基于DDS技術的艦船平臺綜合管理系統

呂云飛，王旋，張軍

（武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢 430064）

1 概述

艦船平臺綜合管理系統是利用計算機、通信、網絡、自動控制等技術，將主推進系統、電站及電能管理系統、輔機系統、損管系統、三防系統、綜合艦橋系統、綜合狀態評估系統、實船在線訓練系統、全船維護保障系統、電視監視系統等相對獨立的分系統納入到統一的網絡中，實現信息集成，形成以信息集成為核心，集監測、控制、管理于一體的網絡化、信息化和智能化的綜合大系統［1－4］。其目的旨在為日趨復雜的艦船系統和設備提供高自動化、高可靠性的集成監控平臺，并提供1種開放式的、高可擴展性的具備功能動態配置、靈活重組特性的信息集成體系架構，實現功能與設備的分離、信息采集與信息使用的分離、數據與應用的分離，從而解除系統功能與設備緊耦合的綁定關系，消除當前日益嚴重的艦船系統功能擴展與總體優化間的矛盾，達到減員增效的目標。

艦船平臺的航行、動力、電站、輔機等各系統采用不同的監控技術、通信標準和來自不同的制造商的監控設備，給平臺綜合管理系統的信息集成設計帶來了較大的困難。因此，如何建立一個全船統一的信息集成體系框架，實現對艦船平臺各系統的信息集成共享和綜合管理是平臺綜合管理系統設計的關鍵和重點。目前，平臺綜合管理系統可以采用基于以下幾種技術的信息集成體系框架:

1）基于傳統網絡通信機制和應用信息接口協議的信息集成

平臺綜合管理系統在監控設備和被控對象間建立私有的應用層信息傳輸接口協議，并利用網絡提供的協議棧實現信息的傳輸。例如，目前平臺綜合管理系統多采用以太網實現設備連接，通過以太網口經Socket協議棧來進行信息通信，實現系統集成，這種方式的優點是通信效率高，缺點是集成靈活性和可擴展性差，需要對通信設備間制定信息接口協議，無法實現軟件和硬件的分離，系統控制功能動態配置和重組困難。

2）基于OPC技術中間件［5］的信息集成

OPC技術建立了1組符合工業控制要求的接口規范，將現場信號按照統一的標準與SCADA、HMI等軟件無縫連接起來，實現硬件和應用軟件有效分離，提供了從設備和數據庫等數據源獲得數據的通信機制;通過提供帶有OPC接口的服務器，使任何帶有OPC接口的客戶程序均以統一的方式存取不同廠商的設備數據，解決了不同廠家設備之間不能通信的問題，從而可將多種現場總線集成在一個可以互操作的網絡平臺下。平臺管理系統可利用該技術將基于不同廠商的各系統設備進行互連互通，實現全船的信息集成。該方法具有開發工作量小，集成方便等優點，但OPC技術主要用于Window操作系統，且采用C/S模式，存在服務瓶頸等問題。

3）基于CORBA中間件［6－7］技術的信息集成

目前，國外平臺管理系統較多采用CORBA技術實現信息集成。該技術采用遠程對象調用機制，支持異構環境下分布式應用系統的開發和互操作，具有與底層硬件、操作系統、網絡、通信協議和編程語言無關的特點，系統開發簡單，集成效率高，但由于其采用了C/S的通信模式，通信機制較為復雜，數據收發需要建立連接的過程［11］，不能很好的滿足平臺綜合管理系統實時控制需求。

4）基于數據分布服務（DDS）［8－13］技術的信息集成

數據分布服務（DDS）是1種應用于分布式實時系統信息集成，保證系統互連互通和互操作的全新技術。它基于以數據為中心的發布－訂閱（DCPS）模型，在各系統設備通信網絡上建立了全局數據空間的概念，應用程序（發布者）發布大量的數據樣本（主題信息）給遠程感興趣的訪問端（訂閱者）。當主題信息滿足訂閱者的需求時，兩者建立連接，實現與主題相關數據的傳輸。它具有實時性強、無服務瓶頸、跨平臺操作、可擴展性強等優點，可以實現軟硬件的分離、數據采集與應用的分離，非常適用于艦船平臺綜合管理系統的信息集成。

