智能船舶集成平臺的研究與設(shè)計

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

黨的十八大以來，習(xí)近平總書記提出了建設(shè)海洋強(qiáng)國的宏偉藍(lán)圖，掀起了我國新一輪海洋船舶設(shè)計建造高潮?！吨袊圃?025》把“海洋工程裝備和高科技船舶”作為重點(diǎn)領(lǐng)域，大力發(fā)展集成化、智能化、模塊化的設(shè)備和造船技術(shù)。中國船級社編制的《智能船舶規(guī)范（2015）》也于2016年出臺生效。規(guī)范劃分了智能航行、智能船體、智能機(jī)艙、智能能效管理、智能貨物管理、智能集成平臺六大主體功能及相應(yīng)具體內(nèi)容［1］。該劃分方式具有較強(qiáng)的領(lǐng)域應(yīng)用性特點(diǎn)，在項目實施與考核評價方面具有較強(qiáng)指導(dǎo)意義。

智能船舶的發(fā)展是利用現(xiàn)有條件，在傳感、通信、信息等技術(shù)的發(fā)展上，從能源、機(jī)械、導(dǎo)航、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域建立實體和虛擬設(shè)施，實現(xiàn)航行系統(tǒng)、設(shè)備運(yùn)行、貨物管理等功能的智能化，逐步在船舶平臺上實現(xiàn)信息與實體智能融合的過程［2］。

智能集成平臺是船舶在智能化方面應(yīng)用實現(xiàn)的高級形式，具有較為復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)。因此，智能化集成平臺的設(shè)計建造應(yīng)采用高適用可借鑒的軟硬件設(shè)計開發(fā)框架及接口標(biāo)準(zhǔn)，采用高復(fù)用可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)資源、平臺條件，采用高通用可推廣的軟硬件技術(shù)、應(yīng)用組件、實現(xiàn)模式，采用分系統(tǒng)、分層級的設(shè)計規(guī)劃、實現(xiàn)方式，以保證相應(yīng)的分系統(tǒng)設(shè)計、分項目實施能夠具有相對較小的體系粒度，以具有更強(qiáng)的可操作性、低風(fēng)險性、通用性、經(jīng)濟(jì)性和健壯性等要求。

1 智能集成平臺概述

1.1 定義和基本功能

船舶智能集成平臺集成智能航行、智能機(jī)艙等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，形成船上數(shù)據(jù)與應(yīng)用的統(tǒng)一集成平臺。集成平臺應(yīng)具備開放性，能夠整合現(xiàn)有船上信息管理系統(tǒng)及后續(xù)新增系統(tǒng)，以實現(xiàn)對船舶的全面監(jiān)控與智能化管理， 并與岸基實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。智能集成平臺基本功能如下：

（1）統(tǒng)計分析、綜合評估，能夠根據(jù)用戶定制實現(xiàn)自動和標(biāo)準(zhǔn)化的分析報告；

（2）根據(jù)用戶設(shè)置的多維度邊界條件，為航行、安全、經(jīng)濟(jì)性等相關(guān)指標(biāo)提供綜合預(yù)報預(yù)警；

（3）利用船舶歷史運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)，為當(dāng)前的船舶操作及管理方案提供趨勢預(yù)測；

（4）支持良好的輔助決策，提高船舶性能，并減少人為因素的失誤，并能根據(jù)評估及預(yù)測結(jié)果，為事故響應(yīng)、風(fēng)險反應(yīng)規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)措施、事故察覺和預(yù)防、經(jīng)濟(jì)性能提升、資源管理和通信等提供綜合管理及操作方案；

（5）能夠?qū)崿F(xiàn)船岸數(shù)據(jù)交互［1］。

1.2 特點(diǎn)和技術(shù)基礎(chǔ)

信息物理系統(tǒng)（cyber-physical systems， CPS）通過嵌入式計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對物理進(jìn)程的檢測以及控制，并將物理進(jìn)程反饋到計算進(jìn)程中［3-4］。智能船舶正好符合CPS所針對的復(fù)雜、異構(gòu)、可靠性要求高的應(yīng)用系統(tǒng)。船舶航行狀態(tài)、周圍環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)，以及船舶間、船岸間交互等多源異構(gòu)信息是船舶智能化的基礎(chǔ)。CPS體系結(jié)構(gòu)的一般形式如圖 1 所示［3-5］。

圖1 CPS 體系結(jié)構(gòu)的一般形式

智能集成平臺可認(rèn)為是“基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺及其控制層、疊加層等通用化的可擴(kuò)展資源，以數(shù)據(jù)中心作為信息匯聚、轉(zhuǎn)換、應(yīng)用的中間平臺，以面向服務(wù)的Web應(yīng)用作為平臺開發(fā)的關(guān)鍵內(nèi)容，構(gòu)筑可實現(xiàn)泛在接入、快速擴(kuò)展、敏捷開發(fā)、持續(xù)集成、長期演進(jìn)的平臺、環(huán)境及條件，進(jìn)而實現(xiàn)對基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)及其資源的高效復(fù)用、對智能化裝備網(wǎng)絡(luò)接口及信息化功能的充分運(yùn)用、對智能化領(lǐng)域系統(tǒng)二次集成及體系間的有效融合，為用戶提供更為系統(tǒng)全面、便捷可靠、經(jīng)濟(jì)高效、開放穩(wěn)定、安全可控的服務(wù)方式及內(nèi)容，為相關(guān)業(yè)務(wù)、領(lǐng)域系統(tǒng)、使命任務(wù)等提供業(yè)務(wù)支持、輔助決策、平臺支撐?！?/p>

