基于IP KVM和DVCS技術(shù)的船載實驗室設計與應用

袁東方， 王碩仁， 陳清滿， 夏寅月， 于化冰， 聶建濤

（1.中國極地研究中心“雪龍2”號，上海200136；2.大連陸?？萍脊煞萦邢薰荆|寧大連116085）

0 引 言

海洋科考船屬于船舶規(guī)范中的“特種用途船”，近10年來，我國一批大型遠洋科考船，如“科學”“向陽紅”“東方紅”“大洋”和“雪龍”系列科學船的陸續(xù)批復、設計、建造與交付，幾乎以最短的時間和最快的速度緩解了我國20世紀80年代一批主力調(diào)查船即將退役與當前日益增長、要求更嚴的科考調(diào)查任務之間的矛盾［1］。

現(xiàn)代海洋科考船大都具有多學科、多功能、多技術(shù)手段的綜合調(diào)查能力，能在海洋上為各類學科提供同步調(diào)查和科考活動場所［2］。近年來，國內(nèi)外新型科考船設計重點突出綜合調(diào)查能力的整體優(yōu)化，設計趨向安靜化、模塊化和信息化，三化性能已成為新型海洋科考船整體性能的一個標志，而實驗室和科考設備的配備均需滿足多個學科調(diào)查采樣、實驗分析等需求［3-5］。

船載實驗室作為科考船的重要組成部分，是海上科學實驗活動的工作場所、科考船設計的重要內(nèi)容、完成船載試驗功能的重要設施［6-7］。隨著科考船整體科考能力的提高，常規(guī)的實驗室功能已經(jīng)無法滿足大洋作業(yè)的需求，對船載實驗室的信息化、智能化和和整體功能都提出了更高的要求。

隨著科學技術(shù)的進步，一些新技術(shù)和產(chǎn)品逐漸在船載實驗室中進行了應用，大大提高了實驗室整體智能化程度，為實驗室的管理和使用提供了便利。本文以“雪龍2”號船載實驗室設計、建造為例，介紹其船載實驗室搭載的協(xié)同作業(yè)管理系統(tǒng)中遠程管理系統(tǒng)、可視化顯示系統(tǒng)的設計和應用。

1 基本情況

1.1 船載實驗室現(xiàn)狀

目前科考船建造主要目標集中在船舶整體科考能力建設，對于船載實驗室的硬件建造研究較少，船載實驗室依托科考船，是科考船重要的組成部分，和陸地實驗室具有很大不同，也是科考船設計和建造的難點。

國家標準、船舶行業(yè)標準以及中國船級社規(guī)范中對于船載實驗室功能沒有明確的規(guī)定和建造標準，在船載實驗室設計和建造過程中，一方面對船載實驗室硬件部分例如線路、通風、結(jié)構(gòu)、空間等按照造船相關(guān)規(guī)范進行建造，以滿足實驗室整體結(jié)構(gòu)達到船舶標準。同時也要參照陸地實驗室相關(guān)標準，以滿足現(xiàn)場科學實驗對實驗室的硬件要求［8-10］。但是在實際的設計和建造過程中如何將造船規(guī)范和實驗室功能完美地結(jié)合在一起，這是目前科考船實驗室建造的難題，“雪龍2”號實驗室在這一方面進行了有效的探索。

目前新建并投入使用的多為綜合調(diào)查船，搭載了大量的科學探測儀器。這些儀器設備覆蓋專業(yè)領域多，相互之間又有交叉，主要以獲取原始數(shù)據(jù)和樣品為主，并兼顧部分科研項目現(xiàn)場對樣品進行試驗分析。科考船整體性能的提高對實驗室提出了更高的要求，科考設備的增多以及數(shù)據(jù)之間的相互傳遞需要新的技術(shù)和系統(tǒng)進行支撐，傳統(tǒng)的船載實驗室設計已經(jīng)無法滿足綜合性調(diào)查的需求［11］。

