智能艦船平臺控制系統關鍵技術

游加慰，何業蘭，陳 輝，張信學

(1.中國艦船研究院，北京 100192;2.武漢理工大學能動工程學院，湖北 武漢 430070;3.中國船舶信息中心，北京 100192)

智能艦船平臺控制系統關鍵技術

游加慰1，何業蘭2，陳 輝2，張信學3

(1.中國艦船研究院，北京 100192;2.武漢理工大學能動工程學院，湖北 武漢 430070;3.中國船舶信息中心，北京 100192)

基于全艦計算環境(Total Ship Computing Environment，TSCE)實現艦船“全艦綜合信息管理”與“真正的自動化控制”，是當今智能艦船一體化、集成化發展的趨勢。介紹智能艦船平臺控制系統網絡結構和控制模式，并針對計算能力、可靠性、實時性等性能需求對ECS關鍵技術進行探討。

平臺控制系統;全艦計算環境;體系結構;關鍵技術

0 引言

現代艦船設計越來越多地采用高新技術，全艦系統數字化、網絡化成為發展趨勢，以適應未來海戰由“平臺中心戰”到“網絡中心戰”的轉變［1］。目前，雖然各國海軍艦船上安裝了綜合平臺管理系統，實現了一定程度的信息共享與分布式自動控制，但基本上只是將以前只能在機旁執行的任務換成遠程執行，自動化水平還有待提高，未達到真正有效的資源與信息共享。美軍在其新型驅逐艦DDG－1000上創造性地使用全艦計算環境(TSCE)作為艦船各系統的集成系統［2］，進行信息整合，發揮系統整體資源優勢，最終形成一個統一的“網絡中心戰”單元。TSCE解決了各分系統獨立運行、互操作困難、不同系統的數據處理能力和硬件資源無法相互支援等問題，使艦船各個系統(作戰系統、預警系統、動力系統、武器系統等)軟硬件模塊化、構件化，最終達到跨平臺、跨領域的協同作戰能力。我國還沒有成熟的智能艦船平臺控制系統產品［3］，在技術和研究水平上與國外相距甚遠。因此，有必要對智能艦船平臺控制系統進行研究，掌握其關鍵技術和設計方法，加快我國艦船的信息化建設，滿足我國國防建設的需要。

1 智能艦船平臺控制系統(ECS)

1.1 網絡體系結構

不同于傳統艦船軟件“煙囪式”的結構體系，智能艦平臺控制系統(ECS)采用一體化體系結構實現系統內部信息交互共享的無縫集成與互操作。采用模塊化的程序設計方法與統一的軟件接口形式，為各組件提供一個“即插即用”的環境，以方便實現系統通信、擴展與升級。在役艦船改裝時任何新增系統設備上艦或舊系統設備拆卸都將更方便地進行。

從物理上來說，ECS采用3層設備和2層網絡的結構。3層設備是指位于底層的現場設備，如傳感器、執行器、遠程終端單元(以下簡稱RTU)等;位于中層的具有通用接口的分布式控制器(DCU)，它由帶有實時操作系統的主機或嵌入式系統組成;位于上層的是裝有TSCE核心應用程序的計算機服務器、數據庫服務器集群、綜合顯控臺。2層網絡是指現場設備與控制設備之間的控制網絡，以及控制設備與操作設備之間的管理網絡。控制網絡采用現場總線，管理網絡采用以太網。圖1是網絡體系結構示意圖。

圖1 智能艦平臺控制系統網絡體系Fig.1 The intelligence warship engineering control system network system

從邏輯上，整個體系由三層次構成:核心層、表示層和適應層。

1)核心層

該層提供一個公共的環境，將大部分軟件應用放置在冗余的設施上。核心層處理器采用高性能服務器，被封裝為電子模塊，分散放置于艦船的許多地方。

2)表示層

該層是控制臺上負責渲染的顯示器，提供符合人體工程學設計的更簡便、更可靠的操作界面。

3)適應層

將各種控制軟件整合到TSCE，分布在全船不同位置的分布式控制器DCU和RTU處理器中。適應層的主要功能是執行高級控制邏輯及管理功能。

核心層提供一體化信息系統集成，集成的對象是船域控制、綜合艦橋、指揮作戰、決策支持、外部通訊、在線培訓等系統。經過數據融合，實現智能艦內全局的、綜合性的信息交互和共享。

適應層中，DCU一方面通過分布適應處理器(DAPs)和其他運行在TSCE設施上的應用程序進行接口;另一方面控制和驅動放在遠處被稱作遠程終端單元(RTUs)的I/O底盤，來與各種底層設備接口。采用單板計算機作為適應層處理器硬件，加強移動性和冗余性，使這些控制及接口軟件的位置更靠近它們所控制的系統。

1.2 控制模式

TSCE是所有平臺設備的中樞，它采集信息并顯示給操作者，將操作者的指令或各種艦船任務以指令的形式一層層分發下去，實現自動化操作，目的是改善操作員和艦船的效率。

根據被控設備的特征，提供幾種可選的操作模式。通常提供自動和手動2種模式。自動模式無需操作員任何輸入，提供值守工作自動化(一些例行值守功能可以用自動化設備或軟件替代)功能，高水平完成自動操作。手動模式允許操作員通過人機接口(HCI)給每個組件以單獨指令。這些模式提供給操作員控制這些設備大量服務，在不同船舶狀態中控制船舶設備。