智能集成平臺的建設(shè)是基于以下幾項技術(shù)：

（1）基于TCP/IP基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、鏈路轉(zhuǎn)換及相互接入技術(shù)、加解密及隧道技術(shù)、內(nèi)容管理及鏡像同步等，可以實現(xiàn)對前端異構(gòu)網(wǎng)、領(lǐng)域局域網(wǎng)、后端客戶網(wǎng)、天基通信網(wǎng)在物理鏈路上的泛在接入、空間擴(kuò)展、虛擬延伸、有效管控，并可以使得各類型計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)資源及上層應(yīng)用服務(wù)得到快速高效的部署及擴(kuò)展。

（2）基于數(shù)據(jù)中心、知識策略、計算資源、認(rèn)證中心、身份管理、權(quán)屬配置等，實現(xiàn)對裝備信息的有效匯聚、分析、挖掘等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化工作，以及相應(yīng)的存儲、訪問、控制、安全等數(shù)據(jù)管理工作，并可以使得上層應(yīng)用服務(wù)與底層智能化前端設(shè)備、智能化領(lǐng)域系統(tǒng)等僅具有松耦合關(guān)系，降低了系統(tǒng)開發(fā)的難度，并保證系統(tǒng)間仍具有較好的獨(dú)立性與安全性、穩(wěn)定性、可靠性。

（3）基于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的設(shè)計開發(fā)框架、測試與布署環(huán)境、專屬終端及通用化的移動設(shè)備等，可以實現(xiàn)對相關(guān)Web應(yīng)用的敏捷開發(fā)、快速布署及高效使用，實現(xiàn)對相關(guān)數(shù)據(jù)產(chǎn)品、知識文檔、軟件應(yīng)用的高效聚合、積極融合及消費(fèi)促進(jìn)，并使得相應(yīng)的應(yīng)用開發(fā)具有較小的體系粒度，易于開發(fā)、擴(kuò)展與變更，也便于大系統(tǒng)的分步實現(xiàn)、持續(xù)集成、長期演進(jìn)。

1.3 智能集成平臺設(shè)計的基本原則

（1）行業(yè)規(guī)范性：滿足行業(yè)規(guī)范要求；

（2）技術(shù)先進(jìn)性：盡可能采用最新的通信、信息、計算機(jī)、自動控制、人工智能等方面的技術(shù)；

（3）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范性：盡可能采用最新的公開技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，特別是開源系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，同時制定一套針對瑞特智能船舶開發(fā)、生產(chǎn)、檢驗、調(diào)試的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；

（4）平臺開發(fā)性：能兼容原有的技術(shù)積累，能夠整合現(xiàn)有及新增的船舶綜合管理系統(tǒng)，并能與岸基實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互；

（5）耦合性：目前階段設(shè)計智能化系統(tǒng)的增設(shè)和加裝，以不影響船舶原有系統(tǒng)正常運(yùn)營為前提，盡量降低智能系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)耦合性；后續(xù)隨著智能化系統(tǒng)技術(shù)和工程應(yīng)用的成熟，逐漸融合和取代常規(guī)系統(tǒng)，提升整船各類系統(tǒng)耦合性，進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率和交互速度。

1.4 國內(nèi)外現(xiàn)狀及趨勢分析

1986年，日本多家大學(xué)對基于陸上保障系統(tǒng)、船舶狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，通過智能算法做出決策，實現(xiàn)智能航行、生活保障等功能；2012年，由Fraunhofer CML等幾家公司合作對無人散貨輪展開研究，船舶通過雷達(dá)、自動識別系統(tǒng)實現(xiàn)有效規(guī)避；2013年，英國羅爾斯·羅伊斯公司開展無人駕駛貨船項目的研究，并預(yù)計10年內(nèi)投入使用；2015年，韓國現(xiàn)代重工集團(tuán)與埃森哲合作設(shè)計智能船舶，以節(jié)約運(yùn)營成本；2016年，我國開展了無人艇研發(fā)工作，包括高速識別、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)芯片、遠(yuǎn)程偵查等技術(shù)［6-7］；2017年12月，我國自主研發(fā)的全球首艘智能船舶“大智”號正式交付使用，該船擁有首個具有自主學(xué)習(xí)的船舶智能運(yùn)行和維護(hù)系統(tǒng)。

隨著船舶底層設(shè)備越來越多，設(shè)備各廠家的接口也各不相同，因此，構(gòu)建一個統(tǒng)一的集成平臺成為了當(dāng)務(wù)之急。通過集成平臺，所有設(shè)備廠家的設(shè)備都可以無縫動態(tài)加入整個船舶系統(tǒng)，而無需再考慮設(shè)備接口問題；對于船員來說，通過集成平臺，可以在船上任意一個艙室監(jiān)控任意一個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并做相應(yīng)的控制；通過虛擬化技術(shù)，可以最大限度地提升系統(tǒng)資源利用率，將系統(tǒng)性能發(fā)揮到最大，給予用戶最佳體驗。

