè)務核心需求“協(xié)同作業(yè)”的業(yè)務架構(gòu)設計, 并在此基礎上提出管理平臺的技術架構(gòu), 最終為實現(xiàn)極地科考破冰船科考任務的全過程管理奠定良好的基礎。

科考破冰船 科考業(yè)務架構(gòu) 科考協(xié)同作業(yè)

0 引言

“雪龍2”號極地科學考察船是中國第一艘自主建造的極地科學考察破冰船, 是全球第一艘采用船艏、船艉雙向破冰技術的極地科考破冰船。2018年9月10日, “雪龍2”號極地考察船下水, 標志著我國極地考察現(xiàn)場保障和支撐能力取得新的突破?！把?”號現(xiàn)已完成建造, 并順利完成第36次南極考察任務。

“雪龍2”號綜合信息網(wǎng)絡系統(tǒng)以船岸一體化應用業(yè)務為核心, 統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設、統(tǒng)一管理, 建立高度融合、互聯(lián)互通的船舶信息網(wǎng)絡系統(tǒng)。系統(tǒng)滿足船舶管理、極區(qū)航行、大洋調(diào)查等業(yè)務信息化需求。

船端系統(tǒng)整合船舶信息資源, 建成符合極地考察應用特點和發(fā)展要求的現(xiàn)代化科考船綜合信息支撐平臺, 實現(xiàn)現(xiàn)代化科學考察船的綜合信息管理, 滿足新建破冰船極區(qū)通信管理、科考數(shù)據(jù)管理、科考作業(yè)管理、船舶綜合管理等多業(yè)務信息化需求。

陸地端的系統(tǒng)建設兼顧“雪龍”號船舶的信息接入[2]、岸端中心對多船管理等需求, 推動了極地考察船信息化的發(fā)展, 增強極地考察船業(yè)務能力和支撐保障能力, 為智能[3]極地考察船的建設奠定基礎, 進而推動我國極地考察事業(yè)的發(fā)展。

“科考作業(yè)協(xié)同管理平臺”作為極地業(yè)務化工作體系, 依托“雪龍2”號船舶基礎管理平臺, 必須同時滿足極地中心陸地端和船舶端對于科考計劃和科考航次計劃的業(yè)務化任務全過程管理的核心需求, 即從“岸端”科考計劃的制定, “船端”航次計劃與任務執(zhí)行過程、任務協(xié)同與調(diào)度管理、任務的跟蹤與監(jiān)控以及科考探測數(shù)據(jù)、科考樣品、實驗室分析數(shù)據(jù)的管理, 再到“岸端”獲得“船端”的實時數(shù)據(jù)、過程執(zhí)行監(jiān)控數(shù)據(jù)以及統(tǒng)一匯交的科考作業(yè)成果物, 一個科考航次的調(diào)查成果物包括: 文檔報告、現(xiàn)場班報、船舶報、航跡圖、測線站位表、設備調(diào)查數(shù)據(jù)資料、現(xiàn)場樣品資料與匯交單、各類登記表等, 為各極地科考和研究業(yè)務化運行系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持和平臺服務支撐。

1 管理平臺的需求分析與設計

管理平臺的需求分析[1]與設計工作應針對科考船在大洋和極地水域科考調(diào)查和科考作業(yè)的特點, 結(jié)合高緯度與冰區(qū)航行的特殊性, 開展對科考航次的計劃執(zhí)行與管理、科考作業(yè)監(jiān)控與管理、科考作業(yè)調(diào)度與指揮、科考數(shù)據(jù)管理等方面的業(yè)務流程分析。研究適應極地科考船調(diào)查作業(yè)與管理信息化建設的業(yè)務架構(gòu)與技術架構(gòu), 為構(gòu)建數(shù)字化、一體化、專業(yè)化、規(guī)范化的科考作業(yè)協(xié)同管理系統(tǒng)奠定可持續(xù)升級和擴展的基礎。

