海洋平臺電子信息系統集成設計方法*

張立偉，王積鵬，趙長明，戴 磊

（1.北京理工大學，北京 100081；2.中國電子科技集團公司電子科學研究院，北京 100041）

0 引言

當前，世界格局調整持續深化，海洋在我國安全和發展中的重要地位日益凸顯。提高海洋資源開發能力、維護國家海洋權益和建設海洋強國[1]，成為民族復興的急迫需求和時代的強烈呼喚。黨的十九大再次提出加快建設海洋強國的重大部署，將維護我國海洋安全和發展海洋經濟提升到國家戰略的高度[2]。實施這一重大部署，對維護國家主權安全、推動經濟持續健康發展以及實現中華民族偉大復興，具有重大而深遠的意義[3]。

為支撐我國電子信息領域的快速發展和占領國際領先地位，打造世界級的海洋信息化體系是國家軍事安全和我國海洋戰略發展的需求[4]。為服務國家海洋信息化體系建設，匯聚各方優勢資源能力，需以體系化的信息技術優勢開展海洋平臺電子信息系統的設計和實踐。前期各類海洋平臺的建設，已逐步驗證了海洋信息采集、傳輸、融合處理及智能管控等多種海上信息支撐能力，但也存在海洋平臺電子信息系統集成度較低、較差、長期工作能力不足、擴展性和通用性受限等問題，難以應對各類用戶在不同應用場景下的服務需求。

本文為滿足目標監視、數據服務等業務需求，開展了海洋平臺電子信息系統總體設計研究，為進一步提升系統遠程無人管控、能源自保障等海洋平臺系統關鍵能力奠定了重要基礎。

1 相關工作

1.1 浮標型海洋信息系統

浮標型是目前應用最廣泛的海洋平臺電子信息系統，可實現對風速、風向、波高、波向、流速、流向、氣溫、氣壓、濕度、水溫、鹽度和深度等海洋環境信息開展一體化測量。浮標型海洋裝備的特點在于結構簡單、部署靈活、海域適應性強、定制化搭載設備高以及功耗低可獨立工作，適合大量部署。

傳統的海洋浮標為通用型系留浮標，標體直徑最大超過10 m，普遍采用太陽能板進行供電，可以進行數據的實時傳輸，具有較強的搭載能力。它的典型代表是美國NOAA研制的系列浮標，根據搭載需求不同，標體直徑可以選擇1.5～12 m。它采用錨泊系統固定，可以實現對各類海洋信息感知傳感器的搭載[5]。我國在通用型浮標領域也開展了大量工作，典型成果有中科院海洋所研制的深海多參數實時傳輸浮標，集成了氣象、GPS、剖面海流以及剖面溫鹽等諸多傳感器。它采用水下感應耦合傳輸技術，通過衛星通信方式，可實時獲取海面氣象、浮標位置、水下500 m剖面海流和溫鹽數據等資料，最大布放深度4 500 m[6]。國家海洋局研制的白龍浮標，最大部署深度7 000 m，連續使用時間超過18個月，可以觀測海表氣溫、氣壓、風速風向、相對濕度、雨量、長波和短波輻射等參量，還可以通過感應耦合傳輸技術實時采集海洋表層至深層海水溫度、鹽度、海流、溶解氧等重要海洋參數[7]。通用型系留浮標經過多年的發展，目前已經基本可以實現全海域的部署，但是目前受供電手段制約，連續工作能力普遍不足，后期維修維護成本高。

