基于虛擬化技術的一體化船舶綜合平臺管理系統

李幸群，吳國東，張 力

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

船舶平臺綜合管理系統（IPMS）是應用自動控制技術、網絡通信技術和計算機技術，將主推進系統、輔機系統、通信導航系統、損管系統、消防系統、電力系統等相對獨立的分系統納入到統一的網絡中，形成以信息集成為核心，集監測、控制、管理于一體的網絡化、信息化和智能化的綜合大系統[1 – 5]。本文提出一體化船舶IPMS架構，引入船舶IPMS虛擬化數據服務中心概念，應用計算機虛擬化技術建設船舶IPMS虛擬化數據服務中心。文中詳細介紹了IPMS虛擬化數據服務中心方案。一體化船舶IPMS具備分布式布置、集中管控的特點，且將計算機虛擬化技術與船舶行業結合，為船舶平臺信息化、智能化科研工作者開拓新的思路。

1 通用船舶 IPMS

船舶主要包含主推進系統、輔機系統、通信導航系統、損管系統、消防系統、電力系統等。

如圖1所示，每個系統獨立配置采集控制設備、集中控制臺、數據服務器和存儲設備，各個系統通過以太網連接集中控制中心實現遠程控制與信息共享。該方案存在以下問題：

1）各系統傳感器執行器全船分散分布，存在大量穿艙走線；

2）各系統采集控制設備為專用設備，導致全船設備多樣化，增加維修保障困難；

3）各系統分別配置數據服務器和存儲設備，存在資源浪費情況，信息共享程度和實時性方面難以保證。

為解決上述問題，并進一步提升系統的可靠性，下面介紹一體化船舶IPMS方案。

2 一體化船舶 IPMS

2.1 一體化船舶IPMS架構和配置

一體化的IPMS架構如圖2所示，包括監視管理層、信息傳輸與服務層、采集控制層。

采集控制層的功能是完成數據信號采集、信號轉換、控制運算、控制驅動，主要設備為標準采集控制站。標準采集控制站集成了常用的接口類型：RS485/422串行接口、CAN總線接口、以太網接口等，按需分布在各個艙室，實現當前艙室傳感器、執行器等設備接入，不區分具體船舶業務系統。

監視管理層的功能是實現綜合顯示、輔助決策、遠程操控，主要設備包含顯示大屏、集控臺。顯示大屏和集控臺均進行統一化設計，為每個船舶業務系統配置對應的顯示大屏和集控臺，在故障情況下，顯示屏和集控臺均可進行功能切換。

位于中間的傳輸與服務層既實現了管理層與控制層的連通，又實現了管理層與控制層的安全隔離，在IPMS中起著承上啟下的重要地位。傳輸與服務層的具體功能是實現船舶各系統如主推進系統、輔機系統、通信導航系統、損管系統、消防系統、電力系統等系統數據傳輸、數據處理、數據存儲。數據傳輸功能主要由接入交換機和核心交換機組成的冗余以太網實現；而數據處理和數據存儲功能采用數據服務中心方式實現。

在此引入數據服務中心的概念，數據服務中心是指業務系統與數據資源進行集中、集成、共享、分析的場地、工具、流程等有機結合，為用戶終端提供訂閱分發、數據分析處理、數據存儲等各類數據服務[6]。通用IPMS為保證各業務系統的相互獨立性，數據處理和數據存儲功能實現方式是為每個船舶業務系統單獨配置服務器、存儲設備，在一定程度上能保證IPMS系統功能安全性和穩定性，但存在資源浪費、難以統一管控、數據融合共享不充分等問題。隨著計算機虛擬化技術的發展日益成熟化及日益完善的商業化應用，本文將計算機虛擬化技術應用于船舶信息化，建設船舶IPMS虛擬化數據服務中心，在資源配置靈活優化的基礎上，進一步實現船舶信息融合共享，為各船舶業務系統提供更穩定、高效、完善的數據服務。

2.2 一體化船舶IPMS虛擬化數據服務中心

1）虛擬化數據服務中心架構

計算機虛擬化技術包括網絡虛擬化技術、存儲虛擬化技術和服務器虛擬化技術，是指將有限的網絡、存儲、服務器物理資源統一管理后，依據需求進行具體再分配的技術[7]。虛擬化技術的應用能實現資源統一化管理，提高物理資源整體利用率；能在物理資源有限的情況下，通過高可用等配置，最大化提高系統的可靠性。應用虛擬化技術于船舶信息化，建設IPMS數據服務中心，能為船舶業務系統應用提供相互隔離、安全的執行環境，保證IPMS的穩定性和可靠性，同時符合船舶空間有限特點，滿足船舶經濟性要求。