2 智能集成平臺的系統(tǒng)架構(gòu)

規(guī)范將智能集成集成平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分為：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)資源、數(shù)據(jù)整合、信息應(yīng)用、信息展示、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、信息安全體系，如圖2所示。

圖2 智能集成平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

智能集成平臺利用標(biāo)準(zhǔn)采集模塊收集各類型采集設(shè)備向外發(fā)送的不同格式的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為符合OPC UA統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)將OPC UA格式的數(shù)據(jù)發(fā)送至系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺，保存在集群數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)管理員及系統(tǒng)用戶可以在船上任何地點(diǎn)通過訪問不同虛擬機(jī)及安裝在虛擬機(jī)中的應(yīng)用軟件實現(xiàn)監(jiān)測底層設(shè)備數(shù)據(jù)、控制底層設(shè)備等功能。利用虛擬化技術(shù)，可以實現(xiàn)資源利用率的最大化，增強(qiáng)用戶體驗。智能船舶集成平臺的建設(shè)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能集成平臺建設(shè)架構(gòu)

3 智能集成平臺方案設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)的采集和傳輸

3.1.1 數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計

3.1.1.1 功能要求

數(shù)據(jù)終端采集各種傳感器及設(shè)備的信息，進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，以統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)加密上傳到數(shù)據(jù)接口服務(wù)器，然后由數(shù)據(jù)接口服務(wù)器統(tǒng)一存入數(shù)據(jù)庫。同時，終端也能接收控制命令，以實現(xiàn)設(shè)備一定程度的配置與控制。

對于數(shù)據(jù)采集，根據(jù)軟硬件設(shè)計架構(gòu)，針對特定的設(shè)備進(jìn)行研發(fā)，如機(jī)艙管理系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、電力推進(jìn)系統(tǒng)、機(jī)艙輔助設(shè)備等系統(tǒng)的信號標(biāo)準(zhǔn)特性，并形成文檔，定義采集接口標(biāo)準(zhǔn)方法，通過對信號數(shù)據(jù)采集與分析，完成數(shù)據(jù)采集、協(xié)議轉(zhuǎn)換及終端顯示。

對于船用設(shè)備來說，采集終端需要根據(jù)接口及協(xié)議進(jìn)行針對性的協(xié)議轉(zhuǎn)換，并以統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)加密上傳到數(shù)據(jù)接口服務(wù)器上，再由數(shù)據(jù)接口服務(wù)器統(tǒng)一存入數(shù)據(jù)庫。涉及到的接口可能包括CAN、RS485、RS232、RS22向以太網(wǎng)轉(zhuǎn)化等，涉及到的協(xié)議包括Modbus RTU 、OPC DA、串口自定義、CAN open、各類以太網(wǎng)向標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換等。

終端硬件模塊采用嵌入式系統(tǒng)，通過軟件實現(xiàn)各種不同的數(shù)據(jù)采集功能。

對數(shù)據(jù)采集終端軟件要具備以下功能要求：

（1）硬件：嵌入式系統(tǒng)終端；

（2）數(shù)據(jù)采集硬件接口標(biāo)準(zhǔn)：RS232/485，CAN，Ethernet等；

（3）數(shù)據(jù)采集軟件接口標(biāo)準(zhǔn)：ModBus-RTU、NMEA-0183、串口自定義、ModBus-TCP、CAN Open、CAN自定義等；

（4）信息建模：采用標(biāo)準(zhǔn)OPC UA的信息建模方式對終端設(shè)備的元數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝和建模；

（5）信息傳輸：采用標(biāo)準(zhǔn)OPC UA的信息傳輸方式，構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)器軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的加密傳輸。

3.1.1.2 功能設(shè)計

為了實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)采集和傳輸，擬采用OPC UA標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加密傳輸。終端內(nèi)部通過軟件將不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的元數(shù)據(jù)描述方式，再通過OPC UA標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)從采集終端傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接口服務(wù)器，最后由數(shù)據(jù)接口服務(wù)器統(tǒng)一將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、訪問的總體框圖見圖4。數(shù)據(jù)采集終端對數(shù)據(jù)接口服務(wù)器來說是一個OPC UA服務(wù)器。

圖4 數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、訪問的總體框圖

系統(tǒng)設(shè)計時考慮無線接口的提前設(shè)計與實現(xiàn)，為今后機(jī)器人巡視以及全船范圍的數(shù)據(jù)定時采集提供技術(shù)途徑；同時，考慮現(xiàn)場控制器的數(shù)據(jù)存儲功能，以滿足定時數(shù)據(jù)打包上傳等功能要求，需要時可配置實時數(shù)據(jù)庫。

在數(shù)據(jù)終端設(shè)計過程中，對數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)鏈路安全進(jìn)行設(shè)計，可從以下兩種方案入手：

