“雪龍2”號(hào)科考作業(yè)協(xié)同管理平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王碩仁 陳清滿 于化冰 張永正 宋棟芳

研究論文

“雪龍2”號(hào)科考作業(yè)協(xié)同管理平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王碩仁1陳清滿1于化冰2張永正2宋棟芳2

(1中國(guó)極地研究中心, 上海 200136;2大連陸海科技股份有限公司, 遼寧 大連 116085)

“科考作業(yè)協(xié)同管理平臺(tái)”以國(guó)家極地戰(zhàn)略需求為導(dǎo)向, 以“雪龍2”號(hào)極地科考破冰船為對(duì)象, 按照科考破冰船的航行與科考作業(yè)要求, 針對(duì)“科考協(xié)同作業(yè)”問題進(jìn)行協(xié)同創(chuàng)新與應(yīng)用研究, 切實(shí)提高我國(guó)極地科考能力水平。通過分析科考航次計(jì)劃執(zhí)行與管理活動(dòng), 提煉核心管理要素和業(yè)務(wù)流程, 在充分調(diào)查與梳理中國(guó)極地研究中心“業(yè)務(wù)化調(diào)查”歷史文件的基礎(chǔ)上, 采用統(tǒng)一建模語(yǔ)言UML (Unified Modeling Language)[1], 總結(jié)和分析極地科考業(yè)務(wù), 提出解決科考業(yè)務(wù)核心需求“協(xié)同作業(yè)”的業(yè)務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì), 并在此基礎(chǔ)上提出管理平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu), 最終為實(shí)現(xiàn)極地科考破冰船科考任務(wù)的全過程管理奠定良好的基礎(chǔ)。

科考破冰船 科考業(yè)務(wù)架構(gòu) 科考協(xié)同作業(yè)

0 引言

“雪龍2”號(hào)極地科學(xué)考察船是中國(guó)第一艘自主建造的極地科學(xué)考察破冰船, 是全球第一艘采用船艏、船艉雙向破冰技術(shù)的極地科考破冰船。2018年9月10日, “雪龍2”號(hào)極地考察船下水, 標(biāo)志著我國(guó)極地考察現(xiàn)場(chǎng)保障和支撐能力取得新的突破。“雪龍2”號(hào)現(xiàn)已完成建造, 并順利完成第36次南極考察任務(wù)。

“雪龍2”號(hào)綜合信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以船岸一體化應(yīng)用業(yè)務(wù)為核心, 統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設(shè)、統(tǒng)一管理, 建立高度融合、互聯(lián)互通的船舶信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)滿足船舶管理、極區(qū)航行、大洋調(diào)查等業(yè)務(wù)信息化需求。

船端系統(tǒng)整合船舶信息資源, 建成符合極地考察應(yīng)用特點(diǎn)和發(fā)展要求的現(xiàn)代化科考船綜合信息支撐平臺(tái), 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化科學(xué)考察船的綜合信息管理, 滿足新建破冰船極區(qū)通信管理、科考數(shù)據(jù)管理、科考作業(yè)管理、船舶綜合管理等多業(yè)務(wù)信息化需求。

陸地端的系統(tǒng)建設(shè)兼顧“雪龍”號(hào)船舶的信息接入[2]、岸端中心對(duì)多船管理等需求, 推動(dòng)了極地考察船信息化的發(fā)展, 增強(qiáng)極地考察船業(yè)務(wù)能力和支撐保障能力, 為智能[3]極地考察船的建設(shè)奠定基礎(chǔ), 進(jìn)而推動(dòng)我國(guó)極地考察事業(yè)的發(fā)展。

“科考作業(yè)協(xié)同管理平臺(tái)”作為極地業(yè)務(wù)化工作體系, 依托“雪龍2”號(hào)船舶基礎(chǔ)管理平臺(tái), 必須同時(shí)滿足極地中心陸地端和船舶端對(duì)于科考計(jì)劃和科考航次計(jì)劃的業(yè)務(wù)化任務(wù)全過程管理的核心需求, 即從“岸端”科考計(jì)劃的制定, “船端”航次計(jì)劃與任務(wù)執(zhí)行過程、任務(wù)協(xié)同與調(diào)度管理、任務(wù)的跟蹤與監(jiān)控以及科考探測(cè)數(shù)據(jù)、科考樣品、實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)的管理, 再到“岸端”獲得“船端”的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、過程執(zhí)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以及統(tǒng)一匯交的科考作業(yè)成果物, 一個(gè)科考航次的調(diào)查成果物包括: 文檔報(bào)告、現(xiàn)場(chǎng)班報(bào)、船舶報(bào)、航跡圖、測(cè)線站位表、設(shè)備調(diào)查數(shù)據(jù)資料、現(xiàn)場(chǎng)樣品資料與匯交單、各類登記表等, 為各極地科考和研究業(yè)務(wù)化運(yùn)行系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持和平臺(tái)服務(wù)支撐。

1 管理平臺(tái)的需求分析與設(shè)計(jì)