在艦船的主要部位和機艙控制室、駕控臺、損管控制室等艙室都安裝控制臺(操作屏)，軟件和數據庫都貯存在控制臺服務器中，授權用戶在任何1臺操作站上均可以對全船設備進行集中管理、監視和控制，各控制臺可實現相互動態冗余。

2 智能艦船平臺控制系統關鍵技術

2.1 全艦計算環境(TSCE)

全艦計算環境中的各類數據處于“網格化處理”階段，是目前正在研制中的最先進艦載系統集成模式。通過廣泛采用標準化的COTS計算機和網絡硬件及分布式中間件系統，可將艦載上千個網絡節點連接起來，將指揮、傳感器、武器、艦艇控制系統等具體應用通過中間件封裝成分布式應用中的軟構件，因而為這些具體應用提供了即插即用的能力，提高了艦船平臺對多種作戰環境和任務的適應能力，系統總體能力有了大幅提高，理論上具有無限的可擴展能力。各分系統之間具有極高的互操作性，同時打破了各分系統對專屬專用軟硬件資源(即“煙囪式系統”結構)的限制，將具體應用軟件同底層基礎軟硬件平臺和服務相隔離，網絡、內存和CPU等計算資源被當作公共資源根據不同任務需求而進行動態分配共享。應用軟件的增減配置與基礎設施軟硬件的升級和拓展彼此互不影響，因而系統總體升級和維護成本較低。由于采用了先進的體系結構和資源管理技術，可確保系統內無單一故障點，具備多版本(N-Version)冗余度，軟件可在多臺計算機或節點上復制，因此，系統本質上不受戰損影響。

由于TSCE需要集成多種傳感器、通信、導航、指揮控制、艦載武器、艦船平臺管理等來自多個不同廠商的各類異種/異構應用系統，因此，在“開放式體系結構”的系統集成思想指導下，中間件技術成為美國海軍新一代艦船武器平臺各系統集成的核心技術。基于中間件的TSCE系統集成模型見圖2。

圖2 基于中間件的TSCE系統集成模型Fig.2 Integrate model based on the ISCE system of medium piece

基于標準的中間件是用來屏蔽各級分系統網絡硬件平臺的差異性和操作系統與網絡協議的異構性，使運行于不同技術平臺的分系統能平滑集成。其核心是支持QOS對象請求代理(Object Request Brokers)技術可以支持復雜的結構，并提供實時和容錯服務。滿足多種QOS特性(包括達到軍方安全標準QOS)，還需要滿足實時規范，允許分布式實時嵌入應用對CPU、存儲器和網絡資源進行管理和預留。

領域服務中間件包含了在基于標準的中間件基礎上針對智能艦不同領域開發的一些專用服務，用以共同支撐網絡中的應用，其中包括信息保障和安全服務、各種數據庫服務、任務資源管理等服務。任務資源管理服務能在不同的配置、環境條件和系統開銷下提供不同的服務級別。

2.2 實時數據庫技術

在智能艦平臺控制系統設計中，需要對大量的數據信息進行存儲和處理等操作，包括現場采集的數據、系統數據、計算數據、屬性數據、控制和管理數據等，因此必須選擇高性能的數據庫平臺和先進的數據庫訪問技術。

根據不同操作模式，操作人員從控制臺TSCE核心中的艦載應用程序訪問數據庫系統，可以采用B/S與C/S混合模式。監控計算機收集現場信息經處理后傳送給實時數據庫服務器，客戶端瀏覽器通過Web服務器從實時數據庫中獲取數據，或者通過客戶端程序直接訪問實時數據庫。另外，通過應用服務器訪問的方式來提高數據通信的實時性。采集到的數據傳給數據庫服務器的同時還傳給應用服務器，并且接收來自應用服務器發出的控制命令。用戶進行監控操作只要通過瀏覽器的界面就可以進行。應用服務器保存每個客戶的連接信息，根據這些信息可以較容易地實現數據的實時“推送”服務(Server Push);另一方面，客戶端程序也是通過一些組件和現場監控計算機進行通訊，實時顯示和發送數據，這種方式能很好地滿足數據通訊的實時性。

2.3 存儲技術

智能艦平臺控制系統對不同數據響應速度要求、數據大小等各不相同，可以采取分級存儲策略。對于需要長期保存的非共享數據(如控制組態值、固定參數等)采用文件管理系統直接存取。對于大量客戶端軟件屋特殊要求的共享數據(如操作人員記錄)采用Oracle等外存數據庫管理。對于經常變化的實時數據和中間變量等放在內存數據庫中。

