船舶信息系統數據流設計方案研究

劉 勝，邢博聞，陳 瀟（. 哈爾濱工程大學 自動化學院， 黑龍江 哈爾濱 5000；. 中國船舶重工集團公司第七〇四研究所，上海 0003）

船舶信息系統數據流設計方案研究

劉 勝1，邢博聞1，陳 瀟2
（1. 哈爾濱工程大學 自動化學院， 黑龍江 哈爾濱 150001；2. 中國船舶重工集團公司第七〇四研究所，上海 200031）

為緩解因船舶平臺內所涉傳感器/執行器數量增加所產生的船舶信息系統數據通信壓力，在充分考慮系統能達性/能觀性基礎上，提出船舶信息系統數據流長度的普適判據，并結合執行器實時物理特性對執行器數據流通信內容進行設定；與此同時，通過提出一種基于傳感器當次變值及上次估計誤差為索引的雙指標評價方法對傳感器數據流通信內容優化設計。從而完成了對船舶信息系數據流整體設計方案的研究，在縮短數據流長度的前提下，保證了系統對數據信息采集、處理及應用的客觀需求，進而優化系統資源、提升系統性能，并通過舉例方式對其工作流程進行較為完整的分析。

船舶信息系統；數據流；能觀性分析；傳感器數據調度

0 引 言

隨著船舶技術的發展，船載設備的種類及功能得到進一步完善，這在極大程度上豐富了船舶的適用范圍，提升了船舶作為一個高集成度的一體化載體的智能化程度。然而不可否認，隨著船載設備所涉傳感器/執行器數量的增多，船舶各系統內及系統間所需傳遞的數據信息數量不斷增加，這在極大程度上加重了各系統的通信負擔，也增大了其通信線路的鋪設難度。與此同時，船舶一體化平臺對各系統信息進行綜合分析、處理及決策的客觀需求，也促使船舶框架研究人員對船舶各系統的通信線路進行整合，進而衍生出其在船舶信息系統（Ship Information System，SIS）領域的研究。不失普遍性，船舶信息系統架構可概括為命令控制接口（Command Control Interface，CCI）及其與全船層面上各傳感器/執行器間進行數據傳輸的通信網絡［1］。目前比較常見并已應用到實船上的船舶信息系統包括RICE［2］，Ship System 2000［3］，GEDMS［4］及TSCE［5］等。在文獻［6］中，本文作者曾對行業內船舶信息系統領域近十幾年的發展及研究成果進行概述并對其內涵進行了定義與說明。對于一個大規模的船舶信息系統，隸屬于不同傳感器節點的多個傳感器需要進行高精度的再次融合。然而目前的研究仍是以船載獨立系統為對象進行研究，其均在一定程度上忽略了船舶信息系統自身的客觀屬性，對通信網絡所能承受的信息負載能力考慮不足。

在最近幾年中，美國海軍研究實驗室已開發出一款名為“Volume Sensor”［9］的多感官實時檢測系統，該系統可作為各種實時傳感和情景應用模板。在此基礎上，文獻［10］中Christian等將該系統應用于船舶火災探測系統上，并將基于信息的通信協議引入到一個模塊化、可擴展的船舶傳感器網絡系統中。文獻［11 - 12］中本文作者結合已有系統完成了對船舶信息系統的常見框架及體系結構的建立，但并沒有對其數據流通信過程開展深入研究。

由于船舶信息系統所掛傳感器/執行器均隸屬于不同系統，各系統對信息實時性的要求程度不同，如何在節約系統資源情況下，最大限度的將必要信息采集、發布成為了船舶信息系統研發過程中急需考慮的問題。當前一般將其歸結為任務決策層面，其中比較有代表性的決策方法包括TSCE的ISP （Integrated Ship Plan）。該方法實現了全船層面下的船舶任務及指令優先級設定，并依此對船舶各個系統進行實時規范。該方法有效提升了船舶信息系統的監控效率和可靠性。然而，考慮到船舶信息系統的特異性和復雜性，在規范數據流長度的情況下，各節點在一個通信周期內僅能發布/獲取部分必需信息，因而增加了數據流內容分配的必要性。為此，文獻［13］通過對船舶信息系統能達性進行分析，并在充分考慮執行器物理特性的情況下，提出了一種行之有效的船舶信息系統執行器通道設定方案，但是其理想化了執行器及通信網絡之間的通信過程，因而有一定的局限性。

