通用船舶综合平台管理系统模型研究

1 引 言

船舶是人类征服海洋、河流、湖泊的重要运载工具，不同的船舶承担着不同的重要任务。近几十年来，为了更好地驾驶船舶及更好地应用船舶载体，船舶综合平台管理系统(IPMS)应运而生，所谓综合平台管理系统是指利用现代计算机网络技术将船舶平台上的各系统及重要设备连接成可进行集中管理的数字化系统，并为越来越复杂、越来越先进的平台设备提供更简单、更安全和更实用的操作界面[1-4]。综合平台管理系统在船舶行业，尤其是在发达国家船舶行业已发展多年，有较成熟经验。本文根据当前该管理系统发展趋势，抽象出通用系统模型，使其能为承担各类不同任务的船舶所借鉴，并最终结合实际情况得到有效的船舶综合平台管理系统方案。

2 综合平台管理系统设计思路

2.1 设计目标

建立船舶综合平台管理系统的目标是在一个开放的平台管理网络基础上，完成船舶的机电管理、航行管理、特征信号管理、任务管理(不同船只将根据需求承担不同的任务)、船员生活管理等5大管理任务，通过高新技术将其多个功能系统高度集成，达到操纵更为方便,总体性能更为可靠,人员工作更为方便,生活更为舒适的目的。

2.2 设计思路

要达成上述目标，必须明确设计思路，并吸收先进理念和先进技术，不断加以修正。

1) 总体优化原则。从全局视角出发，平衡各个部分的发展，使全系统在总体上达到平衡和优化，避免各系统发展的失衡。强调单元间协作带来的整体功能效益和效率。

2) 总体基本构架既具有相对的稳定性和独立性，又具有高度的灵活性和持续升级能力。

3) 精简硬件，强化软件，充分发挥软件的灵活性，以适应任务变化对功能变化的需求，提升系统执行多任务的能力和适应任务变化的能力。

4) 始终考虑新的网络系统应具备较强的可行性、可靠性、可维性、成长性及扩展性。

5) 注重技术选型，充分考虑未来的可持续升级发展潜力，防止信息化技术的快速发展而导致系统迅速落后的被动局面。

6) 利用商业化的成熟技术缩短研发周期，减小技术风险和开销。

2.3 设计方法

1) 分离控制与管理功能；

2) 面向科考任务进行应用设计；

3) 以人为本的设计理念。

需要说明的是，此处的分离控制与管理功能是在具体实施过程中的一种方法，以便于分层次、按类别进行既相互独立、又相互关联、且可并行实施的系统设计，它是一种设计过程和方法，其最终的目的是为了实现管控一体化，达成整体目标最优值。

3 系统模型总体规划

3.1 综合平台管理系统要素

船舶综合平台管理系统需要3大要素：网络、系统操控站、管理软件。适合的管理系统充分利用成熟的商业化技术和资源，通过对3大要素的合理组合完成对船舶的动力、操纵、环境监测、保障、声呐、导航、视频监控、任务管理、人员生活等全方位实时监控及管理。

1) 网络

综合平台管理系统需要有网络基础，网络技术的选择应当从信息业务的实际需求出发，重点考虑技术的先进性、安全性、成熟性、实用性、集成性、可扩展性及可管理性。目前可实现业务传输、交换和分发的主流网络技术包括： 以太网、SDH(同步数字体系)和RPR(弹性分组环)[5-6]。

随着“信息化”的发展，用户对传输系统的性能提出了越来越高的要求，这就要求传输系统至少应同时具备如下能力： 良好的以太网数据传输能力; 语音、视频、异步数据的接入和透明传输能力; 高度的可靠性、稳定性; 网络自愈能力; 强大的网络综合管理及故障定位能力; 较强的扩展能力。

目前船舶组网多数考虑选用以太网技术[7-9]，更多的是看重其成熟性、主流性和通用性，在国内外船舶管理系统组网中也有选用SDH及RPR技术的，网络技术比较不是本文重点，在此不多赘述。

2) 系统操控站

系统操控站从系统设备中获取所需信息，经汇总分析后，得到各系统状态信息，并根据需要发出控制指令，下达至底层设备执行指令。每个系统操控站都应是通用显控台，能完成预定义的系统功能，具有相对独立的事务处理和控制能力，并且各通用显控台可实现相互动态冗余(包括软件冗余与硬件冗余)。

