通用船舶綜合平臺管理系統模型研究

1 引 言

船舶是人類征服海洋、河流、湖泊的重要運載工具，不同的船舶承擔著不同的重要任務。近幾十年來，為了更好地駕駛船舶及更好地應用船舶載體，船舶綜合平臺管理系統(IPMS)應運而生，所謂綜合平臺管理系統是指利用現代計算機網絡技術將船舶平臺上的各系統及重要設備連接成可進行集中管理的數字化系統，并為越來越復雜、越來越先進的平臺設備提供更簡單、更安全和更實用的操作界面[1-4]。綜合平臺管理系統在船舶行業，尤其是在發達國家船舶行業已發展多年，有較成熟經驗。本文根據當前該管理系統發展趨勢，抽象出通用系統模型，使其能為承擔各類不同任務的船舶所借鑒，并最終結合實際情況得到有效的船舶綜合平臺管理系統方案。

2 綜合平臺管理系統設計思路

2.1 設計目標

建立船舶綜合平臺管理系統的目標是在一個開放的平臺管理網絡基礎上，完成船舶的機電管理、航行管理、特征信號管理、任務管理(不同船只將根據需求承擔不同的任務)、船員生活管理等5大管理任務，通過高新技術將其多個功能系統高度集成，達到操縱更為方便,總體性能更為可靠,人員工作更為方便,生活更為舒適的目的。

2.2 設計思路

要達成上述目標，必須明確設計思路，并吸收先進理念和先進技術，不斷加以修正。

1) 總體優化原則。從全局視角出發，平衡各個部分的發展，使全系統在總體上達到平衡和優化，避免各系統發展的失衡。強調單元間協作帶來的整體功能效益和效率。

2) 總體基本構架既具有相對的穩定性和獨立性，又具有高度的靈活性和持續升級能力。

3) 精簡硬件，強化軟件，充分發揮軟件的靈活性，以適應任務變化對功能變化的需求，提升系統執行多任務的能力和適應任務變化的能力。

4) 始終考慮新的網絡系統應具備較強的可行性、可靠性、可維性、成長性及擴展性。

5) 注重技術選型，充分考慮未來的可持續升級發展潛力，防止信息化技術的快速發展而導致系統迅速落后的被動局面。

6) 利用商業化的成熟技術縮短研發周期，減小技術風險和開銷。

2.3 設計方法

1) 分離控制與管理功能；

2) 面向科考任務進行應用設計；

3) 以人為本的設計理念。

需要說明的是，此處的分離控制與管理功能是在具體實施過程中的一種方法，以便于分層次、按類別進行既相互獨立、又相互關聯、且可并行實施的系統設計，它是一種設計過程和方法，其最終的目的是為了實現管控一體化，達成整體目標最優值。

3 系統模型總體規劃

3.1 綜合平臺管理系統要素

船舶綜合平臺管理系統需要3大要素：網絡、系統操控站、管理軟件。適合的管理系統充分利用成熟的商業化技術和資源，通過對3大要素的合理組合完成對船舶的動力、操縱、環境監測、保障、聲吶、導航、視頻監控、任務管理、人員生活等全方位實時監控及管理。

1) 網絡

綜合平臺管理系統需要有網絡基礎，網絡技術的選擇應當從信息業務的實際需求出發，重點考慮技術的先進性、安全性、成熟性、實用性、集成性、可擴展性及可管理性。目前可實現業務傳輸、交換和分發的主流網絡技術包括： 以太網、SDH(同步數字體系)和RPR(彈性分組環)[5-6]。

隨著“信息化”的發展，用戶對傳輸系統的性能提出了越來越高的要求，這就要求傳輸系統至少應同時具備如下能力： 良好的以太網數據傳輸能力; 語音、視頻、異步數據的接入和透明傳輸能力; 高度的可靠性、穩定性; 網絡自愈能力; 強大的網絡綜合管理及故障定位能力; 較強的擴展能力。

目前船舶組網多數考慮選用以太網技術[7-9]，更多的是看重其成熟性、主流性和通用性，在國內外船舶管理系統組網中也有選用SDH及RPR技術的，網絡技術比較不是本文重點，在此不多贅述。

2) 系統操控站

系統操控站從系統設備中獲取所需信息，經匯總分析后，得到各系統狀態信息，并根據需要發出控制指令，下達至底層設備執行指令。每個系統操控站都應是通用顯控臺，能完成預定義的系統功能，具有相對獨立的事務處理和控制能力，并且各通用顯控臺可實現相互動態冗余(包括軟件冗余與硬件冗余)。