由于單體浮標裝備尺寸空間和供電能力有限，浮標型海洋平臺裝備目前只能開展定制化專用型設計。目前較為有代表性的有美國伍茲霍爾研究所（Woods Hole Oceanographic Institute，WHOI）設計的水下剖面信息測量浮標（McLane Moored Profiler，MMP）[8]，采用240 Ah電池供電，可以實現對30～6 000 m水深范圍內的水下剖面流速和水文資料的自主觀測；挪威OCEANOR公司設計的海上風剖面浮標SEAWATCH Wind LiDAR[9]，通過搭載的激光雷達實現海上剖面風速風向測量；美國NOAA設計的海嘯浮標DART[10]，通過系留纜連接坐底式海嘯測量儀和海面標體，實現5 000 m水深以下海域的海嘯信息測量；荷蘭Datawell公司設計的波浪浮標波浪騎士[11]，通過自帶電池，可以實現3年的自主波浪測量、信息收集和數據傳輸；美國研制的光學浮標MOBY[12]，采用不倒翁式設計，在水面上布置傳感器和供電太陽能板，在水下布置光學傳感器和設備，可以實現對海水表層、真光層和海底光學特性的自主測量；美國NOAA設計的海水酸化觀測浮標[13]，可以實現對海水表層和大氣二氧化碳濃度的監測。專用型浮標的搭載能力低于傳統綜合性浮標，但其針對某一類型觀測信息開展了適應性設計，在海域適應能力、供電能力以及成本控制等方面均得到了較大的提升。

浮標型海洋平臺電子信息系統（不論是通用型還是專用型浮標）具有成本低、可推廣性強以及海域使用范圍大的特點，但受到結構尺寸制約，載荷搭載和感知探測能力均難以滿足海洋平臺電子信息系統需求。

1.2 船載型海洋信息系統

船載型海洋平臺電子信息系統是利用船舶作為海洋信息采集設備的載體，對目標海域進行大范圍的海域調研，具有良好的機動性。同時，它的搭載空間和供電能力也能夠滿足大部分海洋觀測設備的搭載。此外，船載型海洋信息調查裝備由于其出色的機動性，還具有一定的軍事用途。

國外已經有了大量的船載型海洋平臺電子信息系統裝備，普遍稱為海洋調查船。較為先進的有美國海軍Bruce C.Heeze號綜合調查船，全長100.3 m，型寬17.6 m，吃水5.8 m，續航力12 000海里。船上裝備12 000 m海深測深儀、CTD、多波束、淺地層剖面儀、磁力儀、ADCP、聲速系統以及海洋表面溫度測量系統等，能夠滿足開展海洋物理、化學、地磁、水文、地震以及聲學等多種學科的海洋調查；日本水產綜合研究中心下屬的西海區水產研究“陽光丸”漁業調查船991 t，全長58.6 m，型寬11 m，型深6.85 m，航速13節，續航力5 760海里[14]；美國“Marcus G.Langseth”海底地質調查船，船型長72 m，型寬17 m，吃水5.9 m，最大航速13節，排水量3 834 t，續航力13 500海里，且安裝了Syntrak 960-24地震記錄系統和氣動生源陣列拖曳系統等，具有全面的地球物理學和地質地震探索能力[15]；美國海岸警衛隊的“北極星”號極地調查船全長121.6 m，型寬24 m，排水量11 000 t，具備功能先進的破冰和抗橫傾系統，可以實現冰區的研究和保障[16]。

在軍用方面，利用海洋調查船可以開展海底監聽，以監聽他國潛艇動態。目前，美國海軍擁有“堅強級”“勝利級”和“完美級”3種吃水深度的監測船，排水量分別為2 285 t、3 380 t、5 270 t。其中，“完美級”搭載能力最強，船長85.8 m，型寬29 m，采用雙體船結構，甲板面積較傳統船舶增加50%可用面積，以增加電子設備的搭載能力。它裝備有主動和被動兩種聲吶陣列探測系統來偵探海底的潛水艇，可探知100海里范圍內150～450 m深度的潛艇方位和類型。

