船舶機艙自動化系統軟件標準化

景國輝

(海軍駐上海七一一所軍事代表室, 上海 201108)

JING Guohui

船舶機艙自動化系統軟件標準化

景國輝

(海軍駐上海七一一所軍事代表室, 上海 201108)

我國在船舶機艙自動化領域系統設計和硬件研發生產方面已具有較高的水平，但在軟件設計、開發和管理方面與國際同行相比仍存在較大差距。對此，從軟件工程管理和軟件開發技術2個方面出發，提出標準化解決方案。通過實施軟件工程管理標準化認證，提高行業管理水平；針對工程周期短和需求變更頻繁的行業特點，對監控系統軟件及嵌入式軟件分別提出開發專用組態軟件和軟PLC的解決方案，以實現軟件開發技術的標準化。

船舶工程；船舶；自動化；軟件標準化

JINGGuohui

Abstract: China has achieved a higher level in system design and hardware development in the field of marine engine automation. But for software design, development and management, there still is a large gap between China and the overseas counterparts. The standardizotin solutions, concerning the software development technology and the software engineering are proposed to fill the gap. The software engineering management certification is a way of improving the management level of the industry. In view of short engineering cycle and changing demands, the application of specialized configuration software and soft PLC technology is proposed to facilitate the standardization of alarm and monitoring software and embedded software.

Keywords: ship engineering; ship； automation； software standardization

2015年，我國從國家戰略層面提出“中國制造2025”的發展戰略。該戰略是以信息技術與制造業高度融合為重要特征的科技革命和產業變革，大力發展海洋工程裝備和高技術船舶是推動我國造船產業轉型升級的重要舉措。軟件是船舶裝備的技術核心，近年來船舶機艙自動化領域涌現出的高科技含量的機艙自動化系統都是以軟件和相關算法為核心的，因此對船舶自動化軟件的實時性、可靠性、智能化和運行效率均有著較高的要求。[1]

船舶機艙自動化軟件分為監控軟件(又稱上位機軟件)、分站軟件(又稱控制器軟件)和IO模塊軟件等3個層次。

(1) 監控軟件運行于集控室監控臺，主要實現監測報警、輔助控制、數據存儲、數據分析、管理決策及系統設計和管理等功能；

(2) 分站軟件(或控制器軟件)運行于現場顯控設備或可編程邏輯控制器 (Programmable Logic Controller，PLC)，主要實現現場控制、邏輯運算、協議轉換和數據處理等功能；

(3) IO模塊軟件主要負責信號的采集和輸出。

這里提出將軟件標準化推廣應用到船舶機艙自動化領域中，致力于提高船舶行業軟件產品的質量和企業的生產效率，從而提升我國船舶裝備制造業在軟件方面的核心競爭力。論述的軟件標準化包含軟件工程管理標準化和軟件開發技術標準化2個方面的內容。

1 國內外軟件標準化現狀

1.1軟件工程管理現狀

1) 國外方面，大部分知名的船舶自動化廠商都已通過軟件能力成熟度模型集成(Capability Maturity Model Integration，CMMI)5級認證。CMMI共分為5級，其中第5級優化管理級是認證最高級別，可通過軟件過程的量化反饋和新思想、新技術促使軟件開發過程持續不斷改進。

2) 國內方面，大部分船舶自動化廠商軟件開發能力較弱，很多廠商都直接采用專業軟件公司的組態軟件開發平臺進行軟件開發。有些廠商即使具備一定的開發能力，也都沒有做CMMI認證，且其水平僅處于第1級初始級，軟件過程是無序的，有時甚至是混亂的，對過程幾乎沒有定義，軟件開發的成功取決于個人努力，管理是反應式的。

專業的組態軟件公司近些年已開始進行CMMI認證工作。例如，亞控科技通過CMMI 3級認證，實現了將軟件管理和工程兩方面的過程文檔化、標準化，并綜合成該組織的標準軟件過程。

