基于公共計算服務的輔助機電設備信息化研究

劉 春，張 平，王 偉，陳 濤

應用研究

基于公共計算服務的輔助機電設備信息化研究

劉 春1，張 平2，王 偉1，陳 濤1

（1. 中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011；2. 駐上海地區第八軍事代表室，上海 200011）

為了提高艦船輔助機電設備的信息全面共享、協同工作、集中監控和資源交互共用的能力，通過對全艦輔助機電設備的種類、監控功能、信息處理流程等的梳理分析，對公共計算服務的信息化需求提出要求，完成了基于公共計算服務的輔助機電設備信息化研究。通過對某型輔助機電設備集中監控系統的科研樣機案例分析，進一步總結了該系統的特點和關鍵技術，可供有類似信息化需求的艦船設計提供參考。

信息化 公共計算 輔助機電設備 自動化 集中監控

0 引言

隨著我國海洋大型艦船的快速發展，機電設備越來越多，布置范圍越來越廣泛，對艦員的要求越來越高，艦船輔助機電設備信息化研究被提上日程，亟需加強艦船的輔助機電設備信息化能力，實現輔助機電設備的信息全面共享、協同工作、集中監控和資源交互共用，需要研究出一套監測范圍廣、自動化控制水平高的集中監控裝置。該裝置能對分散布置的輔助機電設備進行集中監控，提升輔助機電設備的運行管理水平和綜合保障能力，降低設備故障及危險處置響應時間，減小機電部門艦員的勞動強度，也為設備的維護保障和今后的設計工作提供理論依據。

本文通過對大型艦船輔助機電設備信息化的研究，為輔助機電設備監控系統的裝備設計提供技術支撐。并以某型輔助機電設備集中監控系統的科研樣機為案例，總結了該系統信息化的特點，為艦船信息化設計提供參考。

1 輔助機電設備信息化研究

1.1 輔助機電設備信息種類

輔助機電設備主要是指為船體與船舶裝置、動力系統、綜合電力系統和船保系統等提供油、水、氣等輔助保障功能的旋轉設備、往復設備以及其它機電設備等的總稱（不包含與之關聯的管路系統以及電力系統下屬的供、配電保障設備等）。

涵蓋范圍主要包括：

1）船體與船舶裝置下屬的舵機、錨機、減搖鰭、艏側推等甲板機械裝置；

2）動力系統下屬的燃油泵、滑油泵、冷卻水泵、空氣壓縮設備等動力輔助裝置；

3）綜合電力系統下屬的燃油輸送泵、滑油輸送泵、海水冷卻泵等電力輔助裝置；

4）船保系統下的冷藏設施、空調設施、環境污染控制設施、疏水設施、資源供應保障設施等船舶輔助裝置。

1.2 輔助機電設備監控的功能要求

輔助機電設備監控系統的主要功能包含狀態監測、自動控制、綜合狀態評估和健康管理等功能。

狀態監測主要指設備的工作參數監測和異常監測。輔助機電設備監控系統可實現全船輔助機電設備的狀態顯示和綜合報警功能，接收本艦主要輔助設備狀態信息數據，優化處理后可結合總布置圖等對重要信息進行分層綜合顯示。

自動控制主要是指設備的集中控制和本地控制。輔助機電設備監控系統不僅可實現輔機設備的信息監測，還可在一體化的監控軟件中實現對輔機的集中控制（例如可在集控室臺位上集中控制全船的輔助機電設備等），可基于軟件策略實現對任務工況的一鍵控制[1]（例如：一鍵燃油調撥、一鍵淡水駁運等），甚至在全艦公共計算環境的平臺下可實現基于任務場景的聯動控制（如：日用油柜與燃油調駁聯動控制、武器發射與消防系統聯控、通風系統與損管滅火聯動等）。

狀態評估和健康管理是指設備的故障診斷趨勢和使用及維護維修輔助決策等。輔助機電設備監控系統可通過對輔助機電設備的振動監測[2]及運行狀態監測等手段，采集典型工況并提取特征參數，形成相應的輔助機電設備健康管理評估算法及健康狀態預測模型，并實現典型輔助機電設備的健康評估及預警、預防性維修輔助決策以及算法庫、模型庫、知識庫和維修信息管理庫及時更新。

1.3 輔助機電設備信息處理流程

輔助機電設備監控系統的體系結構設計應充分考慮各系統在信息感知、信息傳輸、信息處理等方面的共性和特性要求，在保證效率和安全的前提下，加強頂層規劃設計，梳理全艦輔助機電設備信息處理流程。

1.3.1 信號類型及傳輸選擇

輔助機電設備設備層信號類型有：

1）數字量信號（脈沖或0/1信號），例如設備的開啟、關閉、運行信號等；

2）模擬量信號（線性電壓或線性電流信號），例如溫度傳感器、流量計等；

3）光電信號（調幅、調頻脈沖等緩變信號），例如振動傳感器等。

綜合統計所有輔助機電設備的信息，按傳輸類型分為：硬線、RS485、光纖、CAN總線，接收設備層信號的信號采集設備需要滿足此要求。

采用網線作為輸介質時應選用不低于艦用六類屏蔽雙絞線，采用光纖作為傳輸介質時應選用艦用耐火單模光纖。考慮艦用條件，各設備的冗余線纜分左右兩舷布置；雙冗余網絡設備分散布置，分開供電[3]。