我國在船載海洋平臺電子信息系統方面也開展了大量工作。其中，中科院的“科學”號調查船是我國目前最大的綜合科考船，船總長99.6 m，型寬17.8 m，設計吃水5.6 m，設計排水量約4 660 t，續航力15 000海里，可以在國際海域開展調查，配備DP-1動力定位系統，最大航速超過15節。該船安裝了自動氣象站、萬米測深儀、ADCP、雙頻回聲測深儀等儀器以及輔助設備，同時設置了地震實驗室、地貌實驗室、磁力實驗室、氣象實驗室、干濕實驗室以及重力實驗室等；“海洋六號”是我國自行設計建造的地質調查船，長106 m，寬17.4 m，排水量4 600 t，續航能力15 000海里，配有4 000 m級深海水下機器人“海獅號”、深水多波束測深系統、深水淺地層剖面系統以及長排列大容量高分辨率地震采集系統等多種高科技調查設備[17]。

船載型海洋平臺電子信息系統目前已經實現了在深遠海和極地地區的可靠應用，在搭載能力、機動能力、環境適應能力和可持續能力等方面均具有較高的水平。但是，船載型裝備的經濟性較低，裝備建造和運營成本高，而且無法對區域開展長期觀測，限制了船載裝備的用途。

1.3 平臺型海洋信息系統

近年來，在浮標型和船載型裝備以外，在海洋固定式平臺和浮動式平臺上搭載海洋觀測儀器也成為一種主流方式。海洋平臺尺寸一般較大，甲板尺寸可以達到100 m×100 m，因此可以提供足夠的搭載空間。同時，海洋平臺具有足夠的能源供應，可支撐搭載的海洋儀器持續工作。然而，鑒于石油平臺具有大量的水下管線，基于石油平臺開展水下設備搭載難度較大，而且政治因素限制了利用石油平臺開展軍事用途的海洋觀測活動。為了解決這一問題，各國開展了專用海洋平臺的設計與建造，代表性的有韓國在蘇巖礁建造的海洋觀測平臺。該平臺采用典型導管架平臺結構，出水面高36 m，利用風能、太陽能和油機供電，搭載衛通、雷達以及氣象設備等海洋儀器。美國的海基X波段雷達采用海洋平臺改建，甲板長119 m，寬76 m，排水量50 000 t，可承受60 m/s的臺風侵襲，具有動力系統，航速可達11 km/h。雷達平臺搭載了SBX雷達，對空探測距離達4 800 km，同時搭載了大量的海面探測設備，可以對所在海域的綜合信息進行探測。唐山航島海洋重工有限公司設計的桁架式超大型海上平臺“航島”，是具有長300 m、排水量達到100 000 t的海上超大型浮式平臺，可以為海洋觀測裝備提供充足的搭載環境和搭載條件。

平臺型海洋裝備的搭載空間和能力較強，同時可以在海況惡劣海域長期定位觀測。但是，它的造價和維護成本過高，一般僅能用于軍事用途，難以大范圍推廣。

2 系統體系架構設計

系統在架構上可劃分為支撐層、接入層、處理層和信息傳送層4個層次，且標準體系、安全體系、保障體系貫穿系統架構各層。體系架構如圖1所示。

圖1 系統體系結構模型

2.1 支撐層

支撐層負責為系統運行提供基本保障條件，其主要有臺體支撐、能源供給、基礎數據和安全防護等功能。其中，臺體支撐為搭載設備提供安裝空間和加裝接口，能源供給通過各種發電手段對搭載設備進行供電，基礎數據為搭載設備提供各類基準數據，安全防護為搭載設備提供環境監視和入侵防護。

2.2 接入層

接入層負責搭載設備在物理上和業務上的接入，并將獲取的信息發送至數據處理層，主要有設備接入、狀態獲取、開關控制和業務控制等功能。其中，設備接入為搭載設備提供電氣接口和信息接口，狀態獲取負責采集搭載設備的各類狀態信息，開關控制和業務控制分別為處理層提供設備開關機控制接口和模式控制接口。