1.2軟件開發技術現狀

1) 國外方面，西門子、ABB等國際知名的船舶自動化廠商在陸用工業自動化和船舶自動化領域占據行業領導地位，擁有全產業鏈的解決方案和產品線，其成熟可靠的組態軟件技術、軟PLC技術可直接應用到船舶機艙自動化領域中。Kongsberg Maritime，Lyngso Marine及MTU等其他國際知名的船舶自動化廠商依賴其長期的技術積累和領先的系統設計能力，采用外包或收購等方式提升其自身的軟硬件技術實力，其底層監控模塊產品也都具有靈活的配置功能，能應對復雜多變的船舶自動化系統集成需求。

例如，Kongsberg公司的專用組態軟件Mimic Editor(見圖1)具有靈活的軟件架構，可滿足不同項目對人機界面變化和調整的需求；操作簡便，易學易用，工程技術人員和船員都可掌握；支持所見即所得的界面設計，能根據系統需求快速組態。

圖1 Kongsberg公司的專用組態軟件

2) 國內方面，目前已有多家軟件公司開發通用組態軟件，如組態王Kingview，紫金橋Realinfo，三維力控等。但是，通用組態軟件因過于強調通用性而使得其存在軟件架構繁冗、軟件運行效率不高及與硬件設備結合不密切等問題，不能適應船舶監控應用中硬件配置資源有限和軟件實時性要求高的情況。

我國具備一定實力的自動化廠商已開始研制船舶機艙自動化監控組態軟件，如中船重工七一一研究所自主開發的機艙自動化系統自生成工具及上海船舶運輸科學研究所與紫金橋合作開發的船舶專用組態軟件等。這些組態軟件具有系統組態、硬件組態、數據庫組態、界面組態和控制回路組態等功能特點，已在國內多個系統中成功應用。但是，國內自動化廠商開發的組態軟件的標準化程度還不夠，各項功能和性能與國外的軟件產品相比還有較大差距。

在嵌入式軟件開發方面，國外知名的船舶自動化廠商都已掌握成熟可靠的PLC軟硬件技術，可將其直接應用到船舶機艙自動化領域中；其底層監控模塊產品也都具有靈活的配置功能，能應對復雜多變的船舶自動化系統集成需求。國內的船舶自動化廠商大多被迫選用國外的PLC產品進行系統集成；有一定技術積累的科研院所雖然有自主研制所需的嵌入式硬件平臺，但嵌入式軟件的開發能力與國外廠商相比有較大差距。

2 國內軟件管理和開發方面存在的問題

國內自動化廠商在軟件管理和開發方面主要存在以下問題。

1) 缺乏工程化的軟件管理，一直沒有擺脫作坊式的生產模式；軟件開發人員面對緊迫的工程周期，疲于應對實船設計中復雜多變的需求；軟件產品的質量也得不到保障。

2) 監控軟件開發技術落后，軟件標準化程度較低；不同類型船舶的動力系統和電力系統的軟件產品需針對不同船型進行量身定制；在面臨規模更大、控制更復雜的系統時，由于軟件復用程度低，原有的編程開發方式已不能滿足自動化領域的需求，不能對用戶提出的改進需求作出快速響應；人機界面軟件開發的效率低；缺少標準通信協議庫；調試人員無法在系統調試過程對軟件進行快速修改和應用。

3) 嵌入式軟件開發水平落后，沒有研發能力的廠商被迫選用價格昂貴的PLC產品進行系統集成；有一定技術積累的科研院所雖然有自主研制的嵌入式硬件平臺，但其嵌入式軟件設計、開發和測試的能力有限，產品質量得不到保證。如何提高國內船舶機艙自動化領域嵌入式軟件的標準化、模塊化和可配置化程度，從而提高軟件產品的質量和系統的可靠性，是亟待解決的問題。

