袁東方， 王碩仁， 陳清滿， 夏寅月， 于化冰， 聶建濤

（1.中國(guó)極地研究中心“雪龍2”號(hào)，上海200136；2.大連陸?？萍脊煞萦邢薰?，遼寧大連116085）

0 引 言

海洋科考船屬于船舶規(guī)范中的“特種用途船”，近10年來(lái)，我國(guó)一批大型遠(yuǎn)洋科考船，如“科學(xué)”“向陽(yáng)紅”“東方紅”“大洋”和“雪龍”系列科學(xué)船的陸續(xù)批復(fù)、設(shè)計(jì)、建造與交付，幾乎以最短的時(shí)間和最快的速度緩解了我國(guó)20世紀(jì)80年代一批主力調(diào)查船即將退役與當(dāng)前日益增長(zhǎng)、要求更嚴(yán)的科考調(diào)查任務(wù)之間的矛盾［1］。

現(xiàn)代海洋科考船大都具有多學(xué)科、多功能、多技術(shù)手段的綜合調(diào)查能力，能在海洋上為各類學(xué)科提供同步調(diào)查和科考活動(dòng)場(chǎng)所［2］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外新型科考船設(shè)計(jì)重點(diǎn)突出綜合調(diào)查能力的整體優(yōu)化，設(shè)計(jì)趨向安靜化、模塊化和信息化，三化性能已成為新型海洋科考船整體性能的一個(gè)標(biāo)志，而實(shí)驗(yàn)室和科考設(shè)備的配備均需滿足多個(gè)學(xué)科調(diào)查采樣、實(shí)驗(yàn)分析等需求［3-5］。

船載實(shí)驗(yàn)室作為科考船的重要組成部分，是海上科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的工作場(chǎng)所、科考船設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容、完成船載試驗(yàn)功能的重要設(shè)施［6-7］。隨著科考船整體科考能力的提高，常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室功能已經(jīng)無(wú)法滿足大洋作業(yè)的需求，對(duì)船載實(shí)驗(yàn)室的信息化、智能化和和整體功能都提出了更高的要求。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，一些新技術(shù)和產(chǎn)品逐漸在船載實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了應(yīng)用，大大提高了實(shí)驗(yàn)室整體智能化程度，為實(shí)驗(yàn)室的管理和使用提供了便利。本文以“雪龍2”號(hào)船載實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)、建造為例，介紹其船載實(shí)驗(yàn)室搭載的協(xié)同作業(yè)管理系統(tǒng)中遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)、可視化顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

1 基本情況

1.1 船載實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀

目前科考船建造主要目標(biāo)集中在船舶整體科考能力建設(shè)，對(duì)于船載實(shí)驗(yàn)室的硬件建造研究較少，船載實(shí)驗(yàn)室依托科考船，是科考船重要的組成部分，和陸地實(shí)驗(yàn)室具有很大不同，也是科考船設(shè)計(jì)和建造的難點(diǎn)。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及中國(guó)船級(jí)社規(guī)范中對(duì)于船載實(shí)驗(yàn)室功能沒(méi)有明確的規(guī)定和建造標(biāo)準(zhǔn)，在船載實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中，一方面對(duì)船載實(shí)驗(yàn)室硬件部分例如線路、通風(fēng)、結(jié)構(gòu)、空間等按照造船相關(guān)規(guī)范進(jìn)行建造，以滿足實(shí)驗(yàn)室整體結(jié)構(gòu)達(dá)到船舶標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)也要參照陸地實(shí)驗(yàn)室相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以滿足現(xiàn)場(chǎng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的硬件要求［8-10］。但是在實(shí)際的設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中如何將造船規(guī)范和實(shí)驗(yàn)室功能完美地結(jié)合在一起，這是目前科考船實(shí)驗(yàn)室建造的難題，“雪龍2”號(hào)實(shí)驗(yàn)室在這一方面進(jìn)行了有效的探索。

目前新建并投入使用的多為綜合調(diào)查船，搭載了大量的科學(xué)探測(cè)儀器。這些儀器設(shè)備覆蓋專業(yè)領(lǐng)域多，相互之間又有交叉，主要以獲取原始數(shù)據(jù)和樣品為主，并兼顧部分科研項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)對(duì)樣品進(jìn)行試驗(yàn)分析?？瓶即w性能的提高對(duì)實(shí)驗(yàn)室提出了更高的要求，科考設(shè)備的增多以及數(shù)據(jù)之間的相互傳遞需要新的技術(shù)和系統(tǒng)進(jìn)行支撐，傳統(tǒng)的船載實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)已經(jīng)無(wú)法滿足綜合性調(diào)查的需求［11］。