為解決上述問題，本文對船舶信息系統數據流設定問題開展研究，在能達性/能觀性基礎上，提出了船舶信息系統數據流長度判據，并分別提出了對執行器節點及傳感器節點的數據流內容的設定方案。在縮短數據流長度的前提下，保證了系統對數據信息采集、處理及應用的客觀需求，進而優化了系統資源、提升了系統性能。

1 船舶信息系統框架

不失一般性，本文采用如圖 1 所示的船舶信息系統典型框架。各電子系統內的被控對象表示為Q=［Q1，…QJ］。為忽略無關因素，本文假設船舶信息系統所涉所有底層自身對象均具備能控性/能觀性。Qj的狀態方程如下：

1）執行器節點、傳感器節點及顯示器節點彼此完全獨立。

2）對于單一被控對象，其所需的所有傳感器信息均由一個傳感器節點提供，其所涉執行器也均連接在一個執行器節點上，節點協同問題將作為今后的一個研究方向開展。與 Qj相關的傳感器節點表示為 SNj，其數據流用 SDj表示；執行器節點表示為 ANj其數據流用 ADj表示。

3）各數據流具備統一的通信標準，即不同節點的數據流長度相同。

圖 1 船舶信息系統典型框架Fig. 1 Typical structure of SIS

4）傳感器節點 SNj一次僅能將個傳感器信息錄入數據流中，且有即 CCI 在一次通信中僅能從 SNj處獲取有限的數據信息。執行器節點一次僅能獲取個執行器控制指令，且有

1.1 選取隊列

對于 i=1，2…，pj，采用二值函數表示其傳感器 Sij在 k 時刻被添加近數據流 SDj的狀態，即其中“1”表示信息被添加如數據流，“0”表示未被添加。本文中，作者采用一種選取隊列被控對象所涉 pj個傳感器信息被添加如 SDj情況。毫無疑問，SDj的數據長度完全取決于的數值大小。

就傳感器 Sji而言，其輸出 yji（k） 能被船舶信息系統應用的先決條件是其信息被添加入數據流 SDj并被信息系統采納，即否則船舶信息系統將視該傳感器信息不可用，此時其數據信息將由估計值代替，其確定方法將在后續章節進行闡述與分析。船舶信息系統在 k 時刻所真實采用的 Sji信息表示為且有：

其中

采用表述執行器 Aji能否獲取有效的控制指令，且有假設船舶信息系統運算出的控制指令表示為，則有：

結合式（2）和式（3），式（1）可拓展為如下表達形式：

1.2 問題描述

為此本文所解決的問題可概括為：

2）提出合適的調度算法以從 pj傳感器中挑選個傳感器并將其數據添加入傳感器數據流；

3）提出合適的選取方法以從 mj執行器中挑選個執行器控制指令，并將其添加入執行器數據流。

2 數據流長度設計

首先開展對對象（4）能觀性的分析，并將其拓展到能達性分析過程。為考慮傳感器選取問題對系統能觀性的影響，首先假設可證明，當且僅當rank（R） = nj時，被控對象（4）在 ［0，kf］ 可觀，其中：

定理1 假設 Aj（k） 可逆，將 kf表示為 kf=α × nj+ β，其中，β = 1，…，nj–1。如果滿足如下條件之一，則被控對象（4）在 ［0，kf］ 能觀測。

① 取 Lj= Lj0；

② 用 Lj 1內的行替代 Lj內的并保證 rank = Lj（nj），由于 rank = Lj（nj），該種替代方法可時刻成立

③ 對于 i=2，…，用 Lji內的行替代 Lj內的并時刻保持 rank =（Lj）nj

上述替代方法的結果是 Lj均包含來自內的且保證 rank = Lj（nj）。 該方法即可在每個中選取行的情況下選取 nj個線性無關項。基于上述方法，可重構 R 的右端為。進而可從選取個線性無關項。在此之后，若處獲取另外個線性無關項，為此總共可選取的線性無關項數量為由此可見當時，被控對象（4）在 ［0，kf］ 上可觀。另一方面若處盡可獲取 β 個線性無關項，為此所能選取的線性無關項總數為由此可見當時，被控對象（4）在［0，kf］ 上可觀。