提高軟件標準化水平將是解決上述問題的重要途徑，這里從軟件工程管理和軟件開發技術2個方面提出標準化解決方案。

3 軟件標準化工作思路

3.1軟件標準化總體思路

為提高船舶行業軟件產品的質量和企業的生產效率，為適應船舶機艙自動化領域的技術和工程特點，需尋求一種行之有效的船舶機艙自動化軟件標準化方式。軟件標準化應涵蓋軟件工程管理的標準化和軟件開發技術的標準化兩方面的內容。軟件開發技術是軟件實現的方式，而軟件工程管理是為保障軟件質量而對軟件開發和維護過程進行的監控，兩者相輔相成、缺一不可。軟件標準化解決方案整體框架見圖2。

圖2 軟件標準化解決方案整體框架

3.2軟件工程管理標準化

軟件工程管理標準化是現代軟件工程的主要特征之一，在船舶機艙自動化領域推廣和實施軟件標準體系有利于提高軟件產品的質量；有利于提高軟件的生產效率，縮短軟件開發周期(提高系統開發的技術水平和軟件開發人員之間溝通的效率，減少差錯和誤解等)；有利于軟件管理(包括降低軟件產品的生產成本和運行維護成本等)。[2]

美國卡內基-梅隆大學的軟件工程研究所于1991年提出能力成熟度模型 (Capability Maturity Model for software，CMM)，起初用于評價美國國防部的軟件合同承包組織的能力，后因在軟件企業應用CMM實施過程改進取得較大的成功而在全世界范圍內被廣泛使用。CMMI是2000年發布的CMM的新版本，不僅包括軟件開發過程改進，還包含系統集成和軟硬件采購等方面的過程改進內容，使其更加適用于企業的過程改進實施。CMMI認證是自動化廠商軟件能力發展的指南，為企業軟件能力不斷走向成熟提供有效的步驟和框架。[3]

建議國內各船舶自動化廠商為提高軟件工程管理水平， 從CMMI二級開始逐步開展認證工作(見圖3)，爭取在10 a內達到CMMI認證的最高級別，通過軟件過程的量化反饋和新技術促使軟件開發過程持續不斷改進。

圖3 CMMI認證過程

3.3軟件開發技術標準化

3.3.1監控系統軟件開發標準化

組態軟件是數據采集與過程控制的專用軟件，是處于自動化監控系統監控層的軟件平臺和開發環境，通過靈活的組態方式為用戶提供能快速實現工業自動化控制系統監控功能的、通用層次的軟件工具。但是，國內自動化廠商開發的組態軟件的標準化程度還不夠，還需從軟件頂層架構設計入手，進一步提高軟件的靈活性、可靠性、實時性和多任務并發處理能力。

3.3.1.1 人機界面設計組態化

監控人機界面軟件運行在上位機中，能以數字、圖表及曲線等形式直觀顯示監控對象和系統自身的運行情況，能對異常測點自動觸發聲光報警，為操作人員提供友好的人機接口和操作體驗。應用成熟的組態軟件技術可開發出各種監控人機界面，通常不用編寫代碼就可進行監控功能和測點對應關系的修改，避免了人機界面軟件實現過程中繁重的編碼工作，非常適合于實船上軟件的修改和完善；能對用戶提出的改進需求進行快速響應，極大地提高了人機界面軟件開發的效率。組態軟件人機界面設計編輯器示意見圖4。

3.3.1.2 系統設計組態化

系統組態化設計是指用戶可根據船舶機艙自動化系統的實際需求，使用組態軟件搭建系統的網絡架構，配置系統設備的屬性、數據接口、通信協議及系統的數據流圖等，構建一套適用的應用系統；同時，可將各個設備的配置在線下載到各個設備，并進行調試。系統的調試過程也無需軟件開發人員參與，系統調試人員只需進行組態軟件修改和應用配置即可完成系統的調試。

