基于虛擬化技術(shù)的一體化船舶綜合平臺管理系統(tǒng)

李幸群，吳國東，張 力

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

船舶平臺綜合管理系統(tǒng)（IPMS）是應(yīng)用自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和計算機技術(shù)，將主推進系統(tǒng)、輔機系統(tǒng)、通信導航系統(tǒng)、損管系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等相對獨立的分系統(tǒng)納入到統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)中，形成以信息集成為核心，集監(jiān)測、控制、管理于一體的網(wǎng)絡(luò)化、信息化和智能化的綜合大系統(tǒng)[1 – 5]。本文提出一體化船舶IPMS架構(gòu)，引入船舶IPMS虛擬化數(shù)據(jù)服務(wù)中心概念，應(yīng)用計算機虛擬化技術(shù)建設(shè)船舶IPMS虛擬化數(shù)據(jù)服務(wù)中心。文中詳細介紹了IPMS虛擬化數(shù)據(jù)服務(wù)中心方案。一體化船舶IPMS具備分布式布置、集中管控的特點，且將計算機虛擬化技術(shù)與船舶行業(yè)結(jié)合，為船舶平臺信息化、智能化科研工作者開拓新的思路。

1 通用船舶 IPMS

船舶主要包含主推進系統(tǒng)、輔機系統(tǒng)、通信導航系統(tǒng)、損管系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等。

如圖1所示，每個系統(tǒng)獨立配置采集控制設(shè)備、集中控制臺、數(shù)據(jù)服務(wù)器和存儲設(shè)備，各個系統(tǒng)通過以太網(wǎng)連接集中控制中心實現(xiàn)遠程控制與信息共享。該方案存在以下問題：

1）各系統(tǒng)傳感器執(zhí)行器全船分散分布，存在大量穿艙走線；

2）各系統(tǒng)采集控制設(shè)備為專用設(shè)備，導致全船設(shè)備多樣化，增加維修保障困難；

3）各系統(tǒng)分別配置數(shù)據(jù)服務(wù)器和存儲設(shè)備，存在資源浪費情況，信息共享程度和實時性方面難以保證。

為解決上述問題，并進一步提升系統(tǒng)的可靠性，下面介紹一體化船舶IPMS方案。

2 一體化船舶 IPMS

2.1 一體化船舶IPMS架構(gòu)和配置

一體化的IPMS架構(gòu)如圖2所示，包括監(jiān)視管理層、信息傳輸與服務(wù)層、采集控制層。

采集控制層的功能是完成數(shù)據(jù)信號采集、信號轉(zhuǎn)換、控制運算、控制驅(qū)動，主要設(shè)備為標準采集控制站。標準采集控制站集成了常用的接口類型：RS485/422串行接口、CAN總線接口、以太網(wǎng)接口等，按需分布在各個艙室，實現(xiàn)當前艙室傳感器、執(zhí)行器等設(shè)備接入，不區(qū)分具體船舶業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

監(jiān)視管理層的功能是實現(xiàn)綜合顯示、輔助決策、遠程操控，主要設(shè)備包含顯示大屏、集控臺。顯示大屏和集控臺均進行統(tǒng)一化設(shè)計，為每個船舶業(yè)務(wù)系統(tǒng)配置對應(yīng)的顯示大屏和集控臺，在故障情況下，顯示屏和集控臺均可進行功能切換。

位于中間的傳輸與服務(wù)層既實現(xiàn)了管理層與控制層的連通，又實現(xiàn)了管理層與控制層的安全隔離，在IPMS中起著承上啟下的重要地位。傳輸與服務(wù)層的具體功能是實現(xiàn)船舶各系統(tǒng)如主推進系統(tǒng)、輔機系統(tǒng)、通信導航系統(tǒng)、損管系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)傳輸功能主要由接入交換機和核心交換機組成的冗余以太網(wǎng)實現(xiàn)；而數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲功能采用數(shù)據(jù)服務(wù)中心方式實現(xiàn)。