業(yè)務上應兼顧綜合科學調(diào)查船各學科交叉作業(yè)的特點, 統(tǒng)籌各學科的作業(yè)流程與相關設備。按照航次科考活動的管理者對組織和實施的管理要求, 實現(xiàn)科考作業(yè)任務的“可視化”管理, 使管理者能夠?qū)崟r掌握作業(yè)進度, 整體把控作業(yè)情況。在科考作業(yè)中, 需對作業(yè)現(xiàn)場統(tǒng)一指揮、協(xié)同管理, 包括船岸協(xié)同指揮與作業(yè)任務的跟蹤與監(jiān)控。開展對重大科考作業(yè)所涉及的要素和流程展開研究, 設計并實現(xiàn)基于電子海圖、視景仿真的綜合科考協(xié)同管理系統(tǒng)。在執(zhí)行科考任務的過程中, 分布在船舶各作業(yè)區(qū)的操作人員與監(jiān)控管理人員需要密切配合、協(xié)調(diào)一致, 實現(xiàn)科考航次計劃根據(jù)現(xiàn)場條件的及時調(diào)整。

在整個需求整理的過程中需從3個維度, 即設備資源、信息資源、業(yè)務需求開展分析, 確定不同作業(yè)任務所要求的設備資源與信息資源, 并使用三維坐標系進行直觀的展示, 采用此種方式有利于業(yè)務分析的形象化表達。圖1所示為CTD(溫鹽深儀)作業(yè)過程中所涉及的設備資源與信息資源的相互關系。本圖僅為示意圖, 用于說明作業(yè)業(yè)務分析需要從3個維度進行思考。

圖1 開展業(yè)務分析的3個維度(示意圖)

Fig.1. Three dimensions of business analysis (schematic diagram)

新建極地科考破冰船科考業(yè)務的核心需求在于“協(xié)同作業(yè)”, 具體可分為“船岸協(xié)同”與“在船協(xié)同”, 未來隨著“雪龍”系列船舶數(shù)量逐步形成規(guī)模, 還將產(chǎn)生“船船協(xié)同”的業(yè)務需求。結(jié)合“雪龍2”號船的實際定位, 本文僅從“船岸協(xié)同”與“在船協(xié)同”的角度展開論述。業(yè)務流程包括2個部分, 一是科考業(yè)務總體流程, 二是調(diào)查作業(yè)業(yè)務流程。

1.1 科考業(yè)務總體流程

在充分調(diào)查“雪龍”船歷次南北極航次歷史記錄[4-9]的基礎上, “船岸協(xié)同”可歸納為從科考計劃的制定到航次報告完成的整個業(yè)務過程, 具體包含“初始化階段”、“計劃階段”、“協(xié)同作業(yè)階段”、“統(tǒng)一匯交成果物階段”四個階段, 可體現(xiàn)為“科考業(yè)務總體流程”。

結(jié)合上述的分析內(nèi)容, 首先建立科考業(yè)務總體流程, 并進一步明確總體流程與各業(yè)務操作的關系, 見圖2。

圖2 科考業(yè)務總體流程與協(xié)同作業(yè)階段不同作業(yè)之間的關系

Fig.2. The relationship between the overall business process and the different operation in the collaborative operation phase

“初始化階段”具體表現(xiàn)為岸端航次計劃的制定到船端確定實施計劃的過程, 主要包括科考航線的確定、科考項目的劃分、人員的安排、設備的使用等。

“計劃階段”具體表現(xiàn)為計劃漸進明細的過程。依據(jù)極地考察的總體目標與重點海域的業(yè)務化調(diào)查內(nèi)容與調(diào)查方法[4-9], 細化為各考察項目子課題[4-9]的專項調(diào)查任務, 實現(xiàn)總體方案所確定的目標。計劃階段包括調(diào)查內(nèi)容、站位布設與調(diào)查方法這3部分的提交、審核、確定[9]。

“在船協(xié)同”以作業(yè)任務的形式開展, 主要集中于總體流程下的“協(xié)同作業(yè)階段”完成, 可歸納為不同學科作業(yè)計劃的執(zhí)行與管理, 各類設備資源的分配與協(xié)同使用以及數(shù)據(jù)成果物的共享等業(yè)務內(nèi)容。在“中國第四次北極科學考察”[4]中, 整個航次包含10種不同作業(yè)部位和作業(yè)種類的作業(yè)內(nèi)容, 下文將以CTD作業(yè)[4]為例對作業(yè)業(yè)務展開分析。