管理平臺(tái)的需求分析[1]與設(shè)計(jì)工作應(yīng)針對(duì)科考船在大洋和極地水域科考調(diào)查和科考作業(yè)的特點(diǎn), 結(jié)合高緯度與冰區(qū)航行的特殊性, 開展對(duì)科考航次的計(jì)劃執(zhí)行與管理、科考作業(yè)監(jiān)控與管理、科考作業(yè)調(diào)度與指揮、科考數(shù)據(jù)管理等方面的業(yè)務(wù)流程分析。研究適應(yīng)極地科考船調(diào)查作業(yè)與管理信息化建設(shè)的業(yè)務(wù)架構(gòu)與技術(shù)架構(gòu), 為構(gòu)建數(shù)字化、一體化、專業(yè)化、規(guī)范化的科考作業(yè)協(xié)同管理系統(tǒng)奠定可持續(xù)升級(jí)和擴(kuò)展的基礎(chǔ)。

業(yè)務(wù)上應(yīng)兼顧綜合科學(xué)調(diào)查船各學(xué)科交叉作業(yè)的特點(diǎn), 統(tǒng)籌各學(xué)科的作業(yè)流程與相關(guān)設(shè)備。按照航次科考活動(dòng)的管理者對(duì)組織和實(shí)施的管理要求, 實(shí)現(xiàn)科考作業(yè)任務(wù)的“可視化”管理, 使管理者能夠?qū)崟r(shí)掌握作業(yè)進(jìn)度, 整體把控作業(yè)情況。在科考作業(yè)中, 需對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)一指揮、協(xié)同管理, 包括船岸協(xié)同指揮與作業(yè)任務(wù)的跟蹤與監(jiān)控。開展對(duì)重大科考作業(yè)所涉及的要素和流程展開研究, 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于電子海圖、視景仿真的綜合科考協(xié)同管理系統(tǒng)。在執(zhí)行科考任務(wù)的過程中, 分布在船舶各作業(yè)區(qū)的操作人員與監(jiān)控管理人員需要密切配合、協(xié)調(diào)一致, 實(shí)現(xiàn)科考航次計(jì)劃根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件的及時(shí)調(diào)整。

在整個(gè)需求整理的過程中需從3個(gè)維度, 即設(shè)備資源、信息資源、業(yè)務(wù)需求開展分析, 確定不同作業(yè)任務(wù)所要求的設(shè)備資源與信息資源, 并使用三維坐標(biāo)系進(jìn)行直觀的展示, 采用此種方式有利于業(yè)務(wù)分析的形象化表達(dá)。圖1所示為CTD(溫鹽深儀)作業(yè)過程中所涉及的設(shè)備資源與信息資源的相互關(guān)系。本圖僅為示意圖, 用于說明作業(yè)業(yè)務(wù)分析需要從3個(gè)維度進(jìn)行思考。

圖1 開展業(yè)務(wù)分析的3個(gè)維度(示意圖)

Fig.1. Three dimensions of business analysis (schematic diagram)

新建極地科考破冰船科考業(yè)務(wù)的核心需求在于“協(xié)同作業(yè)”, 具體可分為“船岸協(xié)同”與“在船協(xié)同”, 未來隨著“雪龍”系列船舶數(shù)量逐步形成規(guī)模, 還將產(chǎn)生“船船協(xié)同”的業(yè)務(wù)需求。結(jié)合“雪龍2”號(hào)船的實(shí)際定位, 本文僅從“船岸協(xié)同”與“在船協(xié)同”的角度展開論述。業(yè)務(wù)流程包括2個(gè)部分, 一是科考業(yè)務(wù)總體流程, 二是調(diào)查作業(yè)業(yè)務(wù)流程。

1.1 科考業(yè)務(wù)總體流程

在充分調(diào)查“雪龍”船歷次南北極航次歷史記錄[4-9]的基礎(chǔ)上, “船岸協(xié)同”可歸納為從科考計(jì)劃的制定到航次報(bào)告完成的整個(gè)業(yè)務(wù)過程, 具體包含“初始化階段”、“計(jì)劃階段”、“協(xié)同作業(yè)階段”、“統(tǒng)一匯交成果物階段”四個(gè)階段, 可體現(xiàn)為“科考業(yè)務(wù)總體流程”。

結(jié)合上述的分析內(nèi)容, 首先建立科考業(yè)務(wù)總體流程, 并進(jìn)一步明確總體流程與各業(yè)務(wù)操作的關(guān)系, 見圖2。

圖2 科考業(yè)務(wù)總體流程與協(xié)同作業(yè)階段不同作業(yè)之間的關(guān)系

Fig.2. The relationship between the overall business process and the different operation in the collaborative operation phase

“初始化階段”具體表現(xiàn)為岸端航次計(jì)劃的制定到船端確定實(shí)施計(jì)劃的過程, 主要包括科考航線的確定、科考項(xiàng)目的劃分、人員的安排、設(shè)備的使用等。