虛擬化數據服務中心的架構如圖3所示。

從功能上看，由下至上包含4個層次：

①硬件設備層，包括數據中心的各類服務器、存儲設備和網絡設備等各類硬件資源。

②虛擬資源層，包括服務器虛擬化軟件、分布式存儲軟件以及網絡虛擬化軟件，主要功能是抽象化物理資源，便于資源統一管理。

③資源管理層，包含資源管理、資源監控。資源管理具備獨立完整的資源管理功能和部分最重要的數據服務能力，如資源監控，可以對數據中心虛擬平臺、共享信息資源以及資源內部進行可用性以及性能監控，具備事件告警能力。

④系統應用層，包含基礎軟件和業務軟件。

2）IPMS虛擬化數據服務中心組成

船舶業務系統包括主推進系統、輔機系統、通信導航系統、損管系統、消防系統、電力系統等，系統多功能復雜。為保證各船舶業務系統相互獨立，通用船舶IPMS為每個系統配置獨立的服務器和存儲設備。根據虛擬化數據服務中心的架構，可以通過創建多個虛擬機，保證船舶業務系統的相關獨立性，提升硬件資源利用率。

依據虛擬化數據服務中心的架構，IPMS虛擬化數據服務中心組成可分為：硬件設備、虛擬化管理平臺、系統應用。

硬件設備是物理資源，是系統運行的基礎，對應硬件設備層，包括：數據處理服務器、數據存儲服務器、網絡交換機、VM管理終端。

虛擬化管理平臺實現數據中心、集群、主機、網絡、存儲等資源的集中管理，支持虛擬機創建刪除、在線遷移和高可用配置。虛擬化管理平臺需安裝在數據處理服務器和VM管理終端上，對應虛擬資源層和資源管理層。

系統應用實現各船舶業務系統獨立運行，主要包括基礎軟件：操作系統、訂閱分發中間；船舶系統業務軟件：船舶系統業務數據處理軟件?；A軟件安裝在虛擬機上，船舶系統業務軟件以APP的形式安裝在已安裝基礎軟件的虛擬機上。

3）IPMS虛擬化數據服務中心配置

IPMS虛擬化數據服務中心的具體配置如圖4所示。

3 一體化船舶 IPMS 與通用船舶 IPMS 比較

某船舶平臺包含主推進系統、輔機系統、通信導航系統、損管系統、消防系統、電力系統共6個系統，其中主推進系統、輔機系統、通信導航系統、電力系統為重要系統。其通用IPMS方案需配置系統控制臺屏6臺、數據處理服務器10臺、采集控制設備類型不少于2類、集中控制設備不少于1臺，存在大量穿艙走線（各船舶業務系統和主干網均需要穿艙走線）。若采用一體化IPMS方案需要配置標準化集控臺屏6臺、數據處理服務器3臺、標準化采集控制設備類型1類，系統穿艙走線可減少50%（僅主干網需要穿艙走線）。

1）一體化船舶IPMS的優勢

如表1所示，相比通用船舶IPMS方案，基于虛擬化技術的一體化船舶IPMS具備如下明顯優勢：

①網絡結構層次分明，系統結構更清晰，穿艙走線明顯減少；

表 1 兩個方案比較Tab. 1 Compare of the two schemes

②設備標準化，提高系統穩定性同時，降低后期維保工作；

③應用更少的硬件資源，實現了更高的系統可靠性；

④在保證系統功能相互獨立正確運行的情況下，減少硬件資源配置，提升物理資源利用率，提升了經濟效益；

⑤數據處理、存儲更集中，信息資源共享更充分，同時便于開展更全面的船舶業務系統數據建模分析，為船舶設計和保障提供理論依據。

2）進一步研究方向

基于虛擬化的一體化船舶IPMS具有現實意義，然而由于需要對所有船舶系統的數據進行集中處理，一體化船舶IPMS仍面臨多船舶系統信息融合處理和一體化編碼方面問題。解決船舶多系統信息融合處理和一體化編碼方面，是船舶IPMS研究者進一步的研究方向。

4 結 語

船舶IPMS為船舶操作管理人員提供了一個開放式、標準化、網絡化、集成化、智能化的優良信息管控平臺[8]，隨著船舶自動化向智能化的發展，船舶IPMS數據服務的高可靠性、高度信息融合共享、高資源利用率要求越來越高。計算機技術的發展是船舶IPMS發展的技術前提，一體化船舶IPMS具備分布式布置、集中管控的特點，同時將先進的計算機虛擬化技術應用于船舶IPMS，有助于船舶的智能化發展。本文詳細介紹了基于虛擬化數據服務中心的一體化船舶IPMS方案，該方案與通用船舶IPMS方案相比具備更高的可靠性、更高的信息融合共享程度、更高的資源利用率，有明顯優勢，可供船舶智能化研究、船舶IPMS系統研究及船岸一體化管理體系研究人員作參考。