一種開放式科考船船載信息系統的設計與實現

朱新平，歐盛春，屈骎宇

(1.中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068；2.中國電子科學研究院，北京 100041)

0 引 言

走向藍海，保障海洋安全、引領海洋科技發展、促進海洋經濟增長，海洋科考船、調查船、試驗船等進行各種科學考察和試驗船舶的技術發展是一個國家了解海洋、開發海洋、建設海洋的重要力量。發達國家對于海洋科考船的投資巨大，以確保其在全球海洋資源開發利用中的競爭優勢。美國海洋科考船隊的裝備最先進、船舶數量最多，共有各類海洋科考船242 艘[1]。

科考船的應用方向多種多樣，每種科考船都有其應用特點。科考船上的設備種類多、接口不統一，設計建造科考船是一項多學科、多專業的復雜的系統工程，特別是科考船的船載信息系統的能力集中體現出了科考船整體的應用能力。由于科學考察船的運行、大型海洋調查設備的使用與維護，以及相關油料使用耗費巨大，其重復使用必然在一定程度上造成科學考察資源的浪費。因此，推行航次共享是一項提高科考資源利用率的有效舉措[2]。在不同的航次中，經常需要在船上加裝其他的應用和試驗設備，科考船需要為多種科考任務提供一個基礎的并且具有開放、通用、可裁減的船載信息系統，這要求船載信息系統裝備的集成方式和組織運行要進行創新性設計才能滿足應用的需求。文獻[3]主要從組成框架、組織流程方面介紹了一種載人潛水艇母船網絡信息系統設計，文獻[4]主要解決科考船數據的采集、格式化處理問題。

1 科考船信息系統功能分析

科考船是海上的一個重要的機動式信息節點、多種信息感知處理傳輸的平臺、各種海洋信息設備走向海洋過程中測試和試驗平臺，是海洋信息新技術、新裝備的展示平臺，能進行海洋環境和試驗信息資源的共享，為軍、警、民提供多種信息服務，同時還能對海洋領域信息系統運行維護進行保障，并可作為多種海洋工程的試驗平臺。

該科考船信息系統具有感知、傳輸、應用、管控等功能，并擁有遂行集成擴展能力，可實現與海上艦船編隊間、固定或浮動臺站系統之間的靈活的無線網絡自組織通信，構成一體化的海洋綜合信息網絡。船載信息系統主要功能為：

1） 信息感知

① 目標感知。作為一個機動的海上綜合信息平臺，具有對周圍廣大海域進行全面、多維、精確的感知探測能力，對合作和非合作的目標進行常態化監視、跟蹤、定位、識別、電磁信息特征協同認知和監控。

② 環境感知。通過船載設備對海域的海洋水文、地理、氣象、電磁等環境信息進行感知，通過船載實驗室設備分析，對海洋相關數據源及公共信息融合，采集獲取大量海洋數據，可為內容豐富的定制化海洋信息服務提供感知數據基礎。

③ 平臺感知。對科考船平臺上的平臺位置、運動狀態、設備運行和物料儲備狀態信息進行實時感知，為船載設備以及其它用戶提供平臺的PNT（位置、導航和時間）基準參考和監控信息。

2） 信息傳輸

科考船應用海域一般都是遠離海岸、島礁，沒有公共的通信網絡，需通過衛星、無線電臺等無線設備提供與外部節點的網絡通信傳輸能力，實現信息的采集、傳送、交互及海上用戶服務的接入；在科考船平臺上鋪設雙冗余高速光纖覆蓋全船，為位于全船不同位置的設備提供高速信息互聯。

3） 系統應用

① 應用信息服務。為軍、警、民等各種用戶提供報文、語音、圖像、視頻等多種形式的綜合信息服務。

② 電子信息設備的試驗保障。為各種船載以及與海洋有關的測試、試驗設備提供一個開放的、通用的、綜合的搭載試驗平臺，通過該平臺，可在全球各大海域實施海洋設備的研制、開發、測試和試驗，與其它協同船或者陸地實驗室的數據進行同步，進行信息查詢、展示和分析，提高科考和試驗的效率。

③ 演示及體驗服務。依托豐富的感知信息和信息處理和顯示能力，提供系統仿真、應用演示和體驗，進行試驗評估，提供操作訓練、維護保障等能力的模擬訓練。

④ 綜合管控。為各類用戶及多種試驗的應用提供統一的運營服務能力、系統管控能力和穩定的系統運維保障。對本船平臺、其他平臺以及試驗設備進行管理和運行維護，收集信息進行實時匯總分析處理和傳輸發送，具有與其他平臺的信息接入功能，并為其他浮臺、島礁等平臺上的信息系統提供維護、補給等后勤保障支援。