“計(jì)劃階段”具體表現(xiàn)為計(jì)劃漸進(jìn)明細(xì)的過程。依據(jù)極地考察的總體目標(biāo)與重點(diǎn)海域的業(yè)務(wù)化調(diào)查內(nèi)容與調(diào)查方法[4-9], 細(xì)化為各考察項(xiàng)目子課題[4-9]的專項(xiàng)調(diào)查任務(wù), 實(shí)現(xiàn)總體方案所確定的目標(biāo)。計(jì)劃階段包括調(diào)查內(nèi)容、站位布設(shè)與調(diào)查方法這3部分的提交、審核、確定[9]。

“在船協(xié)同”以作業(yè)任務(wù)的形式開展, 主要集中于總體流程下的“協(xié)同作業(yè)階段”完成, 可歸納為不同學(xué)科作業(yè)計(jì)劃的執(zhí)行與管理, 各類設(shè)備資源的分配與協(xié)同使用以及數(shù)據(jù)成果物的共享等業(yè)務(wù)內(nèi)容。在“中國(guó)第四次北極科學(xué)考察”[4]中, 整個(gè)航次包含10種不同作業(yè)部位和作業(yè)種類的作業(yè)內(nèi)容, 下文將以CTD作業(yè)[4]為例對(duì)作業(yè)業(yè)務(wù)展開分析。

“統(tǒng)一匯交成果物階段”匯交范圍和內(nèi)容涵蓋航次調(diào)查資料、航次調(diào)查、室內(nèi)分析處理資料和航次調(diào)查成果。成果物主要包括航次設(shè)計(jì)、導(dǎo)航定位、走航及航渡觀測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)班報(bào)和記錄等原始資料及處理結(jié)果、經(jīng)整編后的航跡數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)工作總結(jié)及技術(shù)總結(jié)等[10], 最終形成航次報(bào)告。

整個(gè)流程中, 不同階段彼此間存在著必然的聯(lián)系, 比如“協(xié)同作業(yè)階段”中, 實(shí)施計(jì)劃可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件進(jìn)行調(diào)整, 對(duì)“計(jì)劃階段”確定的人員、設(shè)備的使用產(chǎn)生影響, 實(shí)現(xiàn)調(diào)查資源利用的最大化。

1.2 調(diào)查作業(yè)業(yè)務(wù)流程

1.2.1 業(yè)務(wù)流程

本文以CTD作業(yè)[4]為例, 針對(duì)作業(yè)任務(wù)中“協(xié)同作業(yè)”相關(guān)的業(yè)務(wù)需求展開歸納與分析。

CTD作業(yè)業(yè)務(wù)包含功能性業(yè)務(wù)與業(yè)務(wù)支撐數(shù)據(jù)流, 需滿足CTD現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的功能需求、船岸作業(yè)監(jiān)督、協(xié)同管理的需要。CTD作業(yè)業(yè)務(wù)分為三個(gè)階段: CTD作業(yè)計(jì)劃階段、CTD協(xié)同作業(yè)階段、CTD成果物匯總審核階段。各個(gè)階段在岸端提供對(duì)應(yīng)監(jiān)視、同步功能, 岸端系統(tǒng)使用者可以實(shí)時(shí)了解船端CTD的作業(yè)情況。

CTD作業(yè)作為科考航次[11]作業(yè)的典型關(guān)鍵部分, 需要以航次計(jì)劃、站位[11]布設(shè)計(jì)劃作為前提, 其中CTD作業(yè)計(jì)劃、CTD作業(yè)協(xié)同、CTD作業(yè)成果物部分使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控的方法提供船岸協(xié)同功能。圖3所示為CTD作業(yè)業(yè)務(wù)流程圖, 包括“船岸協(xié)同作業(yè)”與“在船協(xié)同作業(yè)”。

圖3 CTD作業(yè)業(yè)務(wù)流程圖

Fig.3. CTD operation business flow chart

1.2.2 數(shù)據(jù)流向

物理實(shí)驗(yàn)室作為CTD作業(yè)指揮中心, 接入氣象、海況、海冰等極區(qū)環(huán)境預(yù)報(bào)和現(xiàn)報(bào), 接入船載航行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、CTD作業(yè)支撐設(shè)備數(shù)據(jù)(科考用定位數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、水深數(shù)據(jù)、絞車數(shù)據(jù))。在物理實(shí)驗(yàn)室中提供集成數(shù)據(jù)環(huán)境, 為作業(yè)指揮提供便利。

向現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)位置提供作業(yè)相關(guān)性數(shù)據(jù), 向絞車間提供專業(yè)水深數(shù)據(jù), 防止CTD架觸底; 向作業(yè)甲板提供CTD絞車運(yùn)行數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)流向圖見圖4。