本文在對DDS技術分析的基礎上，提出基于DDS技術的平臺綜合管理系統，并通過仿真系統進行了設計驗證。

2 DDS原理及特點分析

2.1 DDS層次結構

數據分布服務（Data Distribution Service，DDS）規范是近來OMG為了滿足分布式實時通信需求而制定的基于發布/訂閱通信模型的規范。DDS擁有一個以數據為中心的發布－訂閱機制，提供了一個與平臺無關的數據模型。它允許應用程序實時發布其擁有的信息，并訂閱其需要的信息，較好地處理了不可靠網絡通信中數據的自動發現、可靠性和冗余性等問題。該規范有2層，分別是數據本地重構層（Data Local ReconstructionLayer，DLRL）和以數據為中心的發布－訂閱層DCPS［9］。

DCPS層是DDS的核心和基礎，它提供了數據發布的基礎架構，確保正確有效地傳輸信息給適當的接收者。該層建立了一個全局數據空間的概念（如圖1所示），發布者和訂閱者在該全局空間中分別發布和訂閱自己需要的數據類型，通過中間件處理后，再進行數據傳送，將傳統的C/S模式轉為以數據為中心的服務模式。DCPS層提供了應用程序所需的發布和訂閱數據的功能。發布和訂閱是通過主題來關聯的，通過主題來關聯發布信息，創建發布和訂閱者實體，并為這些實體設定服務質量QoS參數［11］。

圖1 DDS全局數據空間示意圖Fig.1Whole data space of DDS

DLRL層將DCPS層提供的服務進行了抽象，在DLRL層建立了與底層服務的映射關系。它建立在下層DCPS基礎之上，通過DCPS提供的服務，簡化了編程實現工作，把服務簡單地整合到應用層，讓用戶能直接訪問變更的數據，達到與本地語言結構無縫連接的目的。其具體實現機制是:將DCPS層提供的服務以類的形式進行封裝，建立每個類與DCPS層相應服務的映射關系，然后在DLRL層用本地語言結構對該類進行操縱，讓用戶能方便快捷地訪問數據［12］。

圖2 DDS層次結構示意圖Fig.2The hiberarchy of DDS

2.2 DDS工作流程

DDS工作流程如圖3所示。具體步驟如下:①發布者在中間件上注冊數據類型DataType;②返回;③發布者通知中間件生成主題，中間件根據數據類型DataType定義主題并設置QoS;④返回主題;⑤某個時刻，1個訂閱者（比如指控系統某指揮控制臺）向中間件發送請求，查找該主題;⑥中間件返回需要查找的主題;⑦訂閱者訂閱主題，中間件比較主題和訂閱者設定的QoS，看是否滿足訂閱者要求，如果滿足則保存1個新的訂閱信息（此訂閱信息包含合成的QoS）并成功返回，否則拒絕訂閱;⑧中間件返回相應信息;⑨發布者設置QoS并發布最新的數據;⑩中間件接收到數據，比較QoS，適時將數據傳遞給訂閱者［13］。

圖3 DDS工作流程示意圖Fig.3The working flow of DDS

2.3 DDS特點分析

相對于CORBA等其他中間件技術，DDS具有如下優點:

1）引入全局數據空間概念，提高了通信效率

DDS不需要中心服務器的連接，而通過全局數據空間上的主題來關聯，消除了服務瓶頸和中心節點故障隱患，可完全實現一對多的連接，大大提高了通信效率。

2）以數據為中心，降低網絡延遲

DDS以數據為中心，1個訂閱者可以在全局數據空間中找到多個相同主題，實現一對多的連接，1個連接失敗可以換用另1個，大大降低了網絡延遲。同時發送者和訂閱者通過主題相連后直接進行點對點的數據傳送，不需要中間媒介，也大大提高了通信效率。

3）用QoS控制服務行為，增加了通信靈活性

DDS將資源的可用情況、提供方對資源的占有程度及請求方對資源的期待程度分別程序化為主題QoS、發布者QoS和訂閱者QoS，通過QoS控制大大增加了通信的靈活性［13］。

4）采用UDP/IP協議，增大網絡吞吐率和傳輸實時性

DDS基于實時性的考慮，它采用UDP/IP協議。并采用多播傳播方式，可大大增加網絡吞吐率和傳輸實時性。

3 基于DDS技術的平臺綜合管理系統

3.1 體系架構

鑒于DDS技術在信息集成方面的優點，本文將DDS技術引入到艦船平臺綜合管理系統設計實現中，提出了基于DDS技術的平臺綜合管理系統信息集成體系架構，如圖4所示。該系統體系架構分為3個層次，包括現場控制層、DDS信息交換層和管理控制層。