1.2 “雪龍2”船實(shí)驗(yàn)室

船載實(shí)驗(yàn)室由于面積有限，且搭載了大量的科學(xué)考察設(shè)備，這些設(shè)備的顯示和操作都要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)室功能進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，但是由于船體結(jié)構(gòu)的限制，導(dǎo)致船載實(shí)驗(yàn)室具有面積小、分布廣、設(shè)備布置困難等特點(diǎn)（見(jiàn)表1）。

表1 “雪龍2”號(hào)實(shí)驗(yàn)室面積和分布圖［12］

由于船載實(shí)驗(yàn)室數(shù)量多，分布在全船不同甲板位置，而科考船搭載的科考儀器需要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部進(jìn)行管理和使用，不同實(shí)驗(yàn)室對(duì)于科考設(shè)備的操作和數(shù)據(jù)顯示需求不同，這對(duì)科考儀器的使用和管理造成了極大困難（見(jiàn)表2）。

表2 “雪龍2”號(hào)實(shí)驗(yàn)室部分設(shè)備操作和監(jiān)控信息表

“雪龍”號(hào)實(shí)驗(yàn)室在科考儀器管理和數(shù)據(jù)使用進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)和改進(jìn)，受限于當(dāng)時(shí)設(shè)備和技術(shù)的限制，采用了KVM和視頻矩陣相結(jié)合的控制方式，初步解決了多臺(tái)科考儀器在機(jī)柜內(nèi)部的遠(yuǎn)程控制，以及儀器畫面遠(yuǎn)程顯示功能，這是對(duì)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的初步探索。

而KVM OVER IP和DVCS技術(shù)的發(fā)展，為“雪龍2”號(hào)的船載實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持，根據(jù)“雪龍”號(hào)多年南北極考察積累的實(shí)驗(yàn)室使用和管理經(jīng)驗(yàn)，在“雪龍2”號(hào)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和建造期間，將KVM OVER IP和DVCS技術(shù)融合到實(shí)驗(yàn)室智能化建設(shè)當(dāng)中。

2 技術(shù)介紹

2.1 KVM OVER IP技術(shù)簡(jiǎn)介

KVM OVER IP又稱為IP KVM，即帶有遠(yuǎn)程管理功能的KVM切換器，就是一組鍵盤、顯示器和鼠標(biāo)，控制多臺(tái)計(jì)算機(jī)。通常情況下，由于計(jì)算機(jī)到外圍設(shè)備信號(hào)的衰減，模擬式KVM切換器與被控計(jì)算機(jī)的距離擴(kuò)展空間非常有限。而IP KVM則不同，作為數(shù)字式KVM切換器，它能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制多臺(tái)電腦服務(wù)器。IP KVM技術(shù)廣泛應(yīng)用在機(jī)房、校園網(wǎng)、氣象、高校圖書館以及監(jiān)測(cè)平臺(tái)等領(lǐng)域，應(yīng)用效果顯著［13-19］。

2.2 DVCS技術(shù)簡(jiǎn)介

DVCS即分布式圖像控制系統(tǒng)，是以IP網(wǎng)絡(luò)作為信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ溃捎脤?shí)時(shí)影像處理技術(shù)，把各種視頻信號(hào)源進(jìn)行壓縮編碼，顯示端接收各種信號(hào)碼流并實(shí)時(shí)解碼還原成圖像進(jìn)行拼接顯示的圖像控制系統(tǒng)。這種技術(shù)突破傳統(tǒng)PC架構(gòu)控制器固有的總線帶寬受限、處理速度慢、故障率高等技術(shù)瓶頸，采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)分布式圖像處理架構(gòu)，信號(hào)控制系統(tǒng)操作不再是依靠簡(jiǎn)單的顯示，是需要通過(guò)將信號(hào)控制系統(tǒng)進(jìn)行可視化來(lái)提高工作效率，加快決策進(jìn)度，更好地完成協(xié)作［19］。DVCS技術(shù)廣泛應(yīng)用在公安智能指揮中心、地震應(yīng)急指揮中心、視頻會(huì)議等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)大屏幕拼接以及遠(yuǎn)程可視化顯示等功能［20-22］。

3 “雪龍2”號(hào)實(shí)驗(yàn)室功能設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)室功能設(shè)計(jì)

“雪龍2”號(hào)實(shí)驗(yàn)室在設(shè)計(jì)階段對(duì)當(dāng)前主流的先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行了調(diào)研，采用先進(jìn)、成熟的產(chǎn)品和技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)，IP KMV和DVCS技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，并取得了不錯(cuò)的使用效果。針對(duì)“雪龍2”號(hào)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，將兩個(gè)技術(shù)融合在一套系統(tǒng)內(nèi)，達(dá)到多個(gè)地點(diǎn)可以控制和使用科考儀器設(shè)備，還可以將儀器的顯示畫面實(shí)時(shí)傳輸?shù)饺闹付ㄎ恢?，同時(shí)還具有便捷的拓展功能，便于后期增加科考儀器客戶端和顯示終端。