1.2.3 調(diào)查作業(yè)的管理范圍

航次[11]中所有的CTD作業(yè)全部結(jié)束后, 通過進(jìn)行CTD作業(yè)的數(shù)據(jù)成果物、作業(yè)記錄的表單提取, 可以為航次報(bào)告中涉及CTD部分的相關(guān)內(nèi)容提供支撐, 航次報(bào)告內(nèi)容會(huì)涵蓋CTD實(shí)施計(jì)劃、CTD作業(yè)記錄、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析等多類別、多種數(shù)據(jù)格式的信息。

CTD作業(yè)的整個(gè)管理范圍包含: CTD作業(yè)計(jì)劃、CTD作業(yè)體系與規(guī)范、CTD作業(yè)協(xié)同、CTD作業(yè)班組、CTD作業(yè)成果物。對(duì)上述內(nèi)容進(jìn)行類圖(圖5)分析, 為系統(tǒng)設(shè)計(jì)建立良好的基礎(chǔ)。

圖4 CTD作業(yè)數(shù)據(jù)流向圖

Fig.4. CTD operation data flow diagram

圖5 CTD作業(yè)協(xié)同類圖(示例)

Fig.5. CTD operation collaboration class diagram (example)

1.2.4 審批流程

在實(shí)際作業(yè)過程中, 僅提取CTD作業(yè)計(jì)劃申請(qǐng)審核流程與CTD成果提交審核流程。其中CTD協(xié)同作業(yè)階段由于作業(yè)過程的復(fù)雜性、緊急性等業(yè)務(wù)特點(diǎn), 以作業(yè)提醒、作業(yè)監(jiān)視作為系統(tǒng)功能, 不宜使用復(fù)雜的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行管理。如果在協(xié)同作業(yè)階段存在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)需要使用審批流程管理, 可以適當(dāng)增加。

1. 作業(yè)計(jì)劃申請(qǐng)審核流程[4]

作業(yè)班長(zhǎng)制定了CTD作業(yè)計(jì)劃后, 將CTD作業(yè)計(jì)劃提交審核, 由首席助理根據(jù)實(shí)際情況判斷是否可以按照計(jì)劃進(jìn)行CTD作業(yè)。將審核結(jié)果反饋至作業(yè)班長(zhǎng), 完成審核流程。

2. 成果物提交審核流程[4]

CTD作業(yè)完成后, 由CTD數(shù)據(jù)終端人員提交CTD作業(yè)記錄、CTD溫深鹽數(shù)據(jù), 甲板操作員提交水樣信息, 由作業(yè)隊(duì)長(zhǎng)判斷數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、完整性。如果成果物異常, 可能需要檢查故障、重新制定作業(yè)計(jì)劃。

1.2.5 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)

結(jié)合“雪龍2”號(hào)綜合網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)已建設(shè)的硬件資源, CTD作業(yè)時(shí)需要信號(hào)源提供數(shù)據(jù)支撐, 數(shù)據(jù)主要包括: 數(shù)據(jù)流、信息流、視頻流等。在CTD協(xié)同作業(yè)時(shí), 需依賴船載通導(dǎo)信號(hào)數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)包括經(jīng)緯度、時(shí)間、船艏向、航速、風(fēng)速等, 還需要監(jiān)控萬米測(cè)深儀、高精度GPS、光纖羅經(jīng)、CTD絞車等設(shè)備提供高精度經(jīng)緯度數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、水深數(shù)據(jù)、絞車數(shù)據(jù), 在數(shù)據(jù)監(jiān)控的同時(shí)系統(tǒng)提供作業(yè)位置的實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻信息。從而為CTD作業(yè)提供穩(wěn)定高效的支撐數(shù)據(jù)。CTD數(shù)據(jù)成果物的記錄一部分來自SBE911(物理海洋多參數(shù)理化數(shù)據(jù)采集與探測(cè)系統(tǒng))與LADCP(聲學(xué)多普勒海流剖面儀)設(shè)備, 另一部分需要記錄高精度經(jīng)緯度數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、水深數(shù)據(jù)作為支撐數(shù)據(jù)。

1. CTD作業(yè)相關(guān)信號(hào)源(表1)

CTD作業(yè)相關(guān)的設(shè)備、儀器、信號(hào)源共16種, 預(yù)計(jì)有20個(gè)信號(hào)源接入。

設(shè)備數(shù)據(jù)存在主備關(guān)系(表2), 關(guān)鍵設(shè)備數(shù)據(jù)需要提供備份數(shù)據(jù)源, 如UTC信息源(NTP, Network Time Provider 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)源)、定位及姿態(tài)數(shù)據(jù)源(POS-MV, 船載定位、定姿系統(tǒng))、水深數(shù)據(jù)源(萬米測(cè)深儀)需要提供一個(gè)以上備份數(shù)據(jù)源, 以免數(shù)據(jù)缺失。

表1 CTD作業(yè)相關(guān)的設(shè)備、儀器、信號(hào)源

表2 信號(hào)源主備關(guān)系

2. CTD作業(yè)依賴參數(shù)

需要從各個(gè)信號(hào)源接入信號(hào)48項(xiàng), 數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中定義唯一標(biāo)識(shí)符、描述信息。在系統(tǒng)中需要定義數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)范圍、數(shù)據(jù)單位, 用于數(shù)據(jù)接入、處理、存儲(chǔ)、顯示, 設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)展示精度可以低于存儲(chǔ)精度。