（1）通過軟加密方式對采集信號進(jìn)行加密傳輸，可保證數(shù)據(jù)上傳不被干擾；

（2）增加一個硬件加密模塊，對部分需要應(yīng)用加密的場景加裝模塊。

以上兩種方式均包含接收端的解密部分（軟件或硬件）。

所開發(fā)的數(shù)據(jù)采集終端是一個功能演示系統(tǒng)，可以接入一個采用Modbus協(xié)議的設(shè)備采集數(shù)據(jù)，以及采集傳感器的模擬與數(shù)字量信息，將上述信息進(jìn)行建模，包括協(xié)議轉(zhuǎn)換和打包處理，轉(zhuǎn)換成OPC UA協(xié)議的不同結(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸。

終端作為一個OPC UA Server等待OPC UA Client的連接請求。終端硬件應(yīng)具有數(shù)據(jù)加密傳輸功能和簡單的基于Web的配置界面。

終端操作系統(tǒng)可以有兩種選擇，如采用Windows系統(tǒng)，則用Visual Studio.Net C#語言和微軟的OPCUA SDK開發(fā)。如采用Linux操作系統(tǒng)，則可以用Flask和python-opcua開源庫，或者Node.js和node-opcua開源庫。

本地數(shù)據(jù)庫考慮采用SQLite（或MySQL），SQLite是一種嵌入式數(shù)據(jù)庫，它的數(shù)據(jù)庫就是一個文件，本身是用C寫的，體積非常小，經(jīng)常被用于嵌入式端的應(yīng)用。

3.1.2 數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)庫設(shè)計

3.1.2.1 功能要求

在研究常用船用硬件及軟件接口的基礎(chǔ)上，針對船用數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，選擇數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)表、索引方式等，并構(gòu)建一個實驗數(shù)據(jù)庫。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建數(shù)據(jù)接口服務(wù)器以提供數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)查詢等功能。內(nèi)容包括：

（1）數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)：包括信息模型、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)庫訪問等標(biāo)準(zhǔn)；

（2）數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)表設(shè)計與構(gòu)建，根據(jù)業(yè)務(wù)需求采用SQL或NoSQL；

（3）數(shù)據(jù)接口服務(wù)器構(gòu)建：通過中間件的形式提供各種數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)查詢等功能。

數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范數(shù)據(jù)終端與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)接口方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向?qū)崟r通信，包括數(shù)據(jù)和功能接口，分別用技術(shù)元數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)來描述。在接口標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)接口服務(wù)器收發(fā)數(shù)據(jù)終端的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)實時存入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，也可接收其他應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)來的查詢和設(shè)備控制命令，所有對數(shù)據(jù)庫的訪問通過數(shù)據(jù)庫接口服務(wù)器進(jìn)行。

對數(shù)據(jù)采集傳輸存儲規(guī)范及數(shù)據(jù)庫設(shè)計詳細(xì)要求：

● 數(shù)據(jù)采集傳輸存儲規(guī)范

（1）總體架構(gòu)設(shè)計：數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、訪問的總體架構(gòu)；

（2）信息建模標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；

（3）數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；

（4）數(shù)據(jù)庫訪問接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；

● 數(shù)據(jù)庫設(shè)計與構(gòu)建

在研究常用船用硬件及軟件的基礎(chǔ)上，針對船用數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，選擇數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)表、索引方式等，并構(gòu)建一個實驗數(shù)據(jù)庫。

3.1.2.2 功能設(shè)計

數(shù)據(jù)采集及通信采用美國OPC基金會發(fā)起的OPC UA標(biāo)準(zhǔn)［8］。它以語義和面向服務(wù)為架構(gòu)，既實現(xiàn)底層設(shè)備的橫向信息集成，還能實現(xiàn)從設(shè)備經(jīng)SCADA、MES到云端的垂直信息集成。

OPC UA特性定義基于TCP的二進(jìn)制通信協(xié)議，通過最小的開銷提供最快的性能，也支持Web服務(wù)和HTTP通信。另外它可以用不同編程語言進(jìn)行開發(fā)并適用于多種操作系統(tǒng)。

對于設(shè)備實時控制所涉及到實時數(shù)據(jù)庫，鑒于其與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)密切相關(guān)，這部分由設(shè)備自帶監(jiān)控系統(tǒng)或數(shù)據(jù)采集終端解決，平臺解決上層的大數(shù)據(jù)采集和智能分析，以關(guān)系數(shù)據(jù)庫為主，輔以必要的NoSQL數(shù)據(jù)庫。

3.1.3 數(shù)據(jù)接口服務(wù)器軟件設(shè)計

3.1.3.1 功能要求

基于OPC UA標(biāo)準(zhǔn)，本軟件實現(xiàn)向OPC UA Server（數(shù)據(jù)采集終端等）接收數(shù)據(jù)，并向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器讀寫實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集入庫；構(gòu)建面向數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)庫訪問接口。