1）現場控制層

現場控制層是控制核心，主要由若干數據采集控制單元（Data collection and control unit，DCCU）組成，它打破了傳統系統劃分的模式，按照區域劃分配置數據采集控制單元，實現平臺系統設備的信息采集和控制的總體優化配置。在該層內，數據采集控制單元安裝在需要檢測數據和狀態的設備附近，面向平臺中各設備的傳感器和調節器，用于從平臺各系統或設備處獲得數據并以主題模式提供給DDS信息交換平臺，并訂閱接收各種控制指令主題，解析并對被控制系統進行控制。每個數據采集控制單元具有多類型輸入輸出接口，可通過現場總線接口、I/O接口以及模擬量接口等完成對多個平臺設備信息的收集與控制。

圖4 基于DDS的平臺綜合管理系統體系架構示意圖Fig.4The architecture of IPMS based on DDS

2）DDS信息交換層

DDS信息交換層利用DDS中間件將平臺管理系統的信息傳輸網絡、各設備的不同的軟硬件平臺（操作系統、計算機、網絡接口）進行統一集成整合，提供了一個全船統一的信息交換平臺，平臺綜合管理系統的任何節點以發布/訂閱主題的方式獲取其應用所需的信息，發送本節點應用程序產生的數據和控制命令信息，節點的數據處理應用不需要了解本節點的硬件信息，信息網絡狀況以及其他節點的狀態，信息的接收和發布不需要考慮對發地址、接口協議、網絡資源等條件，完全實現了軟件與硬件的分離、數據應用與傳輸的分離等。

如圖4所示，DDS中間件將嵌入到平臺綜合管理系統的包括數據采集控制單元、操控臺、數據庫、決策支持服務器等所有的網絡通信節點，屏蔽了設備硬件、操作系統、信息接口不同所帶來的信息交換共享困難的問題，使應用開發者可專注于數據應用，大大降低了系統監控管理軟件研制的復雜度。

3）管理監控層

管理監控層是與操作人員進行信息交互的層，直接面向操作人員。操作人員可利用控制臺對平臺系統各種設備進行監測、控制、管理、輔助決策，實現了操作與監控的集中處理。該層主要包括各種硬件設備和數據處理應用程序。多個通用多功能操控臺包括航行控制臺、大氣監控臺、損管保障監控臺、動力監控臺、電氣監控臺等，所有操控臺采用通用的硬件模塊和DDS中間件，根據功能配置方案動態加載應用程序，分別實現對平臺各系統設備的統一的綜合管理和監控。各功能臺可根據艦船的任務和設備故障情況進行靈活的功能重組。

3.2 信息交換流程

DDS采用主題方式實現信息的交換和共享，以航行操控功能為例，該功能涉及到航行控制臺、導航設備、用于舵狀態監控、艇體姿態監控、閥門狀態信息監控的DCCU、數據庫、支援決策服務器等，其信息主題訂閱/發布情況如表1所示。

航行控制臺的操控應用程序將訂閱舵狀態、閥門狀態、導航參數等航行相關信息主題，并進行綜合集成顯示，為實現自動航行等自動化功能，航向控制臺將訂閱操控輔助決策主題，用于實現艦船的智能自主航行;導航設備將發送導航參數信息;DCCU將采集舵狀態、閥門狀態等信息，并發布相應主題供其他網絡節點使用，訂閱舵控制指令等主題用于實現對舵、閥門的相關控制;數據庫將訂閱各類信息并進行存儲，并提供歷史狀態參數主題供其他設備使用;支援決策服務器訂閱各類相關設備參數狀態信息主題用于輔助決策的計算并發布輔助決策信息主題，供航行控制臺使用。

3.3 系統優點

基于DDS技術的平臺綜合管理系統具有如下優點:

1）真正實現了軟件硬件的分離和功能靈活重組

基于DDS平臺的系統監控軟件與設備硬件、操作系統無關，通過軟件動態加載等技術實現任意操控臺對任意系統的控制管理，打破系統設備“專臺專用”的操控模式，從而實現艦船系統管控的位置無關化、冗余化和系統間的功能備份，提高系統總體可靠性。

2）實現了設備間的“松耦合性”

設備的對外接口僅僅針對DDS平臺，設備以主題模式發送和接收數據，不需要考慮信息傳輸網絡、對端通信設備地址的條件，真正數據應用和傳輸的分離，設備間沒有直接關聯，設備功能設計具有極大的自由度和可擴展性。