3. CTD作業(yè)數(shù)據(jù)接入

對(duì)于CTD業(yè)務(wù)來說, 設(shè)備之間提供數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)冗余, 需要按照業(yè)務(wù)規(guī)則確定具體的信號(hào)源, 即當(dāng)數(shù)據(jù)可以由多個(gè)設(shè)備輸出時(shí), 數(shù)據(jù)需要根據(jù)設(shè)備主備關(guān)系獲取; 數(shù)據(jù)源由系統(tǒng)日志記錄; 系統(tǒng)可以按照CTD業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

4. CTD作業(yè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

CTD業(yè)務(wù)中接入的各類數(shù)據(jù), 一部分用于監(jiān)控顯示, 其他部分需要進(jìn)行存儲(chǔ)便于查詢。CTD作業(yè)中用于存儲(chǔ)、查詢的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)包含時(shí)空數(shù)據(jù)。

1.2.6 樣品數(shù)據(jù)

在第36次南極考察過程中, 細(xì)化分析航次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料中的樣品管理規(guī)范[10], 將CTD采水任務(wù)分解為采水計(jì)劃與掃描入庫(kù)兩部分(圖6), 通過業(yè)務(wù)化系統(tǒng)與智能手持終端設(shè)備完成水樣錄入與管理過程。

圖6 采樣計(jì)劃與掃描入庫(kù)流程

Fig.6. Sampling plan and scanning warehousing process

2 業(yè)務(wù)架構(gòu)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

信息化系統(tǒng)需要從技術(shù)層面得到支撐, 系統(tǒng)建設(shè)采用面向服務(wù)技術(shù)架構(gòu)[12]作為整個(gè)技術(shù)架構(gòu)的骨干支撐, 快速、有效解決業(yè)務(wù)協(xié)同、資源共享以及應(yīng)用支撐的架構(gòu)問題。

技術(shù)架構(gòu)(圖7)根據(jù)建設(shè)內(nèi)容可以分為數(shù)據(jù)、服務(wù)、應(yīng)用3個(gè)核心結(jié)構(gòu), 主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、加工與服務(wù), 業(yè)務(wù)功能構(gòu)件的封裝與實(shí)現(xiàn), 業(yè)務(wù)應(yīng)用的功能集成與整合。

2.1 數(shù)據(jù)(D)

數(shù)據(jù)層是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源中心, 涵蓋管理平臺(tái)中所有相關(guān)的結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù), 包括與數(shù)據(jù)直接相關(guān)的所有操作, 是數(shù)據(jù)從進(jìn)入系統(tǒng)到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的追蹤記錄集合與操作記錄集合。它是數(shù)據(jù)資源的存儲(chǔ)和積累, 為系統(tǒng)應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)并提供備份、存儲(chǔ)功能。

圖7 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

Fig.7. The technical framework of system

通過服務(wù)封裝數(shù)據(jù)的配置接口、操作接口以及管理接口, 既可滿足安全和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的約定, 又可滿足服務(wù)路由和數(shù)據(jù)權(quán)限等信息管理的要求。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用ORM (Object Relational Mapping, 對(duì)象關(guān)系映射)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ), 采用HDFS(Hadoop Distributed File System分布式文件系統(tǒng))分布式文件系統(tǒng)為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供了高效的解決方案。

數(shù)據(jù)服務(wù)基于統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的交互接口, 提供多樣性的服務(wù)形式和多種標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù), 基于Socket的JSON(JavaScript Object Notation)格式, 基于HTTP(超文本傳輸協(xié)議)的RESTFUL(面向資源的設(shè)計(jì)風(fēng)格)格式, 基于WebService(遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù))的xml(eXtensible Markup Language)格式, 同時(shí)也提供原始數(shù)據(jù)服務(wù)。

2.2 服務(wù)(S)

服務(wù)層構(gòu)建于數(shù)據(jù)層之上, 是整個(gè)系統(tǒng)體系架構(gòu)的核心, 并提供大量公共服務(wù)和基于業(yè)務(wù)構(gòu)件的服務(wù), 提供服務(wù)的運(yùn)行、管理環(huán)境, 最大限度提高業(yè)務(wù)開發(fā)效率, 降低工程實(shí)施、維護(hù)的成本和風(fēng)險(xiǎn)。服務(wù)層采用支撐體系結(jié)構(gòu)的先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范, 以幫助建立高性能、高可靠性、高擴(kuò)展性的應(yīng)用系統(tǒng), 滿足客戶快速發(fā)展的業(yè)務(wù)需求。

基礎(chǔ)業(yè)務(wù)構(gòu)件采用分布式服務(wù)架構(gòu)[13], 基于微服務(wù)框架SpringCloud[14]設(shè)計(jì), 實(shí)現(xiàn)模塊化、高性能、可伸縮的分布式服務(wù)體系。