1.2 “雪龍2”船實驗室

船載實驗室由于面積有限，且搭載了大量的科學考察設備，這些設備的顯示和操作都要在實驗室內(nèi)完成，需要對實驗室功能進行合理的設計，但是由于船體結(jié)構(gòu)的限制，導致船載實驗室具有面積小、分布廣、設備布置困難等特點（見表1）。

表1 “雪龍2”號實驗室面積和分布圖［12］

由于船載實驗室數(shù)量多，分布在全船不同甲板位置，而科考船搭載的科考儀器需要在實驗室內(nèi)部進行管理和使用，不同實驗室對于科考設備的操作和數(shù)據(jù)顯示需求不同，這對科考儀器的使用和管理造成了極大困難（見表2）。

表2 “雪龍2”號實驗室部分設備操作和監(jiān)控信息表

“雪龍”號實驗室在科考儀器管理和數(shù)據(jù)使用進行了相關(guān)設計和改進，受限于當時設備和技術(shù)的限制，采用了KVM和視頻矩陣相結(jié)合的控制方式，初步解決了多臺科考儀器在機柜內(nèi)部的遠程控制，以及儀器畫面遠程顯示功能，這是對實驗室建設的初步探索。

而KVM OVER IP和DVCS技術(shù)的發(fā)展，為“雪龍2”號的船載實驗室設計提供了技術(shù)支持，根據(jù)“雪龍”號多年南北極考察積累的實驗室使用和管理經(jīng)驗，在“雪龍2”號實驗室設計和建造期間，將KVM OVER IP和DVCS技術(shù)融合到實驗室智能化建設當中。

2 技術(shù)介紹

2.1 KVM OVER IP技術(shù)簡介

KVM OVER IP又稱為IP KVM，即帶有遠程管理功能的KVM切換器，就是一組鍵盤、顯示器和鼠標，控制多臺計算機。通常情況下，由于計算機到外圍設備信號的衰減，模擬式KVM切換器與被控計算機的距離擴展空間非常有限。而IP KVM則不同，作為數(shù)字式KVM切換器，它能實現(xiàn)遠程控制多臺電腦服務器。IP KVM技術(shù)廣泛應用在機房、校園網(wǎng)、氣象、高校圖書館以及監(jiān)測平臺等領域，應用效果顯著［13-19］。

2.2 DVCS技術(shù)簡介

DVCS即分布式圖像控制系統(tǒng)，是以IP網(wǎng)絡作為信號傳輸?shù)耐ǖ?，采用實時影像處理技術(shù)，把各種視頻信號源進行壓縮編碼，顯示端接收各種信號碼流并實時解碼還原成圖像進行拼接顯示的圖像控制系統(tǒng)。這種技術(shù)突破傳統(tǒng)PC架構(gòu)控制器固有的總線帶寬受限、處理速度慢、故障率高等技術(shù)瓶頸，采用先進的網(wǎng)絡分布式圖像處理架構(gòu)，信號控制系統(tǒng)操作不再是依靠簡單的顯示，是需要通過將信號控制系統(tǒng)進行可視化來提高工作效率，加快決策進度，更好地完成協(xié)作［19］。DVCS技術(shù)廣泛應用在公安智能指揮中心、地震應急指揮中心、視頻會議等領域，實現(xiàn)大屏幕拼接以及遠程可視化顯示等功能［20-22］。

3 “雪龍2”號實驗室功能設計

3.1 實驗室功能設計

“雪龍2”號實驗室在設計階段對當前主流的先進技術(shù)和設備進行了調(diào)研，采用先進、成熟的產(chǎn)品和技術(shù)應用于實驗室設計，IP KMV和DVCS技術(shù)已經(jīng)廣泛應用在各個領域，并取得了不錯的使用效果。針對“雪龍2”號實驗室的實際情況，將兩個技術(shù)融合在一套系統(tǒng)內(nèi)，達到多個地點可以控制和使用科考儀器設備，還可以將儀器的顯示畫面實時傳輸?shù)饺闹付ㄎ恢?，同時還具有便捷的拓展功能，便于后期增加科考儀器客戶端和顯示終端。