3）解決了系統功能擴展與總體優化的矛盾

在基于DDS技術平臺綜合管理系統上，由于具備了一個統一的信息交換平臺，任意系統功能的增加和擴充僅需要進行相關應用軟件的研制，并加載在任意的控制臺上即可，避免了硬件設備的增加，打破了系統功能與設備硬件綁定的現狀，解決了系統功能擴展與總體優化的矛盾。

4）提高了系統集成效率，減輕了系統開發工作量

平臺綜合管理系統的信息集成基于統一的DDS技術平臺，監控層和現場控制層可獨立設計，降低了系統設計的復雜度，提高了系統集成效率;各類監控軟件和數據采集控制軟件僅僅關注于數據應用設計，降低了軟件設計開發的復雜度和工作量。

4 系統實現仿真驗證

為了驗證DDS技術在平臺綜合管理系統上的應用可行性，筆者在試驗室環境利用神州普惠科技有限公司開發的DTS實時分布式試驗仿真工具，搭建了1套基于DDS技術的平臺綜合管理仿真系統。

操作控制層包括航行控制臺、損管保障臺、動力監控臺、電力監控臺和仿真監控臺。操作控制臺采用PC機，操作控制臺上運行包含DTS中間件（基于發布/訂閱工作模式）的用戶應用程序;監控臺運行監控軟件，同時該監控軟件在每個操作控制臺上均有備份。當仿真監控臺發生故障時，可以啟動任意1個控制臺上的監控軟件備份程序，隨時可以接替仿真監控臺的功能。

圖5 平臺綜合管理仿真系統示意圖Fig.5The sketch map of IPMS system

數據傳輸網絡實現對數據的傳輸，雙冗余的100/1000以太網作為系統的主干網，所有的操作控制臺和數據采集控制器均通過自帶的以太網口連接到主干網上。

數據采集控制器負責實現對各類型傳感器的數據采集和對執行機構的控制。其接口包括CAN、I/O、RS485、模擬信號接口等，它與上層控制臺間進行數據和控制命令的通信。數據采集控制器采用工控機。工控機上運行VxWorks實時操作系統和包含DTS中間件（基于發布/訂閱工作模式）的數據采集程序。工控機通過IO板卡與現場的傳感器和執行機構相連。

系統仿真過程如下:

1）仿真監控臺開機運行，自動建立仿真聯邦。各個控制臺和數據采集控制器分別運行本機安裝的應用程序，并自動加入仿真聯邦。

2）各個控制臺和數據采集控制器上的應用程序根據事先設置好的發布/訂閱數據模式，自動接收網絡上的數據或向網絡上發布數據。

3）監控臺上的監控軟件實時監控整個仿真系統中各個控制臺和采集控制器的運行情況。此外，監控軟件還可以根據用戶要求記錄、顯示和存儲網絡上的數據。

4）當某1個控制臺或數據采集控制器失效時，監控臺會按照事先確定的規則啟動備用的控制臺或數據采集控制器，并自動實現失效控制臺或數據采集控制器的功能，實現功能備份。

5）仿真運行前通過編輯每個控制臺上應用程序的發布訂閱數據情況，并配合設置控制臺的ID號來保證控制臺控制功能的惟一性。

6）在仿真運行過程中，既可以通過監控臺（或手動方式）隨時關閉某個控制臺程序，也可以通過監控臺（或手動方式）動態加入某個控制臺程序。

7）當監控臺發生故障時，用戶可手動啟動任意1個控制臺上的監控軟件的備份程序，從而實現監控軟件的功能備份。

通過該仿真系統，筆者測試了基于DDS的平臺系統信息交換、功能動態重組、控制臺的功能熱備份等功能。試驗結果表明，將DDS技術應用于平臺綜合管理系統是可行的。

5 結語

基于DDS技術的平臺綜合管理系統將平臺管理系統的信息傳輸網絡、各設備不同的軟硬件平臺（操作系統、計算機、網絡接口）進行統一集成整合，以發布/訂閱主題的方式提供了1個全船統一的信息交換平臺，真正實現了系統軟件硬件的分離和系統功能靈活重組，降低了設備間的功能“耦合性”，打破了系統功能與設備硬件綁定的現狀，解決了系統功能擴展與總體優化的矛盾，大大提高了系統集成效率，減輕了系統開發工作量。仿真試驗結果證明DDS技術應用于平臺綜合管理系統是合理可行的。

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