公共服務(wù)組件提供高效的系統(tǒng)中間件, 對(duì)數(shù)據(jù)、服務(wù)等進(jìn)行有效的解耦。

服務(wù)層提供由同一用戶管理+集中認(rèn)證服務(wù)實(shí)現(xiàn)的統(tǒng)一用戶管理體系, 支持單點(diǎn)登錄業(yè)務(wù)整合, 有效解決“一次登錄, 多處使用”。

2.3 應(yīng)用(A)

業(yè)務(wù)應(yīng)用層提供所有的信息應(yīng)用和系統(tǒng)管理的業(yè)務(wù)邏輯, 分解業(yè)務(wù)請(qǐng)求, 通過支撐服務(wù)層進(jìn)行數(shù)據(jù)處理, 并將返回信息組成所需的格式提供給客戶端。與傳統(tǒng)體系架構(gòu)下的業(yè)務(wù)層不同, 面向服務(wù)架構(gòu)的業(yè)務(wù)層基于服務(wù)構(gòu)建, 從而可以使業(yè)務(wù)能夠更快地組裝, 達(dá)到服務(wù)的改變不會(huì)影響已經(jīng)使用中的業(yè)務(wù)應(yīng)用, 使形成的應(yīng)用更加穩(wěn)定。

應(yīng)用層包含Web系統(tǒng)與應(yīng)用軟件, 設(shè)計(jì)基于Springboot微服務(wù)框架實(shí)現(xiàn), 可集成多種組件, 無需依賴Servlet容器, 與分布式服務(wù)天然集成, 并可獨(dú)立運(yùn)行、部署。

2.4 展現(xiàn)(P)

展現(xiàn)層[15]設(shè)計(jì)為前后端分離架構(gòu)[16], 基于HTML5、Javascript等前端技術(shù)實(shí)現(xiàn), 自由集成多種流行的前端插件, 融合GIS(地理信息系統(tǒng)), 實(shí)現(xiàn)資源、數(shù)據(jù)的集中統(tǒng)一展示。

展現(xiàn)層設(shè)計(jì)支持多終端, 在PC(個(gè)人電腦)機(jī)、移動(dòng)設(shè)備(Android系統(tǒng)、iOS系統(tǒng))等終端進(jìn)行信息顯示與人機(jī)交互。

3 應(yīng)用實(shí)踐

根據(jù)業(yè)務(wù)分析與架構(gòu)研究的成果, 研發(fā)科考作業(yè)協(xié)同管理平臺(tái)。管理平臺(tái)可根據(jù)海洋調(diào)查規(guī)范(GB12763.1-10 2007)中定義的科學(xué)調(diào)查航次、調(diào)查海域、調(diào)查站位、走航測(cè)線、調(diào)查測(cè)線等概念, 結(jié)合極地科考實(shí)際應(yīng)用業(yè)務(wù), 提供方便、可視化、可擴(kuò)展的科考業(yè)務(wù)流程, 并在此過程中規(guī)范各類作業(yè)規(guī)范和作業(yè)流程, 統(tǒng)一整理并輸出各類業(yè)務(wù)記錄模板。

2019年10月15日—2020年4月23日, “雪龍2”號(hào)參與執(zhí)行中國(guó)第36次南極考察任務(wù), 并在南大洋宇航員海進(jìn)行了為期約37天的科考調(diào)查作業(yè)。在此期間極地科考破冰船科考協(xié)同管理平臺(tái)在協(xié)調(diào)作業(yè)管理中發(fā)揮了重要作用, 受到實(shí)驗(yàn)室管理人員(用戶, 平臺(tái)的操作管理人員)和科考隊(duì)員(服務(wù)對(duì)象, 平臺(tái)使用具體受益人員)的廣泛好評(píng), 并得到新聞媒體的關(guān)注[17]。

“雪龍2”號(hào)第36次南極科學(xué)考察中, 在船應(yīng)用的科考協(xié)同管理平臺(tái)為1.0版本。主界面為經(jīng)典地圖類網(wǎng)頁(yè)排版, 主體為左右結(jié)構(gòu)(圖8a), 左側(cè)區(qū)域較大, 為主要展示區(qū)域, 該區(qū)域主要展示海圖地圖、站位站點(diǎn)信息、冰圖等信息。通過該區(qū)域右下角的“航跡查詢”、“航行計(jì)劃”、“冰區(qū)圖層”、“臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)”等快捷菜單, 可方便顯示對(duì)應(yīng)信息。同時(shí)還可以通過點(diǎn)擊“地圖”、“海圖”、“衛(wèi)星圖”實(shí)現(xiàn)顯示區(qū)域地圖的便捷切換; 右側(cè)區(qū)域較小, 主要為信息查看區(qū)域, 該區(qū)域頂部主要顯示航行(圖8b)、機(jī)艙、氣象(圖8c)、水文(圖8d)等與科考調(diào)查相關(guān)的基礎(chǔ)參數(shù), 中部主要展示航次基本情況, 底部主要展示站位及站點(diǎn)編號(hào)等信息。

