載人潛水器母船網絡信息系統設計分析

李寶鋼，劉慶亮，鄒祥依，徐全香，宋士吉，桑 威

(1. 國家深海基地管理中心，山東 青島 266237；2. 清華大學，北京 100084；3. 中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

載人潛水器母船網絡信息系統設計分析

李寶鋼1，劉慶亮1，鄒祥依1，徐全香1，宋士吉2，桑 威3

(1. 國家深海基地管理中心，山東 青島 266237；2. 清華大學，北京 100084；3. 中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

本文結合我國載人深潛科學考察對母船網絡信息系統的需求，闡述了載人潛水器母船網絡信息系統的設計原則及總體設計方法，并對各分系統設計與實施進行論述，旨在為我國新建載人潛水器母船網絡信息系統建設提供參考。

載人潛水器；母船；網絡信息；設計分析

0 引 言

載人潛水器母船作為一種特殊的海洋科學考察船，同樣需要配備基于船載網絡的信息化系統，在潛水器下潛作業期間及常規調查設備作業期間，為船舶各設備間信息共享、數據融合提供可靠、先進的手段，為各專業領域人員提供協同一致的工作環境，有效提高載人深潛航次的效率。

1 基本設計原則

船舶網絡系統的設計目標是構筑網絡平臺，實現資源共享；建立基于船舶網絡的數據采集系統，以實現船舶各類設備的數據采集、傳輸、交換和存儲；基于船舶網絡的互聯網訪問及郵件收發系統；船域網內視頻點播系統；船域網內信息交換和共享[1]。

基于以上設計目標，整個網絡系統設計應堅持實用性、完整性、可靠性，同時還應考慮先進性。具體表現在充分考慮載人潛水器母船網絡的特殊性，數據的安全高效性，良好的系統可擴展性，良好的可管理性等[2]，如圖1 所示。

2 網絡系統總體設計

載人潛水器母船信息系統可歸納為“一二六”設計思路。即 1 個平臺，2 個中心，六大系統。

1 個平臺是指船舶一體化網絡平臺，該平臺是網絡信息化建設的基礎，承擔全船乃至岸基及其他平臺的數據傳輸和信息交互任務。同時負責將通信設備、導航設備、專業調查裝備、通用服務調查裝備、深海水下平臺互連成一個整體。

2 個中心是指數據中心和作業管理中心，是船舶網絡信息系統的實體，除了遍布全船的傳感器、網絡接口和信息終端外，網絡信息化系統的大多數核心部件均布置在數據中心和作業管理中心。

六大系統是指船舶網絡系統下轄的數據采集系統、數據管理系統、安全管理系統、業務管理系統、綜合視頻系統及遠程交互系統 6 個應用系統[3]。

圖1 船舶網絡系統設計原則Fig. 1 Principles of ship network systemdesign

3 數據中心

數據中心即全船的計算中心、存儲中心和網絡中心，數據中心通常位于船舶的中心位置，方便網絡布線和維護，是服務器、磁盤陣列、路由器、交換機、配線系統、安全技防系統、UPS 系統等綜合集成場所，其計算資源、存儲備份資源、網絡互聯資源為調查業務活動提供硬件的支撐和服務，圖2 為數據中心系統結構圖。

圖2 數據中心系統結構圖Fig. 2 Structure diagramof data center system

3.1 數據采集系統

載人潛水器母船可參考科考船，信息采集節點（含導航信息采集和設備信息采集）通常按照 64 個統一設計，能滿足 RS-232、RS-422、RS-485 等類型的串口輸入輸出設備和網絡輸入輸出設備的數據采集要求，自適應標準或非標準多種波特率，支持網路協議：ICMP/IP/TCP/UDP 等[4]，圖3 為數據采集系統框圖。

圖3 數據采集系統框圖Fig. 3 Block diagramof data acquisition system

3.2 數據管理系統

數據管理系統包括設備信息管理、數據管理、發布管理和報告管理等，如圖4 所示。作為載人潛水器母船，除各類常規調查設備的信息管理外，載人潛水器本體及其水面支持系統的信息管理也是非常重要的部分。對調查資料進行現場標準化處理和常規質量控制，并根據分析研究的要求，對觀測調查數據做必要的預處理、存儲、備份與管理，數據處理應符合大洋數據處理規范，便于數據下船后與大洋資料中心數據處理與管理無縫交接。