2.3 處理層

處理層負責各類狀態數據和感知業務數據的處理，以及系統的管理與控制。其中，狀態管理負責對接入的系統設備狀態信息進行分析，并形成系統工作日志；故障診斷根據系統工作日志和實時設備狀態信息進行故障診斷，并給出故障解決建議；數據存儲負責保存系統的各類業務數據、狀態數據和工作日志等內容；數據融合負責對接入業務的數據進行融合處理，形成統一的態勢信息；參數配置根據信息傳送層下發的配置指令，完成搭載設備的軟硬件參數配置；用戶管理是對不同登錄用戶的權限進行分配；模式切換根據管控指令完成系統工作模式的切換；設備管理根據管控指令完成設備的業務模式管理和開關機的控制。

2.4 信息傳送層

信息傳送層負責系統與外部的信息交互，主要有數據傳輸、鏈路切換、協議轉換和應急通信。其中，數據傳輸負責接收外部管控指令，并上報系統狀態信息和感知數據；鏈路切換負責根據通信鏈路狀態實現不同鏈路之間的切換；協議轉換負責解析外部指令，并封裝系統向外部傳輸的信息；應急通信為外部用戶提供備用管控通道，并上報系統當前的運行狀態信息。

2.5 標準體系

系統標準體系包括運維保障標準、工程技術標準、工程管理標準、質量管理標準和安全標準等，為系統設計、設備研制生產、總裝集成、拖航及布放、運維保障等全過程提供規范和依據。

2.6 安全體系

安全體系包括數據安全、數據傳輸安全、網絡邊界防護、網絡安全審計和系統安全防護等，為系統可靠運行提供安全運行環境和防護手段。

2.7 保障體系

保障體系是一個綜合性體系，并非單純依靠技術手段就能實現，而是要從運行機制、管理體制、資源配置以及標準制定等多個方面入手進行構建，是一個長期積累、持續發展和不斷迭代改進的過程。

3 系統工作原理設計

海洋平臺電子信息系統由海洋浮臺系統、綜合一體化電子信息系統和多能互補智能供電系統組成。其中，綜合一體化電子信息系統由智能管控系統、基礎支撐系統、多源目標處理系統和信息傳送系統等組成。系統對外通過不同無線傳輸設備建立與用戶間的通信鏈路，實現對岸信息交互。它在系統內部以交換機的方式建立通信網絡，實現系統內部信息傳輸，并分隔內外網以保障系統自身信息安全，同時建立內部實時數據總線向用戶設備提供姿態、位置等實時數據。系統工作原理設計如圖2所示。

圖2 系統工作原理

平臺系統通過平臺和錨系裝置為全系統設備提供穩定的海上物理載體，配備照明、通風、排污以及燃油存儲等設備，從而為維護人員登臺檢修和能源分系統柴油機運行提供物理環境保障，并配備壓載水調節設備以實現不同水深條件下的平臺吃水調節能力。通過臺體監控完成對上述設備的狀態監測和部分設備的本地控制，并將狀態監測數據經內部網絡上報至智能管控系統。

供電系統通過柴油機、風能、光伏以及海洋能等發電手段互補的形式實現海上自主發電，通過蓄電池完成電力存儲以保證發電手段出現間斷時系統能夠持續運行，并在發電能力缺失的情況下為系統維護維修提供時間緩沖。供電系統通過交流220 V和直流48 V兩種母線形式完成對外電力輸送，并利用柴油機發電實現對臺體分系統大功率設備的電力保障。同時，供電系統將自身發電、蓄電和配電的各類狀態信息經內部網絡上報至智能管控系統。

智能管控系統利用部署在不同艙室內的供電箱接入能源分系統的輸電母線，經過穩壓、整流為全系統電子設備提供不同形式的供電接口，并實現全系統電子設備的開關機管理。智能管控分系統具備主用、備用兩種手段，以獲取全系統設備運行狀態、物理環境狀態及信息交互狀態，完成系統狀態管理和故障診斷，同時根據用戶指令、當前系統健康狀態或搭載服務分系統請求，完成設備開關機、參數配置和軟件更新等管控工作。