系統(tǒng)達(dá)到的功能為：

（1）能夠連接多個數(shù)據(jù)采集終端（OPC UA Server）；

（2）B/S模式的用戶操作界面，可視化的終端及數(shù)據(jù)顯示；

（3）可以配置不同的數(shù)據(jù)采集參數(shù)，如加密方式、采集時間間隔等。

數(shù)據(jù)接口服務(wù)器有以下功能要求：

（1）OPC UA客戶端程序；

（2）接收數(shù)據(jù)的入庫；

（3）數(shù)據(jù)庫訪問接口。

3.1.3.2 功能設(shè)計

軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和入庫功能。本程序擬基于OPC UA的Python開源SDK開發(fā)包，采用Python語言開發(fā)客戶端程序，連接多個不同的OPC UA服務(wù)器；整體程序采用基于HTML5、CSS3、Python的B/S模式開發(fā)，功能包括OPC UA客戶器、數(shù)據(jù)庫讀寫和軟件界面等部分。

3.2 網(wǎng)絡(luò)方案

3.2.1 功能要求

智能船舶網(wǎng)絡(luò)分為外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)兩部分。外網(wǎng)即標(biāo)準(zhǔn)采集模塊與基礎(chǔ)平臺通信網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)網(wǎng)即服務(wù)器與服務(wù)器、服務(wù)器與存儲之間的通信網(wǎng)絡(luò)。各網(wǎng)絡(luò)之間均要求冗余，使網(wǎng)絡(luò)達(dá)到高度可靠。

3.2.2 功能設(shè)計

在硬件選擇上，外網(wǎng)選擇千兆交換機(jī)，內(nèi)網(wǎng)選擇光纖交換機(jī)。其網(wǎng)絡(luò)部署方式如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

存儲服務(wù)器和平臺服務(wù)器中通過光纖交換機(jī)連接，任意一臺交換機(jī)宕機(jī)情況下，均可保證系統(tǒng)正常使用。云平臺和外部平臺網(wǎng)之間采用4臺千兆交換機(jī)并采取全連接方式，保證服務(wù)器和平臺網(wǎng)之間的網(wǎng)絡(luò)高可用性。

交換機(jī)選擇：

（1）H3C：千兆交換機(jī)H3CS5500-52C-EI；

（2）IBM B24：24口光纖交換機(jī)，激活16口帶模塊，16條5M光纖線。

3.2.3 功能設(shè)計

（1）H3C：48個10/100/1000Base-T以太網(wǎng)端口，4個復(fù)用的1000Base-X千兆SFP端口；支持全雙工；可堆疊；支持所有VLAN；支持GVPR/QinQ。

（2）IBM B24：24個8G FC端口；支持熱插拔。

3.3 基礎(chǔ)平臺方案

3.3.1 基礎(chǔ)平臺硬件

智能集成平臺2臺機(jī)柜中共有4臺云計算服務(wù)器，1臺為主管理服務(wù)器，另外3臺均為節(jié)點(diǎn)服務(wù)器。另有2臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器互為備份，每臺數(shù)據(jù)服務(wù)器中配置600 G硬盤40塊。每個機(jī)柜中還包含2臺供平臺網(wǎng)使用的H3C千兆交換機(jī)，1臺供服務(wù)器內(nèi)部使用的IBM B24光纖交換機(jī)。

3.3.2 基礎(chǔ)平臺軟件

3.3.2.1 功能要求

設(shè)計云平臺系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)庫集群、云計算平臺和網(wǎng)絡(luò)組成。要求如下：

（1）云服務(wù)器

1臺管理服務(wù)器、3個節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，當(dāng)管理服務(wù)器死機(jī)或者物理毀滅時，軟件可實現(xiàn)自動將其中一臺節(jié)點(diǎn)服務(wù)器轉(zhuǎn)成管理服務(wù)器繼續(xù)，保證系統(tǒng)可靠性。

（2）云計算平臺

支持最大可支持同時運(yùn)行50臺虛擬機(jī)，管理員可配置分配各不同虛擬機(jī)資源，支持Docker容器，管理員可配置虛擬機(jī)路由器，支持統(tǒng)一登錄功能。

（3）云存儲

由2臺及以上物理數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；1臺中間件服務(wù)器；1臺數(shù)據(jù)接口服務(wù)器構(gòu)成；存儲有效容量大于20 T（至少提供雙冗余備份）；MySQL Server；MyCat分布式數(shù)據(jù)庫中間件。

（4）數(shù)據(jù)終端

支持100臺及以上，終端由其他項目實現(xiàn)。

（5）云網(wǎng)絡(luò)

云平臺內(nèi)部采用2臺光纖交換機(jī)，采用雙冗余，物理服務(wù)器之間通過交換機(jī)連接，外部交換機(jī)采用4臺交換機(jī)部署全連接方式，外部設(shè)備通過外部交換機(jī)連接。

3.3.2.2 集群數(shù)據(jù)庫設(shè)計

研究表明數(shù)據(jù)庫集群化方法能夠低成本地把本地數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用傳輸?shù)健霸啤倍耍行Ы鉀Q了業(yè)務(wù)規(guī)模飛速增長下帶來數(shù)據(jù)存儲的難題。本方案擬采用多臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，構(gòu)成虛擬數(shù)據(jù)庫邏輯映像，為客戶端提供透明、高效、安全的數(shù)據(jù)服務(wù)。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：SQL、NoSQL，能平滑遷移原有系統(tǒng)。集群方案：能融合內(nèi)存緩存技術(shù)、SQL技術(shù)、Nosql技術(shù)、HDFS大數(shù)據(jù)、中間件技術(shù)。