圖4 數據管理系統框圖Fig. 4 Block diagramof datamanagement system

這里以 CTD 為例，介紹整個船舶數據管理系統的數據流程，如圖5 所示。首先，是數據生成，在 CTD作業過程中，會產生 CTD 采集數據，數據先進入 CTD末端處理計算機，然后通過網絡傳輸至數據管理系統，數據管理系統通過數據適配，進入原始數據庫，原始庫的數據經過數據處理，進入到初步質控數據庫，再經過數據發布審核，進入到發布數據庫，用戶能夠通過訪問發布數據庫獲取 CTD 數據。

3.3 安全管理系統

安全管理系統實現對船舶網絡系統的訪問管理控制、殺毒策略管理等，主要體現在以下幾個方面：

1）接入控制：防止計算機終端被非法接入，必須經過管理員審核后才能進入網絡。

2）訪問控制：入網的人員應根據不同工作崗位劃分相應角色，并賦予相應的訪問權限，避免越權訪問和涉密資源的非法操作，圖6 為用戶準入管理模式圖。

圖5 CTD 數據管理框圖Fig. 5 Block diagramof CTD datamanagement

圖6 用戶準入管理模式圖Fig. 6 User accessmanagement pattern

3）安全控制：網絡的終端必須強制安裝統一的防病毒軟件，并方便病毒庫和系統補丁的及時更新推送。

4）終端控制：應對于網內統一配置的計算機進行管控，禁止私自安裝與工作無關的軟件，影響網內工作效率及信息安全。

5）數據安全控制：自動識別隱藏在文件中的關鍵字，防止關鍵數據、信息泄露，如圖7 為數據安全管理控制。

4 作業管理中心

作業管理中心是全船的作業集控管理、會商決策中心，實現對全船設備監控視頻、船舶監控視頻、遠程視頻會議等音視頻資源的統一監控與調度；與其他船平臺、岸基的遠程數據傳輸和遠程技術支持。作為載人潛水器母船，作業管理中心還有個主要功能是載人潛水器下潛作業期間的指揮、監控、調度等。

4.1 業務管理系統

業務管理系統實現以載人潛水器為主的調查計劃、作業流程、調查人員、調查設備、樣品的信息化、規范化管理，以航次→航段→下潛試驗的形式組織報告及相關試驗過程信息，同時將試驗產生的數據上傳數據存儲系統統一管理，能夠完成試驗項目的跟蹤管理、進度掌控、流程規范、歷史項目統計。如圖8所示為業務管理系統框圖。

圖7 數據安全管理控制Fig. 7 Data securitymanagement and control

圖8 業務管理系統框圖Fig. 8 Block diagramof businessmanagement system

首先總指揮和科學家通過業務管理系統登錄到相關主頁；然后針對航次計劃進行相關的規劃，主要包含航段計劃、起始時間、應急預案、停靠港口等信息；將確定的航段計劃任務發送給相關人員，如科學家、潛航員、調查人員及深潛保障人員等；上述人員針對任務完善相關的信息，做好人員、設備等的準備工作及任務結束后的后續工作。如圖9 為業務管理系統流程圖。

圖9 業務管理系統流程圖Fig. 9 Flow diagramof businessmanagement system

4.2 綜合視頻系統

載人潛水器母船綜合視頻系統主要包括視頻監控系統、設備狀態監視系統、船舶動態信息顯示系統、IPTV 播放系統、大屏綜合顯示系統和視頻會議系統等。

4.2.1 視頻監控系統

視頻監控系統利用攝像頭對船舶平臺的重要部位進行實時監控，如前后甲板和重要的實驗艙室等，并通過公共信息子網進行網絡傳輸、存儲和控制，監控視頻應連續記錄，并且保存時間一般不小于 60 d。目前常用的攝像頭有球型攝像機、槍式攝像機和激光攝像機，通常防護等級為 IP66，通過三防檢測。

4.2.2 設備狀態監視系統

設備狀態監控系統在船域網內實現對載人潛水器和常規調查設備運行的全面監控，能實時錄播設備的屏幕顯示信息，可對設備運行狀態進行回溯[5]。設備實時監控系統應不消耗調查設備本身的處理資源，不影響設備的穩定性。另外從安全保密角度出發，應給不同用戶分配相應的控制權限。

4.2.3 船舶動態信息顯示系統

船舶動態信息顯示系統向船上人員實時提供船舶動態信息，顯示內容通常為船舶航行狀態、環境信息和平臺信息，包括船舶的經度、緯度、航向、航速、時間、水深、艙室外溫度、濕度、風向、風速、氣壓以及導航、絞車、吊機等平臺系統的信息參數。同時能提供可定制的信息顯示以及多種形式的多媒體通知、公告、作業調度信息。各類信息通過布設在實驗室、相關住艙、公共空間的 IPTV 電視終端顯示，或通過網絡在電腦上查詢。

