艦艇綜合信息服務系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

尹安

中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064

0 引 言

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，大量成熟的民用和商用技術(shù)被廣泛應用于艦艇設計，這既縮短了技術(shù)開發(fā)周期，又提升了系統(tǒng)和設備性能，同時也一定程度上減少了新技術(shù)的應用風險。在艦船信息化設計中，以美國DDG 1000 為代表的全艦計算環(huán)境（TSCE），將作戰(zhàn)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和平臺系統(tǒng)等相關(guān)信息進行集成設計和統(tǒng)籌設計，發(fā)揮整體資源優(yōu)勢。更為重要的是，通過頂層規(guī)劃設計、構(gòu)件化設計和軟硬件模塊化等手段，解決了跨系統(tǒng)、跨設備間的信息共享交互等問題，實現(xiàn)了作戰(zhàn)平臺整體效能的提升[1-3]。近年來，盡管我國裝備信息化水平迅速提升，但在各系統(tǒng)軟、硬件資源的統(tǒng)籌設計和全艇信息綜合利用等方面與國外先進海軍仍存在差距。國內(nèi)學者開展了多類信息化系統(tǒng)的設計和研究，陶偉等[4]開展了艦船損管監(jiān)控系統(tǒng)研究，基于仿真的實時監(jiān)控體系，實現(xiàn)了與損管監(jiān)控系統(tǒng)線程采集數(shù)據(jù)的交互；吳傳海[5]將交互式電子技術(shù)手冊（IETM）與工程化研制流程等相結(jié)合，開展了工程化應用分析；張磊等[6]研究了電子裝備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對設備溫度、應力等數(shù)據(jù)的采集與處理，可推廣應用于設備可靠性數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)?？傮w來看，國內(nèi)研究工作重點是針對特定應用展開，還鮮有從艦艇頂層設計出發(fā)論述總體層面的信息化設計思路和信息綜合應用的相關(guān)工作。

鑒此，本文將提出艦艇綜合信息服務系統(tǒng)的設計思路；首先概述系統(tǒng)的設計目標及總體規(guī)劃，以信息基礎(chǔ)設施為依托統(tǒng)籌硬件資源；然后從應用集成管理平臺設計和信息應用設計2 個方面論述軟件設計方案，解決現(xiàn)有信息系統(tǒng)“各自為戰(zhàn)”和信息綜合應用不足的問題。

1 艦艇綜合信息服務系統(tǒng)總體設計

1.1 設計目標

艦艇信息化工作應重點進行頂層規(guī)劃和軟硬件資源整合設計，需關(guān)注應用系統(tǒng)的集成、運維管理和信息利用等問題。基于此，本文提出艦艇綜合信息服務系統(tǒng)，主要設計目標如下：

1） 構(gòu)建全艇信息基礎(chǔ)設施，實現(xiàn)計算和存儲資源、網(wǎng)絡基礎(chǔ)設施和人機交互顯示設備等的統(tǒng)籌，提供除專用軟件外的全艇軟件集成部署環(huán)境；

2） 提供統(tǒng)一的運行管理和全壽命周期維護管理，實現(xiàn)軟件部署和運維管理的生態(tài)圈，滿足系統(tǒng)功能的持續(xù)部署和升級；

3） 建立統(tǒng)一的消息推送機制，為艇員提供平臺、動力等系統(tǒng)的各類消息的及時推送服務，實現(xiàn)不同戰(zhàn)位、不同艇員所需信息的按需調(diào)?。?/p>

4） 建立統(tǒng)一的安全管控平臺，提供數(shù)據(jù)接入控制管理、信息訪問保護、數(shù)據(jù)備份等功能；

5） 融入數(shù)據(jù)分析和智能算法模塊，提升信息價值；

6） 結(jié)合應用信息化技術(shù)、軟硬件技術(shù)等，提升艦艇綜合信息服務系統(tǒng)設計的先進性。

1.2 軟硬件體系架構(gòu)