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用開源MySQL，NoSQL數(shù)據(jù)庫采用MongoDB，數(shù)據(jù)庫集群方案采用MyCat構(gòu)建［9］。MyCat是一個開源分布式數(shù)據(jù)庫中間件，如圖6所示。

圖6 MyCat架構(gòu)設(shè)計圖

3.3.2.3 云計算平臺設(shè)計

云計算平臺通過軟件手段將服務(wù)器集群化，并進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度，對外提供具有可彈性伸縮、高可用、高安全等特性服務(wù)。應(yīng)用、Web、數(shù)據(jù)接口等服務(wù)器均可構(gòu)建在不同的虛擬云服務(wù)器中，基于資源需求和業(yè)務(wù)優(yōu)先級靈活部署虛擬機(jī)，節(jié)約硬件資源。

本方案擬基于分布式集群搭建虛擬化服務(wù)器，將原有的服務(wù)器設(shè)備與虛擬服務(wù)器融合，并統(tǒng)一管理?？蛻舳朔矫?，傳統(tǒng)物理服務(wù)器和虛擬服務(wù)器的訪問模式是一樣的。

本方案利用OpenStack建立私有云，它是一個開源的云計算管理平臺項目，支持多種云環(huán)境，結(jié)構(gòu)如圖7所示，通過各種互補(bǔ)的服務(wù)提供了基礎(chǔ)設(shè)施的解決方案。OpenStack是一個中間層，可以創(chuàng)建、管理和銷毀虛擬機(jī)，但要依賴第三方的Hypervisor，如默認(rèn)Linux 內(nèi)核虛擬機(jī)［10］。

圖7 OpenStack云平臺架構(gòu)

研究采用Docker技術(shù)實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的快速便捷部署和運(yùn)維。Docker提供一個高效、敏捷和輕量的容器方案，能動態(tài)適應(yīng)各種規(guī)模的系統(tǒng)部署需求。Docker整個生命周期包含三部分：鏡像（Image）、容器（Container）、倉庫（Repository）。鏡像和容器的關(guān)系就像程序和進(jìn)程——鏡像是容器運(yùn)行的一大前提，而容器是鏡像的一個運(yùn)行實例，倉庫則是鏡像的管理中心。

3.3.3 基礎(chǔ)應(yīng)用軟件

3.3.3.1 功能要求

將各應(yīng)用軟件部署在虛擬機(jī)上，用戶訪問虛擬機(jī)能夠運(yùn)行應(yīng)用軟件以達(dá)到如監(jiān)測報警、配電監(jiān)控、統(tǒng)一登錄等功能。

（1）平臺應(yīng)用軟件框架要求與原型軟件要求

應(yīng)用軟件開發(fā)框架：

（a）軟件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計；

（b）統(tǒng)一用戶認(rèn)證方案設(shè)計；

（c）大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)接口規(guī)范；

（d）子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互規(guī)范。

功能原型集成監(jiān)控軟件實現(xiàn)：

（a）實時監(jiān)控界面，能動態(tài)顯示實時監(jiān)控狀態(tài)數(shù)據(jù)、異常報警等；

（b）統(tǒng)一用戶認(rèn)證，調(diào)用統(tǒng)一用戶認(rèn)證系統(tǒng)接口實現(xiàn)統(tǒng)一的用戶認(rèn)證和授權(quán)；

（c）通過WebService接口實現(xiàn)子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互。

（2）統(tǒng)一用戶認(rèn)證軟件

統(tǒng)一用戶認(rèn)證是智能船舶系統(tǒng)中的基礎(chǔ)性的平臺功能，對用戶登錄進(jìn)行授權(quán)和集中管理。具體要求包括：

支持Web方式認(rèn)證，提供單點(diǎn)登錄服務(wù)功能：

（a）提供基于LDAP開放標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一用戶管理功能；

（b）支持基于改進(jìn)Kerberos認(rèn)證機(jī)制，加強(qiáng)應(yīng)用安全。

3.3.3.2 應(yīng)用軟件框架設(shè)計

在研究最新軟件開發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對船用工控及管理軟件的實際需求，提出整體的系統(tǒng)軟件架構(gòu)，要在技術(shù)的先進(jìn)性、成熟度、發(fā)展趨勢等方面進(jìn)行綜合考慮，選取最佳的技術(shù)方案。

除特殊的應(yīng)用場合（如嵌入式端的數(shù)據(jù)采集程序），系統(tǒng)的高層軟件采用B/S架構(gòu)。軟件設(shè)計采用MVC（Model View Controller）典范，如圖8所示。MVC 模式同時提供了對 HTML、CSS 和JavaScript 的完全控制。

圖8 MVC 軟件設(shè)計模式

開發(fā)語言要兼顧考慮軍船和民船的需求特點(diǎn)，為了使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)跨平臺互聯(lián)和兼容，可以采用Python、Java、JavaScript等語言。鑒于船用系統(tǒng)的實時性特點(diǎn)，研究采用Node.js運(yùn)行環(huán)境或Django和Falsk框架、WebSocket技術(shù)等實現(xiàn)顯示頁面的動態(tài)更新和即時相應(yīng)。