“雪龍2”號(hào)采用臺(tái)達(dá)DVCS技術(shù)以及ALTUSCN品牌IP KVM系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 “雪龍2”實(shí)驗(yàn)室IP KVM和DVCS系統(tǒng)拓?fù)鋱D

3.2 基于DVCS技術(shù)實(shí)現(xiàn)科考設(shè)備視頻的任意切換

“雪龍2”號(hào)是中國(guó)建造的最新一代科考破冰船，搭載了大氣、海冰、水文與氣象、地球物理、海洋生物、海洋化學(xué)、多道數(shù)字地震等幾十套設(shè)備，分布在全船各個(gè)位置。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，利用DVCS技術(shù)，將“雪龍2”號(hào)實(shí)驗(yàn)室24種科考設(shè)備的視頻信號(hào)使用編碼器接入，在物理實(shí)驗(yàn)室、駕駛臺(tái)、月池車間、集中控制室、通一、通二實(shí)驗(yàn)室等設(shè)置了多個(gè)顯示屏，可以將需要顯示的信號(hào)傳輸?shù)叫枰@示的顯示屏上，實(shí)現(xiàn)了科考視頻數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離、跨空間的實(shí)時(shí)傳輸，方便科考作業(yè)時(shí)對(duì)科考數(shù)據(jù)的需求。同時(shí)由于DVCS系統(tǒng)基于船舶局域網(wǎng)傳輸，節(jié)省了大量的線纜，布置更加方便（見(jiàn)圖2，圖3）。

圖2 “雪龍2”號(hào)典型信號(hào)輸入和輸出示意圖

圖3 物理實(shí)驗(yàn)室大屏系統(tǒng)

3.3 基于IP KVM技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電腦管理

隨著新建科考船的先進(jìn)程度越來(lái)越高，搭載的儀器設(shè)備也越來(lái)越多。根據(jù)科考設(shè)備結(jié)構(gòu)的不同，有些設(shè)備安裝在專用艙室內(nèi)，艙室提供恒溫恒濕的環(huán)境，保障主機(jī)部分正常運(yùn)行，但是部分設(shè)備和客戶端電腦仍然安裝在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部。目前主流科考船實(shí)驗(yàn)室都采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜的安裝方式，將終端電腦、控制主機(jī)等安裝在機(jī)柜內(nèi)，便于設(shè)備走線、節(jié)約空間，并在機(jī)柜內(nèi)配備模擬KVM，對(duì)一臺(tái)或多臺(tái)電腦進(jìn)行操作。

模擬KVM可以實(shí)現(xiàn)機(jī)柜內(nèi)或者相鄰機(jī)柜間對(duì)多臺(tái)電腦主機(jī)的控制，若電腦主機(jī)分布在多個(gè)地方或需要在多個(gè)地方操作電腦，模擬KVM就無(wú)法滿足需求?！把?”號(hào)實(shí)驗(yàn)室對(duì)于遠(yuǎn)程操作電腦的需求較多，例如安裝在實(shí)驗(yàn)室的全方位聲吶系統(tǒng)，不僅在實(shí)驗(yàn)室可以操作，還需要在駕駛臺(tái)進(jìn)行操作；在集中控制室需要操作物理實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部安裝的測(cè)深儀主機(jī)等。IP KVM技術(shù)則可以解決對(duì)于遠(yuǎn)程管理和操作電腦主機(jī)的問(wèn)題。IP KVM從被控制服務(wù)器的鍵盤、顯示設(shè)備和鼠標(biāo)中擷取模擬信號(hào)，然后將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字封包，并經(jīng)過(guò)加密與壓縮，使其能夠安全地通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。主控臺(tái)已由一個(gè)PC取代，使用者僅需通過(guò)IP KVM所提供的遠(yuǎn)程客戶端操控電腦［23］。

“雪龍2”號(hào)使用一個(gè)16路IP KVM交換機(jī)，有11臺(tái)設(shè)備安裝IP KVM設(shè)備，設(shè)置四個(gè)遠(yuǎn)程客戶端，其中2個(gè)位于物理實(shí)驗(yàn)室（采用升降屏）、1個(gè)位于集中控制室、1個(gè)位于駕駛臺(tái)?？梢愿鶕?jù)作業(yè)需求，在作業(yè)過(guò)程中遠(yuǎn)程操作科考設(shè)備主機(jī)，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，減少了科考的工作量。由于IP KVM是基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，依托實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)系統(tǒng)，可以節(jié)省大量的線纜即可達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用特點(diǎn)