在此引入數(shù)據(jù)服務(wù)中心的概念，數(shù)據(jù)服務(wù)中心是指業(yè)務(wù)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)資源進行集中、集成、共享、分析的場地、工具、流程等有機結(jié)合，為用戶終端提供訂閱分發(fā)、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)存儲等各類數(shù)據(jù)服務(wù)[6]。通用IPMS為保證各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的相互獨立性，數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲功能實現(xiàn)方式是為每個船舶業(yè)務(wù)系統(tǒng)單獨配置服務(wù)器、存儲設(shè)備，在一定程度上能保證IPMS系統(tǒng)功能安全性和穩(wěn)定性，但存在資源浪費、難以統(tǒng)一管控、數(shù)據(jù)融合共享不充分等問題。隨著計算機虛擬化技術(shù)的發(fā)展日益成熟化及日益完善的商業(yè)化應(yīng)用，本文將計算機虛擬化技術(shù)應(yīng)用于船舶信息化，建設(shè)船舶IPMS虛擬化數(shù)據(jù)服務(wù)中心，在資源配置靈活優(yōu)化的基礎(chǔ)上，進一步實現(xiàn)船舶信息融合共享，為各船舶業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供更穩(wěn)定、高效、完善的數(shù)據(jù)服務(wù)。

2.2 一體化船舶IPMS虛擬化數(shù)據(jù)服務(wù)中心

1）虛擬化數(shù)據(jù)服務(wù)中心架構(gòu)

計算機虛擬化技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)、存儲虛擬化技術(shù)和服務(wù)器虛擬化技術(shù)，是指將有限的網(wǎng)絡(luò)、存儲、服務(wù)器物理資源統(tǒng)一管理后，依據(jù)需求進行具體再分配的技術(shù)[7]。虛擬化技術(shù)的應(yīng)用能實現(xiàn)資源統(tǒng)一化管理，提高物理資源整體利用率；能在物理資源有限的情況下，通過高可用等配置，最大化提高系統(tǒng)的可靠性。應(yīng)用虛擬化技術(shù)于船舶信息化，建設(shè)IPMS數(shù)據(jù)服務(wù)中心，能為船舶業(yè)務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用提供相互隔離、安全的執(zhí)行環(huán)境，保證IPMS的穩(wěn)定性和可靠性，同時符合船舶空間有限特點，滿足船舶經(jīng)濟性要求。

虛擬化數(shù)據(jù)服務(wù)中心的架構(gòu)如圖3所示。

從功能上看，由下至上包含4個層次：

①硬件設(shè)備層，包括數(shù)據(jù)中心的各類服務(wù)器、存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等各類硬件資源。

②虛擬資源層，包括服務(wù)器虛擬化軟件、分布式存儲軟件以及網(wǎng)絡(luò)虛擬化軟件，主要功能是抽象化物理資源，便于資源統(tǒng)一管理。

③資源管理層，包含資源管理、資源監(jiān)控。資源管理具備獨立完整的資源管理功能和部分最重要的數(shù)據(jù)服務(wù)能力，如資源監(jiān)控，可以對數(shù)據(jù)中心虛擬平臺、共享信息資源以及資源內(nèi)部進行可用性以及性能監(jiān)控，具備事件告警能力。

④系統(tǒng)應(yīng)用層，包含基礎(chǔ)軟件和業(yè)務(wù)軟件。

2）IPMS虛擬化數(shù)據(jù)服務(wù)中心組成

船舶業(yè)務(wù)系統(tǒng)包括主推進系統(tǒng)、輔機系統(tǒng)、通信導航系統(tǒng)、損管系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等，系統(tǒng)多功能復雜。為保證各船舶業(yè)務(wù)系統(tǒng)相互獨立，通用船舶IPMS為每個系統(tǒng)配置獨立的服務(wù)器和存儲設(shè)備。根據(jù)虛擬化數(shù)據(jù)服務(wù)中心的架構(gòu)，可以通過創(chuàng)建多個虛擬機，保證船舶業(yè)務(wù)系統(tǒng)的相關(guān)獨立性，提升硬件資源利用率。

依據(jù)虛擬化數(shù)據(jù)服務(wù)中心的架構(gòu)，IPMS虛擬化數(shù)據(jù)服務(wù)中心組成可分為：硬件設(shè)備、虛擬化管理平臺、系統(tǒng)應(yīng)用。

硬件設(shè)備是物理資源，是系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，對應(yīng)硬件設(shè)備層，包括：數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機、VM管理終端。