艦艇裝備總體設計的特點決定了其信息化設計工作需要在原有系統(tǒng)和設備的基礎(chǔ)上做減法，要在不增加艇內(nèi)額外負擔的情況下實現(xiàn)信息化設計工作的價值提升。因此，艦艇綜合信息服務系統(tǒng)要打破原有不同系統(tǒng)和設備硬件資源分而治之的舊模式，實現(xiàn)對全艇信息資源的統(tǒng)籌管理和綜合應用的新模式?？傮w規(guī)劃如圖1 所示。

艦艇綜合信息服務系統(tǒng)硬件部分的核心任務是搭建全艇信息基礎(chǔ)設施，將其劃分為數(shù)據(jù)處理和存儲層、信息傳輸層和人機交互層架構(gòu)。數(shù)據(jù)處理和存儲層包括數(shù)據(jù)處理中心和數(shù)據(jù)存儲中心，提供各信息服務模塊的運行環(huán)境和數(shù)據(jù)存儲環(huán)境，為各類應用和數(shù)據(jù)存儲提供計算資源支持和存儲資源支持。信息傳輸層包括網(wǎng)絡基礎(chǔ)設施，提供統(tǒng)一的信息傳輸通道，包括有線連接和無線接入形式。人機交互層包括各類信息顯示設備，包括移動式顯示設備和固定式顯示設備，如艇員個人手持終端、可穿戴設備和壁掛式顯示屏等，涉及的操作平臺包括安卓和中標麒麟操作系統(tǒng)等；其中，艇員個人手持終端、手表式穿戴設備具備無線接入能力，可用于接收各類推送消息。

軟件框架包括系統(tǒng)管理模塊和信息服務模塊。系統(tǒng)管理模塊分為應用集成管理平臺和安全管控平臺：應用集成管理平臺實現(xiàn)對各類信息服務的管理，包括服務部署和運維管理等；安全管控平臺提供系統(tǒng)運行所需的安全管理，包括訪問安全和數(shù)據(jù)安全等。信息服務模塊包括各類信息服務功能，如生活類信息、保障類信息管理功能、消息推送服務功能和大數(shù)據(jù)分析及智能輔助決策功能等。其中，大數(shù)據(jù)分析及智能輔助決策功能是艦艇綜合信息服務系統(tǒng)價值的集中體現(xiàn)，內(nèi)含數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析子模塊、視頻圖像識別子模塊和航路輔助規(guī)劃子模塊等。與原有各業(yè)務系統(tǒng)獨自配置服務器進行軟件部署不同，艦艇綜合信息服務系統(tǒng)將各軟件統(tǒng)一部署于全艇信息基礎(chǔ)設施的數(shù)據(jù)處理中心，相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲于數(shù)據(jù)存儲中心，實現(xiàn)計算資源和存儲資源統(tǒng)籌，提升硬件利用率，也便于軟、硬件資源的統(tǒng)一管理。

硬件組成架構(gòu)在民用和商用領(lǐng)域已有成熟應用，艦艇綜合信息服務系統(tǒng)設計的重點是軟件框架設計和信息應用。下文重點從軟件設計中的應用集成管理平臺設計和信息應用設計方面來論述方案實現(xiàn)過程。

2 軟件設計

2.1 應用集成管理平臺設計

應用集成管理平臺通過構(gòu)建軟件集成管理倉庫，實現(xiàn)對信息服務模塊相關(guān)的應用程序進行統(tǒng)一管理。管理的信息軟件模塊包括瀏覽器/服務器結(jié)構(gòu)（B/S）類和客戶端/服務器結(jié)構(gòu)（C/S）類應用。

2.1.1 B/S 類應用管理

B/S 類應用基于Docker 進行集成管理。Docker是目前流行的開源引擎，提供一種輕量級虛擬化的解決方案，即將不同應用及其依賴庫文件打包為鏡像文件，構(gòu)建鏡像倉庫，通過容器技術(shù)構(gòu)建鏡像運行環(huán)境，形成提供信息服務的應用中心。Docker 極大地方便了應用服務的部署。與虛擬化技術(shù)不同，他以一種更輕量的方式實現(xiàn)對應用和應用的依賴環(huán)境等的打包管理，形成獨立的鏡像，以Docker 鏡像作為軟件的交付形式，可方便地對應用進行全壽命周期的運維管理和應用的快速迭代[7-8]。在艦艇綜合信息服務系統(tǒng)設計框架中采用Docker 的優(yōu)勢有以下幾點：

