以CPS為核心的船舶信息感知與安全防護

哈爾濱工程大學 朱 軍

中國船級社 閻 璐

智能化已成為船舶行業和制造業的未來發展方向。基于信息物理系統（CPS）核心技術要素構建的測試平臺在船舶個體、船隊與產業鏈層面為船舶行業及制造業提出了智能化解決方案：在船舶層面，基于綜合感知服務，保障船舶安全、高效運行；在船隊層面，為船東提供視情使用和視情管理服務，在安全、經濟和環保三個方面為船東提供自主成長的智能化服務支撐；在產業鏈層面，融合政府以及軍警民領域的用戶，構建虛實映射的業態融合賽博空間，實現產業鏈協同的全新知識認知模式，構建自成長型的產業價值鏈。

以CPS為核心的船舶智能感知

1、CPS體系架構

為提高基于CPS船舶信息系統綜合測試能力，滿足智能船舶信息系統多源數據感知、高速互聯互通、邊緣信息處理、資源優化配置、實時/協同控制等動態需求，針對多個層面基本要素之間的組織、互聯、依賴結構或框架，解決不同類型、不同級別傳感、執行、計算、交換等規模化設備難以按需靈活構建不同CPS虛實閉環智能化綜合測試平臺問題，開展物理信息系統體系架構的研究，為智能船舶體系化建設作保障。為面向智能船舶綜合測試應用的CPS共性支撐技術研發、技術集成與演示應用提供基礎理論、結構、框架支撐，提高資源配置效率，實現資源優化。

（1）智能感知是通過傳感器、物聯網等一些數據采集技術對隱性數據（如物理實體的尺寸、運行機理，外部環境的溫度、液體流速、壓差等）對外界狀態的數據獲取，為數據的處理分析提供數據來源。

（2）實時利用數據挖掘、機器學習、聚類分析等數據處理分析技術對數據進一步分析，實現數據的直觀性、可理解性。

（3）網絡映射利用CPS總線等可靠網絡方式將其傳輸，提取有效信息與其他類似的機器或在不同的時間歷程進行比較,對系統的變化信息和任務狀態的預測。建立裝備“部件級-系統級”實體網絡綜合模型，在賽博三維虛擬空間進行映射。

（4）科學決策對當前時刻獲取的所有來自不同系統或不同環境下的信息權衡判斷，形成最優決策來對物理空間實體進行控制。使信息轉變成知識，迭代優化形成系統運行、產品狀態所需的知識庫。

圖1

（5）精準執行將信息空間產生的決策轉換成物理實體可執行的命令，進行物理層面的實現，實現企業高效運營，各環節智能協同效果逐步優化。

2、船海數據狀態感知研究

為滿足船海數據采集的可靠性和實時性，針對數據采集難，數據量大，數據結構不統一等諸多問題，提高其信息系統的自主決策能力、對復雜環境的適應力和容錯能力，對大量的、多種類型的傳感器進行多源精準采集，實現節點之間及節點與傳感器之間的高速高可靠實時通信。開展船海數據狀態感知方面研究，涵蓋船、海、岸領域的數據采集與感知，同時建立多源化，對傳感網絡平臺，為數據采集的實時性作保障。

（1）面向智能船舶信息系統應用的CPS節點多源數據精準感知技術，實現CPS節點中大量結構不同、功能各異資源的自由靈活接入和實時感知。

圖2

依托動態可重構高速串行總線多通道并發冗余的高速高可靠傳輸能力和遠程穿透式訪問能力，通過對動態可重構總線技術、即插即用體系架構、設備動態加載與配置技術、非智能單元的匯聚接入技術以及時間確定性保障技術等，為CPS節點中多源異構資源提供一種即插即用的接入式互連方式和支持軟件定義的動態加載和配置規范，有效支撐智能船舶信息系統對海域環境狀態監測、內部動力環境監控等異構CPS功能節點的多源數據智能感知和控制，為后續CPS端系統的集成感知、數據融合和數字孿生等研究提供技術支撐。