3) 管理軟件

以某科考艦為例，管理軟件是整個系統的核心，無論是承擔何種任務的船舶，其管理系統都將分為如下5個管理子系統(此處的管理子系統是指綜合平臺管理系統內的管理子系統，不是船舶本身劃分的固有系統，為了不出現混淆，子系統專指平臺管理子系統)，即機電管理子系統、航行管理子系統、特征信號管理子系統、科學考察管理子系統、船員生活管理子系統。船舶管理系統必將是該5大系統的簡化、組合或全部。

3.2 綜合平臺管理系統通用架構

從全局來看，整個平臺綜合管理體系在邏輯上劃分為2層：系統控制層和平臺管理層。兩層結構單元既相對獨立，各司其職，又相互協調和支持，可并行實施和工作。整個系統最多具有3級操控能力：板前手操、系統控制層操控和平臺管理層操控。這是一個在邏輯上為兩層結構的總體基本構架。系統控制層向平臺管理層提供服務，同時從平臺管理層接收指令并負責指令的執行，根據需要將執行結果反饋到管理層。分層結構體系使各系統更容易管理、維護和使用。

圖1 平臺綜合管理系統物理結構圖

從物理結構形式上看，整個網絡是由多個以太網交換機組成，通過光纖連接的一個環網(一般為雙冗余環網，當然也可能有其他形式，甚至選用其他技術組網)，如圖1所示，各類型設備掛接在環網上，同時也可通過虛擬局域網(VLAN)的方式將同系統設備在邏輯上劃分成獨立區域的子網，并可根據需要進行數據通信。

系統控制層是控制核心，空間站上各系統底層的現場設備通過“轉接箱”的方式接入到網絡中，各種現場設備的控制依然由各系統負責，“轉接箱”是一個轉接設備，完全面向現場設備，提取現場信息，并初步處理后上傳至平臺管理層，同時，從平臺管理層獲取操作人員的指令，將指令轉發到相應的設備執行，以實現操作人員的意圖，并根據需要將執行結果上傳，從而做到了管控分離。系統控制層應盡量考慮統一工控標準，并以高度集成為工作方向。部分獨立控制的大型設備可根據需要依然保留其控制方式及主體，但需要增設網絡接口，以方便接入網絡。

平臺管理層是管理核心，由各通用操控站及服務器組組成。平臺管理層從系統控制層的“轉接箱”獲取所需信息，經匯總分析后，得到各系統狀態信息，并根據需要發出控制指令，下達至現場設備層的具體設備執行指令。每個通用操控站能完成預定義的任務功能， 具有相對獨立的事務處理和控制能力，并且各通用操控站可實現相互動態冗余(包括軟件冗余和硬件冗余)，一旦某臺設備失效后，可指定其他系統操控站臨時接管。同時，通用操控站上設定具有預定義功能的按鈕(比如對空間站安全有重大影響的緊急按鈕)，按鈕與底層控制器有直接相連的硬接線，方便工作人員迅速做出指令動作，并能有效執行，增加了整個系統的可靠性。

平臺管理層數據在符合TCP/IP協議的以太網上傳遞，網絡交換機具備3層交換功能，對于各系統，可在網絡上劃分成相對獨立的VLAN，這樣可使各系統根據需要進行邏輯隔離，以方便管理。

4 綜合平臺管理系統典型方案

我們以某科考船臺綜合管理系統方案為例，介紹在通用模型下管理系統的實體配置方案。該科考船綜合平臺管理系統包括機電管理子系統、航行管理子系統、特征信號管理子系統、科學考察管理子系統、船員生活管理子系統。

系統基本結構框圖如圖2所示。

圖2 某科考船平臺綜合管理系統結構圖

4.1 各管理子系統介紹

機電管理子系統負責管理科考船核心部分——動力系統和電力系統。該子系統用于實現對動力系統和電力系統的綜合管理及監控，執行高級控制邏輯以及管理功能，管控指令和數據信息通過“轉接箱”轉接，但不參與動力和電力系統各設備的直接控制，不對各分系統設備本身的安全可靠運行負責。預定義的機電管理操控站上盡量減少電操按鈕及指示燈，僅保留關鍵參數的顯示和與安全相關的操作按鈕。動力系統及電力系統將不再單獨設置操控臺。

航行管理子系統負責科考船的航行操縱管理。該子系統功能包括科考船的駕駛和均衡、系船操縱和無人自動巡航，可對科考船的航向、深度和均衡狀態實施控制，并對科考船的姿態和航行參數進行圖形化集中顯示。由于操縱管理的特殊性，在通用操控站上將增加操舵儀等附屬設施，當其出現故障時，其他操控站可降功能使用。

特征信號管理子系統負責科考船的各類特征信號監控。特征信號包括科考船特征信號及周邊海域特征信號，科考船特征信號包括自噪聲、振動、視頻監控、大氣環境、火災報警、艙底進水報警等數據；周邊海域特征信號包括海域溫度、鹽度、深度信號等，重要數據在網上共享。