1） 資源隔離。系統(tǒng)的設計目標之一是實現(xiàn)軟件部署和運維管理的“云”模式生態(tài)圈，即“應用云化”，而云化的基本要求就是要實現(xiàn)資源隔離。Docker 通過容器技術(shù)實現(xiàn)不同應用運行環(huán)境的隔離，即將不同應用以集裝箱（容器）為單位進行裝載（運行），不同的集裝箱裝載不同的貨物（不同應用所需的程序、組件和依賴庫文件等），集裝箱（容器）之間保持獨立。

2） 輕量化。相比傳統(tǒng)的虛擬化技術(shù)，使用Docker在CPU、內(nèi)存、磁盤輸入/輸出和網(wǎng)絡輸入/輸出上的性能損耗都有同樣甚至更優(yōu)的表現(xiàn)。

3） 彈性擴展。傳統(tǒng)的B/S 模式應用通常都包括“Web 端應用+Web 運行容器+數(shù)據(jù)庫”，程序的部署、調(diào)試工作繁瑣。以Docker 提供的容器技術(shù)對應用程序及其各依賴環(huán)境進行打包形成鏡像文件，以容器提供鏡像運行環(huán)境，可實現(xiàn)“構(gòu)建一次，到處運行”[9]。因此，將不同軟件模塊打包成鏡像，并提交鏡像倉庫進行入庫和分發(fā)管理，不用考慮全艇信息基礎(chǔ)設施的部署環(huán)境和對其他應用的影響，可實現(xiàn)系統(tǒng)功能的彈性擴展。

在實際應用中，對涉及數(shù)據(jù)庫操作的B/S 應用軟件，如公共信息系統(tǒng)、勤務政務信息發(fā)布系統(tǒng)和保障信息管理系統(tǒng)等，采用“Web 容器+數(shù)據(jù)庫容器”方式，進行功能模塊化，并將應用和數(shù)據(jù)分離。對于復雜功能，可考慮采用微服務架構(gòu)模式，即將復雜功能分解為相互獨立、邊界明確的服務，服務之間解耦，可獨立替換、升級和伸縮，服務間通過語言無關(guān)的輕量級接口，如網(wǎng)絡通信（遠程過程調(diào)用（RPC）、超文本傳輸協(xié)議（HTTP）等）、消息隊列等進行協(xié)同。此外，為便于艇員進行運維管理和后續(xù)持續(xù)迭代升級，在應用集成管理平臺設計相應功能，以可視化形式對基于Docker進行集成的軟件進行管理，使其具備全局信息監(jiān)測、鏡像管理、容器運行狀態(tài)控制和數(shù)據(jù)卷管理等功能。主要設計示意圖如圖2所示。

圖2 B/S 類應用管理設計Fig. 2 B/S application management design

基于Docker 提供的B/S 應用采用以下途徑調(diào)用信息服務功能：

1） 對于安卓平臺，根據(jù)應用服務的URL 地址，使用WebView 等封裝成APK 程序的形式部署于艇員個人手持終端，通過在艇員個人手持終端運行該APK 程序來獲取所需信息服務；

2） 對于中標麒麟平臺，可直接通過內(nèi)置瀏覽器訪問URL 地址來獲取所需信息服務。

2.1.2 C/S 類應用管理

C/S 類應用管理各信息服務功能模塊的發(fā)布版本，包括對安卓平臺安裝的APK 程序和中標麒麟平臺安裝的Qt 程序，并在軟件集成管理倉庫中進行統(tǒng)籌管理。其中，用于安裝的APK 程序內(nèi)嵌數(shù)字簽名管理，以提升應用安全管理的要求；Qt 程序發(fā)布打包版本應包含所需的動態(tài)庫等依賴文件。安卓平臺和中標麒麟平臺均可通過訪問軟件集成管理倉庫，下載或更新本機應用程序，下載或更新后的應用程序在本地運行。與B/S 類應用管理類似，C/S 類應用也可通過可視化管理平臺進行操作和運維。

