海洋平臺(tái)電子信息系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方法*

張立偉，王積鵬，趙長(zhǎng)明，戴 磊

（1.北京理工大學(xué)，北京 100081；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院，北京 100041）

0 引言

當(dāng)前，世界格局調(diào)整持續(xù)深化，海洋在我國(guó)安全和發(fā)展中的重要地位日益凸顯。提高海洋資源開發(fā)能力、維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益和建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)[1]，成為民族復(fù)興的急迫需求和時(shí)代的強(qiáng)烈呼喚。黨的十九大再次提出加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的重大部署，將維護(hù)我國(guó)海洋安全和發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)提升到國(guó)家戰(zhàn)略的高度[2]。實(shí)施這一重大部署，對(duì)維護(hù)國(guó)家主權(quán)安全、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展以及實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興，具有重大而深遠(yuǎn)的意義[3]。

為支撐我國(guó)電子信息領(lǐng)域的快速發(fā)展和占領(lǐng)國(guó)際領(lǐng)先地位，打造世界級(jí)的海洋信息化體系是國(guó)家軍事安全和我國(guó)海洋戰(zhàn)略發(fā)展的需求[4]。為服務(wù)國(guó)家海洋信息化體系建設(shè)，匯聚各方優(yōu)勢(shì)資源能力，需以體系化的信息技術(shù)優(yōu)勢(shì)開展海洋平臺(tái)電子信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)踐。前期各類海洋平臺(tái)的建設(shè)，已逐步驗(yàn)證了海洋信息采集、傳輸、融合處理及智能管控等多種海上信息支撐能力，但也存在海洋平臺(tái)電子信息系統(tǒng)集成度較低、較差、長(zhǎng)期工作能力不足、擴(kuò)展性和通用性受限等問題，難以應(yīng)對(duì)各類用戶在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的服務(wù)需求。

本文為滿足目標(biāo)監(jiān)視、數(shù)據(jù)服務(wù)等業(yè)務(wù)需求，開展了海洋平臺(tái)電子信息系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)研究，為進(jìn)一步提升系統(tǒng)遠(yuǎn)程無(wú)人管控、能源自保障等海洋平臺(tái)系統(tǒng)關(guān)鍵能力奠定了重要基礎(chǔ)。

1 相關(guān)工作

1.1 浮標(biāo)型海洋信息系統(tǒng)

浮標(biāo)型是目前應(yīng)用最廣泛的海洋平臺(tái)電子信息系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向、波高、波向、流速、流向、氣溫、氣壓、濕度、水溫、鹽度和深度等海洋環(huán)境信息開展一體化測(cè)量。浮標(biāo)型海洋裝備的特點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、部署靈活、海域適應(yīng)性強(qiáng)、定制化搭載設(shè)備高以及功耗低可獨(dú)立工作，適合大量部署。

傳統(tǒng)的海洋浮標(biāo)為通用型系留浮標(biāo)，標(biāo)體直徑最大超過10 m，普遍采用太陽(yáng)能板進(jìn)行供電，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，具有較強(qiáng)的搭載能力。它的典型代表是美國(guó)NOAA研制的系列浮標(biāo)，根據(jù)搭載需求不同，標(biāo)體直徑可以選擇1.5～12 m。它采用錨泊系統(tǒng)固定，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各類海洋信息感知傳感器的搭載[5]。我國(guó)在通用型浮標(biāo)領(lǐng)域也開展了大量工作，典型成果有中科院海洋所研制的深海多參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸浮標(biāo)，集成了氣象、GPS、剖面海流以及剖面溫鹽等諸多傳感器。它采用水下感應(yīng)耦合傳輸技術(shù)，通過衛(wèi)星通信方式，可實(shí)時(shí)獲取海面氣象、浮標(biāo)位置、水下500 m剖面海流和溫鹽數(shù)據(jù)等資料，最大布放深度4 500 m[6]。國(guó)家海洋局研制的白龍浮標(biāo)，最大部署深度7 000 m，連續(xù)使用時(shí)間超過18個(gè)月，可以觀測(cè)海表氣溫、氣壓、風(fēng)速風(fēng)向、相對(duì)濕度、雨量、長(zhǎng)波和短波輻射等參量，還可以通過感應(yīng)耦合傳輸技術(shù)實(shí)時(shí)采集海洋表層至深層海水溫度、鹽度、海流、溶解氧等重要海洋參數(shù)[7]。通用型系留浮標(biāo)經(jīng)過多年的發(fā)展，目前已經(jīng)基本可以實(shí)現(xiàn)全海域的部署，但是目前受供電手段制約，連續(xù)工作能力普遍不足，后期維修維護(hù)成本高。