“統(tǒng)一匯交成果物階段”匯交范圍和內(nèi)容涵蓋航次調(diào)查資料、航次調(diào)查、室內(nèi)分析處理資料和航次調(diào)查成果。成果物主要包括航次設計、導航定位、走航及航渡觀測、現(xiàn)場作業(yè)班報和記錄等原始資料及處理結(jié)果、經(jīng)整編后的航跡數(shù)據(jù)、現(xiàn)場工作總結(jié)及技術總結(jié)等[10], 最終形成航次報告。

整個流程中, 不同階段彼此間存在著必然的聯(lián)系, 比如“協(xié)同作業(yè)階段”中, 實施計劃可根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)條件進行調(diào)整, 對“計劃階段”確定的人員、設備的使用產(chǎn)生影響, 實現(xiàn)調(diào)查資源利用的最大化。

1.2 調(diào)查作業(yè)業(yè)務流程

1.2.1 業(yè)務流程

本文以CTD作業(yè)[4]為例, 針對作業(yè)任務中“協(xié)同作業(yè)”相關的業(yè)務需求展開歸納與分析。

CTD作業(yè)業(yè)務包含功能性業(yè)務與業(yè)務支撐數(shù)據(jù)流, 需滿足CTD現(xiàn)場作業(yè)的功能需求、船岸作業(yè)監(jiān)督、協(xié)同管理的需要。CTD作業(yè)業(yè)務分為三個階段: CTD作業(yè)計劃階段、CTD協(xié)同作業(yè)階段、CTD成果物匯總審核階段。各個階段在岸端提供對應監(jiān)視、同步功能, 岸端系統(tǒng)使用者可以實時了解船端CTD的作業(yè)情況。

CTD作業(yè)作為科考航次[11]作業(yè)的典型關鍵部分, 需要以航次計劃、站位[11]布設計劃作為前提, 其中CTD作業(yè)計劃、CTD作業(yè)協(xié)同、CTD作業(yè)成果物部分使用實時數(shù)據(jù)監(jiān)控、實時視頻監(jiān)控的方法提供船岸協(xié)同功能。圖3所示為CTD作業(yè)業(yè)務流程圖, 包括“船岸協(xié)同作業(yè)”與“在船協(xié)同作業(yè)”。

圖3 CTD作業(yè)業(yè)務流程圖

Fig.3. CTD operation business flow chart

1.2.2 數(shù)據(jù)流向

物理實驗室作為CTD作業(yè)指揮中心, 接入氣象、海況、海冰等極區(qū)環(huán)境預報和現(xiàn)報, 接入船載航行實時動態(tài)、CTD作業(yè)支撐設備數(shù)據(jù)(科考用定位數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、水深數(shù)據(jù)、絞車數(shù)據(jù))。在物理實驗室中提供集成數(shù)據(jù)環(huán)境, 為作業(yè)指揮提供便利。

向現(xiàn)場作業(yè)位置提供作業(yè)相關性數(shù)據(jù), 向絞車間提供專業(yè)水深數(shù)據(jù), 防止CTD架觸底; 向作業(yè)甲板提供CTD絞車運行數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)流向圖見圖4。

1.2.3 調(diào)查作業(yè)的管理范圍

航次[11]中所有的CTD作業(yè)全部結(jié)束后, 通過進行CTD作業(yè)的數(shù)據(jù)成果物、作業(yè)記錄的表單提取, 可以為航次報告中涉及CTD部分的相關內(nèi)容提供支撐, 航次報告內(nèi)容會涵蓋CTD實施計劃、CTD作業(yè)記錄、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分析等多類別、多種數(shù)據(jù)格式的信息。

CTD作業(yè)的整個管理范圍包含: CTD作業(yè)計劃、CTD作業(yè)體系與規(guī)范、CTD作業(yè)協(xié)同、CTD作業(yè)班組、CTD作業(yè)成果物。對上述內(nèi)容進行類圖(圖5)分析, 為系統(tǒng)設計建立良好的基礎。

圖4 CTD作業(yè)數(shù)據(jù)流向圖

Fig.4. CTD operation data flow diagram

圖5 CTD作業(yè)協(xié)同類圖(示例)

Fig.5. CTD operation collaboration class diagram (example)