數據庫硬件平臺采用存儲區域網系統(SAN)。通過一個單獨的網絡把存儲設備和連接在TCP/IP局域網上的服務器群相連，這個單獨的網絡通常由高速光纖網絡構成。當有海量數據的存取需求時，數據可以通過存儲區域網在相關服務器和后臺存儲設備之間高速傳輸。從邏輯構成的角度看，1個存儲區域網SNA包括存儲區域網組件、資源及其之間的關系，相關性與從屬關系。存儲區域網組件間的關系不受物理連接的限制。艦船運行的重要數據，如航行數據，每隔5 s(可以在配置文件中設置)往數據庫保存1次。存儲區域網系統中，采用服務器集群和磁盤陣列配合，來存放TSCE實時/歷史數據庫。采用陣列配合熱插拔技術，可以實現數據的在線恢復。當陣列中任一塊硬盤損壞時，不需要用戶關機或停止應用服務就可更換和修復。各臺服務器間通過內部網絡相互通信，當1臺服務器發生故障時，它所運行的應用程序將由其他服務器自動接管。

2.4 現場總線技術

在控制網絡層，根據要采集的數據類型、設備性質和采集位置的不同，可以選用適當的通信機制和總線獲取實時現場數據。現場總線的使用，減少可編程邏輯控制器的負載，并減少響應時間。大量使用具有現場總線接口的智能型傳感器以及智能化儀表，可實現數據采集和控制信號輸出。現場數據采集中，將根據現場設備和環境的具體情況，實現模塊化、分散化現場數據采集和現場設備狀態控制，并綜合應用各種總線使系統總體性能指標(如實時性，可靠性和故障可診斷性等)達到最優［4］。CAN總線具有可靠性高、傳輸速率快及連線簡單等突出優點，因此船上主要使用CAN總線進行數據采集和控制。Profibus總線在采用Siemens可編程控制器組網采集數據時使用。RS－232和485總線主要用于航海儀器、損管設備和某些機艙設備集成監控單元的數據采集與控制。由于TCP具有速度快，與管理網絡完全兼容的優點，在干擾少、通信數據量大，通信速率要求高的系統級現場數據采集中可以利用。現在，隨著各種實時以太網、千兆、萬兆以太網技術的出現，工業以太網可能在未來成為工業控制網絡的統一標準，形成真正意義上全開放的系統結構。

2.5 DAP接口技術

控制網絡和管理網絡的緊密集成是建立艦船綜合實時狀態與控制信息庫的基礎。如果控制網絡采用工業以太網，與管理網絡用相同的協議，實現信息交換很簡單。但是，現階段使用傳統現場總線的情況下，異構網絡之間的數據交互一般通過專用網關來實現。數據交換可以采用加入轉換接口、動態數據交換(DDE)、采用中間層技術(如 OPC)等技術實現。TSCE運行高性能的集成數據庫，控制網絡層各子系統的實時數據通過Soft PLC與DCU進行交換，DCU裝有分系統控制代碼，將數據處理轉換后存入本地嵌入式數據庫，通過統一接口DAP與管理網絡相連，TSCE核心應用程序能與DAP交換所需數據，實現信息共享。DCU作為網絡接口中間件，它屏蔽了網絡通信時數據組包、差錯控制等，方便網絡數據交換。

3 結語

艦艇平臺作為艦艇構成的基礎，是艦艇裝備實現機械化與信息化復合式發展的關鍵環節。海軍裝備體系的信息化，必須提高艦艇平臺的信息化和自動化水平，實現艦艇平臺綜合管理與指揮控制的一體化、智能化。因此，現在必須加強智能艦船平臺控制系統(ECS)的體系研究，盡快突破關鍵技術和設計方法，從而滿足海軍智能艦船的要求。同時要注意的是，智能艦平臺控制系統的構建和推廣要充分考慮管理、技術、習慣上的各種因素。

［1］王征，黃楠，魏建華.船舶綜合平臺管理系統研究［J］.船海工程，2009，38(1):116 －118.

［2］危嵩，熊瑛，胡鵬.通用船舶綜合平臺管理系統模型研究［J］.中國艦船研究，2008，3(5):25 －27.

［3］任悅琴，徐慧.艦船綜合平臺管理系統［J］.艦船科學技術，2005，27(6):105 －108.

［4］JUN L，KHIANG W L.Using the OPC standard for realtime proeess monitoring and control［J］.SoftwareIEEE，2005，22(6):54 －59.

［5］方萬水，李煒，蔡敬標.國外艦船綜合平臺管理系統發展概述［J］.艦船科學技術，2005，27(1):94 －96.

The key technologies of intelligent warship's engineering control system(ECS)

YOU Jia-wei1，HE Ye-lan2，CHEN Hui2，ZHANG Xin-xue3
(1.China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China;2.School of Energy and Power Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China;3.China Ship Information Center，Beijing 100192，China)

The implements of TSCE(Total Ship Computing Environment)in intelligent warship can achieve“total ship integrated information management”and“automated control”.Now TSCE becomes the integration development trend of intelligent warship.This paper introduces the ECS net ware architecture and control mode，then discusses the key technologies of ECS in view of performance demands such as computing power，reliability，timeliness.

ECS;TSCE;architecture;key technologies

TJ81+0.37

A

1672－7649(2011)06－0038－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.010

2011－05－06

游加慰(1963－)，男，研究員，主要從事艦船技術研究。