3) 管理软件

以某科考舰为例，管理软件是整个系统的核心，无论是承担何种任务的船舶，其管理系统都将分为如下5个管理子系统(此处的管理子系统是指综合平台管理系统内的管理子系统，不是船舶本身划分的固有系统，为了不出现混淆，子系统专指平台管理子系统)，即机电管理子系统、航行管理子系统、特征信号管理子系统、科学考察管理子系统、船员生活管理子系统。船舶管理系统必将是该5大系统的简化、组合或全部。

3.2 综合平台管理系统通用架构

从全局来看，整个平台综合管理体系在逻辑上划分为2层：系统控制层和平台管理层。两层结构单元既相对独立，各司其职，又相互协调和支持，可并行实施和工作。整个系统最多具有3级操控能力：板前手操、系统控制层操控和平台管理层操控。这是一个在逻辑上为两层结构的总体基本构架。系统控制层向平台管理层提供服务，同时从平台管理层接收指令并负责指令的执行，根据需要将执行结果反馈到管理层。分层结构体系使各系统更容易管理、维护和使用。

图1 平台综合管理系统物理结构图

从物理结构形式上看，整个网络是由多个以太网交换机组成，通过光纤连接的一个环网(一般为双冗余环网，当然也可能有其他形式，甚至选用其他技术组网)，如图1所示，各类型设备挂接在环网上，同时也可通过虚拟局域网(VLAN)的方式将同系统设备在逻辑上划分成独立区域的子网，并可根据需要进行数据通信。

系统控制层是控制核心，空间站上各系统底层的现场设备通过“转接箱”的方式接入到网络中，各种现场设备的控制依然由各系统负责，“转接箱”是一个转接设备，完全面向现场设备，提取现场信息，并初步处理后上传至平台管理层，同时，从平台管理层获取操作人员的指令，将指令转发到相应的设备执行，以实现操作人员的意图，并根据需要将执行结果上传，从而做到了管控分离。系统控制层应尽量考虑统一工控标准，并以高度集成为工作方向。部分独立控制的大型设备可根据需要依然保留其控制方式及主体，但需要增设网络接口，以方便接入网络。

平台管理层是管理核心，由各通用操控站及服务器组组成。平台管理层从系统控制层的“转接箱”获取所需信息，经汇总分析后，得到各系统状态信息，并根据需要发出控制指令，下达至现场设备层的具体设备执行指令。每个通用操控站能完成预定义的任务功能， 具有相对独立的事务处理和控制能力，并且各通用操控站可实现相互动态冗余(包括软件冗余和硬件冗余)，一旦某台设备失效后，可指定其他系统操控站临时接管。同时，通用操控站上设定具有预定义功能的按钮(比如对空间站安全有重大影响的紧急按钮)，按钮与底层控制器有直接相连的硬接线，方便工作人员迅速做出指令动作，并能有效执行，增加了整个系统的可靠性。

平台管理层数据在符合TCP/IP协议的以太网上传递，网络交换机具备3层交换功能，对于各系统，可在网络上划分成相对独立的VLAN，这样可使各系统根据需要进行逻辑隔离，以方便管理。

4 综合平台管理系统典型方案

我们以某科考船台综合管理系统方案为例，介绍在通用模型下管理系统的实体配置方案。该科考船综合平台管理系统包括机电管理子系统、航行管理子系统、特征信号管理子系统、科学考察管理子系统、船员生活管理子系统。

系统基本结构框图如图2所示。

图2 某科考船平台综合管理系统结构图

4.1 各管理子系统介绍

机电管理子系统负责管理科考船核心部分——动力系统和电力系统。该子系统用于实现对动力系统和电力系统的综合管理及监控，执行高级控制逻辑以及管理功能，管控指令和数据信息通过“转接箱”转接，但不参与动力和电力系统各设备的直接控制，不对各分系统设备本身的安全可靠运行负责。预定义的机电管理操控站上尽量减少电操按钮及指示灯，仅保留关键参数的显示和与安全相关的操作按钮。动力系统及电力系统将不再单独设置操控台。

航行管理子系统负责科考船的航行操纵管理。该子系统功能包括科考船的驾驶和均衡、系船操纵和无人自动巡航，可对科考船的航向、深度和均衡状态实施控制，并对科考船的姿态和航行参数进行图形化集中显示。由于操纵管理的特殊性，在通用操控站上将增加操舵仪等附属设施，当其出现故障时，其他操控站可降功能使用。

特征信号管理子系统负责科考船的各类特征信号监控。特征信号包括科考船特征信号及周边海域特征信号，科考船特征信号包括自噪声、振动、视频监控、大气环境、火灾报警、舱底进水报警等数据；周边海域特征信号包括海域温度、盐度、深度信号等，重要数据在网上共享。