1.2.4 審批流程

在實際作業(yè)過程中, 僅提取CTD作業(yè)計劃申請審核流程與CTD成果提交審核流程。其中CTD協(xié)同作業(yè)階段由于作業(yè)過程的復雜性、緊急性等業(yè)務特點, 以作業(yè)提醒、作業(yè)監(jiān)視作為系統(tǒng)功能, 不宜使用復雜的業(yè)務流程進行管理。如果在協(xié)同作業(yè)階段存在關鍵節(jié)點需要使用審批流程管理, 可以適當增加。

1. 作業(yè)計劃申請審核流程[4]

作業(yè)班長制定了CTD作業(yè)計劃后, 將CTD作業(yè)計劃提交審核, 由首席助理根據(jù)實際情況判斷是否可以按照計劃進行CTD作業(yè)。將審核結(jié)果反饋至作業(yè)班長, 完成審核流程。

2. 成果物提交審核流程[4]

CTD作業(yè)完成后, 由CTD數(shù)據(jù)終端人員提交CTD作業(yè)記錄、CTD溫深鹽數(shù)據(jù), 甲板操作員提交水樣信息, 由作業(yè)隊長判斷數(shù)據(jù)準確性、完整性。如果成果物異常, 可能需要檢查故障、重新制定作業(yè)計劃。

1.2.5 業(yè)務數(shù)據(jù)

結(jié)合“雪龍2”號綜合網(wǎng)絡信息系統(tǒng)已建設的硬件資源, CTD作業(yè)時需要信號源提供數(shù)據(jù)支撐, 數(shù)據(jù)主要包括: 數(shù)據(jù)流、信息流、視頻流等。在CTD協(xié)同作業(yè)時, 需依賴船載通導信號數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)包括經(jīng)緯度、時間、船艏向、航速、風速等, 還需要監(jiān)控萬米測深儀、高精度GPS、光纖羅經(jīng)、CTD絞車等設備提供高精度經(jīng)緯度數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、水深數(shù)據(jù)、絞車數(shù)據(jù), 在數(shù)據(jù)監(jiān)控的同時系統(tǒng)提供作業(yè)位置的實時監(jiān)控視頻信息。從而為CTD作業(yè)提供穩(wěn)定高效的支撐數(shù)據(jù)。CTD數(shù)據(jù)成果物的記錄一部分來自SBE911(物理海洋多參數(shù)理化數(shù)據(jù)采集與探測系統(tǒng))與LADCP(聲學多普勒海流剖面儀)設備, 另一部分需要記錄高精度經(jīng)緯度數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、水深數(shù)據(jù)作為支撐數(shù)據(jù)。

1. CTD作業(yè)相關信號源(表1)

CTD作業(yè)相關的設備、儀器、信號源共16種, 預計有20個信號源接入。

設備數(shù)據(jù)存在主備關系(表2), 關鍵設備數(shù)據(jù)需要提供備份數(shù)據(jù)源, 如UTC信息源(NTP, Network Time Provider 網(wǎng)絡時間服務源)、定位及姿態(tài)數(shù)據(jù)源(POS-MV, 船載定位、定姿系統(tǒng))、水深數(shù)據(jù)源(萬米測深儀)需要提供一個以上備份數(shù)據(jù)源, 以免數(shù)據(jù)缺失。

表1 CTD作業(yè)相關的設備、儀器、信號源

表2 信號源主備關系

2. CTD作業(yè)依賴參數(shù)

需要從各個信號源接入信號48項, 數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中定義唯一標識符、描述信息。在系統(tǒng)中需要定義數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)范圍、數(shù)據(jù)單位, 用于數(shù)據(jù)接入、處理、存儲、顯示, 設計中數(shù)據(jù)展示精度可以低于存儲精度。

3. CTD作業(yè)數(shù)據(jù)接入

對于CTD業(yè)務來說, 設備之間提供數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)冗余, 需要按照業(yè)務規(guī)則確定具體的信號源, 即當數(shù)據(jù)可以由多個設備輸出時, 數(shù)據(jù)需要根據(jù)設備主備關系獲取; 數(shù)據(jù)源由系統(tǒng)日志記錄; 系統(tǒng)可以按照CTD業(yè)務提供數(shù)據(jù)服務。

4. CTD作業(yè)數(shù)據(jù)存儲

CTD業(yè)務中接入的各類數(shù)據(jù), 一部分用于監(jiān)控顯示, 其他部分需要進行存儲便于查詢。CTD作業(yè)中用于存儲、查詢的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應包含時空數(shù)據(jù)。

