艦船損管監控系統研究

陶 偉 曹宏濤 周紀申

1 中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064 2 海軍裝備部駐沈陽地區艦船配套軍事代表室，遼寧沈陽 110168

1 引 言

從各種海損事故看，損管成敗的關鍵往往在于盡早發現損害事件，因此，在艦上設置損管監控系統是保證損管部門第一時間獲悉全艦安全狀況的主要手段［1］。

作為損管系統的重要組成部分，以計算機為基礎，具有信息處理量大、反應時間快、輔助決策能力強等優點的現代化損管監控系統正日益受到各國海軍的重視，信息化和智能化將成為未來損管監控系統設計的主流。

本文基于仿真的技術特性，以工業控制組態軟件FactorySuite為開發平臺進行艦船損管監控系統研究，取得了良好的效果。

2 艦船損管監控原型系統設計

2.1 原型系統的體系結構

艦船損管監控原型系統 （以下簡稱 “原型系統”）的研發選用的是美國Wonderware公司的FactorySuite實時監控組態軟件平臺。該平臺由InTouch、InControl、I／O Server、Industrial SQL Server、InTrack、InBatch、SuiteVoyager等組件構成，這些組件可用于采集和管理生產信息，控制和監視生產過程，分析和跟蹤生產經營等，另外，還提供了 OPC（OLE for Process Control）功能及 SuiteLink通信協議，具有較好的靈活性與擴展性。OPC用于將對象鏈接嵌入技術（Object Linking and Embed-ing，OLE）應用于工業控制領域［2-3］，是一套基于Windows操作平臺、為工業應用程序之間提供高效信息集成和交互功能的組件對象模型接口標準，它以微軟的組件對象模型／分布式組件對象模型（COM／DCOM）為基礎［4-6］，采用客戶 ／服務器模式。

按照有關設計規范的要求［7-9］，應該選擇對艦船生命力和戰斗力影響較大的因素，如火災、抗沉性、三防以及重要輔助設備等方面來作為監控對象。因此，設計的原型系統主要由以下各模塊組成（圖 1）。

原型系統參照典型的三層系統結構（數據層／應用層／用戶層）進行設計，其體系結構如圖2所示。

PLC與數據模擬 通過InControl的數據模擬模塊，以及施耐德PLC（Programmable logic Controller）的模擬數據發生器，產生原型系統所需的損管監控數據。

I／O Server即輸入／輸出服務器，用于提供現場實時接口數據服務，它直接面向設備的數據采集系統。損管監控系統的網關通過OPC技術可以直接與 I／O Server連接。I／O Server可以處理多協議、多設備的現場設備數據輸入／輸出［10］，實時將所有截獲到的數據采用統一的數據格式導入I／O Server模塊內部的高速數據軟總線中，通過Application Server主控模塊將數據寫入InSQL數據庫。在原型系統中，通過設置相關的參數來保證I／O Server與施耐德PLC和計算機模擬信號源的連接。

Application Server即應用服務器，用于將控制邏輯引擎從客戶端中抽象出來，以提高信息表示層的可伸縮性，各種類型的客戶端應用可以鏈接到一個統一的模型中，客戶端的個數可以任意增加，并且都在同一個命名空間中。

InSQL是一種實時數據庫，根據數據的類型，分別部署在實時與歷史兩臺服務器上。InSQL集成了微軟公司的MS SQL Server，并對其進行了擴展，使其不僅具有高速的數據采集速度，高效的數據壓縮和數據存儲等實時數據庫性能，而且還可集成事件、概要、生產和配置等一般存于關系型數據庫中的數據，其功能強大，性能卓越，解決了關系型數據庫在存儲和管理現場環境下快速產生大量實時數據時遇到的問題，使得系統既能快速存取現場實時數據，同時還能保存大量的歷史數據。

損管監控客戶端 用PC機模擬的損管監控臺采用的是圖控軟件InTouch。該軟件具有強大的交互能力和豐富的圖形組件，可設計出友好的人機交互界面，其所有動態點的歷史和實時數據都與InSQL數據庫系統關聯，可實時顯示損管監控系統各測點的狀態，并能與應用服務器進行通信和發送顯控臺操控指令。

2.2 硬件架構

原型系統的硬件主要包括測量點軟件模擬器、服務器、監控工作站和管理網絡幾部分，系統硬件結構如圖3所示。

測量點軟件模擬器 通過分析物理設備和傳感器發送數據的結構和類型，用軟件模擬器來仿真測量點信號，完成數據生成的步驟。

服務器 安裝數據存取和應用服務組件以及網關通信，并向監控工作站提供核心訪問服務。系統中主要包括以下幾種功能的服務器：應用服務器（考慮使用雙機模式）、實時數據庫服務器、歷史數據庫服務器及Web管理系統的應用服務器。

監控工作站 由PC機完成人機交互功能，實現系統的遠程監控。其包括接入主干網上層的1臺損管總部工作臺監控微機和下層2臺損管分站監控微機，通過交互界面，在監控工作站上模擬完成火警控制器、感煙探測器、感溫探測器、復合探測器、手動報警按鈕、損管調試工裝、4～20 mA信號發生器、電吹風、煙霧發生器、報警裝置，信號采集設備等的遠程監控和控制。