實(shí)驗(yàn)室管理人員可以分權(quán)限通過賬號(hào)和密碼登錄進(jìn)入平臺(tái)后臺(tái), 對(duì)航次基本信息、站位站點(diǎn)信息、水深水文定位等輸入?yún)?shù)的輸入源選擇等內(nèi)容進(jìn)行編輯處理。平臺(tái)系統(tǒng)在船上局域網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行, 接入局域網(wǎng)內(nèi)任何一臺(tái)電腦均可打開查看, 科考隊(duì)員就近在實(shí)驗(yàn)室、居住艙室均可方便進(jìn)入該平臺(tái), 進(jìn)行作業(yè)站位信息、作業(yè)內(nèi)容、作業(yè)時(shí)長(zhǎng)、航行等待時(shí)長(zhǎng)、水文基礎(chǔ)信息等的查詢和記錄。

實(shí)驗(yàn)室管理人員通過固定格式的Excel表格, 將站位名、位置、站位作業(yè)內(nèi)容、各項(xiàng)目進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)等進(jìn)行編輯, 導(dǎo)入系統(tǒng)平臺(tái)后, 科考隊(duì)員可在各終端便捷查看。若調(diào)查計(jì)劃有調(diào)整, 如作業(yè)站點(diǎn)先后順序發(fā)生變化, 管理人員可編輯頁(yè)面進(jìn)行各站點(diǎn)的上下移動(dòng)調(diào)整; 科考隊(duì)員通過主頁(yè)右上角可以直觀查詢到距下一站點(diǎn)的距離、預(yù)計(jì)航行時(shí)間和到達(dá)時(shí)間, 以便合理安排作息時(shí)間和采樣準(zhǔn)備工作; 點(diǎn)開站位編號(hào), 可以查詢到該站點(diǎn)具體的調(diào)查作業(yè)項(xiàng)目, 以及每個(gè)項(xiàng)目的持續(xù)時(shí)間。

圖8 協(xié)同管理平臺(tái)主界面顯示

Fig.8. Main interface display of collaborative management platform

除上述查詢功能外, 平臺(tái)還具有以往航跡線查詢的功能, 科考隊(duì)員可以對(duì)船舶經(jīng)過的航線進(jìn)行查看, 航跡線由航跡點(diǎn)組成, 每個(gè)點(diǎn)均包含: UTC時(shí)間、GPS位置、水深、海水溫度、海水鹽度等參數(shù)。這對(duì)進(jìn)行一些走航測(cè)量的項(xiàng)目或錯(cuò)過某些站點(diǎn)信息記錄的隊(duì)員來說非常實(shí)用。同時(shí)系統(tǒng)平臺(tái)具有臺(tái)風(fēng)實(shí)時(shí)查詢更新系統(tǒng), 可從NOAA官網(wǎng)定期抓取“雪龍2”號(hào)附近海域的氣旋信息(圖9), 確保航行和調(diào)查作業(yè)安全, 并為現(xiàn)場(chǎng)航行決策人員和首席科學(xué)家提供航線調(diào)整、調(diào)查作業(yè)計(jì)劃調(diào)整的參考。此外, 平臺(tái)還具備在原有海圖或衛(wèi)星底圖上疊加最近日期冰情圖的功能, 原有作業(yè)站點(diǎn)也將在冰圖上得以顯示, 首席科學(xué)家可以對(duì)原計(jì)劃的調(diào)查作業(yè)站點(diǎn)是否受到海冰影響進(jìn)行評(píng)估, 從而確定是否調(diào)整計(jì)劃, 有效提高作業(yè)效率并節(jié)約船時(shí)。

通過一個(gè)南極航次的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用檢驗(yàn), 極地科考破冰船科考協(xié)同管理平臺(tái)能較好地適應(yīng)“雪龍2”號(hào)極地科考作業(yè)模式, 為首席科學(xué)家、科考作業(yè)隊(duì)員、航行人員和實(shí)驗(yàn)室管理人員提供了一個(gè)實(shí)用平臺(tái), 能夠有效提升科考作業(yè)效率并節(jié)約船時(shí)。同時(shí), 系統(tǒng)對(duì)南大洋氣旋頻繁和海冰覆蓋變化多端等特征也進(jìn)行了針對(duì)性的設(shè)計(jì), 可以將氣旋和海冰等惡劣氣象條件的影響降到最低。借助于平臺(tái), 軟實(shí)力和硬實(shí)力相輔相成, 將“雪龍2”號(hào)配備的眾多科考調(diào)查設(shè)備的調(diào)查作業(yè)性能發(fā)揮到一個(gè)新高度。