1.2.6 樣品數(shù)據(jù)

在第36次南極考察過程中, 細化分析航次現(xiàn)場調(diào)查資料中的樣品管理規(guī)范[10], 將CTD采水任務分解為采水計劃與掃描入庫兩部分(圖6), 通過業(yè)務化系統(tǒng)與智能手持終端設備完成水樣錄入與管理過程。

圖6 采樣計劃與掃描入庫流程

Fig.6. Sampling plan and scanning warehousing process

2 業(yè)務架構(gòu)的技術實現(xiàn)

信息化系統(tǒng)需要從技術層面得到支撐, 系統(tǒng)建設采用面向服務技術架構(gòu)[12]作為整個技術架構(gòu)的骨干支撐, 快速、有效解決業(yè)務協(xié)同、資源共享以及應用支撐的架構(gòu)問題。

技術架構(gòu)(圖7)根據(jù)建設內(nèi)容可以分為數(shù)據(jù)、服務、應用3個核心結(jié)構(gòu), 主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)的采集、存儲、加工與服務, 業(yè)務功能構(gòu)件的封裝與實現(xiàn), 業(yè)務應用的功能集成與整合。

2.1 數(shù)據(jù)(D)

數(shù)據(jù)層是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源中心, 涵蓋管理平臺中所有相關的結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù), 包括與數(shù)據(jù)直接相關的所有操作, 是數(shù)據(jù)從進入系統(tǒng)到標準數(shù)據(jù)的追蹤記錄集合與操作記錄集合。它是數(shù)據(jù)資源的存儲和積累, 為系統(tǒng)應用提供標準的數(shù)據(jù)訪問服務并提供備份、存儲功能。

圖7 系統(tǒng)技術架構(gòu)

Fig.7. The technical framework of system

通過服務封裝數(shù)據(jù)的配置接口、操作接口以及管理接口, 既可滿足安全和標準規(guī)范的約定, 又可滿足服務路由和數(shù)據(jù)權(quán)限等信息管理的要求。

數(shù)據(jù)存儲采用ORM (Object Relational Mapping, 對象關系映射)關系型數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲, 采用HDFS(Hadoop Distributed File System分布式文件系統(tǒng))分布式文件系統(tǒng)為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲提供了高效的解決方案。

數(shù)據(jù)服務基于統(tǒng)一、標準、規(guī)范的交互接口, 提供多樣性的服務形式和多種標準格式數(shù)據(jù), 基于Socket的JSON(JavaScript Object Notation)格式, 基于HTTP(超文本傳輸協(xié)議)的RESTFUL(面向資源的設計風格)格式, 基于WebService(遠程調(diào)用服務)的xml(eXtensible Markup Language)格式, 同時也提供原始數(shù)據(jù)服務。

2.2 服務(S)

服務層構(gòu)建于數(shù)據(jù)層之上, 是整個系統(tǒng)體系架構(gòu)的核心, 并提供大量公共服務和基于業(yè)務構(gòu)件的服務, 提供服務的運行、管理環(huán)境, 最大限度提高業(yè)務開發(fā)效率, 降低工程實施、維護的成本和風險。服務層采用支撐體系結(jié)構(gòu)的先進標準和規(guī)范, 以幫助建立高性能、高可靠性、高擴展性的應用系統(tǒng), 滿足客戶快速發(fā)展的業(yè)務需求。

基礎業(yè)務構(gòu)件采用分布式服務架構(gòu)[13], 基于微服務框架SpringCloud[14]設計, 實現(xiàn)模塊化、高性能、可伸縮的分布式服務體系。

公共服務組件提供高效的系統(tǒng)中間件, 對數(shù)據(jù)、服務等進行有效的解耦。

服務層提供由同一用戶管理+集中認證服務實現(xiàn)的統(tǒng)一用戶管理體系, 支持單點登錄業(yè)務整合, 有效解決“一次登錄, 多處使用”。

2.3 應用(A)

業(yè)務應用層提供所有的信息應用和系統(tǒng)管理的業(yè)務邏輯, 分解業(yè)務請求, 通過支撐服務層進行數(shù)據(jù)處理, 并將返回信息組成所需的格式提供給客戶端。與傳統(tǒng)體系架構(gòu)下的業(yè)務層不同, 面向服務架構(gòu)的業(yè)務層基于服務構(gòu)建, 從而可以使業(yè)務能夠更快地組裝, 達到服務的改變不會影響已經(jīng)使用中的業(yè)務應用, 使形成的應用更加穩(wěn)定。