2 科考船信息系統的設計與實現

2.1 船載信息系統架構

通過體系規劃、頂層設計，借鑒國內外軍用艦載信息系統研制的先進設計理念，以科考船的應用及未來發展需求為牽引，采用開放式體系結構（OA，Open Architecture），構建面向服務的計算環境，系統的信息服務采用松耦合面向服務架構（SOA，Service Oriented Architecture）設計思想，將各種信息資源虛擬成可通過標準方式訪問的獨立服務，按照用戶權限、保障關系和訂閱規則，以數據為中心發布/訂閱模型(DDS）提供給網絡中其他成員，做到各類數據的按需分發，避免冗余傳輸，同時能夠形成松耦合、開放式的體系結構。采用商用現貨（COTS，Commercial Off The Shelf）技術，降低科研成本和研制風險，提升了產品的快速交付能力，為減員增效提供了技術支撐，能很好地支持后續保障和改裝升級[5]。

參考全艦計算環境（TSCE）的設計思想進行科考船船載信息系統的設計。TSCE是當前軍用艦載信息系統實現開放性、擴展性的主要實現方式，全艦計算環境以高速網絡為骨架，將全艦各種資源和數據集成到一個統一、公共的計算環境中，使艦體、機械、電力系統、作戰系統、C4ISR系統、損管、后勤保障、維修和訓練等系統高度集成，實現信息共享[6-7]。

科考船信息系統系統架構圖見圖1，通過高速網絡，將各種任務設備、計算設備、存儲設備、顯示設備、通信設備以及其他設備作為開放的、公共的“資源”，統一管理和部署，可以根據任務靈活配置艦艇載荷，快速增加、刪減、修改各功能模塊，適應多樣化的任務需求。

圖1 某科考船船載信息系統架構Fig.1 Shipborne information system architecture of the research ship

前端感知層是整個信息系統的信息源頭，主要通過多種波段雷達、光電跟蹤器、側掃和拖曳聲吶、電磁監測、電磁測頻測向、氣象儀、水文設備、時統設備、組合導航、計程儀、磁羅經、電羅經、AIS、ADS-B、機艙監控及實驗室檢測設備等多種類型感知設備獲取。

信息傳輸層提供了多種類型的傳輸路徑，主要由對外的衛通、短波等無線通信網和遍布全船的高速光纖網組成，保證在系統內的信息的實時交換和對外提供的信息服務。

平臺層提供數據存儲、數據處理、顯控處理、系統運維管理等，這些處理平臺通過多服務器集群、網絡化存儲設備，構成了系統的感知信息實時的存儲和數據處理資源池，為各種應用提供實時的基礎信息資源服務。

業務應用層提供各種具體的應用服務，包括對各類用戶提供的多種公共信息服務應用、定制信息服務，并進行海洋電子信息領域的各類設備的測試，多種試驗的應用等。

2.2 船載信息系統設計

科考船船載信息系統從網絡的應用上劃分為2個獨立的網絡，分別是工作網和用于文化娛樂的生活網兩大部分，工作網從功能上劃分為管控中心、通信分系統、任務設備分系統3個分系統。

2.2.1 工作網系統設計

科考船工作網的信息系統總體框圖見圖2。

1） 管控中心

管控中心包括信息中心和各種人機交互的顯控端兩大部分。

① 信息中心

由高可用虛擬化集群由浪潮機架式企業級服務器、存儲服務器、存儲區域網（SAN）等COTS產品組成，包括1個主控節點、1個虛擬存儲節點和多個服務器集群組成的數據處理節點（見圖3）。通過主控節點管理整個集群中容器的生命周期，同時對各計算節點的健康狀態進行監控，當虛擬服務器的性能指標(CPU、內存等）超過既定的閾值，或檢測不到計算節點時，主控節點將會進行容器遷移。使得容器始終保持在可用狀態，且不影響其上運行的應用。

圖2 船載信息系統總體框圖Fig.2 General block diagram of shipborne information system

圖3 高可用虛擬化集群示意圖Fig.3 High availability virtualization cluster diagram

主控服務器端主控服務器負責對整個集群中包括物理服務器、虛擬集群以及網絡存儲在內的所有資源進行集中調度和控制，通過對資源的合理調度和分配，實現虛擬化資源池的高可用。

數據存儲采用多個磁盤陣列進行數據的高速存儲，為各類業務提供海量數據計算分析能力，支持批處理統計分析、在線數據檢索、數據挖掘、實時流處理、全文搜索和圖計算等業務場景，為實時數據的應用分析提供高效支撐。

數據處理數據處理設備由若干多核服務器集群組成，具備高性能的計算和大容量存儲能力。系統資源管理中心可以根據需要統一規劃和部署，實現設備資源的冗余。

系統提供基本的數據處理，包括數據的預處理、分析、存儲管理和數據分發，并控制部署的虛擬容器的整個生命周期，對物理服務器和虛擬容器的健康狀態進行監控，并在必要時根據主控服務器的調度命令遷移虛擬容器。

② 顯控端

顯控端是各種顯示控制臺，采用云桌面技術提供多個公用的虛擬桌面，實現了顯示與任務的分離，如圖4所示。各種應用顯示控制臺位都采用虛擬終端，可靈活分配操作員或戰位的功能和任務。服務器群被虛擬成多臺虛擬機，每個顯控臺采用瘦客戶端方式，通過網絡中任意一個節點和公共顯控平臺的服務器群相連，每用戶獨享一臺虛擬機。后端服務器虛擬化平臺具有在線遷移、HA（High Availability）、數據備份等高級特性，可保證整合后平臺的穩定可靠運行，在進行授權和安全認證后，進入相應功能的操作顯示桌面。