（1）節(jié)約線纜和空間。由于船舶空間的局限性，導(dǎo)致每個(gè)實(shí)驗(yàn)室面積有限，IP KVM和DVCS系統(tǒng)以船舶局域網(wǎng)為基礎(chǔ)，只需要電腦、顯示終端增加相關(guān)設(shè)備并連入局域網(wǎng)交換機(jī)即可完成相關(guān)設(shè)備組網(wǎng)，并進(jìn)行控制和顯示，相較于傳統(tǒng)的視頻矩陣系統(tǒng)和KVM系統(tǒng)可以節(jié)約大量的線纜和空間，減少每臺(tái)電腦鼠標(biāo)鍵盤數(shù)量，使實(shí)驗(yàn)室臺(tái)面更加簡(jiǎn)潔，設(shè)備布置更加靈活便利（見(jiàn)圖4）。

圖4 物理實(shí)驗(yàn)室IP KVM布置圖

（2）提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)便利。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，可以大大提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)便利性，有效保障作業(yè)安全。以CTD作業(yè)為例，CTD作業(yè)需要絞車操作人員操作絞車，絞車的安全監(jiān)控需要顯示在月池車間和集中控制室屏幕上；CTD操作人員需要測(cè)深儀水深數(shù)據(jù)和畫面，同時(shí)將CTD采集頁(yè)面共享到物理實(shí)驗(yàn)室大屏監(jiān)控系統(tǒng)。對(duì)于這些需求，實(shí)驗(yàn)室人員可以通過(guò)DVCS系統(tǒng)可以將絞車監(jiān)控畫面分別投放到月池車間以及集中控制室顯示屏上，以供絞車操作人員查看；也可以將CTD采集畫面投放到物理實(shí)驗(yàn)室大屏系統(tǒng)上以供其他作業(yè)人員查看信息；在集中控制室通過(guò)IP KVM系統(tǒng)，可以遠(yuǎn)程設(shè)置測(cè)深儀參數(shù)，以便于確認(rèn)作業(yè)海域真實(shí)的水深，保障CTD作業(yè)安全，科考隊(duì)員在集中控制室即可完成所有的操作。

（3）提高數(shù)據(jù)使用安全。IP KVM管理系統(tǒng)可以對(duì)登錄使用KVM系統(tǒng)的工作人員提供分配權(quán)限，同時(shí)具備操作審計(jì)功能和完善的日志系統(tǒng)，保證服務(wù)器監(jiān)控及操作過(guò)程的可追溯性，保證科考設(shè)備主機(jī)操作的安全性，由于外部操作終端的安全可控，可以有效避免非專業(yè)人員操作對(duì)設(shè)備造成影響。DVCS系統(tǒng)只是對(duì)科考設(shè)備的使用屏幕進(jìn)行了復(fù)制遠(yuǎn)傳，不會(huì)干擾和影響科考設(shè)備的正常運(yùn)行。

（4）易于擴(kuò)展和維護(hù)。DVCS和IP KVM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，因此特別容易進(jìn)行擴(kuò)展和維護(hù)。如果需要將一臺(tái)電腦主機(jī)、信號(hào)源或顯示終端接入到此系統(tǒng)中，只需要將它連接上一個(gè)轉(zhuǎn)換設(shè)備，并接入到局域網(wǎng)中即可完成，通過(guò)簡(jiǎn)單的配置操作即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的增加、減少或更改等工作。同時(shí)也易于維護(hù)，一臺(tái)轉(zhuǎn)換器、一個(gè)信號(hào)源、視頻終端對(duì)應(yīng)一個(gè)終端，由于是基于網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)，不存在隱藏的跳線，因此出現(xiàn)故障時(shí)很容易地定位到故障設(shè)備、查明故障原因。

（5）投入成本高。和傳統(tǒng)的技術(shù)設(shè)備相比較，新型系統(tǒng)先期投入成本較高，需要增加顯示處理器、視頻處理器等視頻處理設(shè)備以及IP KVM終端設(shè)備，需要控制的電腦主機(jī)顯卡也有一定的要求，整套系統(tǒng)先期投入成本較高。

5 結(jié) 論

“雪龍2”號(hào)實(shí)驗(yàn)室采用IP KVM和DVCS技術(shù)，結(jié)合船舶實(shí)驗(yàn)室功能需求以及極地現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)特點(diǎn)，對(duì)船上科考儀器的主機(jī)、視頻信號(hào)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程管理科考儀器以及視頻數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程顯示功能，為實(shí)驗(yàn)室管理員、科考隊(duì)員使用實(shí)驗(yàn)室以及科考儀器提供了便利條件。船載實(shí)驗(yàn)室作為科考船的重要組成部分，其智能化程度隨著科考船綜合能力的提高而提高，采用新技術(shù)、新設(shè)備為船載實(shí)驗(yàn)室的功能設(shè)計(jì)以及能力提升創(chuàng)造了條件，希望“雪龍2”號(hào)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用IP KMV和DVCS技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)也為其他科考船提供設(shè)計(jì)參考。