圖4 組態軟件人機界面設計編輯器示意

3.3.2嵌入式軟件開發技術標準化

3.3.2.1 嵌入式操作系統的標準化

嵌入式操作系統的出現為嵌入式軟件的標準化提供了基礎，其能屏蔽掉底層硬件平臺的差異(處理器架構和接口擴展芯片)，為嵌入式應用軟件的開發提供與硬件無關的基礎軟件平臺。軟件標準化的最主要特征是接口標準化，常見的嵌入式操作系統都具有其自成體系的應用編程接口(Application Programming Interface，API)標準。由此可見，目前只有采用同一種操作系統，并將其移植到不同的硬件產品平臺上，才能實現嵌入式軟件開發的接口標準化。

3.3.2.2 軟PLC技術

軟PLC技術為解決嵌入式軟件標準化提供了另外一種思路。軟PLC技術就是在遵循IEC 61131-3標準的前提下使用嵌入式硬件支撐平臺，利用軟件實現傳統PLC的基本功能，將PLC的控制功能封裝在嵌入式軟件內，運行于嵌入式硬件環境中。軟PLC嵌入式設備提供更高層次的軟件標準化解決方案，同時兼具嵌入式硬件平臺的靈活性、可擴展性和高性價比等優勢。軟PLC內核既可構建在各種主流嵌入式操作系統上，也可直接運行于無操作系統的環境中，從而支持種類繁多、架構各異的嵌入式處理器。這樣船舶機艙自動化廠商即可在無需更改已有成熟產品的硬件設計的情況下，將軟PLC產品移植到自有硬件平臺上。軟PLC產品系統模型見圖5。

目前國內各高校和科研院所對軟PLC規范及其技術實現方面的研究大多還處于起步階段。因此，我國需加強對軟PLC技術和相關標準的研究，分析其在船舶機艙自動化領域中應用的適用性，進一步推進嵌入式軟件開發技術標準化工作。

圖5 軟PLC產品系統模型

3.3.3通信協議庫開發技術標準化

船舶機艙自動化系統中涉及到的通信方式較多，包括CAN通信、以太網通信及串口通信等，每種通信方式都包含多種通信協議，一些小的自動化廠商在軟件開發過程中大多沒有嚴格遵循標準通信協議(如Modbus RTU串口通信協議)，同一個通信協議包含多個實現的版本，這給各廠商間的系統調試造成了非常大的工作量。

建議國內各自動化廠商遵循同一標準，編制或購買標準的通信協議庫，使軟件產品的通信接口更加標準化。

4 結束語

結合船舶機艙自動化領域的行業特點，分析船舶自動化軟件目前存在的問題和不足，提出實施軟件工程管理標準化的作用和意義。在軟件工程管理標準化方面，可借鑒常規軟件行業的成功經驗進行軟件的認證；在軟件開發技術標準化方面，針對工程周期短和需求變更頻繁的行業特點，分別對監控人機界面軟件和嵌入式軟件提出合理可行的解決方案。

船舶機艙自動化系統軟件不僅是實現系統功能的手段，更是系統的核心所在。系統控制策略和控制算法都是由軟件實現的，軟件產品的質量直接關系到系統的穩定、可靠運行，軟件產品的易用性直接影響客戶的使用體驗，軟件產品的如期交付維護了廠商的信譽。為進一步提高我國船舶機艙自動化領域的水平，必須充分重視船舶行業的軟件設計、開發和管理水平。

[1] 松冰. 我國軟件標準化工作現狀[J]. 電子標準化與質量, 2001(4): 14-15.

[2] 王成海, 段瑩. 做好軍用軟件標準化工作, 提高軟件的質量與可靠性[C]. 電子信息系統質量與可靠性學術研討會, 2003.

[3] 李新. 基于標準化的軟件工程學研究[J]. 計算機應用, 2006，26(S2): 228-231.

SoftwareStandardizationinShipEngineAutomation

(Navy Representative Office in Shanghai 711 Institute, Shanghai 201108, China)

U664.821

B

2016-05-04

景國輝(1971—)，男，江蘇丹陽人，高級工程師，主要研究方向為輪機工程。E-mail: jing_guohui@sina.com

1000-4653(2016)02-0027-04