（2）另外對船舶狀態的數據收集可采用各種傳感器、數據感知裝備構建多源傳感網絡，實現船舶狀態的數據信息采集。

船舶高精度定位系統通信網絡架構

為滿足船舶在近海的海臺與岸臺之間通信可靠性及數據傳輸的安全及時性，針對船舶在海域中與岸上通信困難、時效差等問題，對船舶高精度定位系統通信網絡架構，涵蓋船機平臺、岸機服務系統以及數據信息處理中心等方面的信息傳輸與交互，同時部署響應的硬件設施和構建數據信息處理中心，解決以上面臨的問題，提高通信響應能力，為岸上對船舶進行測控及虛擬現實平臺作保障。

圖3

試驗過程建模仿真

針對智能船舶過程建模精度不夠，過程建模不嚴謹等問題，進行實驗過程仿真模型的設計、試驗過程性能評估模型設計、試驗過程仿真三個方面的研究，形成建模仿真綜合測試能力，為數字孿生研究作保障。

1、試驗過程仿真模型設計

通過研究智能船舶綜合能力試驗過程中涉及的系統、設備、通信及網絡等，研究智能船舶綜合能力測試過程的要素、幾何物理信息、行為及規則，建立基于試驗過程仿真的規則庫及數據模型庫，從多維度構建智能船舶綜合能力試驗過程的陸基、船基及海基于一體的試驗過程仿真模型，為實現智能船舶綜合能力試驗過程數字孿生仿真奠定基礎。

2、智能船舶運動模型及性能再現技術研究

針對智能船舶運動虛擬平臺需求，建立航行船舶操縱運動力學模型，航行性能預報，為目標船提供基礎。采用理論分析、數值計算和模型試驗相結合的方法，綜合考慮極地和冰區環境影響，針對船舶直線以及打舵轉向航行、正車/倒車航行等不同航行工況，重點開展目標船操縱運動力學模型、操縱運動仿真以及船舶航行性能再現研究，通過已有模型試驗以及實船試驗數據等對船舶性能再現進行驗證。

3、試驗過程性能評估模型設計

通過調研智能船舶的智能信息系統、關鍵設備、網絡傳輸、船舶動力系統等性能指標參數，研究各系統、裝備、信息系統等影響智能船舶運營、安全、通信等性能的關鍵因子，依據預設統計條件和參數閥值，構建智能船舶綜合能力試驗過程的性能評估模型，實現智能船舶綜合能力性能實時評估與驗證。

4、試驗過程仿真實現

結合試驗過程仿真模型和性能評估模型的研究成果，引進具有先進的、適合的仿真平臺，對船舶、海、陸、空等環境進行建模，并依次對船舶關鍵與裝備、船岸通信、陸基通信等系統進行仿真分析，實現智能船舶試驗過程可視化仿真，可視化仿真數據展示，同時可滿足智能船舶綜合能力試驗過程仿真的需要，使智能船舶綜合能力測試與驗證成為可能。

圖4

數據融合及數字孿生技術

為滿足在虛擬環境下數據的真實性與精確性，針對數據缺乏連續性、實時性以及數據融合性等問題，開展物理信息異構要素融合、虛擬船舶多維模型融合、物理-信息數據融合、智能船舶綜合能力測試與驗證服務融合等多應用方面關鍵技術研究，通過信息物理的交互與融合，及船舶測試實體與數字虛體的精準映射，分析智能船舶綜合能力測試現場實時數據、虛擬空間模型數據、仿真數據等覆蓋全要素、全流程的相關數據關聯，實現典型海洋裝備實體的賽博空間仿真精度不少于90%。

圖5

1、物理船舶異構要素融合

為實現船舶測試過程中的異構要素智能感知與互聯，分析船舶測試過程人、機、物、環境異構全要素信息，開展集成規約多源多模態異構數據融合技術與混雜動態環境下異構測試資源的行為協同精準控制技術研究，開展網絡異構技術研究，實現網絡數據傳輸協議標準統一。并開展“人-機-物-環境”的智能感知與互聯、數據智能傳輸與集成、智能交互與控制、智能協作與共融等關鍵技術研究，從而實現車間內“人一機一物一環境”全要素的智能感知與互聯、高效數據傳輸與集成、實時交互與控制、智能協作與共融。