功能原型軟件針對某一特定設(shè)備進(jìn)行設(shè)計和實施，基于B/S架構(gòu)實施，包括幾個功能：

（1）實時監(jiān)控界面，能動態(tài)顯示實時監(jiān)控狀態(tài)數(shù)據(jù)、異常報警、設(shè)備健康狀況等；

（2）統(tǒng)一的用戶認(rèn)證，調(diào)用統(tǒng)一用戶認(rèn)證系統(tǒng)接口實現(xiàn)統(tǒng)一的用戶認(rèn)證和授權(quán)；

（3）制定大數(shù)據(jù)分析的WebService接口，通過大數(shù)據(jù)分析中間件實現(xiàn)特定的智能處理功能；

（4）通過WebService實現(xiàn)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互。

3.3.3.3 統(tǒng)一用戶認(rèn)證軟件設(shè)計

現(xiàn)在目錄服務(wù)技術(shù)是許多新型技術(shù)實現(xiàn)信息存儲、管理和查詢的首選方案［11］。建立基于輕量級目錄訪問協(xié)議（LDAP）技術(shù)的統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)，用目錄服務(wù)數(shù)據(jù)庫存儲用戶和和應(yīng)用系統(tǒng)的信息，實現(xiàn)對用戶認(rèn)證、授權(quán)和管理，以及訪問控制，如圖9所示。

圖9 統(tǒng)一用戶認(rèn)證體系結(jié)構(gòu)

3.4 用戶管理使用方案

3.4.1 功能要求

通過統(tǒng)一用戶管理及認(rèn)證系統(tǒng)，對智能船舶信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的所有用戶身份進(jìn)行統(tǒng)一管理，其中功能要求如下：

（1）統(tǒng)一用戶管理

統(tǒng)一用戶管理為各級管理員提供一個統(tǒng)一的用戶管理入口，由各級管理員對機(jī)構(gòu)、組群、用戶、應(yīng)用進(jìn)行相應(yīng)的管理維護(hù)。

（2）統(tǒng)一管理員管理

由超級管理員為各級管理員進(jìn)行相應(yīng)的機(jī)構(gòu)、人員、組群、應(yīng)用等管理權(quán)限的管理維護(hù)。

（3）用戶應(yīng)用授權(quán)

系統(tǒng)界面將向管理員展現(xiàn)出一棵機(jī)構(gòu)樹方便管理員對相應(yīng)人員或組群應(yīng)用授權(quán)。

（4）分級分權(quán)管理

通過集中管理人員信息，企業(yè)各級管理員可為各級機(jī)構(gòu)人員進(jìn)行分級委托授權(quán)。

（5）統(tǒng)一用戶數(shù)據(jù)管理

所有用戶信息、機(jī)構(gòu)信息和授權(quán)信息都?xì)w于統(tǒng)一用戶管理系統(tǒng)

（6）統(tǒng)一身份認(rèn)證

包含UAM系統(tǒng)認(rèn)證、應(yīng)用系統(tǒng)認(rèn)證。UAM系統(tǒng)支持用戶名/口令、數(shù)字證書兩種方式登錄；與UAM結(jié)合的應(yīng)用系統(tǒng)可通過DAS分布認(rèn)證系統(tǒng)組件進(jìn)行用戶名/口令、數(shù)字證書兩種方式登錄。

（7）安全審計

對所有操作行為進(jìn)行的安全日志記錄。提供全面、可靠的安全審計功能。可以記錄用戶登錄的時間、具體操作行為等。

用戶通過用戶名/口令或數(shù)字證書的登錄虛擬機(jī)，可以通過運(yùn)行該虛擬機(jī)中的應(yīng)用軟件實現(xiàn)對底層設(shè)備的數(shù)據(jù)監(jiān)控和控制功能，不受地點(diǎn)限制。

3.4.2 功能設(shè)計

通過虛擬機(jī)訪問，無功能設(shè)計。

4 極地科考船智能船舶集成平臺實例

4.1 項目背景及其需求牽引

極地科考船是到達(dá)極地海洋目標(biāo)區(qū)域、開展冰區(qū)海洋調(diào)查作業(yè)必備的基本條件和重要保證，是我國實施兩級戰(zhàn)略布局、拓展戰(zhàn)略空間的關(guān)鍵。本項目為極地科考船進(jìn)行智能機(jī)艙加裝，在具有特殊性和代表性的極區(qū)科學(xué)考察船上的應(yīng)用尚屬首次，通過該項目工作的研發(fā)與實施，建成之后的極地科考船將成為世界上最先進(jìn)的極地科考破冰船之一。

目前主機(jī)、輔機(jī)、軸系等關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)已非常成熟，而沒有對柴油機(jī)燃燒室溫度、增壓器性能方面的精細(xì)化監(jiān)測，沒有主要設(shè)備健康評估模型，也缺乏主要設(shè)備性能評估模型。