綜上，應用集成設計框圖如圖3 所示。

圖3 應用集成設計框圖Fig. 3 Block diagram of application integration design

2.2 信息應用設計

2.2.1 大數(shù)據(jù)分析和智能輔助決策功能模塊

在信息集成后，應關(guān)注如何應用信息來實現(xiàn)信息到知識的價值提升。如結(jié)合系統(tǒng)運行中收集的數(shù)據(jù)，包括設備運行狀態(tài)、故障、綜合保障、艙室環(huán)境和艇員健康狀態(tài)等信息，構(gòu)建適當規(guī)模的學習庫和測試庫，引入大數(shù)據(jù)分析引擎，充分利用分類、聚類、決策樹和AdaBoost 等算法，基于多維度的挖掘分析與深度學習、強化深度學習和遷移學習等人工智能算法，挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)部蘊藏的智慧信息，以提升保障工作、設備故障預測、艙室環(huán)境控制等智能服務水平，提升全艇作戰(zhàn)效能和艇員工作效能。針對信息在大數(shù)據(jù)和智能輔助決策方面的應用，民用和商用領(lǐng)域已有較多成熟算法可以借鑒[10-11]。此外，通過數(shù)據(jù)處理和存儲中心的統(tǒng)籌設計，為應用提供了強大運算能力，使設計重點轉(zhuǎn)移到樣本數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)清理和業(yè)務流程梳理中，從故障監(jiān)測、操艇輔助和作戰(zhàn)決策等方面提升信息利用價值。

以基于裝備綜合保障信息的大數(shù)據(jù)和智能輔助分析應用為例，設計思路如圖4 所示。

圖4 裝備綜合保障信息應用設計Fig. 4 Application design of equipment integrated logistic support information

收集的艇內(nèi)重要設備運行的狀態(tài)信息，經(jīng)信息傳輸層傳輸至部署在數(shù)據(jù)處理中心的設備狀態(tài)監(jiān)控功能模塊，進行監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)信息，包括設備標識碼、設備運行參數(shù)信息、故障信息等，自動存儲于數(shù)據(jù)中心；此外，保障類信息服務功能模塊提供設備維修記錄和備品備件使用等信息的錄入功能，錄入信息存儲于數(shù)據(jù)存儲中心。大數(shù)據(jù)分析及智能輔助決策功能中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析子模塊從數(shù)據(jù)存儲中心提取上述數(shù)據(jù)，從多層次和多維度進行數(shù)據(jù)挖掘，分析數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)規(guī)則，如設備之間的故障關(guān)聯(lián)度、設備內(nèi)各模塊間的故障關(guān)聯(lián)度、環(huán)境變化與設備故障間的關(guān)聯(lián)度、備品備件間的使用關(guān)聯(lián)度等，從而為維修計劃制定、備品備件優(yōu)化配置和視情維修等提供決策依據(jù)，也為保持艦艇裝備戰(zhàn)斗力提供有力支撐。全艇數(shù)據(jù)處理中心將為算法提供算力支持。數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析結(jié)果由消息推送服務模塊進行處理，通過信息傳輸層推送至指定人機交互層的信息顯示設備中，進行提醒和信息顯示。

對大數(shù)據(jù)分析和人工智能應用而言，算法和訓練模型與具體應用的業(yè)務數(shù)據(jù)和業(yè)務邏輯強相關(guān)。因此，在大數(shù)據(jù)分析及智能輔助決策功能中可擴展部署多個子模塊，以滿足不同應用場景的需求。

