艦艇綜合信息服務系統的設計與實現

尹安

中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064

0 引 言

隨著信息技術的迅速發展，大量成熟的民用和商用技術被廣泛應用于艦艇設計，這既縮短了技術開發周期，又提升了系統和設備性能，同時也一定程度上減少了新技術的應用風險。在艦船信息化設計中，以美國DDG 1000 為代表的全艦計算環境（TSCE），將作戰系統、動力系統和平臺系統等相關信息進行集成設計和統籌設計，發揮整體資源優勢。更為重要的是，通過頂層規劃設計、構件化設計和軟硬件模塊化等手段，解決了跨系統、跨設備間的信息共享交互等問題，實現了作戰平臺整體效能的提升[1-3]。近年來，盡管我國裝備信息化水平迅速提升，但在各系統軟、硬件資源的統籌設計和全艇信息綜合利用等方面與國外先進海軍仍存在差距。國內學者開展了多類信息化系統的設計和研究，陶偉等[4]開展了艦船損管監控系統研究，基于仿真的實時監控體系，實現了與損管監控系統線程采集數據的交互；吳傳海[5]將交互式電子技術手冊（IETM）與工程化研制流程等相結合，開展了工程化應用分析；張磊等[6]研究了電子裝備狀態監控系統，實現了對設備溫度、應力等數據的采集與處理，可推廣應用于設備可靠性數據分析系統。總體來看，國內研究工作重點是針對特定應用展開，還鮮有從艦艇頂層設計出發論述總體層面的信息化設計思路和信息綜合應用的相關工作。

鑒此，本文將提出艦艇綜合信息服務系統的設計思路；首先概述系統的設計目標及總體規劃，以信息基礎設施為依托統籌硬件資源；然后從應用集成管理平臺設計和信息應用設計2 個方面論述軟件設計方案，解決現有信息系統“各自為戰”和信息綜合應用不足的問題。

1 艦艇綜合信息服務系統總體設計

1.1 設計目標

艦艇信息化工作應重點進行頂層規劃和軟硬件資源整合設計，需關注應用系統的集成、運維管理和信息利用等問題。基于此，本文提出艦艇綜合信息服務系統，主要設計目標如下：

1） 構建全艇信息基礎設施，實現計算和存儲資源、網絡基礎設施和人機交互顯示設備等的統籌，提供除專用軟件外的全艇軟件集成部署環境；

2） 提供統一的運行管理和全壽命周期維護管理，實現軟件部署和運維管理的生態圈，滿足系統功能的持續部署和升級；

3） 建立統一的消息推送機制，為艇員提供平臺、動力等系統的各類消息的及時推送服務，實現不同戰位、不同艇員所需信息的按需調取；

4） 建立統一的安全管控平臺，提供數據接入控制管理、信息訪問保護、數據備份等功能；

5） 融入數據分析和智能算法模塊，提升信息價值；

6） 結合應用信息化技術、軟硬件技術等，提升艦艇綜合信息服務系統設計的先進性。

1.2 軟硬件體系架構

艦艇裝備總體設計的特點決定了其信息化設計工作需要在原有系統和設備的基礎上做減法，要在不增加艇內額外負擔的情況下實現信息化設計工作的價值提升。因此，艦艇綜合信息服務系統要打破原有不同系統和設備硬件資源分而治之的舊模式，實現對全艇信息資源的統籌管理和綜合應用的新模式。總體規劃如圖1 所示。

艦艇綜合信息服務系統硬件部分的核心任務是搭建全艇信息基礎設施，將其劃分為數據處理和存儲層、信息傳輸層和人機交互層架構。數據處理和存儲層包括數據處理中心和數據存儲中心，提供各信息服務模塊的運行環境和數據存儲環境，為各類應用和數據存儲提供計算資源支持和存儲資源支持。信息傳輸層包括網絡基礎設施，提供統一的信息傳輸通道，包括有線連接和無線接入形式。人機交互層包括各類信息顯示設備，包括移動式顯示設備和固定式顯示設備，如艇員個人手持終端、可穿戴設備和壁掛式顯示屏等，涉及的操作平臺包括安卓和中標麒麟操作系統等；其中，艇員個人手持終端、手表式穿戴設備具備無線接入能力，可用于接收各類推送消息。