為降低船舶信息系統冗余程度并節約數據流資源，本文選取滿足條件 A 或 B 的最小為添加入每個數據流 SDj中的傳感器數量。

推論1 假定 Aj可逆且（1）能觀，存在可確定的整數用以構建一個選取隊列來保證被控對象（4）對于給定的整數 loj，loj步能觀測。

3 數據流內容設計

3.1 執行器數據流內容設計

基于上述推論，對于給定 lcj步能達對象（4），可推算出其執行器數據流長度所需添加的控制指令數量，進而確定數據流長度。接下來本文通過考慮執行器物理特性提出了船舶信息系統執行器數據流內容的取舍標準。為此須以執行器實時工作情況為指標將船舶信息系統執行器定義 KⅠ類（“倔強”）執行器及 KⅡ類（“依從”）執行器。

定義 4. 對于執行器 Aji，若其在 k 時刻仍處于執行前次控制指令階段，而忽視當前控制指令 uji（k），則稱 Aji在 k 時刻為 KⅠ類（“倔強”）執行器，反之則為 KⅡ類（“依從”）執行器。對任意正常工作 Aji而言，若其處于待機（無可執行控制指令）階段，則其必為 KⅡ類。

結合圖 1，可知當且僅當如下條件之一成立時，執行器 Aji在 k 時刻為 KⅠ類。

① Aji伺服系統存在緩存器，且被設定為在完成前條指令前，忽視所有當前指令；

積極推進全域旅游開發是降低分時度假經濟成本走出“無錢度假”之困境的必經之路。通過推進全域旅游，開發新的旅游資源，打開供給端，均衡供需關系，避免出現因供需不平衡出現的價格虛高現象，可降低度假的經濟成本，提升度假體驗感從而多角度的有效刺激當地消費。積極推進全域旅游，要求各地方政府加強合作，通過消費宣傳引導聯動地區間全域旅游。可以通過各省份之間的聯動合作，以“城城聯動”為形式，通過開行旅游專列，帶動地區間旅游業的發展以此推動各省推行全域旅游，既能為降低分時度假的經濟成本也能通過官方宣傳為分時度假正名。

② CCI 將控制指令 uji（k） 添加入 ADj，但被 ANj屏蔽，未發送到 Aji；

③ CCI 未將控制指令 uji（k） 添加入 ADj。

條件 ① 情況下為 Aji主動 KⅠ類，② 和 ③ 情況下為被動 KⅠ類。為節約系統資源，本文所提出的船舶信息系統數據流設定方案，將條件 ③ 作為 KⅠ類的實施方法。可知，在執行器數據流內容設定過程中，應盡量篩除針對 KⅠ類的控制指令。根據 SIS 對Aji當前指令運行情況的掌控程度，KⅠ類的設定判據如下：

1）基本規則

若 Aji當前指令運行情況不可知，則須設定物理屬性變量及其定義如下：其中表示執行器 Aji從 uji（k-1）運行到 uji（k） 所需的物理時間，為 SIS 循環周期。z0為 Aji的運行初始值。與分別表示個運行周期內，Aji所能運行到的最大、最小值。為此，KⅠ的基本設定規則為：

其中 rji表示執行器從 uji（k-1） 運行到 uji（k） 狀態所需的步數，且需要說明的是，當時，系統可視

2）附加規則

在上述規則基礎上，若 Aji當前指令運行情況可知，其表示為則有如下附加規則：

基于上述規則，船舶信息系統執行器數據流內容的添加原則為優先添加 KⅡ類執行器的控制指令，若其數量小于則添加面向 KⅠ的控制指令，但其指令內容維持為上次輸入值，相似的方法可參照文獻［13］。

3.2 傳感器數據流內容設計

提出了一種基于雙指標評價方法的傳感器數據信息的選取方案。

1）傳感器變值指標

對于 i = 1，…，pj，采用二值函數表示傳感器 Sji的變量指標。當且僅當時，其中表示?y傳感器 Sji上一?＞次ε獲取權限添加入數據流 SDj中的傳感器信息。為閾值，表示當傳感器所示數值變量超過閾值時，其變量指標為 1，否則為 0。當時，本文將 Sji標記為類傳感器。且有傳感器變量指標由各傳感器節點確定。與此同時，本文定義

2）傳感器偏差指標

對于 i = 1，…，pj，采用二值函數表示傳感器 Sji的偏差指標，其取值由傳感器 Sji的與的差值確定。當且僅當時，有其中是 C C I ?對＞φ于的估計值。為閾值，其表示當上次 CCI實際采用的 Sji數值與其估計量的差值若大于則其在 k 步的偏差指標否則為 0。由于篇幅有限，本文將不對傳感器信息最優估計方法進行贅述，可參照作者之前的研究成果［15］。傳感器偏差指標由CCI 確定，并且通過信息讀取指令 SCj（k） 發送到SNj。