由于單體浮標(biāo)裝備尺寸空間和供電能力有限，浮標(biāo)型海洋平臺(tái)裝備目前只能開展定制化專用型設(shè)計(jì)。目前較為有代表性的有美國(guó)伍茲霍爾研究所（Woods Hole Oceanographic Institute，WHOI）設(shè)計(jì)的水下剖面信息測(cè)量浮標(biāo)（McLane Moored Profiler，MMP）[8]，采用240 Ah電池供電，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)30～6 000 m水深范圍內(nèi)的水下剖面流速和水文資料的自主觀測(cè)；挪威OCEANOR公司設(shè)計(jì)的海上風(fēng)剖面浮標(biāo)SEAWATCH Wind LiDAR[9]，通過搭載的激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)海上剖面風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量；美國(guó)NOAA設(shè)計(jì)的海嘯浮標(biāo)DART[10]，通過系留纜連接坐底式海嘯測(cè)量?jī)x和海面標(biāo)體，實(shí)現(xiàn)5 000 m水深以下海域的海嘯信息測(cè)量；荷蘭Datawell公司設(shè)計(jì)的波浪浮標(biāo)波浪騎士[11]，通過自帶電池，可以實(shí)現(xiàn)3年的自主波浪測(cè)量、信息收集和數(shù)據(jù)傳輸；美國(guó)研制的光學(xué)浮標(biāo)MOBY[12]，采用不倒翁式設(shè)計(jì)，在水面上布置傳感器和供電太陽(yáng)能板，在水下布置光學(xué)傳感器和設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海水表層、真光層和海底光學(xué)特性的自主測(cè)量；美國(guó)NOAA設(shè)計(jì)的海水酸化觀測(cè)浮標(biāo)[13]，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海水表層和大氣二氧化碳濃度的監(jiān)測(cè)。專用型浮標(biāo)的搭載能力低于傳統(tǒng)綜合性浮標(biāo)，但其針對(duì)某一類型觀測(cè)信息開展了適應(yīng)性設(shè)計(jì)，在海域適應(yīng)能力、供電能力以及成本控制等方面均得到了較大的提升。

浮標(biāo)型海洋平臺(tái)電子信息系統(tǒng)（不論是通用型還是專用型浮標(biāo)）具有成本低、可推廣性強(qiáng)以及海域使用范圍大的特點(diǎn)，但受到結(jié)構(gòu)尺寸制約，載荷搭載和感知探測(cè)能力均難以滿足海洋平臺(tái)電子信息系統(tǒng)需求。

1.2 船載型海洋信息系統(tǒng)

船載型海洋平臺(tái)電子信息系統(tǒng)是利用船舶作為海洋信息采集設(shè)備的載體，對(duì)目標(biāo)海域進(jìn)行大范圍的海域調(diào)研，具有良好的機(jī)動(dòng)性。同時(shí)，它的搭載空間和供電能力也能夠滿足大部分海洋觀測(cè)設(shè)備的搭載。此外，船載型海洋信息調(diào)查裝備由于其出色的機(jī)動(dòng)性，還具有一定的軍事用途。

國(guó)外已經(jīng)有了大量的船載型海洋平臺(tái)電子信息系統(tǒng)裝備，普遍稱為海洋調(diào)查船。較為先進(jìn)的有美國(guó)海軍Bruce C.Heeze號(hào)綜合調(diào)查船，全長(zhǎng)100.3 m，型寬17.6 m，吃水5.8 m，續(xù)航力12 000海里。船上裝備12 000 m海深測(cè)深儀、CTD、多波束、淺地層剖面儀、磁力儀、ADCP、聲速系統(tǒng)以及海洋表面溫度測(cè)量系統(tǒng)等，能夠滿足開展海洋物理、化學(xué)、地磁、水文、地震以及聲學(xué)等多種學(xué)科的海洋調(diào)查；日本水產(chǎn)綜合研究中心下屬的西海區(qū)水產(chǎn)研究“陽(yáng)光丸”漁業(yè)調(diào)查船991 t，全長(zhǎng)58.6 m，型寬11 m，型深6.85 m，航速13節(jié)，續(xù)航力5 760海里[14]；美國(guó)“Marcus G.Langseth”海底地質(zhì)調(diào)查船，船型長(zhǎng)72 m，型寬17 m，吃水5.9 m，最大航速13節(jié)，排水量3 834 t，續(xù)航力13 500海里，且安裝了Syntrak 960-24地震記錄系統(tǒng)和氣動(dòng)生源陣列拖曳系統(tǒng)等，具有全面的地球物理學(xué)和地質(zhì)地震探索能力[15]；美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)的“北極星”號(hào)極地調(diào)查船全長(zhǎng)121.6 m，型寬24 m，排水量11 000 t，具備功能先進(jìn)的破冰和抗橫傾系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)冰區(qū)的研究和保障[16]。