軟件框架包括系統管理模塊和信息服務模塊。系統管理模塊分為應用集成管理平臺和安全管控平臺：應用集成管理平臺實現對各類信息服務的管理，包括服務部署和運維管理等；安全管控平臺提供系統運行所需的安全管理，包括訪問安全和數據安全等。信息服務模塊包括各類信息服務功能，如生活類信息、保障類信息管理功能、消息推送服務功能和大數據分析及智能輔助決策功能等。其中，大數據分析及智能輔助決策功能是艦艇綜合信息服務系統價值的集中體現，內含數據關聯分析子模塊、視頻圖像識別子模塊和航路輔助規劃子模塊等。與原有各業務系統獨自配置服務器進行軟件部署不同，艦艇綜合信息服務系統將各軟件統一部署于全艇信息基礎設施的數據處理中心，相關數據統一存儲于數據存儲中心，實現計算資源和存儲資源統籌，提升硬件利用率，也便于軟、硬件資源的統一管理。

硬件組成架構在民用和商用領域已有成熟應用，艦艇綜合信息服務系統設計的重點是軟件框架設計和信息應用。下文重點從軟件設計中的應用集成管理平臺設計和信息應用設計方面來論述方案實現過程。

2 軟件設計

2.1 應用集成管理平臺設計

應用集成管理平臺通過構建軟件集成管理倉庫，實現對信息服務模塊相關的應用程序進行統一管理。管理的信息軟件模塊包括瀏覽器/服務器結構（B/S）類和客戶端/服務器結構（C/S）類應用。

2.1.1 B/S 類應用管理

B/S 類應用基于Docker 進行集成管理。Docker是目前流行的開源引擎，提供一種輕量級虛擬化的解決方案，即將不同應用及其依賴庫文件打包為鏡像文件，構建鏡像倉庫，通過容器技術構建鏡像運行環境，形成提供信息服務的應用中心。Docker 極大地方便了應用服務的部署。與虛擬化技術不同，他以一種更輕量的方式實現對應用和應用的依賴環境等的打包管理，形成獨立的鏡像，以Docker 鏡像作為軟件的交付形式，可方便地對應用進行全壽命周期的運維管理和應用的快速迭代[7-8]。在艦艇綜合信息服務系統設計框架中采用Docker 的優勢有以下幾點：

1） 資源隔離。系統的設計目標之一是實現軟件部署和運維管理的“云”模式生態圈，即“應用云化”，而云化的基本要求就是要實現資源隔離。Docker 通過容器技術實現不同應用運行環境的隔離，即將不同應用以集裝箱（容器）為單位進行裝載（運行），不同的集裝箱裝載不同的貨物（不同應用所需的程序、組件和依賴庫文件等），集裝箱（容器）之間保持獨立。

2） 輕量化。相比傳統的虛擬化技術，使用Docker在CPU、內存、磁盤輸入/輸出和網絡輸入/輸出上的性能損耗都有同樣甚至更優的表現。

3） 彈性擴展。傳統的B/S 模式應用通常都包括“Web 端應用+Web 運行容器+數據庫”，程序的部署、調試工作繁瑣。以Docker 提供的容器技術對應用程序及其各依賴環境進行打包形成鏡像文件，以容器提供鏡像運行環境，可實現“構建一次，到處運行”[9]。因此，將不同軟件模塊打包成鏡像，并提交鏡像倉庫進行入庫和分發管理，不用考慮全艇信息基礎設施的部署環境和對其他應用的影響，可實現系統功能的彈性擴展。