基礎支撐系統除為系統搭建內部通信網絡以外，通過姿態/時統設備為全系統提供基礎位置、姿態和時間信息；通過內外部環境傳感器，實現系統工作環境監測；通過安防設備監視臺體人員入侵情況和失火情況，并采取相應警示處理手段；通過聲力電話和無線路由器，為維護人員提供臺體內部和近距離通信手段。同時，基礎支撐系統將上述采集到的信息經內外部通信鏈路上報至智能管控分系統和用戶，以便進行系統管控操作。

多源目標處理系統連接各類用戶搭載設備和加載用戶業務處理軟件，根據用戶指令對其搭載設備進行運行策略設定和相關業務操作，并對搭載設備采集的信息進行匯集、處理與融合，以及根據形成的周邊態勢情況開展不同設備間的聯動操作，更好地完成用戶所需的信息感知與業務服務。同時，它將獲取的搭載設備狀態上報至智能管控分系統進行故障分析與診斷，在對岸通信質量降低的情況下，為用戶搭載設備提供數據本地存儲能力。

信息傳送系統主要采用Ku衛星通信和北斗通信兩種手段建立對岸無線信息傳送鏈路，通過主備兩個Ku衛星通信設備對接岸基不同主站，保障寬帶通信鏈路。同時，信息傳送系統監測各對外通信設備的工作狀態，獲取海上通信網絡質量信息，以實現對不同鏈路的切換，并根據當前鏈路傳輸能力對各系統需回傳的數據進行組包發送。

4 系統工程特性設計

4.1 可靠性設計

海洋平臺電子信息系統在海上部署使用且無人值守，故障后需出海維修，且單次維修的準備時間較長、維修本較高，因此僅當系統發生影響任務的嚴重故障時才需立即開展維修工作。當系統發生不影響任務的一般故障時，一般不需立即開展維修，而是盡量結合重要故障的維修或定期維護一并開展。因此，系統的可靠性工作應著重關注系統的任務可靠性，盡量避免發生嚴重故障，降低出海維修頻率，提高系統可用性。

依據GJB 813—1990建立系統的任務可靠性模型。任務可靠性的故障判據：造成系統在任務期間不能為搭載設備提供必要的生存保障、能源供應、智能管控和數據通信服務，導致搭載設備無法工作，必須立刻進行故障維修。其中，臺體分系統中為油機發電提供通風排氣、變壓以及供油等配套設備的可靠性，將在供電分系統中一并進行考慮。任務可靠性框圖模型如圖3所示。

4.2 維修性設計

根據海洋平臺電子信息系統的任務特點和工作特性，系統的維修等級大致分為基層級（現場級）和基地級（返廠維修）。

4.2.1 基層級（現場級）

根據故障表現，基于綜合管控系統、BIT或自動檢測設備的故障定位信息，在平臺系統工作現場直接定位故障并更換LRU。該級別不負責LRU的維修，直接送往基地級進行LRU的維修。基層級維修職能流程如圖4所示。

4.2.2 基地級（返廠維修）

對故障LRU采用專用設備定位到SRU或元器件，并通過更換SRU或元器件等方式完成維修或直接報廢處理。基地級維修職能流程如圖5所示。

4.3 測試性設計

由于系統在海上部署，現場維修測試環境較為惡劣，且到現場后進行故障檢測和隔離會存在無法提前準備和攜帶備件和維修工具等問題，從而增加了整體維修時間和維修成本。系統整體測試性和診斷設計應遵循系統自動測試為主、人工測試為輔的設計原則，盡量實現在出海維修前系統能夠確認故障設備和故障模式并報送岸基，使得維修人員在出海前能夠提前備好備品、備件和維修工具，降低維修的時間和經濟成本。