在軍用方面，利用海洋調(diào)查船可以開展海底監(jiān)聽，以監(jiān)聽他國(guó)潛艇動(dòng)態(tài)。目前，美國(guó)海軍擁有“堅(jiān)強(qiáng)級(jí)”“勝利級(jí)”和“完美級(jí)”3種吃水深度的監(jiān)測(cè)船，排水量分別為2 285 t、3 380 t、5 270 t。其中，“完美級(jí)”搭載能力最強(qiáng)，船長(zhǎng)85.8 m，型寬29 m，采用雙體船結(jié)構(gòu)，甲板面積較傳統(tǒng)船舶增加50%可用面積，以增加電子設(shè)備的搭載能力。它裝備有主動(dòng)和被動(dòng)兩種聲吶陣列探測(cè)系統(tǒng)來(lái)偵探海底的潛水艇，可探知100海里范圍內(nèi)150～450 m深度的潛艇方位和類型。

我國(guó)在船載海洋平臺(tái)電子信息系統(tǒng)方面也開展了大量工作。其中，中科院的“科學(xué)”號(hào)調(diào)查船是我國(guó)目前最大的綜合科考船，船總長(zhǎng)99.6 m，型寬17.8 m，設(shè)計(jì)吃水5.6 m，設(shè)計(jì)排水量約4 660 t，續(xù)航力15 000海里，可以在國(guó)際海域開展調(diào)查，配備DP-1動(dòng)力定位系統(tǒng)，最大航速超過15節(jié)。該船安裝了自動(dòng)氣象站、萬(wàn)米測(cè)深儀、ADCP、雙頻回聲測(cè)深儀等儀器以及輔助設(shè)備，同時(shí)設(shè)置了地震實(shí)驗(yàn)室、地貌實(shí)驗(yàn)室、磁力實(shí)驗(yàn)室、氣象實(shí)驗(yàn)室、干濕實(shí)驗(yàn)室以及重力實(shí)驗(yàn)室等；“海洋六號(hào)”是我國(guó)自行設(shè)計(jì)建造的地質(zhì)調(diào)查船，長(zhǎng)106 m，寬17.4 m，排水量4 600 t，續(xù)航能力15 000海里，配有4 000 m級(jí)深海水下機(jī)器人“海獅號(hào)”、深水多波束測(cè)深系統(tǒng)、深水淺地層剖面系統(tǒng)以及長(zhǎng)排列大容量高分辨率地震采集系統(tǒng)等多種高科技調(diào)查設(shè)備[17]。

船載型海洋平臺(tái)電子信息系統(tǒng)目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在深遠(yuǎn)海和極地地區(qū)的可靠應(yīng)用，在搭載能力、機(jī)動(dòng)能力、環(huán)境適應(yīng)能力和可持續(xù)能力等方面均具有較高的水平。但是，船載型裝備的經(jīng)濟(jì)性較低，裝備建造和運(yùn)營(yíng)成本高，而且無(wú)法對(duì)區(qū)域開展長(zhǎng)期觀測(cè)，限制了船載裝備的用途。

1.3 平臺(tái)型海洋信息系統(tǒng)