Fig.9. Typhoon forecast function

4 未來展望

在下一階段的工作中, 通過現(xiàn)場(chǎng)的使用反饋, 管理平臺(tái)將增加海域調(diào)查方案的制定、評(píng)審、修改方面的工作流程支持, 結(jié)合船舶定位、船舶姿態(tài)、海況冰區(qū)現(xiàn)報(bào)、冰區(qū)氣象預(yù)報(bào), 進(jìn)一步增加海域調(diào)查方案預(yù)演功能, 支撐海域調(diào)查方案的制定與變更; 增加各學(xué)科工作量統(tǒng)計(jì)功能, 評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的工作時(shí)間與機(jī)動(dòng)時(shí)間是否滿足海域作業(yè)要求, 避免計(jì)劃不足; 保障現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)可以按照海域調(diào)查方案順利完成。

管理平臺(tái)將提供現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查視頻畫面的擴(kuò)展功能, 提供多設(shè)備數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)校正等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù), 保證數(shù)據(jù)成果物、圖片、視頻成果物的完整獲取及數(shù)據(jù)質(zhì)量。在高空、海面以上、海面、海面以下提供多種學(xué)科的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)模擬畫面, 監(jiān)視調(diào)查設(shè)備運(yùn)行情況, 及時(shí)反饋設(shè)備異常情況與作業(yè)安全隱患等信息, 幫助各學(xué)科組長(zhǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況, 保障現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)順利、有效、安全進(jìn)行。

后續(xù)管理平臺(tái)更新版本中將考慮增加“雪龍”號(hào)科考調(diào)查作業(yè)的簡(jiǎn)潔信息, 不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)“雪龍2”號(hào)本身的科考協(xié)同管理, 在極地科考船隊(duì)管理中實(shí)現(xiàn)一定程度的協(xié)調(diào)作業(yè)、協(xié)同管理, 將“雙龍?zhí)綐O”的優(yōu)勢(shì)在科考作業(yè)領(lǐng)域得到全面發(fā)揮。這不僅是單船科考作業(yè)模式的有效協(xié)同管理, 也將對(duì)我國(guó)科考船隊(duì)的建設(shè)與發(fā)展產(chǎn)生影響。

5 結(jié)語(yǔ)

本文圍繞管理平臺(tái)的主要研究?jī)?nèi)容, 針對(duì)極地科考船在大洋和極區(qū)水域科考調(diào)查和科考作業(yè)的特點(diǎn), 通過對(duì)中國(guó)極地研究中心“業(yè)務(wù)化調(diào)查”歷史記錄[4-9]的調(diào)查、歸納、總結(jié)與分析, 采用UML建模工具, 并以CTD作業(yè)這一典型的科考作業(yè)為例進(jìn)行分析與研究。圍繞“協(xié)同作業(yè)”這一核心需求提出極地科考船調(diào)查作業(yè)與管理信息化建設(shè)的業(yè)務(wù)架構(gòu)與技術(shù)架構(gòu), 以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的“科考作業(yè)協(xié)同管理平臺(tái)”現(xiàn)已實(shí)船應(yīng)用。

管理平臺(tái)將逐步應(yīng)用于包括“雪龍”號(hào)在內(nèi)的“雪龍”系列船, 隨著科考業(yè)務(wù)研究的不斷深入以及對(duì)于實(shí)際使用情況的反饋與搜集, 同時(shí)結(jié)合不同船舶的功能定位, 管理平臺(tái)將持續(xù)擴(kuò)充并完善業(yè)務(wù)分支與內(nèi)容, 滿足極地科考業(yè)務(wù)多船協(xié)作的復(fù)雜工作場(chǎng)景, 最終形成適用于極地中心科學(xué)調(diào)查的船(隊(duì))岸一體化管理平臺(tái)。

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Design and implementation of science coordination management platform for

Wang Shuoren1, Chen Qingman1, Yu Huabing2, Zhang Yongzheng2, Song Dongfang2

(1Polar Research Institute of China, Shanghai 200136, China;2Landsea Maritech Co., Ltd, Dalian 116085, China)

Guided by the requirements of the national polar strategy, we developed a science coordination management platform for the research icebreakerto meet the requirements of navigation and scientific research. Our objective is to improve coordination of scientific research, and augment the polar research capabilities of our country. We sorted, summarized and analyzed historical documents from the Polar Research Institute of China. To improve the core factors of management and business processes, we analyzed cruise implementation and management activities. Combining UML(Unified Modeling Language) modeling tools with a complete investigation, this article proposes a scientific research business architecture design to address the core requirements of cooperative operation, and proposes the technical architecture of the platform, laying strong foundations for full process management of scientific research.

research icebreaker, scientific research business architecture, scientific cooperative operation

2020年3月收到來稿, 2020年7月收到修改稿

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃項(xiàng)目(18DZ1206103)資助

王碩仁, 男, 1972年生。高級(jí)工程師, 主要從事電氣自動(dòng)化、海洋科考儀器設(shè)備研究。E-mail: wangshuoren@pric.org.cn

陳清滿, E-mail: chenqingman@pric.org.cn

10. 13679/j.jdyj.20200027