管理網絡 各損管分站通過由以太網交換機接入平臺主干網，管理網絡支持網關、服務器和監控工作站的通信。

2.3 軟件架構

原型系統的軟件架構分為3層，即數據采集、數據處理和數據顯示［11］。其中數據采集和數據處理模塊部署在服務器端，信息顯示模塊部署在客戶端。數據采集模塊通過OPC服務器提供的平臺各業務分系統實時監控部分軟件接口，實現重要狀態數據與重要信息的采集。數據處理模塊對采集到的信息進行處理，如果需要實時顯示信息，便將相應的處理結果直接通過綜合信息顯示模塊進行顯示，如果不需要，便將采集到的數據存入數據庫，用于歷史信息查詢。數據處理可由常用語言的軟件開發工具按照數據處理的業務流程開發。信息顯示模塊由Intouch完成界面和界面邏輯的開發。

3 仿真測試與分析

原型系統有實時性的要求，需要對OPC服務器的性能、OPC與UDP協議的轉換時間，以及OPC節點占用的帶寬是否符合整個原型系統的要求進行相應的測試。通過InControl的數據模擬模塊與模擬數據發生器來仿真模擬原型系統所需的損管監控數據。

1）OPC與UDP協議轉換時間的測試及分析。

監控臺1模擬損管OPC Server，以不同的時間間隔（50 ms、100 ms、200 ms、1 000 ms）不斷發布2 000個點的數據，每發送一次，便記錄下發送時間。OPC服務器接收到2 000個點的數據后，打包成UDP報文發送至監控臺1。監控臺1收到完整的2 000個點的數據后，記錄下時間，再與發送時記錄下的時間相減，得到本次2 000個點數據發送接收的延時。經多輪測試后的實驗結果如表1所示（其中服務器CPU的占用率為10%～15%）。

表1 平均延時Tab.1 Average delay

通過測試，共取得36組時間延時，其中最大的延時為36 ms，最小為20 ms，平均延時28.25 ms，能夠滿足艦船損管監控系統實時性的要求。

2）原型系統測點數量與帶寬關系的測試及分析。

測試步驟：

（1）配置監控臺1，模擬250個tag點；

（2）將綜合信息顯示服務器連接至監控臺1并顯示監控臺中的250個tag點模擬數據，監控臺2的OPC Client連接到服務器，刷新頻率為500 ms；

（3）在綜合信息顯示服務器上安裝專業網絡協議分析軟件EtherPeek，通過該軟件測試網絡帶寬；

（4）配置監控臺 1，分別模擬 1 000、1 500、2 000、3 000、5 000、8 000、15 000 個 tag 點，重復步驟（2）和步驟（3）。

（5）重新配置監控臺2的OPC Client，刷新頻率為 0.1 s，重復步驟（4）。

測試結果如表2所示。

表2 測量點數量與帶寬關系Tab.2 The relationship between tag amount and bandwidth

根據表2中記錄的測試數據，以tag點數和帶寬為坐標軸，形成如圖4所示的圖形。從圖中可發現，隨著測試點數的增加，原型系統所需的帶寬呈線性增加，即可以根據tag點的數量來估算損管監控系統運行所需的帶寬值。

4 結 語

通過對基于仿真的艦船損管監控原型系統的研究，分析了系統的組成模塊、體系結構與軟硬件架構等關鍵問題，解決了艦船損管實時監控仿真系統的構造問題。該系統基于仿真的實時監控體系，通過數據模擬、及時通信、數據交換和相互支持，實現了應用系統與損管監控系統現場采集和控制設備（仿真數據模擬器）的信息交互，是仿真技術與典型艦載綜合損管監控系統相結合的一次成功應用，為后續的研究工作與工程應用奠定了基礎。

［1］方萬水，李煒，吳先高.艦船損管監控系統發展概述［J］.艦船科學技術，2002，24（6）：37-39.FANG W S，LI W，WU X G.The generalization of damage control systems development for naval ships［J］.Ship Science and Technology，2002，24（6）：37-39.

［2］鄧志華，倪霞林.應用OPC協議實現對CAN網絡的數據訪問［J］.自動化技術與應用，2005，24（9）：29-32.DENG Z H，NI X L.Data access for CAN with OPC［J］.Techniques of Automation and Applications，2005，24（9）：29-32.

［3］姚曉偉，陳在平，尹迅雷.基于OPC技術的現場總線系統集成研究［J］.天津理工大學學報，2005，21（4）：12-14.YAO X W，CHEN Z P，YIN X L.Research on integration of fieldbus system based on OPC［J］.Journal of Tianjin U-niversity of Technology，2005，21（4）：12-14.

［4］潘愛民.COM原理與應用［M］.北京：清華大學出版社，1999.

［5］劉先省，楚艷萍.COM 組件的客戶/服務器模型［J］.河南大學學報（自然科學版），2002，32（3）：93-96.LIU X X，CHU Y P.The model of client/server for COM component［J］.Journal of Henan University （Natural Science），2002，32（3）：93-96.

［6］李蕾，戴瑜興.COM技術在OPC服務器中的應用及實現［J］.控制工程，2005，12（3）：238-240，280.LI L，DAI Y X.Application and realization of COM technique in OPC server［J］.Control Engineering of China，2005，12（3）：238-240，280.

［7］中國船級社.鋼質海船入級與建造規范［S］.北京：人民交通出版社，2001.

［8］GJB4000-2000 艦船通用規范［S］.北京：總裝備部軍標出版發行部，2000.

［9］HJB120-1995 水面艦船損害管制規范［S］.北京：中國人民解放軍海軍裝備技術部，1995.

［10］OPC Foundation.http∶//www.opcfoundation.org.

［11］熊瑛，許建，駱立強，等.OPC技術在船舶綜合平臺管理系統中的應用［J］.中國艦船研究，2009，4（6）：58-61，65.XIONG Y，XU J，LUO L Q，et al.Application of OPC technology in ship＇s integrated platform management system［J］.Chinese Journal of Ship Research，2009，4（6）：58-61，65.