3）傳感器信息調度方法

基于上述雙評價指標，提出一種傳感器信息調度方法。為此，定義優先級函數其數值大小決定了 CCI 對傳感器 Sji的需求程度。當 CCI 獲取到來自 Sji信息時，重置為 0。信息讀取指令 SNj為如定義 1 結構的選擇隊列，且有。本文選出優先級函數數值較大的個傳感器，并設定否則為 0。若 Sji所對應的則稱該傳感器為類傳感器。

當傳感器節點 SNj從 CCI 獲取 SCj（k），可由及另一隊列確定。其中，且滿足，否則即，?λ當 CCI 在 k-1 步發布了針對傳感器 Sji的采集指令，但該信息未被節點添加入 SDj中時，為此，本文將此類傳感器標記為類傳感器。定義如下 4 類傳感器工作情況，即

本文所提出的傳感器數據流信息調度方法如下：

4 例 證

以 1 艘中型船舶的運動控制任務為例，對上文提出的船舶信息系統數據流設計方案進行闡述。該系統執行器包括雙舵（包含舵鰭）、雙槳及一對減搖鰭（包含翼鰭），系統狀態空間方程形式為其狀態量包括其中 V、及分別表示船舶航速、航向及橫搖。由于篇幅有限，船舶運動模型及控制策略的研究可參照作者之前的研究成果［1 1 – 1 2］，其執行器包括其中分別表示左主/翼舵、右主/翼舵、主/翼鰭及左右槳，僅在上式中分別表示舵角、鰭角及螺旋槳轉速。

假設系統 Q1需滿足 15 步能達，且起始時刻為k0，為此執行器數據流設定方法為：根據推論 1，可設kf= 7；由于 kf= αn1+ β，n1= 6，則可知 α = 1，β = 1；基于章節 2 所述定理及推論可知，即表示：若當每個執行器流中至少包括 5 個執行器的控制指令，則系統可滿足 15 步能達，在此過程中每個 KⅡ執行器具備相同獲取控制指令的權限，且均高于 KⅠ執行器權限。

基于同樣的被控系統，假定其包含 8 個須被采集傳感器，即其中分別表示左舵舵角、右舵舵角、鰭角及左右槳轉速。在此假設系統需要 25 步能觀。首先基于推論 1，對于 l1o= 25，可設 kf= 13；由于 kf= αn1+ β 且 n1= 6 進而求出 α = 2、β = 1；最后根據定理 1，可知即表示：若當每個傳感器數據流中至少包括 5 個傳感器的相應數據，則系統可滿足 25 步能觀。進一步設定及數值如下：

5 結 語

在充分考慮系統能達性/能觀性基礎上，提出船舶信息系統數據流長度的普適判據，并分別提出面向執行器及傳感器數據流內容的選取方法。從而完成了對船舶信息系數據流整體設計方案的研究，在縮短數據流長度的前提下，保證了系統對數據信息采集、處理及應用的客觀需求，進而優化了系統資源、提升了系統性能，并為船舶信息系統的后續研究提供了理論基礎。

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Design of data flow for ship information system

LIU Sheng1， XING Bo-wen1， CHEN Xiao2
（1. College of Automation， Harbin Engineering University， Harbin 15001， China；2. The 704 Research Institute of CSIC， Shanghai 200031， China

In this article， the length and content setting problem of data flow in ship information system （SIS） structure are considered. Reachability and observability analysis methods are proposed to shorten the length of data flow without affecting the expected performance of SIS. According to the determined data flow length， we present task execution time of actuator is considered in its data flow setting strategy for farther optimized design， after that a scheduling algorithm to set the content of sensor data flow. This scheduling algorithm is based on a double index evaluation method which include the variation of sensor data during assigned steps and the deviation between estimated value and real value of observation. Besides these， algorithm examples are provided as well.

ship information system；data flow；observability analysis；scheduling algorithm

TP14

A

1672 – 7619（2016）04 – 0110 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.04.022

2015 – 08 – 24；

2015 – 12 – 14

劉勝（1957 – ），男，教授，從事自動控制理論及應用、隨機系統最優估計與控制、船舶航行與姿態控制、魯棒智能控制系統領域研究工作。