4.2.4 IPTV 播放系統

IPTV 播放系統用于實現基于船舶局域網絡的交互式視頻點播應用，包含網絡視頻點播、視頻會議及在船舶局域網絡中傳播的數字音視頻信息等，利用視頻編碼盒對全船的視頻信息進行編碼，生成數字碼流，IPTV 播放系統對全部碼流進行存儲、播放，終端通常布置在住艙和公共區域。

4.2.5 大屏綜合顯示系統

大屏綜合顯示系統實現本船作業指揮調度及其綜合信息顯示等功能，為作業調度、作業監控和船舶管理提供一體化的服務平臺，考慮到實際應用，大屏綜合顯示系統的大屏幕通常設置在作業指揮監控室，目前主流的多采用 LCD 拼接屏或者 DLP 屏幕。實驗室區域內，通常設置為可通過網絡在計算機上訪問。大屏綜合顯控系統設計時應采用先進的技術和系統結構，提高系統可靠性和安全性，不能對其他子系統造成安全影響和環境影響，提供冗余配置，采用模塊設計，具備擴展能力。圖10 為大屏幕綜合顯示系統示意圖。

圖10 大屏幕綜合顯示系統示意圖Fig. 10 Schematic diagramof large screen display system

4.2.6 視頻會議系統

視頻會議系統利用衛星通信技術進行船岸以及海上不同船舶之間的視頻會議，支持終端點對點、多點遠程會議，通過將安全服務認證和通話隱私合并的方法加強遠程視頻會議的安全性，同時系統可以將重要的會議存儲在錄播服務器。

4.3 遠程交互系統

遠程監控管理系統通過海事衛星通信系統，通過先進的圖像、語音處理設備及專業的船舶采集處理技術，在確保數據安全的前提下，實現在岸基對船舶狀態的遠程監控管理。并且可實現岸基與船上技術人員對船載設備的遠程故障診斷及其相關技術支持，技術人員能夠及時進行語音、視頻的遠程技術溝通與技術交流，建立具有互動功能的遠程視頻技術協調系統。

5 船舶網絡信息系統建設實施流程

網絡信息系統的建設分為不同階段建設，如圖11所示。論證階段和方案設計階段主要根據船東的需求，完成各分系統設計說明書、系統原理圖等技術文件編制工作；技術設計階段主要完成系統原理圖、外部接線圖、設備安裝圖等技術文件的編制，完成軟件需求調研并完成軟件開發，同時完成陸上聯調及系泊航行試驗方案的編制等；陸上聯調階段主要是根據陸上聯調試驗方案驗證系統性能及功能指標是否滿足設計要求，縮短船廠安裝調試周期，確保項目進度；系泊航行階段主要配合船廠完成設備安裝及接線，完成系統功能及性能指標驗收；系統運維階段主要是提供系統全壽命保障，承諾為船東提供軟件功能持續完善更新等[6]。

圖11 網絡信息系統實施流程圖Fig. 11 Implementation flow chart of network information system

6 結 語

船舶網絡信息系統猶如人的神經系統，遍布于船舶的每個角落，同時也將各個部位的信息進行匯總，并通過各種方式呈現在人們面前。建設一套功能全面、安全可靠、更加人性化的載人潛水器母船網絡信息系統對于提高我國載人深潛科考能力具有現實意義。

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Design and analysis the systemof network information of themanned submersiblemother ship

LI Bao-gang1, LIU Qing-liang1, ZOU Xiang-yi1, XU Quan-xiang1, SONG Shi-ji2, SANG Wei3
(1. National Deep Sea Center, Qingdao 266237, China; 2. Tsinghua University, Beijing 100084, China; 3.marine Design and Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

According to the requriment of themother ship network information systemof China'smanned submersible scientific investigation, discussed the design principles andmethods of themanned submersiblemother ship network information system, and discussed the design and implementation of each system, to provide reference for the construction of the network information systemof the newmanned submersible vehicle in our country.

manned submersible；mother ship；network information；design and analysis

TP393.1

：A

1672 - 7619(2016)10 - 0062 - 05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.010.012

2016 - 03 - 29；

2016 - 05 - 05

國家海洋局大洋專項資助項目(BS-DY2012-01)

李寶鋼(1983 - )，男，碩士，工程師，主要從事深海技術及船舶裝備技術研究。