近年來(lái)，在浮標(biāo)型和船載型裝備以外，在海洋固定式平臺(tái)和浮動(dòng)式平臺(tái)上搭載海洋觀測(cè)儀器也成為一種主流方式。海洋平臺(tái)尺寸一般較大，甲板尺寸可以達(dá)到100 m×100 m，因此可以提供足夠的搭載空間。同時(shí)，海洋平臺(tái)具有足夠的能源供應(yīng)，可支撐搭載的海洋儀器持續(xù)工作。然而，鑒于石油平臺(tái)具有大量的水下管線，基于石油平臺(tái)開展水下設(shè)備搭載難度較大，而且政治因素限制了利用石油平臺(tái)開展軍事用途的海洋觀測(cè)活動(dòng)。為了解決這一問題，各國(guó)開展了專用海洋平臺(tái)的設(shè)計(jì)與建造，代表性的有韓國(guó)在蘇巖礁建造的海洋觀測(cè)平臺(tái)。該平臺(tái)采用典型導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)，出水面高36 m，利用風(fēng)能、太陽(yáng)能和油機(jī)供電，搭載衛(wèi)通、雷達(dá)以及氣象設(shè)備等海洋儀器。美國(guó)的?；鵛波段雷達(dá)采用海洋平臺(tái)改建，甲板長(zhǎng)119 m，寬76 m，排水量50 000 t，可承受60 m/s的臺(tái)風(fēng)侵襲，具有動(dòng)力系統(tǒng)，航速可達(dá)11 km/h。雷達(dá)平臺(tái)搭載了SBX雷達(dá)，對(duì)空探測(cè)距離達(dá)4 800 km，同時(shí)搭載了大量的海面探測(cè)設(shè)備，可以對(duì)所在海域的綜合信息進(jìn)行探測(cè)。唐山航島海洋重工有限公司設(shè)計(jì)的桁架式超大型海上平臺(tái)“航島”，是具有長(zhǎng)300 m、排水量達(dá)到100 000 t的海上超大型浮式平臺(tái)，可以為海洋觀測(cè)裝備提供充足的搭載環(huán)境和搭載條件。

平臺(tái)型海洋裝備的搭載空間和能力較強(qiáng)，同時(shí)可以在海況惡劣海域長(zhǎng)期定位觀測(cè)。但是，它的造價(jià)和維護(hù)成本過高，一般僅能用于軍事用途，難以大范圍推廣。

2 系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在架構(gòu)上可劃分為支撐層、接入層、處理層和信息傳送層4個(gè)層次，且標(biāo)準(zhǔn)體系、安全體系、保障體系貫穿系統(tǒng)架構(gòu)各層。體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型

2.1 支撐層

支撐層負(fù)責(zé)為系統(tǒng)運(yùn)行提供基本保障條件，其主要有臺(tái)體支撐、能源供給、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和安全防護(hù)等功能。其中，臺(tái)體支撐為搭載設(shè)備提供安裝空間和加裝接口，能源供給通過各種發(fā)電手段對(duì)搭載設(shè)備進(jìn)行供電，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為搭載設(shè)備提供各類基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，安全防護(hù)為搭載設(shè)備提供環(huán)境監(jiān)視和入侵防護(hù)。

2.2 接入層

接入層負(fù)責(zé)搭載設(shè)備在物理上和業(yè)務(wù)上的接入，并將獲取的信息發(fā)送至數(shù)據(jù)處理層，主要有設(shè)備接入、狀態(tài)獲取、開關(guān)控制和業(yè)務(wù)控制等功能。其中，設(shè)備接入為搭載設(shè)備提供電氣接口和信息接口，狀態(tài)獲取負(fù)責(zé)采集搭載設(shè)備的各類狀態(tài)信息，開關(guān)控制和業(yè)務(wù)控制分別為處理層提供設(shè)備開關(guān)機(jī)控制接口和模式控制接口。

2.3 處理層

處理層負(fù)責(zé)各類狀態(tài)數(shù)據(jù)和感知業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的處理，以及系統(tǒng)的管理與控制。其中，狀態(tài)管理負(fù)責(zé)對(duì)接入的系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行分析，并形成系統(tǒng)工作日志；故障診斷根據(jù)系統(tǒng)工作日志和實(shí)時(shí)設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行故障診斷，并給出故障解決建議；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)負(fù)責(zé)保存系統(tǒng)的各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)和工作日志等內(nèi)容；數(shù)據(jù)融合負(fù)責(zé)對(duì)接入業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，形成統(tǒng)一的態(tài)勢(shì)信息；參數(shù)配置根據(jù)信息傳送層下發(fā)的配置指令，完成搭載設(shè)備的軟硬件參數(shù)配置；用戶管理是對(duì)不同登錄用戶的權(quán)限進(jìn)行分配；模式切換根據(jù)管控指令完成系統(tǒng)工作模式的切換；設(shè)備管理根據(jù)管控指令完成設(shè)備的業(yè)務(wù)模式管理和開關(guān)機(jī)的控制。