2.2.2 消息推送服務功能模塊

在信息應用設計中，艦艇綜合信息服務系統(tǒng)設計了消息推送服務功能模塊，根據(jù)消息分類和推送規(guī)則將消息推送至人機交互層設備，如艇員個人手持終端、手表式穿戴設備、顯控臺和壁掛式信息顯示屏等，實現(xiàn)“信息找人，按需推送”，避免信息集成后可能產(chǎn)生的信息爆炸或信息噪聲，影響艇員對工作的響應速度。消息推送服務既包括常規(guī)的即時通信類消息推送，也包括各種通知類消息、設備故障報警信息、作戰(zhàn)類信息和自定義消息推送等，即涵蓋“人-人”、“物-人”的信息交互。消息推送服務功能模塊實現(xiàn)的核心包括根據(jù)信息分類制定全艇統(tǒng)一的消息編碼和推送規(guī)則。

1） 消息編碼設置。將艇內(nèi)產(chǎn)生的消息進行分類，通過制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)協(xié)議進行消息編碼（表1），并采用自定義消息體，封裝消息結(jié)構(gòu)。自定義消息體有利于后期的維護和擴展。

表1 消息編碼示意表Table 1 The message coding diagram

消息編碼采用4 位數(shù)字編碼，其中前2 位編碼代表消息分類，后2 位編碼代表該消息分類下的消息識別序列號。

2） 推送規(guī)則設置。消息推送服務功能模塊內(nèi)置2 種類型的消息推送服務：

（1）根據(jù)內(nèi)置預設定的規(guī)則，采取按時間觸發(fā)推送消息，如按設定的值更表推送到指定戰(zhàn)位人員的值更消息和定期的設備維護提醒消息。

（2）根據(jù)來自外部消息設定的規(guī)則，如來自艇員發(fā)送的即時消息、來自設備的故障報警消息和來自外部傳感器發(fā)送的需即時做出響應的報警消息等。針對此種消息，在消息推送服務功能模塊中設置監(jiān)聽機制，將接收到的消息類型按照編碼格式解碼后，交由推送規(guī)則分析，按制定的規(guī)則向指定的單個或多個人機交互層設備進行推送，并視情進行聯(lián)動控制。如消息推送服務功能模塊監(jiān)聽到重要設備故障報警消息，將報警消息推送到對應顯控臺和所屬部門的部門長或艇員的手表式穿戴設備進行振動提醒，將設備維護所需技術(shù)資料的URL 鏈接推送到艇員個人手持終端中，使該艇員可快速調(diào)閱該設備相關(guān)技術(shù)文檔或圖紙文件資料，并設置與對應艙室的光報警器聯(lián)動進行視覺提醒。

為正確接收和顯示消息推送服務功能模塊的消息，在人機交互層設備中均安裝配套監(jiān)聽和信息顯示模塊軟件。推送規(guī)則在系統(tǒng)交付前可根據(jù)艇隊使用習慣和需求進行設定，并提供管理后臺可供指揮員進行維護管理。以重要設備故障報警消息推送為例，信息推送流程示意圖如圖5 所示。

圖5 信息推送流程（場景：重要設備報警）Fig. 5 Message push process (scenario: important equipment alarm)

3 結(jié) 語

艦艇綜合信息服務系統(tǒng)從頂層出發(fā)統(tǒng)籌全艇硬件資源和全艇信息服務資源，結(jié)合信息基礎(chǔ)設施，構(gòu)建應用集成管理平臺，采用Docker 技術(shù)和軟件集成管理倉庫設計，實現(xiàn)對不同類型信息服務模塊的統(tǒng)籌管理。針對集成后的信息如何利用以發(fā)揮信息價值的問題，設計了大數(shù)據(jù)分析和智能輔助決策功能模塊及消息推送服務功能模塊，并重點對后者的設計實現(xiàn)進行了論述。在后續(xù)設計中將結(jié)合系統(tǒng)彈性服務設計，靈活擴展功能，提升硬件資源利用率；結(jié)合在系統(tǒng)運行過程中收集或生成的數(shù)據(jù)，充分挖掘數(shù)據(jù)的內(nèi)在價值，促進艇員工作的開展并提升全艇作戰(zhàn)效能。