“雪龍2”號采用臺達DVCS技術(shù)以及ALTUSCN品牌IP KVM系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 “雪龍2”實驗室IP KVM和DVCS系統(tǒng)拓撲圖

3.2 基于DVCS技術(shù)實現(xiàn)科考設備視頻的任意切換

“雪龍2”號是中國建造的最新一代科考破冰船，搭載了大氣、海冰、水文與氣象、地球物理、海洋生物、海洋化學、多道數(shù)字地震等幾十套設備，分布在全船各個位置。經(jīng)過設計，利用DVCS技術(shù)，將“雪龍2”號實驗室24種科考設備的視頻信號使用編碼器接入，在物理實驗室、駕駛臺、月池車間、集中控制室、通一、通二實驗室等設置了多個顯示屏，可以將需要顯示的信號傳輸?shù)叫枰@示的顯示屏上，實現(xiàn)了科考視頻數(shù)據(jù)的遠距離、跨空間的實時傳輸，方便科考作業(yè)時對科考數(shù)據(jù)的需求。同時由于DVCS系統(tǒng)基于船舶局域網(wǎng)傳輸，節(jié)省了大量的線纜，布置更加方便（見圖2，圖3）。

圖2 “雪龍2”號典型信號輸入和輸出示意圖

圖3 物理實驗室大屏系統(tǒng)

3.3 基于IP KVM技術(shù)實現(xiàn)遠程電腦管理

隨著新建科考船的先進程度越來越高，搭載的儀器設備也越來越多。根據(jù)科考設備結(jié)構(gòu)的不同，有些設備安裝在專用艙室內(nèi)，艙室提供恒溫恒濕的環(huán)境，保障主機部分正常運行，但是部分設備和客戶端電腦仍然安裝在實驗室內(nèi)部。目前主流科考船實驗室都采用標準機柜的安裝方式，將終端電腦、控制主機等安裝在機柜內(nèi)，便于設備走線、節(jié)約空間，并在機柜內(nèi)配備模擬KVM，對一臺或多臺電腦進行操作。

模擬KVM可以實現(xiàn)機柜內(nèi)或者相鄰機柜間對多臺電腦主機的控制，若電腦主機分布在多個地方或需要在多個地方操作電腦，模擬KVM就無法滿足需求。“雪龍2”號實驗室對于遠程操作電腦的需求較多，例如安裝在實驗室的全方位聲吶系統(tǒng)，不僅在實驗室可以操作，還需要在駕駛臺進行操作；在集中控制室需要操作物理實驗室內(nèi)部安裝的測深儀主機等。IP KVM技術(shù)則可以解決對于遠程管理和操作電腦主機的問題。IP KVM從被控制服務器的鍵盤、顯示設備和鼠標中擷取模擬信號，然后將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字封包，并經(jīng)過加密與壓縮，使其能夠安全地通過TCP/IP網(wǎng)絡進行傳輸。主控臺已由一個PC取代，使用者僅需通過IP KVM所提供的遠程客戶端操控電腦［23］。

“雪龍2”號使用一個16路IP KVM交換機，有11臺設備安裝IP KVM設備，設置四個遠程客戶端，其中2個位于物理實驗室（采用升降屏）、1個位于集中控制室、1個位于駕駛臺?？梢愿鶕?jù)作業(yè)需求，在作業(yè)過程中遠程操作科考設備主機，對相關(guān)參數(shù)進行設置，減少了科考的工作量。由于IP KVM是基于網(wǎng)絡的遠程控制系統(tǒng)，依托實驗室局域網(wǎng)系統(tǒng)，可以節(jié)省大量的線纜即可達到遠程控制的目的。