應用層包含Web系統(tǒng)與應用軟件, 設計基于Springboot微服務框架實現(xiàn), 可集成多種組件, 無需依賴Servlet容器, 與分布式服務天然集成, 并可獨立運行、部署。

2.4 展現(xiàn)(P)

展現(xiàn)層[15]設計為前后端分離架構(gòu)[16], 基于HTML5、Javascript等前端技術實現(xiàn), 自由集成多種流行的前端插件, 融合GIS(地理信息系統(tǒng)), 實現(xiàn)資源、數(shù)據(jù)的集中統(tǒng)一展示。

展現(xiàn)層設計支持多終端, 在PC(個人電腦)機、移動設備(Android系統(tǒng)、iOS系統(tǒng))等終端進行信息顯示與人機交互。

3 應用實踐

根據(jù)業(yè)務分析與架構(gòu)研究的成果, 研發(fā)科考作業(yè)協(xié)同管理平臺。管理平臺可根據(jù)海洋調(diào)查規(guī)范(GB12763.1-10 2007)中定義的科學調(diào)查航次、調(diào)查海域、調(diào)查站位、走航測線、調(diào)查測線等概念, 結(jié)合極地科考實際應用業(yè)務, 提供方便、可視化、可擴展的科考業(yè)務流程, 并在此過程中規(guī)范各類作業(yè)規(guī)范和作業(yè)流程, 統(tǒng)一整理并輸出各類業(yè)務記錄模板。

2019年10月15日—2020年4月23日, “雪龍2”號參與執(zhí)行中國第36次南極考察任務, 并在南大洋宇航員海進行了為期約37天的科考調(diào)查作業(yè)。在此期間極地科考破冰船科考協(xié)同管理平臺在協(xié)調(diào)作業(yè)管理中發(fā)揮了重要作用, 受到實驗室管理人員(用戶, 平臺的操作管理人員)和科考隊員(服務對象, 平臺使用具體受益人員)的廣泛好評, 并得到新聞媒體的關注[17]。

“雪龍2”號第36次南極科學考察中, 在船應用的科考協(xié)同管理平臺為1.0版本。主界面為經(jīng)典地圖類網(wǎng)頁排版, 主體為左右結(jié)構(gòu)(圖8a), 左側(cè)區(qū)域較大, 為主要展示區(qū)域, 該區(qū)域主要展示海圖地圖、站位站點信息、冰圖等信息。通過該區(qū)域右下角的“航跡查詢”、“航行計劃”、“冰區(qū)圖層”、“臺風預報”等快捷菜單, 可方便顯示對應信息。同時還可以通過點擊“地圖”、“海圖”、“衛(wèi)星圖”實現(xiàn)顯示區(qū)域地圖的便捷切換; 右側(cè)區(qū)域較小, 主要為信息查看區(qū)域, 該區(qū)域頂部主要顯示航行(圖8b)、機艙、氣象(圖8c)、水文(圖8d)等與科考調(diào)查相關的基礎參數(shù), 中部主要展示航次基本情況, 底部主要展示站位及站點編號等信息。

實驗室管理人員可以分權(quán)限通過賬號和密碼登錄進入平臺后臺, 對航次基本信息、站位站點信息、水深水文定位等輸入?yún)?shù)的輸入源選擇等內(nèi)容進行編輯處理。平臺系統(tǒng)在船上局域網(wǎng)內(nèi)運行, 接入局域網(wǎng)內(nèi)任何一臺電腦均可打開查看, 科考隊員就近在實驗室、居住艙室均可方便進入該平臺, 進行作業(yè)站位信息、作業(yè)內(nèi)容、作業(yè)時長、航行等待時長、水文基礎信息等的查詢和記錄。