2.4 信息傳送層

信息傳送層負(fù)責(zé)系統(tǒng)與外部的信息交互，主要有數(shù)據(jù)傳輸、鏈路切換、協(xié)議轉(zhuǎn)換和應(yīng)急通信。其中，數(shù)據(jù)傳輸負(fù)責(zé)接收外部管控指令，并上報(bào)系統(tǒng)狀態(tài)信息和感知數(shù)據(jù)；鏈路切換負(fù)責(zé)根據(jù)通信鏈路狀態(tài)實(shí)現(xiàn)不同鏈路之間的切換；協(xié)議轉(zhuǎn)換負(fù)責(zé)解析外部指令，并封裝系統(tǒng)向外部傳輸?shù)男畔?；?yīng)急通信為外部用戶提供備用管控通道，并上報(bào)系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)信息。

2.5 標(biāo)準(zhǔn)體系

系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系包括運(yùn)維保障標(biāo)準(zhǔn)、工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工程管理標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)和安全標(biāo)準(zhǔn)等，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備研制生產(chǎn)、總裝集成、拖航及布放、運(yùn)維保障等全過程提供規(guī)范和依據(jù)。

2.6 安全體系

安全體系包括數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)傳輸安全、網(wǎng)絡(luò)邊界防護(hù)、網(wǎng)絡(luò)安全審計(jì)和系統(tǒng)安全防護(hù)等，為系統(tǒng)可靠運(yùn)行提供安全運(yùn)行環(huán)境和防護(hù)手段。

2.7 保障體系

保障體系是一個(gè)綜合性體系，并非單純依靠技術(shù)手段就能實(shí)現(xiàn)，而是要從運(yùn)行機(jī)制、管理體制、資源配置以及標(biāo)準(zhǔn)制定等多個(gè)方面入手進(jìn)行構(gòu)建，是一個(gè)長(zhǎng)期積累、持續(xù)發(fā)展和不斷迭代改進(jìn)的過程。

3 系統(tǒng)工作原理設(shè)計(jì)

海洋平臺(tái)電子信息系統(tǒng)由海洋浮臺(tái)系統(tǒng)、綜合一體化電子信息系統(tǒng)和多能互補(bǔ)智能供電系統(tǒng)組成。其中，綜合一體化電子信息系統(tǒng)由智能管控系統(tǒng)、基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)、多源目標(biāo)處理系統(tǒng)和信息傳送系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)對(duì)外通過不同無(wú)線傳輸設(shè)備建立與用戶間的通信鏈路，實(shí)現(xiàn)對(duì)岸信息交互。它在系統(tǒng)內(nèi)部以交換機(jī)的方式建立通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部信息傳輸，并分隔內(nèi)外網(wǎng)以保障系統(tǒng)自身信息安全，同時(shí)建立內(nèi)部實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)總線向用戶設(shè)備提供姿態(tài)、位置等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)工作原理設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理

平臺(tái)系統(tǒng)通過平臺(tái)和錨系裝置為全系統(tǒng)設(shè)備提供穩(wěn)定的海上物理載體，配備照明、通風(fēng)、排污以及燃油存儲(chǔ)等設(shè)備，從而為維護(hù)人員登臺(tái)檢修和能源分系統(tǒng)柴油機(jī)運(yùn)行提供物理環(huán)境保障，并配備壓載水調(diào)節(jié)設(shè)備以實(shí)現(xiàn)不同水深條件下的平臺(tái)吃水調(diào)節(jié)能力。通過臺(tái)體監(jiān)控完成對(duì)上述設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和部分設(shè)備的本地控制，并將狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上報(bào)至智能管控系統(tǒng)。