在實際應用中，對涉及數據庫操作的B/S 應用軟件，如公共信息系統、勤務政務信息發布系統和保障信息管理系統等，采用“Web 容器+數據庫容器”方式，進行功能模塊化，并將應用和數據分離。對于復雜功能，可考慮采用微服務架構模式，即將復雜功能分解為相互獨立、邊界明確的服務，服務之間解耦，可獨立替換、升級和伸縮，服務間通過語言無關的輕量級接口，如網絡通信（遠程過程調用（RPC）、超文本傳輸協議（HTTP）等）、消息隊列等進行協同。此外，為便于艇員進行運維管理和后續持續迭代升級，在應用集成管理平臺設計相應功能，以可視化形式對基于Docker進行集成的軟件進行管理，使其具備全局信息監測、鏡像管理、容器運行狀態控制和數據卷管理等功能。主要設計示意圖如圖2所示。

圖2 B/S 類應用管理設計Fig. 2 B/S application management design

基于Docker 提供的B/S 應用采用以下途徑調用信息服務功能：

1） 對于安卓平臺，根據應用服務的URL 地址，使用WebView 等封裝成APK 程序的形式部署于艇員個人手持終端，通過在艇員個人手持終端運行該APK 程序來獲取所需信息服務；

2） 對于中標麒麟平臺，可直接通過內置瀏覽器訪問URL 地址來獲取所需信息服務。

2.1.2 C/S 類應用管理

C/S 類應用管理各信息服務功能模塊的發布版本，包括對安卓平臺安裝的APK 程序和中標麒麟平臺安裝的Qt 程序，并在軟件集成管理倉庫中進行統籌管理。其中，用于安裝的APK 程序內嵌數字簽名管理，以提升應用安全管理的要求；Qt 程序發布打包版本應包含所需的動態庫等依賴文件。安卓平臺和中標麒麟平臺均可通過訪問軟件集成管理倉庫，下載或更新本機應用程序，下載或更新后的應用程序在本地運行。與B/S 類應用管理類似，C/S 類應用也可通過可視化管理平臺進行操作和運維。

綜上，應用集成設計框圖如圖3 所示。

圖3 應用集成設計框圖Fig. 3 Block diagram of application integration design

2.2 信息應用設計

2.2.1 大數據分析和智能輔助決策功能模塊

在信息集成后，應關注如何應用信息來實現信息到知識的價值提升。如結合系統運行中收集的數據，包括設備運行狀態、故障、綜合保障、艙室環境和艇員健康狀態等信息，構建適當規模的學習庫和測試庫，引入大數據分析引擎，充分利用分類、聚類、決策樹和AdaBoost 等算法，基于多維度的挖掘分析與深度學習、強化深度學習和遷移學習等人工智能算法，挖掘數據內部蘊藏的智慧信息，以提升保障工作、設備故障預測、艙室環境控制等智能服務水平，提升全艇作戰效能和艇員工作效能。針對信息在大數據和智能輔助決策方面的應用，民用和商用領域已有較多成熟算法可以借鑒[10-11]。此外，通過數據處理和存儲中心的統籌設計，為應用提供了強大運算能力，使設計重點轉移到樣本數據獲取、數據清理和業務流程梳理中，從故障監測、操艇輔助和作戰決策等方面提升信息利用價值。

以基于裝備綜合保障信息的大數據和智能輔助分析應用為例，設計思路如圖4 所示。

圖4 裝備綜合保障信息應用設計Fig. 4 Application design of equipment integrated logistic support information

收集的艇內重要設備運行的狀態信息，經信息傳輸層傳輸至部署在數據處理中心的設備狀態監控功能模塊，進行監控和數據處理，處理后的數據信息，包括設備標識碼、設備運行參數信息、故障信息等，自動存儲于數據中心；此外，保障類信息服務功能模塊提供設備維修記錄和備品備件使用等信息的錄入功能，錄入信息存儲于數據存儲中心。大數據分析及智能輔助決策功能中的數據關聯分析子模塊從數據存儲中心提取上述數據，從多層次和多維度進行數據挖掘，分析數據間的關聯規則，如設備之間的故障關聯度、設備內各模塊間的故障關聯度、環境變化與設備故障間的關聯度、備品備件間的使用關聯度等，從而為維修計劃制定、備品備件優化配置和視情維修等提供決策依據，也為保持艦艇裝備戰斗力提供有力支撐。全艇數據處理中心將為算法提供算力支持。數據關聯分析結果由消息推送服務模塊進行處理，通過信息傳輸層推送至指定人機交互層的信息顯示設備中，進行提醒和信息顯示。