實驗室管理人員通過固定格式的Excel表格, 將站位名、位置、站位作業(yè)內(nèi)容、各項目進行時長等進行編輯, 導入系統(tǒng)平臺后, 科考隊員可在各終端便捷查看。若調(diào)查計劃有調(diào)整, 如作業(yè)站點先后順序發(fā)生變化, 管理人員可編輯頁面進行各站點的上下移動調(diào)整; 科考隊員通過主頁右上角可以直觀查詢到距下一站點的距離、預計航行時間和到達時間, 以便合理安排作息時間和采樣準備工作; 點開站位編號, 可以查詢到該站點具體的調(diào)查作業(yè)項目, 以及每個項目的持續(xù)時間。

圖8 協(xié)同管理平臺主界面顯示

Fig.8. Main interface display of collaborative management platform

除上述查詢功能外, 平臺還具有以往航跡線查詢的功能, 科考隊員可以對船舶經(jīng)過的航線進行查看, 航跡線由航跡點組成, 每個點均包含: UTC時間、GPS位置、水深、海水溫度、海水鹽度等參數(shù)。這對進行一些走航測量的項目或錯過某些站點信息記錄的隊員來說非常實用。同時系統(tǒng)平臺具有臺風實時查詢更新系統(tǒng), 可從NOAA官網(wǎng)定期抓取“雪龍2”號附近海域的氣旋信息(圖9), 確保航行和調(diào)查作業(yè)安全, 并為現(xiàn)場航行決策人員和首席科學家提供航線調(diào)整、調(diào)查作業(yè)計劃調(diào)整的參考。此外, 平臺還具備在原有海圖或衛(wèi)星底圖上疊加最近日期冰情圖的功能, 原有作業(yè)站點也將在冰圖上得以顯示, 首席科學家可以對原計劃的調(diào)查作業(yè)站點是否受到海冰影響進行評估, 從而確定是否調(diào)整計劃, 有效提高作業(yè)效率并節(jié)約船時。

通過一個南極航次的現(xiàn)場實際使用檢驗, 極地科考破冰船科考協(xié)同管理平臺能較好地適應“雪龍2”號極地科考作業(yè)模式, 為首席科學家、科考作業(yè)隊員、航行人員和實驗室管理人員提供了一個實用平臺, 能夠有效提升科考作業(yè)效率并節(jié)約船時。同時, 系統(tǒng)對南大洋氣旋頻繁和海冰覆蓋變化多端等特征也進行了針對性的設計, 可以將氣旋和海冰等惡劣氣象條件的影響降到最低。借助于平臺, 軟實力和硬實力相輔相成, 將“雪龍2”號配備的眾多科考調(diào)查設備的調(diào)查作業(yè)性能發(fā)揮到一個新高度。

Fig.9. Typhoon forecast function

4 未來展望

在下一階段的工作中, 通過現(xiàn)場的使用反饋, 管理平臺將增加海域調(diào)查方案的制定、評審、修改方面的工作流程支持, 結(jié)合船舶定位、船舶姿態(tài)、海況冰區(qū)現(xiàn)報、冰區(qū)氣象預報, 進一步增加海域調(diào)查方案預演功能, 支撐海域調(diào)查方案的制定與變更; 增加各學科工作量統(tǒng)計功能, 評估現(xiàn)場作業(yè)的工作時間與機動時間是否滿足海域作業(yè)要求, 避免計劃不足; 保障現(xiàn)場作業(yè)可以按照海域調(diào)查方案順利完成。

管理平臺將提供現(xiàn)場調(diào)查視頻畫面的擴展功能, 提供多設備數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)校正等數(shù)據(jù)業(yè)務, 保證數(shù)據(jù)成果物、圖片、視頻成果物的完整獲取及數(shù)據(jù)質(zhì)量。在高空、海面以上、海面、海面以下提供多種學科的現(xiàn)場作業(yè)模擬畫面, 監(jiān)視調(diào)查設備運行情況, 及時反饋設備異常情況與作業(yè)安全隱患等信息, 幫助各學科組長實時監(jiān)控現(xiàn)場作業(yè)情況, 保障現(xiàn)場作業(yè)順利、有效、安全進行。

后續(xù)管理平臺更新版本中將考慮增加“雪龍”號科考調(diào)查作業(yè)的簡潔信息, 不僅實現(xiàn)對“雪龍2”號本身的科考協(xié)同管理, 在極地科考船隊管理中實現(xiàn)一定程度的協(xié)調(diào)作業(yè)、協(xié)同管理, 將“雙龍?zhí)綐O”的優(yōu)勢在科考作業(yè)領域得到全面發(fā)揮。這不僅是單船科考作業(yè)模式的有效協(xié)同管理, 也將對我國科考船隊的建設與發(fā)展產(chǎn)生影響。