虛擬化管理平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心、集群、主機、網(wǎng)絡(luò)、存儲等資源的集中管理，支持虛擬機創(chuàng)建刪除、在線遷移和高可用配置。虛擬化管理平臺需安裝在數(shù)據(jù)處理服務(wù)器和VM管理終端上，對應(yīng)虛擬資源層和資源管理層。

系統(tǒng)應(yīng)用實現(xiàn)各船舶業(yè)務(wù)系統(tǒng)獨立運行，主要包括基礎(chǔ)軟件：操作系統(tǒng)、訂閱分發(fā)中間；船舶系統(tǒng)業(yè)務(wù)軟件：船舶系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理軟件?；A(chǔ)軟件安裝在虛擬機上，船舶系統(tǒng)業(yè)務(wù)軟件以APP的形式安裝在已安裝基礎(chǔ)軟件的虛擬機上。

3）IPMS虛擬化數(shù)據(jù)服務(wù)中心配置

IPMS虛擬化數(shù)據(jù)服務(wù)中心的具體配置如圖4所示。

3 一體化船舶 IPMS 與通用船舶 IPMS 比較

某船舶平臺包含主推進系統(tǒng)、輔機系統(tǒng)、通信導航系統(tǒng)、損管系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、電力系統(tǒng)共6個系統(tǒng)，其中主推進系統(tǒng)、輔機系統(tǒng)、通信導航系統(tǒng)、電力系統(tǒng)為重要系統(tǒng)。其通用IPMS方案需配置系統(tǒng)控制臺屏6臺、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器10臺、采集控制設(shè)備類型不少于2類、集中控制設(shè)備不少于1臺，存在大量穿艙走線（各船舶業(yè)務(wù)系統(tǒng)和主干網(wǎng)均需要穿艙走線）。若采用一體化IPMS方案需要配置標準化集控臺屏6臺、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器3臺、標準化采集控制設(shè)備類型1類，系統(tǒng)穿艙走線可減少50%（僅主干網(wǎng)需要穿艙走線）。

1）一體化船舶IPMS的優(yōu)勢

如表1所示，相比通用船舶IPMS方案，基于虛擬化技術(shù)的一體化船舶IPMS具備如下明顯優(yōu)勢：

①網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層次分明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更清晰，穿艙走線明顯減少；

表 1 兩個方案比較Tab. 1 Compare of the two schemes

②設(shè)備標準化，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性同時，降低后期維保工作；

③應(yīng)用更少的硬件資源，實現(xiàn)了更高的系統(tǒng)可靠性；

④在保證系統(tǒng)功能相互獨立正確運行的情況下，減少硬件資源配置，提升物理資源利用率，提升了經(jīng)濟效益；

⑤數(shù)據(jù)處理、存儲更集中，信息資源共享更充分，同時便于開展更全面的船舶業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)建模分析，為船舶設(shè)計和保障提供理論依據(jù)。

2）進一步研究方向

基于虛擬化的一體化船舶IPMS具有現(xiàn)實意義，然而由于需要對所有船舶系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行集中處理，一體化船舶IPMS仍面臨多船舶系統(tǒng)信息融合處理和一體化編碼方面問題。解決船舶多系統(tǒng)信息融合處理和一體化編碼方面，是船舶IPMS研究者進一步的研究方向。

4 結(jié) 語

船舶IPMS為船舶操作管理人員提供了一個開放式、標準化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化的優(yōu)良信息管控平臺[8]，隨著船舶自動化向智能化的發(fā)展，船舶IPMS數(shù)據(jù)服務(wù)的高可靠性、高度信息融合共享、高資源利用率要求越來越高。計算機技術(shù)的發(fā)展是船舶IPMS發(fā)展的技術(shù)前提，一體化船舶IPMS具備分布式布置、集中管控的特點，同時將先進的計算機虛擬化技術(shù)應(yīng)用于船舶IPMS，有助于船舶的智能化發(fā)展。本文詳細介紹了基于虛擬化數(shù)據(jù)服務(wù)中心的一體化船舶IPMS方案，該方案與通用船舶IPMS方案相比具備更高的可靠性、更高的信息融合共享程度、更高的資源利用率，有明顯優(yōu)勢，可供船舶智能化研究、船舶IPMS系統(tǒng)研究及船岸一體化管理體系研究人員作參考。