供電系統(tǒng)通過柴油機(jī)、風(fēng)能、光伏以及海洋能等發(fā)電手段互補(bǔ)的形式實(shí)現(xiàn)海上自主發(fā)電，通過蓄電池完成電力存儲(chǔ)以保證發(fā)電手段出現(xiàn)間斷時(shí)系統(tǒng)能夠持續(xù)運(yùn)行，并在發(fā)電能力缺失的情況下為系統(tǒng)維護(hù)維修提供時(shí)間緩沖。供電系統(tǒng)通過交流220 V和直流48 V兩種母線形式完成對(duì)外電力輸送，并利用柴油機(jī)發(fā)電實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)體分系統(tǒng)大功率設(shè)備的電力保障。同時(shí)，供電系統(tǒng)將自身發(fā)電、蓄電和配電的各類狀態(tài)信息經(jīng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上報(bào)至智能管控系統(tǒng)。

智能管控系統(tǒng)利用部署在不同艙室內(nèi)的供電箱接入能源分系統(tǒng)的輸電母線，經(jīng)過穩(wěn)壓、整流為全系統(tǒng)電子設(shè)備提供不同形式的供電接口，并實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)電子設(shè)備的開關(guān)機(jī)管理。智能管控分系統(tǒng)具備主用、備用兩種手段，以獲取全系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、物理環(huán)境狀態(tài)及信息交互狀態(tài)，完成系統(tǒng)狀態(tài)管理和故障診斷，同時(shí)根據(jù)用戶指令、當(dāng)前系統(tǒng)健康狀態(tài)或搭載服務(wù)分系統(tǒng)請(qǐng)求，完成設(shè)備開關(guān)機(jī)、參數(shù)配置和軟件更新等管控工作。

基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)除為系統(tǒng)搭建內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)以外，通過姿態(tài)/時(shí)統(tǒng)設(shè)備為全系統(tǒng)提供基礎(chǔ)位置、姿態(tài)和時(shí)間信息；通過內(nèi)外部環(huán)境傳感器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作環(huán)境監(jiān)測(cè)；通過安防設(shè)備監(jiān)視臺(tái)體人員入侵情況和失火情況，并采取相應(yīng)警示處理手段；通過聲力電話和無(wú)線路由器，為維護(hù)人員提供臺(tái)體內(nèi)部和近距離通信手段。同時(shí)，基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)將上述采集到的信息經(jīng)內(nèi)外部通信鏈路上報(bào)至智能管控分系統(tǒng)和用戶，以便進(jìn)行系統(tǒng)管控操作。

多源目標(biāo)處理系統(tǒng)連接各類用戶搭載設(shè)備和加載用戶業(yè)務(wù)處理軟件，根據(jù)用戶指令對(duì)其搭載設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行策略設(shè)定和相關(guān)業(yè)務(wù)操作，并對(duì)搭載設(shè)備采集的信息進(jìn)行匯集、處理與融合，以及根據(jù)形成的周邊態(tài)勢(shì)情況開展不同設(shè)備間的聯(lián)動(dòng)操作，更好地完成用戶所需的信息感知與業(yè)務(wù)服務(wù)。同時(shí)，它將獲取的搭載設(shè)備狀態(tài)上報(bào)至智能管控分系統(tǒng)進(jìn)行故障分析與診斷，在對(duì)岸通信質(zhì)量降低的情況下，為用戶搭載設(shè)備提供數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)能力。

信息傳送系統(tǒng)主要采用Ku衛(wèi)星通信和北斗通信兩種手段建立對(duì)岸無(wú)線信息傳送鏈路，通過主備兩個(gè)Ku衛(wèi)星通信設(shè)備對(duì)接岸基不同主站，保障寬帶通信鏈路。同時(shí)，信息傳送系統(tǒng)監(jiān)測(cè)各對(duì)外通信設(shè)備的工作狀態(tài)，獲取海上通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同鏈路的切換，并根據(jù)當(dāng)前鏈路傳輸能力對(duì)各系統(tǒng)需回傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行組包發(fā)送。

4 系統(tǒng)工程特性設(shè)計(jì)

4.1 可靠性設(shè)計(jì)

海洋平臺(tái)電子信息系統(tǒng)在海上部署使用且無(wú)人值守，故障后需出海維修，且單次維修的準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)、維修本較高，因此僅當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生影響任務(wù)的嚴(yán)重故障時(shí)才需立即開展維修工作。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生不影響任務(wù)的一般故障時(shí)，一般不需立即開展維修，而是盡量結(jié)合重要故障的維修或定期維護(hù)一并開展。因此，系統(tǒng)的可靠性工作應(yīng)著重關(guān)注系統(tǒng)的任務(wù)可靠性，盡量避免發(fā)生嚴(yán)重故障，降低出海維修頻率，提高系統(tǒng)可用性。