由于科考船承擔科學考察的重要任務，因此其任務管理子系統即科學考察管理子系統，但該系統不另設系統操控站，僅以軟件形式體現。工作人員可通過自己的便攜計算機登陸科學考察管理子系統進行資料查詢、任務安排、工作記錄等，完成相關科考工作任務。

船員生活管理子系統同科考管理子系統一樣，該子系統不設置系統操控站。由于科考船需長期在海洋工作，船員生活難免感到枯燥，生活管理子系統可讓船員在緊張工作的同時，享受到豐富的生活樂趣，可通過網路在線欣賞影視、交流情感等。

4.2 平臺網絡

平臺網絡由若干以太網交換機、光纖及連接器、網管服務器、網管軟件等組成，構建雙冗余千兆以太網，完成平臺管理系統的基本網絡配置。核心設備——以太網交換機支持1 000 M光纖接口能力；支持雙冗余體系結構、虛擬局域網技術、三層交換技術和組播技術等。

4.3 服務器組

綜合平臺管理系統方案將劃分5大管理子系統，因此需設置相應的服務器組，這些服務器組也是雙冗余備份配置，以保障較高的可靠性，除以上5個服務器組外，還需增設存儲數據庫管理服務器和音視頻管理服務器，存儲數據庫管理服務器進行科考船各類數據的存儲及備份，數據的存儲包括完成“黑匣子”功能的短時數據存儲和為科考船以后進行使用狀況分析而留存的長時數據存儲，該服務器的存儲功能可在后臺自動完成；音視頻服務器主要用來處理電話語音業務和視頻監控業務。因此，整個綜合平臺管理系統將設置7個服務器組(圖2)。

4.4 轉接箱

綜合平臺管理系統將配置若干轉接箱設備，完成各系統信號轉接功能。轉接箱布置在各系統設備最集中的艙室。

4.5 通用操控站

綜合平臺管理系統將配置3個通用操控站，預定義為機電管理操控站、航行管理操控站和特征信號管理操控站，這些操控站可互為備用，一旦其中之一因故障失效，其他的操控站可降功能使用，承擔有故障的操控站任務。同時，便攜計算機也可通過網絡接口，承擔各操控站管理任務，滿足在操控站損壞，離線維修時，科考船各系統依然可運行正常。

4.6 軟件系統

軟件構架采用統一的標準軟件平臺，選用Windows操作系統，并根據實際應用需要對操作系統進行裁減，提高可靠性、安全性和運行效率。利用中間件技術，將各子系統應用軟件以軟件模塊的方式嵌入到軟件系統中。

5 效能評估

船舶綜合平臺管理系統通用模型效能評估可以從可行性、可靠性、成長性、擴展性、可維性等幾個方面來分析[10]，具體如下：

1) 可行性。綜合平臺管理系統設計方案需要注重現實意義，系統不宜過于復雜，綜合平臺管理系統在設計過程中應對各系統技術責任單位提出建議工業控制標準及設備配置優化要求。

2) 可靠性。綜合平臺管理系統配置了通用操控站，可與底層設備一起完成冗余監管控制功能，若某個操控站損壞，可離線維修，同時指定另一操控站或移動操控站(即裝有管理軟件的便攜計算機)代理工作。底層工業網絡建議采用標準的CAN總線網絡，增強了系統控制層的可靠性；另外網絡拓撲結構采用雙冗余環網形式，相對鏈型結構形式增加了斷纖保護功能，可靠性更高。

3) 成長性。采用標準TCP/IP協議的以太網(或選用其它技術組網)作為船舶平臺基礎網絡，應充分考慮到未來根據實際需要方便地進行網絡軟硬件升級。

4) 擴展性。在該通用模型中，當各系統設備需要增加時，可方便地通過“轉接箱”接到網絡上，而不破壞網絡結構，在管理軟件上考慮采用模塊化設計，以方便應用軟件的擴展與升級，網絡交換機具備三層交換功能，可根據需要方便劃分VLAN并允許異構網互連。

5) 可維性。由于各系統底層控制設備建議考慮采用統一標準的CAN總線網絡通過“轉接箱”接入網絡，增強了底層設備的通用性，維護工作將變得更為簡單，增加了船只各系統設備的可維性。

6 結束語

實現船舶平臺信息的一體化綜合管理可提高船舶整體可靠性、可維性、成長性和擴展性，為船舶提供了良好的信息平臺，能大大提高各系統綜合優化控制管理水平，也為工作人員創造了優良的工作和生活環境。船舶綜合平臺管理系統模型旨在提供一個通用的研究思路和構建系統準則，為科研人員從事該課題研究奠定基礎。

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