由于科考船承担科学考察的重要任务，因此其任务管理子系统即科学考察管理子系统，但该系统不另设系统操控站，仅以软件形式体现。工作人员可通过自己的便携计算机登陆科学考察管理子系统进行资料查询、任务安排、工作记录等，完成相关科考工作任务。

船员生活管理子系统同科考管理子系统一样，该子系统不设置系统操控站。由于科考船需长期在海洋工作，船员生活难免感到枯燥，生活管理子系统可让船员在紧张工作的同时，享受到丰富的生活乐趣，可通过网路在线欣赏影视、交流情感等。

4.2 平台网络

平台网络由若干以太网交换机、光纤及连接器、网管服务器、网管软件等组成，构建双冗余千兆以太网，完成平台管理系统的基本网络配置。核心设备——以太网交换机支持1 000 M光纤接口能力；支持双冗余体系结构、虚拟局域网技术、三层交换技术和组播技术等。

4.3 服务器组

综合平台管理系统方案将划分5大管理子系统，因此需设置相应的服务器组，这些服务器组也是双冗余备份配置，以保障较高的可靠性，除以上5个服务器组外，还需增设存储数据库管理服务器和音视频管理服务器，存储数据库管理服务器进行科考船各类数据的存储及备份，数据的存储包括完成“黑匣子”功能的短时数据存储和为科考船以后进行使用状况分析而留存的长时数据存储，该服务器的存储功能可在后台自动完成；音视频服务器主要用来处理电话语音业务和视频监控业务。因此，整个综合平台管理系统将设置7个服务器组(图2)。

4.4 转接箱

综合平台管理系统将配置若干转接箱设备，完成各系统信号转接功能。转接箱布置在各系统设备最集中的舱室。

4.5 通用操控站

综合平台管理系统将配置3个通用操控站，预定义为机电管理操控站、航行管理操控站和特征信号管理操控站，这些操控站可互为备用，一旦其中之一因故障失效，其他的操控站可降功能使用，承担有故障的操控站任务。同时，便携计算机也可通过网络接口，承担各操控站管理任务，满足在操控站损坏，离线维修时，科考船各系统依然可运行正常。

4.6 软件系统

软件构架采用统一的标准软件平台，选用Windows操作系统，并根据实际应用需要对操作系统进行裁减，提高可靠性、安全性和运行效率。利用中间件技术，将各子系统应用软件以软件模块的方式嵌入到软件系统中。

5 效能评估

船舶综合平台管理系统通用模型效能评估可以从可行性、可靠性、成长性、扩展性、可维性等几个方面来分析[10]，具体如下：

1) 可行性。综合平台管理系统设计方案需要注重现实意义，系统不宜过于复杂，综合平台管理系统在设计过程中应对各系统技术责任单位提出建议工业控制标准及设备配置优化要求。

2) 可靠性。综合平台管理系统配置了通用操控站，可与底层设备一起完成冗余监管控制功能，若某个操控站损坏，可离线维修，同时指定另一操控站或移动操控站(即装有管理软件的便携计算机)代理工作。底层工业网络建议采用标准的CAN总线网络，增强了系统控制层的可靠性；另外网络拓扑结构采用双冗余环网形式，相对链型结构形式增加了断纤保护功能，可靠性更高。

3) 成长性。采用标准TCP/IP协议的以太网(或选用其它技术组网)作为船舶平台基础网络，应充分考虑到未来根据实际需要方便地进行网络软硬件升级。

4) 扩展性。在该通用模型中，当各系统设备需要增加时，可方便地通过“转接箱”接到网络上，而不破坏网络结构，在管理软件上考虑采用模块化设计，以方便应用软件的扩展与升级，网络交换机具备三层交换功能，可根据需要方便划分VLAN并允许异构网互连。

5) 可维性。由于各系统底层控制设备建议考虑采用统一标准的CAN总线网络通过“转接箱”接入网络，增强了底层设备的通用性，维护工作将变得更为简单，增加了船只各系统设备的可维性。

6 结束语

实现船舶平台信息的一体化综合管理可提高船舶整体可靠性、可维性、成长性和扩展性，为船舶提供了良好的信息平台，能大大提高各系统综合优化控制管理水平，也为工作人员创造了优良的工作和生活环境。船舶综合平台管理系统模型旨在提供一个通用的研究思路和构建系统准则，为科研人员从事该课题研究奠定基础。

参考文献:

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