5 結(jié)語

本文圍繞管理平臺的主要研究內(nèi)容, 針對極地科考船在大洋和極區(qū)水域科考調(diào)查和科考作業(yè)的特點, 通過對中國極地研究中心“業(yè)務化調(diào)查”歷史記錄[4-9]的調(diào)查、歸納、總結(jié)與分析, 采用UML建模工具, 并以CTD作業(yè)這一典型的科考作業(yè)為例進行分析與研究。圍繞“協(xié)同作業(yè)”這一核心需求提出極地科考船調(diào)查作業(yè)與管理信息化建設的業(yè)務架構(gòu)與技術架構(gòu), 以此為基礎設計并實現(xiàn)的“科考作業(yè)協(xié)同管理平臺”現(xiàn)已實船應用。

管理平臺將逐步應用于包括“雪龍”號在內(nèi)的“雪龍”系列船, 隨著科考業(yè)務研究的不斷深入以及對于實際使用情況的反饋與搜集, 同時結(jié)合不同船舶的功能定位, 管理平臺將持續(xù)擴充并完善業(yè)務分支與內(nèi)容, 滿足極地科考業(yè)務多船協(xié)作的復雜工作場景, 最終形成適用于極地中心科學調(diào)查的船(隊)岸一體化管理平臺。

1 張傳波. 火球: UML大戰(zhàn)需求分析[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2012: 1-22.

2 艾松濤, 鄂棟臣, 朱建鋼, 等. 雪龍在線網(wǎng)絡信息平臺的研發(fā)與展望[J]. 極地研究, 2011, 23(1): 56-61.

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4 余興光. 中國第四次北極科學考察報告[M]. 北京: 海洋出版社, 2011: 210-216.

5 國家海洋局極地考察辦公室. 中國第八次北極科學考察現(xiàn)場實施方案[R]. 上海: 中國極地研究中心, 2017: 7-9.

6 國家海洋局極地考察辦公室. 中國第七次北極科學考察現(xiàn)場實施方案[R]. 上海: 中國極地研究中心, 2016: 13-19.

7 國家海洋局極地考察辦公室. 中國第六次北極科學考察現(xiàn)場實施計劃[R]. 上海: 中國極地研究中心, 2014: 44-60.

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9 張海生. 中國第三次北極科學考察報告[M]. 北京: 海洋出版社, 2009: 31-40.

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16 周俊鵬. 前端工程化: 體系設計與實踐[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2018: 12-42.

17 喬亞美.“雪龍2”號科考隊員晝夜顛倒風雪無阻[OL]. (2019-12-25)[2020-07-10]. http://m.news.cctv.com/2019/12/25/ARTIRhg 7JtNNeTCCdad2EBXH191225.shtml.

Design and implementation of science coordination management platform for

Wang Shuoren1, Chen Qingman1, Yu Huabing2, Zhang Yongzheng2, Song Dongfang2

(1Polar Research Institute of China, Shanghai 200136, China;2Landsea Maritech Co., Ltd, Dalian 116085, China)

Guided by the requirements of the national polar strategy, we developed a science coordination management platform for the research icebreakerto meet the requirements of navigation and scientific research. Our objective is to improve coordination of scientific research, and augment the polar research capabilities of our country. We sorted, summarized and analyzed historical documents from the Polar Research Institute of China. To improve the core factors of management and business processes, we analyzed cruise implementation and management activities. Combining UML(Unified Modeling Language) modeling tools with a complete investigation, this article proposes a scientific research business architecture design to address the core requirements of cooperative operation, and proposes the technical architecture of the platform, laying strong foundations for full process management of scientific research.

research icebreaker, scientific research business architecture, scientific cooperative operation

2020年3月收到來稿, 2020年7月收到修改稿

上海市科學技術委員會科研計劃項目(18DZ1206103)資助

王碩仁, 男, 1972年生。高級工程師, 主要從事電氣自動化、海洋科考儀器設備研究。E-mail: wangshuoren@pric.org.cn

陳清滿, E-mail: chenqingman@pric.org.cn

10. 13679/j.jdyj.20200027