圖4 桌面云示意圖Fig.4 Desktop cloud diagram

艦載信息系統能夠支持根據角色和任務的需求為操作人員和顯示屏重新分配和部署顯控軟件。

2） 通信分系統

對外無線通信網根據傳輸帶寬而分為寬帶和窄帶通信2種，寬帶有多波段衛星通信、散射和LTE通信，窄帶有北斗短消息、短波通信及其它通導設備的海事信息交換，無線通信分系統的連接關系見圖5。在科考船上通過智能無線通信管理單元與外部其他節點交換信息，智能無線通信管理單元負責信息網絡路由、信息虛擬化傳輸，采用虛擬物理鏈路傳輸技術，將應用數據在多個無線通信設備鏈路上依據鏈路的負載情況實時進行通信負載虛擬分配，采用多種冗余通信手段，有效提高了系統中通信分系統的可用性。

圖5 船載信息系統對外無線通信連接示意圖Fig.5 Schematic diagram of external wireless communication connection of shipborne information system

3） 任務設備分系統

任務設備分系統包括了分布在全船的各種基礎任務設備、可加裝的擴展任務設備以及接口適配器。

1） 通用接口適配器

任務設備通過一個通用設備適配器（UDA，Universal Device Adapter）接入信息系統網絡，通用設備適配器能將RS485/RS422A/RS232，1553B和Multibus等多種接口轉換成以太網絡接口，支持TCP/IP Server，TCP/IP Client及UDP廣播模式，支持網關、多串口服務器透明傳輸功能。

2） 系統時間同步設備

在信息系統中，為了滿足高精度的同步測量和數據標校，各個任務設備的時間必須統一，考慮到任務設備的多種時間同步需求，采用了2種網絡時間協議NTP(Network Time Protocol）和PTP(Precise Time Protocol）協議，任務設備根據需求增加時統從時鐘設備。

圖6為PTP網絡時鐘架構圖，PTP協議是時統主設備接收衛星時間，通過網絡發出，在網絡上的時統從時鐘設備與主時鐘進行通信，獲得高精度的時鐘信息，從時鐘設備可實現不同的時間同步接口，主要有PTP網口、IRIG-B（Inter Range Instrumentation Group-B）、1PPS脈沖、RS232C串口等接口，PTP網絡時間同步誤差約為 0.2 μs[8]。

圖6 PTP網絡時鐘架構Fig.6 PTP network clock architecture

3） 任務設備

任務設備包括搜索雷達、導航雷達、光電跟蹤器、聲吶設備、電磁監測設備、ADS-B接收機、AIS接收機、組合慣導、羅經、計程儀、氣象儀、水文儀器、實驗室檢測設備以及對船平臺狀態監測設備等，這些任務設備的信息在管控中心進行存儲、處理，并可提供數據分析、查詢等。

在船平臺上可加裝多種擴展任務設備進行試驗測試，船載信息系統為這些設備提供各種類型目標、電磁環境、平臺姿態等多種信息，并可把試驗測試信息傳送到信息系統中進行存儲、處理，為各種試驗提供信息保障。

2.2.2 生活網

船載文化生活網進行“三網”合一設計，具有電話、網絡、電視功能。設備硬件采用商用設備，軟件設計采用成熟的媒體播放技術、網絡數據管理技術，通過整合和定制完成軟件設計開發。文化生活網的原理連接圖見圖7，將衛星電視接收到的頻道內容通過視頻多路編碼器編碼并送到網絡上，在網絡上用網絡電視觀看衛星電視的頻道信息；網頁服務器存儲有大量的各類視頻、音樂、游戲和電子書籍等資源，能給系統內網絡上用戶提供基于網頁訪問的多種服務，包括新聞、音樂、視頻、社交軟件等應用服務；WIFI控制器對在網絡上的各個WIFI無線路由器進行管理和控制；用戶也可通過有線和無線的局域網絡，用計算機進行網絡新聞閱讀、音樂欣賞，觀看網絡電視和視頻，豐富船上人員的文化生活。

圖7 文化生活網原理連接圖Fig.7 Schematic diagram of Cultural Life network

3 結 語

科考船船載信息系統包含多種感知、網絡、數據處理、顯示控制、運維保障等信息化設備及基礎軟件，在此基礎上，通過二次開發在多種場景下的應用程序，可實現在科考試驗、艦艇編隊、專項試驗等多個場景下的應用。

科考船船載信息系統采用了開放式的設計理念，提高了系統的可擴展性和科考船的信息化水平，經過長期的運營使用，設計的科考船船載信息系統滿足海洋信息領域設備開發、測試和各種海洋信息化有關試驗的多種需求，獲得良好效果。同時系統可與其他平臺的信息系統組網通信，構成一個覆蓋一定海區的海洋信息網絡系統。