依據(jù)GJB 813—1990建立系統(tǒng)的任務(wù)可靠性模型。任務(wù)可靠性的故障判據(jù)：造成系統(tǒng)在任務(wù)期間不能為搭載設(shè)備提供必要的生存保障、能源供應(yīng)、智能管控和數(shù)據(jù)通信服務(wù)，導(dǎo)致搭載設(shè)備無(wú)法工作，必須立刻進(jìn)行故障維修。其中，臺(tái)體分系統(tǒng)中為油機(jī)發(fā)電提供通風(fēng)排氣、變壓以及供油等配套設(shè)備的可靠性，將在供電分系統(tǒng)中一并進(jìn)行考慮。任務(wù)可靠性框圖模型如圖3所示。

4.2 維修性設(shè)計(jì)

根據(jù)海洋平臺(tái)電子信息系統(tǒng)的任務(wù)特點(diǎn)和工作特性，系統(tǒng)的維修等級(jí)大致分為基層級(jí)（現(xiàn)場(chǎng)級(jí)）和基地級(jí)（返廠維修）。

4.2.1 基層級(jí)（現(xiàn)場(chǎng)級(jí)）

根據(jù)故障表現(xiàn)，基于綜合管控系統(tǒng)、BIT或自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備的故障定位信息，在平臺(tái)系統(tǒng)工作現(xiàn)場(chǎng)直接定位故障并更換LRU。該級(jí)別不負(fù)責(zé)LRU的維修，直接送往基地級(jí)進(jìn)行LRU的維修?；鶎蛹?jí)維修職能流程如圖4所示。

4.2.2 基地級(jí)（返廠維修）

對(duì)故障LRU采用專用設(shè)備定位到SRU或元器件，并通過更換SRU或元器件等方式完成維修或直接報(bào)廢處理?；丶?jí)維修職能流程如圖5所示。

4.3 測(cè)試性設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)在海上部署，現(xiàn)場(chǎng)維修測(cè)試環(huán)境較為惡劣，且到現(xiàn)場(chǎng)后進(jìn)行故障檢測(cè)和隔離會(huì)存在無(wú)法提前準(zhǔn)備和攜帶備件和維修工具等問題，從而增加了整體維修時(shí)間和維修成本。系統(tǒng)整體測(cè)試性和診斷設(shè)計(jì)應(yīng)遵循系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試為主、人工測(cè)試為輔的設(shè)計(jì)原則，盡量實(shí)現(xiàn)在出海維修前系統(tǒng)能夠確認(rèn)故障設(shè)備和故障模式并報(bào)送岸基，使得維修人員在出海前能夠提前備好備品、備件和維修工具，降低維修的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。

圖5 基地級(jí)維修流程

系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試方面，系統(tǒng)安裝了傳感器、監(jiān)控設(shè)備等硬件，并將數(shù)據(jù)上報(bào)到綜合管控主機(jī)。綜合管控主機(jī)上的故障診斷軟件將綜合分析各類數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)故障的檢測(cè)和隔離。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量使用具有自檢功能的設(shè)備，安裝必要的傳感器，設(shè)計(jì)故障檢測(cè)機(jī)制，配合故障診斷軟件，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)故障或異常情況的檢測(cè)和隔離。

系統(tǒng)人工測(cè)試方面，根據(jù)維修等級(jí)和維修任務(wù)分析，基層級(jí)（現(xiàn)場(chǎng)級(jí)）維修的主要工作是更換LRU，因此外部測(cè)試的目標(biāo)通過現(xiàn)場(chǎng)的人工測(cè)試或自動(dòng)診斷設(shè)備的測(cè)試將故障隔離到LRU。

4.4 保障性設(shè)計(jì)

系統(tǒng)應(yīng)制定維修保障規(guī)劃，對(duì)故障維修、定期維護(hù)內(nèi)容以及所需人力及物資做出相應(yīng)計(jì)劃。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生影響任務(wù)的嚴(yán)重故障時(shí)，需開展修復(fù)性維修工作。出海前，將根據(jù)故障診斷軟件進(jìn)行故障定位，并根據(jù)故障診斷信息確定維修所需的人員、工具、備件和技術(shù)資料。如有可能，修復(fù)性維修應(yīng)盡量和定期維護(hù)保障工作合并進(jìn)行。