因此，需要利用現(xiàn)有的自動化技術(shù)對柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、軸系等主要機(jī)械設(shè)備及其輔助設(shè)備進(jìn)行持續(xù)狀態(tài)監(jiān)測，要求主動力設(shè)備按照《規(guī)范》對機(jī)艙主要設(shè)備進(jìn)行更加細(xì)致的監(jiān)測和更加精確的控制，并給出比較詳細(xì)的能耗和性能參數(shù)或者曲線，供上位優(yōu)化控制。系統(tǒng)根據(jù)各種機(jī)艙設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)健康評估和輔助決策技術(shù)，包括維護(hù)保養(yǎng)的決策。［12］

4.2 智能機(jī)艙集成平臺方案實施

4.2.1 工作目標(biāo)

對本船機(jī)艙柴油機(jī)系統(tǒng)、電力推進(jìn)系統(tǒng)、輔助設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)化集成，在各系統(tǒng)達(dá)到故障預(yù)警、健康分析的前提下，對系統(tǒng)進(jìn)行整合達(dá)到機(jī)艙設(shè)備間的信息融合和聯(lián)動功能，并在此基礎(chǔ)上為船舶操作和管理人員提供實時船舶運(yùn)行數(shù)據(jù)、健康狀態(tài)等信息，幫助船員進(jìn)行輔助決策建議。集成柴油機(jī)健康管理系統(tǒng)、電力推進(jìn)健康管理系統(tǒng)、輔助設(shè)備健康管理系統(tǒng)并申請CCS智能機(jī)艙（i-ship M）附加標(biāo)志。

4.2.2 平臺功能

（1）機(jī)艙各系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息集中顯示、處理；

（2）系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合與集中化顯示，根據(jù)后續(xù)船東要求預(yù)留關(guān)聯(lián)性分析接口；

（3）機(jī)艙整體設(shè)備輔助決策；

（4）為柴油機(jī)健康管理系統(tǒng)、電力推進(jìn)健康管理系統(tǒng)、輔助設(shè)備健康管理系統(tǒng)提供上層硬件支持；

（5）為柴油機(jī)健康管理系統(tǒng)、電力推進(jìn)健康管理系統(tǒng)、輔助設(shè)備健康管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)導(dǎo)出及備份接口；

（6）提供統(tǒng)一的破冰/清水工況設(shè)置功能；

（7）為智能船舶其他部分提供機(jī)艙設(shè)備數(shù)據(jù)與健康狀態(tài)（預(yù)留）。

4.2.3 初始化數(shù)據(jù)及來源

（1） 柴油機(jī)數(shù)據(jù)來源于柴油機(jī)健康管理系統(tǒng)；

（2） 電力推進(jìn)數(shù)據(jù)來源于電力推進(jìn)健康管理系統(tǒng)；

（3） 輔助設(shè)備數(shù)據(jù)來源于輔助設(shè)備健康管理系統(tǒng)；

柴油機(jī)健康管理系統(tǒng)、電力推進(jìn)健康管理系統(tǒng)所需的IAS數(shù)據(jù)由平臺統(tǒng)一采集后提供給所需設(shè)備。

4.2.4 平臺搭建

硬件由三臺安裝在集控室的工控機(jī)，UPS模塊、信息采集箱I型、顯示器、鍵盤鼠標(biāo)等組成。軟件則包括人機(jī)交互界面、通信接口模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、報警管理模塊、權(quán)限管理模塊組成。

三臺工控機(jī)分別連上信息采集箱I型中的KVM，操作員可在集控室通過KVM視頻切換器切換柴油機(jī)健康管理系統(tǒng)、電力推進(jìn)健康管理系統(tǒng)和輔助設(shè)備健康管理系統(tǒng)，各子系統(tǒng)接口如表1所示。

表1 各子系統(tǒng)接口

柴油機(jī)健康管理系統(tǒng)、電力推進(jìn)健康管理系統(tǒng)、輔助設(shè)備健康管理系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)通過信息采集箱I型中的交換機(jī)統(tǒng)一存入智能機(jī)艙集成平臺內(nèi)。智能機(jī)艙集成平臺系統(tǒng)框圖如圖10所示。

圖10 智能機(jī)艙集成平臺系統(tǒng)框圖

5 結(jié) 語

在“建設(shè)海洋強(qiáng)國”和“大力發(fā)展海洋工程裝備和高科技船舶”的時代背景下，以CCS《智能船舶規(guī)范（2015）》開始生效為契機(jī)，從功能特點(diǎn)、技術(shù)基礎(chǔ)、系統(tǒng)架構(gòu)等方面對智能船舶集成平臺進(jìn)行了研究，探索其實現(xiàn)路徑和技術(shù)手段，提出一種通用的智能船舶集成平臺的設(shè)計思路，包括系統(tǒng)架構(gòu)和實施步驟，最后以新型極地科考船的智能機(jī)艙加裝方案為實例，說明智能集成平臺設(shè)計與搭建方法。通過集成平臺建設(shè)、數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)機(jī)艙智能化，為船員提供機(jī)艙狀態(tài)、健康情況、輔助決策，降低船員勞動強(qiáng)度，提高本船運(yùn)營效能。