對大數據分析和人工智能應用而言，算法和訓練模型與具體應用的業務數據和業務邏輯強相關。因此，在大數據分析及智能輔助決策功能中可擴展部署多個子模塊，以滿足不同應用場景的需求。

2.2.2 消息推送服務功能模塊

在信息應用設計中，艦艇綜合信息服務系統設計了消息推送服務功能模塊，根據消息分類和推送規則將消息推送至人機交互層設備，如艇員個人手持終端、手表式穿戴設備、顯控臺和壁掛式信息顯示屏等，實現“信息找人，按需推送”，避免信息集成后可能產生的信息爆炸或信息噪聲，影響艇員對工作的響應速度。消息推送服務既包括常規的即時通信類消息推送，也包括各種通知類消息、設備故障報警信息、作戰類信息和自定義消息推送等，即涵蓋“人-人”、“物-人”的信息交互。消息推送服務功能模塊實現的核心包括根據信息分類制定全艇統一的消息編碼和推送規則。

1） 消息編碼設置。將艇內產生的消息進行分類，通過制定統一的數據協議進行消息編碼（表1），并采用自定義消息體，封裝消息結構。自定義消息體有利于后期的維護和擴展。

表1 消息編碼示意表Table 1 The message coding diagram

消息編碼采用4 位數字編碼，其中前2 位編碼代表消息分類，后2 位編碼代表該消息分類下的消息識別序列號。

2） 推送規則設置。消息推送服務功能模塊內置2 種類型的消息推送服務：

（1）根據內置預設定的規則，采取按時間觸發推送消息，如按設定的值更表推送到指定戰位人員的值更消息和定期的設備維護提醒消息。

（2）根據來自外部消息設定的規則，如來自艇員發送的即時消息、來自設備的故障報警消息和來自外部傳感器發送的需即時做出響應的報警消息等。針對此種消息，在消息推送服務功能模塊中設置監聽機制，將接收到的消息類型按照編碼格式解碼后，交由推送規則分析，按制定的規則向指定的單個或多個人機交互層設備進行推送，并視情進行聯動控制。如消息推送服務功能模塊監聽到重要設備故障報警消息，將報警消息推送到對應顯控臺和所屬部門的部門長或艇員的手表式穿戴設備進行振動提醒，將設備維護所需技術資料的URL 鏈接推送到艇員個人手持終端中，使該艇員可快速調閱該設備相關技術文檔或圖紙文件資料，并設置與對應艙室的光報警器聯動進行視覺提醒。

為正確接收和顯示消息推送服務功能模塊的消息，在人機交互層設備中均安裝配套監聽和信息顯示模塊軟件。推送規則在系統交付前可根據艇隊使用習慣和需求進行設定，并提供管理后臺可供指揮員進行維護管理。以重要設備故障報警消息推送為例，信息推送流程示意圖如圖5 所示。

圖5 信息推送流程（場景：重要設備報警）Fig. 5 Message push process (scenario: important equipment alarm)

3 結 語

艦艇綜合信息服務系統從頂層出發統籌全艇硬件資源和全艇信息服務資源，結合信息基礎設施，構建應用集成管理平臺，采用Docker 技術和軟件集成管理倉庫設計，實現對不同類型信息服務模塊的統籌管理。針對集成后的信息如何利用以發揮信息價值的問題，設計了大數據分析和智能輔助決策功能模塊及消息推送服務功能模塊，并重點對后者的設計實現進行了論述。在后續設計中將結合系統彈性服務設計，靈活擴展功能，提升硬件資源利用率；結合在系統運行過程中收集或生成的數據，充分挖掘數據的內在價值，促進艇員工作的開展并提升全艇作戰效能。