圖5 基地級維修流程

系統自動測試方面，系統安裝了傳感器、監控設備等硬件，并將數據上報到綜合管控主機。綜合管控主機上的故障診斷軟件將綜合分析各類數據，實現對系統故障的檢測和隔離。系統設計過程中應盡量使用具有自檢功能的設備，安裝必要的傳感器，設計故障檢測機制，配合故障診斷軟件，從而實現對故障或異常情況的檢測和隔離。

系統人工測試方面，根據維修等級和維修任務分析，基層級（現場級）維修的主要工作是更換LRU，因此外部測試的目標通過現場的人工測試或自動診斷設備的測試將故障隔離到LRU。

4.4 保障性設計

系統應制定維修保障規劃，對故障維修、定期維護內容以及所需人力及物資做出相應計劃。當系統發生影響任務的嚴重故障時，需開展修復性維修工作。出海前，將根據故障診斷軟件進行故障定位，并根據故障診斷信息確定維修所需的人員、工具、備件和技術資料。如有可能，修復性維修應盡量和定期維護保障工作合并進行。

應明確出海維修保障的規程，并能根據維修保障工作確定出海所需的船只、人員、工具、備件及技術資料要求，便于在海上開展設備維修更換、設備加裝以及燃油補充等維修維護工作。系統以預埋形式安裝的零部組件應具備詳細清單，及其數字化規范的圖紙或三維模型。

4.5 環境適應性設計

海洋平臺電子信息設備在制造檢驗出廠后，壽命期剖面如圖6所示。

圖6 系統內設備壽命環境剖面

系統設備主要考慮低溫、高溫、濕熱、霉菌、鹽霧、淋雨/海浪、振動、太陽輻射、淋雨/海浪以及風等環境因素的影響，其中僅艙內設備不需考慮太陽輻射、淋雨/海浪、風等環境的影響，并針對以上環境因素確定環境適應性要求。

4.6 安全性設計

應用初步危險性分析（Application of Preliminary Hazard Analysis，PHA）方法，對浮臺設計存在的危險因素類型、來源、出現階段、導致的事故后果以及有關防范措施等進行概略分析。

分析認為，系統主要存在強電磁輻射、短路、觸電、雷擊、起重傷害、機械傷害以及噪聲等危險因素。

4.7 電磁兼容性設計

海洋平臺電子信息系統作為一型海上綜合信息設備部署載體，將布置眾多無線設備，其中大功率發射設備與小信號接收設備共存，并且都部署在一個相對較小的平臺上，會遇到嚴重的頻率使用沖突問題和共場地干擾問題。

共場地干擾問題主要包括發射機反向互調失真、發射機寬帶噪聲、發射機諧波和非諧波亂真發射、接收機互調以及寄生響應等。同時，平臺通信設備與其他系統之間也存在兼容問題。克服共場地干擾的措施主要有增大天線隔離、為收發機附加RF濾波器和合理的頻率管理等。

因此，一方面通過天線合理布局、射頻濾波器控制發射頻譜和接收響應特性、艙內單元EMC設計、良好的接地等保障措施來實現系統電磁兼容性，另一方面必須制定合理的同頻帶收/發設備分時使用的原則。

總體而言，在海洋平臺電子信息系統設計中應分別按照工作時間、工作頻段以及空間布設位置3個維度解決電磁兼容性問題。

5 結語

針對國內外各型海洋平臺電子信息系統的發展情況，研究一型無人值守、智能化、靈活布署、生存能力強以及可持續工作的海洋平臺電子信息系統，提出了“四橫三縱”的體系結構模型，明確了海洋平臺電子信息系統包括電子信息系統、平臺系統和供電系統的功能架構和工作原理，同時重點對可靠性、維修性、測試性、保障性、環境適應性、安全性和電磁兼容性等系統工程特性設計要素進行逐一設計分析，可為海洋平臺電子信息系統設計建模、指標分解、研制集成和功能聯試提供科學的設計思路和方法。