4 現(xiàn)場應用特點

（1）節(jié)約線纜和空間。由于船舶空間的局限性，導致每個實驗室面積有限，IP KVM和DVCS系統(tǒng)以船舶局域網(wǎng)為基礎，只需要電腦、顯示終端增加相關(guān)設備并連入局域網(wǎng)交換機即可完成相關(guān)設備組網(wǎng)，并進行控制和顯示，相較于傳統(tǒng)的視頻矩陣系統(tǒng)和KVM系統(tǒng)可以節(jié)約大量的線纜和空間，減少每臺電腦鼠標鍵盤數(shù)量，使實驗室臺面更加簡潔，設備布置更加靈活便利（見圖4）。

圖4 物理實驗室IP KVM布置圖

（2）提高現(xiàn)場作業(yè)便利。經(jīng)過現(xiàn)場實際應用，可以大大提高現(xiàn)場作業(yè)便利性，有效保障作業(yè)安全。以CTD作業(yè)為例，CTD作業(yè)需要絞車操作人員操作絞車，絞車的安全監(jiān)控需要顯示在月池車間和集中控制室屏幕上；CTD操作人員需要測深儀水深數(shù)據(jù)和畫面，同時將CTD采集頁面共享到物理實驗室大屏監(jiān)控系統(tǒng)。對于這些需求，實驗室人員可以通過DVCS系統(tǒng)可以將絞車監(jiān)控畫面分別投放到月池車間以及集中控制室顯示屏上，以供絞車操作人員查看；也可以將CTD采集畫面投放到物理實驗室大屏系統(tǒng)上以供其他作業(yè)人員查看信息；在集中控制室通過IP KVM系統(tǒng)，可以遠程設置測深儀參數(shù)，以便于確認作業(yè)海域真實的水深，保障CTD作業(yè)安全，科考隊員在集中控制室即可完成所有的操作。

（3）提高數(shù)據(jù)使用安全。IP KVM管理系統(tǒng)可以對登錄使用KVM系統(tǒng)的工作人員提供分配權(quán)限，同時具備操作審計功能和完善的日志系統(tǒng)，保證服務器監(jiān)控及操作過程的可追溯性，保證科考設備主機操作的安全性，由于外部操作終端的安全可控，可以有效避免非專業(yè)人員操作對設備造成影響。DVCS系統(tǒng)只是對科考設備的使用屏幕進行了復制遠傳，不會干擾和影響科考設備的正常運行。

（4）易于擴展和維護。DVCS和IP KVM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡單，因此特別容易進行擴展和維護。如果需要將一臺電腦主機、信號源或顯示終端接入到此系統(tǒng)中，只需要將它連接上一個轉(zhuǎn)換設備，并接入到局域網(wǎng)中即可完成，通過簡單的配置操作即可實現(xiàn)設備的增加、減少或更改等工作。同時也易于維護，一臺轉(zhuǎn)換器、一個信號源、視頻終端對應一個終端，由于是基于網(wǎng)絡的系統(tǒng)，不存在隱藏的跳線，因此出現(xiàn)故障時很容易地定位到故障設備、查明故障原因。

（5）投入成本高。和傳統(tǒng)的技術(shù)設備相比較，新型系統(tǒng)先期投入成本較高，需要增加顯示處理器、視頻處理器等視頻處理設備以及IP KVM終端設備，需要控制的電腦主機顯卡也有一定的要求，整套系統(tǒng)先期投入成本較高。

5 結(jié) 論

“雪龍2”號實驗室采用IP KVM和DVCS技術(shù)，結(jié)合船舶實驗室功能需求以及極地現(xiàn)場作業(yè)特點，對船上科考儀器的主機、視頻信號進行整合，實現(xiàn)了遠程管理科考儀器以及視頻數(shù)據(jù)的遠程顯示功能，為實驗室管理員、科考隊員使用實驗室以及科考儀器提供了便利條件。船載實驗室作為科考船的重要組成部分，其智能化程度隨著科考船綜合能力的提高而提高，采用新技術(shù)、新設備為船載實驗室的功能設計以及能力提升創(chuàng)造了條件，希望“雪龍2”號實驗室應用IP KMV和DVCS技術(shù)的經(jīng)驗也為其他科考船提供設計參考。