2、虛擬船舶多維模型融合

為實現物理船舶到虛擬船舶的真實完整映射，分析船舶測試場景幾何模型構建，物理因素（如系統的物理運行參數、試驗過程因素等）及船舶測試行為、規則、約束等，開展虛擬船舶多位建模構建技術、虛擬船舶多維模型評估與驗證技術、虛擬船舶多位模型關聯關系與映射機制、虛擬船舶多維模型一致性理論與方法等研究，從而在信息空間級連與融合為一個完整的、具備高忠實度的虛擬船舶模型。

3、物理-信息數據融合

為實現船舶信息層面與虛實交互環境下船舶測試全要素／全范圍數據的集成融合，開展測試過程多源異構物理—信息數據融合技術研究，包括：物理測試實體異構要素融合、虛體多維模型融合、船舶物理—信息數據融合。并開展數據“生成—建模—清洗”理論與技術、數據“關聯聚類挖掘”理論與技術、數據“迭代演化融合”理論與技術等關鍵技術研究，真實地刻畫和反映測試過程狀態、要素行為等各類動態演化過程、演化規律、統計學特性等，實現船舶物理實體多源多模態數據的集成與融合。

4、智能船舶綜合能力測試與驗證服務融合與應用

融合物理-信息數據的船舶孿生數據，反映物理船舶和虛擬船舶的運行情況，驅動并影響物理船舶和虛擬船舶的運行。實現制造物理世界和信息世界間智能互聯與智能操作的重要橋梁。基于船舶孿生數據，結合現有信息系統(如船舶機艙管理系統、船舶能效管理系統等),開展數據驅動的服務生成理論與方法、船舶測試與驗證服務智能管理與優化、船舶測試與驗證服務協作與融合應用等研究，形成智能船舶綜合能力測試與驗證過程中所需的各類服務（測試報告服務、測試過程管理服務、船舶測試記錄等），從而以融合服務協作的方式實現船舶智能測試、精準測試管控、智能仿真等智能目標，是物理融合、模型融合、數據融合在智能船舶綜合能力測試與驗證平臺應用的最終體現。

為滿足船舶在賽博空間進行虛擬測試要求，針對船舶綜合測試無反饋、無優化等問題，實現半實物，虛擬事物的仿真測試，并將測試結果進行分析挖掘。測試的結果、測試的過程可在可視化智控平臺上進行綜合展示，并進行優化，優化后將優化結果反饋到智能綜合能力測試平臺中進行再測試，再優化，最后將最優結果反饋到實際環境進行執行驗證。

賽博安全測試技術研究

根據賽博安全測試技術要求，結合智能船舶安全測試范圍，針對賽博網絡的安全性差、可靠性不高等問題，開展賽博安全測試評估體系、船舶維系管理系統測試、船岸一體入侵檢測測試以及智能船舶未知威脅發現測試進行初步方案的研究。

通過分析任務關鍵系統中核心能力形成過程，并考慮到處理過程中系統面臨的賽博空間威脅及其對系統影響，凝煉賽博安全性的度量屬性；以此為指導和依據，并參考現有的系統性能／效能評估指標和信息系統安全測評指標，遵循指標選取原則，采用層次化結構建立任務關鍵系統賽博安全性評估指標體系。

針對船舶SCADA系統各核心能力處理流程中關鍵環節，分析環節中的賽博空間威脅及其對系統能力造成的影響（針對信息處理環節，對手將利用定位和破壞服務器、吞占處理資源和篡改處理參數等手段，致使系統信息處理中斷、處理容量變小和處理精度降低等），開展安全測試評估體系研究。

以獨立性和可測性等為原則，采用自頂而下和逐步細化的方法，構建一個層次化的任務關鍵系統賽博安全性評估指標體系框架，評估指標體系框架如圖6所示。

圖6