應(yīng)明確出海維修保障的規(guī)程，并能根據(jù)維修保障工作確定出海所需的船只、人員、工具、備件及技術(shù)資料要求，便于在海上開展設(shè)備維修更換、設(shè)備加裝以及燃油補(bǔ)充等維修維護(hù)工作。系統(tǒng)以預(yù)埋形式安裝的零部組件應(yīng)具備詳細(xì)清單，及其數(shù)字化規(guī)范的圖紙或三維模型。

4.5 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

海洋平臺(tái)電子信息設(shè)備在制造檢驗(yàn)出廠后，壽命期剖面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備壽命環(huán)境剖面

系統(tǒng)設(shè)備主要考慮低溫、高溫、濕熱、霉菌、鹽霧、淋雨/海浪、振動(dòng)、太陽(yáng)輻射、淋雨/海浪以及風(fēng)等環(huán)境因素的影響，其中僅艙內(nèi)設(shè)備不需考慮太陽(yáng)輻射、淋雨/海浪、風(fēng)等環(huán)境的影響，并針對(duì)以上環(huán)境因素確定環(huán)境適應(yīng)性要求。

4.6 安全性設(shè)計(jì)

應(yīng)用初步危險(xiǎn)性分析（Application of Preliminary Hazard Analysis，PHA）方法，對(duì)浮臺(tái)設(shè)計(jì)存在的危險(xiǎn)因素類型、來(lái)源、出現(xiàn)階段、導(dǎo)致的事故后果以及有關(guān)防范措施等進(jìn)行概略分析。

分析認(rèn)為，系統(tǒng)主要存在強(qiáng)電磁輻射、短路、觸電、雷擊、起重傷害、機(jī)械傷害以及噪聲等危險(xiǎn)因素。

4.7 電磁兼容性設(shè)計(jì)

海洋平臺(tái)電子信息系統(tǒng)作為一型海上綜合信息設(shè)備部署載體，將布置眾多無(wú)線設(shè)備，其中大功率發(fā)射設(shè)備與小信號(hào)接收設(shè)備共存，并且都部署在一個(gè)相對(duì)較小的平臺(tái)上，會(huì)遇到嚴(yán)重的頻率使用沖突問題和共場(chǎng)地干擾問題。

共場(chǎng)地干擾問題主要包括發(fā)射機(jī)反向互調(diào)失真、發(fā)射機(jī)寬帶噪聲、發(fā)射機(jī)諧波和非諧波亂真發(fā)射、接收機(jī)互調(diào)以及寄生響應(yīng)等。同時(shí)，平臺(tái)通信設(shè)備與其他系統(tǒng)之間也存在兼容問題?？朔矆?chǎng)地干擾的措施主要有增大天線隔離、為收發(fā)機(jī)附加RF濾波器和合理的頻率管理等。

因此，一方面通過天線合理布局、射頻濾波器控制發(fā)射頻譜和接收響應(yīng)特性、艙內(nèi)單元EMC設(shè)計(jì)、良好的接地等保障措施來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電磁兼容性，另一方面必須制定合理的同頻帶收/發(fā)設(shè)備分時(shí)使用的原則。

總體而言，在海洋平臺(tái)電子信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)分別按照工作時(shí)間、工作頻段以及空間布設(shè)位置3個(gè)維度解決電磁兼容性問題。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)國(guó)內(nèi)外各型海洋平臺(tái)電子信息系統(tǒng)的發(fā)展情況，研究一型無(wú)人值守、智能化、靈活布署、生存能力強(qiáng)以及可持續(xù)工作的海洋平臺(tái)電子信息系統(tǒng)，提出了“四橫三縱”的體系結(jié)構(gòu)模型，明確了海洋平臺(tái)電子信息系統(tǒng)包括電子信息系統(tǒng)、平臺(tái)系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的功能架構(gòu)和工作原理，同時(shí)重點(diǎn)對(duì)可靠性、維修性、測(cè)試性、保障性、環(huán)境適應(yīng)性、安全性和電磁兼容性等系統(tǒng)工程特性設(shè)計(jì)要素進(jìn)行逐一設(shè)計(jì)分析，可為海洋平臺(tái)電子信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)建模、指標(biāo)分解、研制集成和功能聯(lián)試提供科學(xué)的設(shè)計(jì)思路和方法。