1.3.2 組網方式的選擇

為了滿足系統內各個節點間的數據通信需求，一般使用組網實現通信拓撲結構。常見的組組網方式有：RS485、以太網、CAN。組網方式的比較見表1。

輔助機電設備監控系統具有設備信息多（數據量大）、布置位置分散全船（距離遠）、涉及工況多、存在多個設備同時使用的概率大（易引起問詢沖突）等特點。通過組網方式的異同點比較，綜合考慮安全可靠性，輔助機電設備監控系統一般建議選擇CAN總線組網方式。

1.3.3 拓撲方式選擇

表1 組網方式的比較

CAN總線主流的拓撲方式有以下幾種：

1）直線型拓撲的每個節點都連接在總線上的各個線性分支支線上，通過主干總線使每個節點能夠同步共享信息，從主干總線上的其中一個節點發送信息，可以傳送到主干線上的其他任意節點。

2）星型拓撲的每個節點都直接連接在中央設備節點上，呈現放射狀星型形狀，通過中央設備節點可以匯總所有節點的信息，每個節點與中央設備都是點對點的通信。

3）樹狀拓撲的每個節點可獨立連接在分支上，也可串聯在其他節點后面，每個分支可按需擴展節點數目，所以分支的長度不一。所有節點都通過支線連接匯總信息，總線通過每個獨立節點配套的CAN控制器與該節點進行網絡通信。

4）環形拓撲的首尾節點均直接連接在總線上，中間節點通過連接在首個節點后面，相鄰節點首尾相連的方式，一直連接的最后一個節點上，形成一個環狀。所有節點信息均可直接通過環網傳輸。

CAN網拓撲方式的比較見表2。

表2 CAN網拓撲方式的比較

針對輔助機電設備監控系統的監測設備物理位置分布廣泛、業務需要快速靈活部署等特點，需要選擇一種網絡通訊性能高、數據交換速率高、配置自動化程度高的拓撲方式，對比四種CAN網拓撲方式，環形拓撲的結構簡單、網絡通訊可靠性高，更適合輔助機電設備監控系統。

其中，網絡的流暢性需要考慮總線的負載率。CAN總線負載率，指在單位時間內總線上全部節點發送的數據總數占整個總線理論帶寬的百分比，也相當于實際上達到的數據傳輸速率與理論上能達到的最大數據傳輸速率的比值。計算公式如式（1）：

負載率越高，意味著單位時間內需要發送的數據量越大，總線上優先級較低的節點處容易發生丟包等通信故障?？偩€負載率越高，系統的穩定性會急速衰減，嚴重影響網絡的安全性。所以，根據木桶原理，總線的負載率由系統內優先級最低的節點傳輸延遲情況決定。一般情況下，總線利用率最好控制在30%以內，軍品的總線利用率一般建議不超過10%。

1.3.4系統架構

輔助機電設備監控系統含信息基礎設施層、信息服務層、信息應用層等三個層次組成（系統架構圖如圖1），開展數據數據采集、處理。

圖1 系統架構圖

信息基礎設施層，可在信號端和應用終端采集本艦輔助機電設備監控信息，含全艦輔助機電設備下屬設施的相關監控信息，為系統的集中監控、自動化控制和健康管理等提供數據支撐。

信息服務層，對基礎設施層采集的數據進行邏輯處理、數據搭建組合和算法計算，含括監控工況邏輯和信號處理的決策，只需要對信息應用層提供信息服務。

信息應用層，是用戶和監控系統之間交流的媒介，可直接與用戶交互，主要用于接收用戶的指令和反饋顯示狀態，通過后臺調用服務來實現邏輯處理，完成用戶的指令需求。

1.4 基于全艦公共計算服務的信息化需求分析

1）數據的傳輸需求

輔助機電設備分散全船，位置較零散，需要設備層現場采集的信息可從各設備分區接入就近的采集裝置，通過CAN網匯總至集中監控臺后，由臺位接入全艦一體化網絡。其他的輔助機電設備信息可通過一體化網絡從公共計算環境申請調用。

CAN數據結構、設備地址、標識符格式、狀態報文、指令報文等數據格式按照約定的通訊協議進行。數據地址列表按照《測點表》統一進行。

公共計算環境網絡接口可支持帶POE供電的100/1000 Mbps自適應電纜以太網口、1Gbps光纖以太網口、10Gbps光纖以太網口接入。各系統/設備接入一體化網絡的接入方式可以分為以下四類：A類:直接接入網絡；B類:匯聚后接入網絡；C類:自帶子網，單點接入網絡；D類:自帶子網，安全隔離后單點接入網絡。根據輔助機電設備監控系統在信息交互、上網節點規模、設備布置、綜合布線等方面的特點，可選擇合適的網絡接入方式。

上網終端設備與交換機的連接方式有單鏈路連接、雙冗余連接兩種方式。輔助機電設備監控系統可選擇合適的鏈路連接方式。

2）公共計算服務的資源需求

輔助機電設備監控系統通過全艦一體化網絡需向公共計算服務系統提出計算資源支撐、存儲資源支撐、網絡支援支撐和平臺服務支撐等。

通過對軟件的計算分析，測點數據的內存消耗使用場景分析，臺位軟件需要較高的運算環境支持，輔助機電設備監控系統可向公共計算環境提出計算資源需求：虛擬機數量和配置等。

通過對系統軟件（桌面操作系統）鏡像空間、業務軟件部署空間、存放軟件運行緩存數據空間以及日志數據空間的預估和不同系統數據的共享需求，輔助機電設備監控系統可向公共計算環境提出存儲資源需求：系統文件存儲需求、云盤存儲需求和IPSAN/NAS存儲等。

通過對數據庫初始安裝空間的分析，計算產生增量數據的依據，輔助機電設備監控系統可向公共計算環境提出數據庫資源需求：數據庫名稱、初始空間大小和設計空間上限等。

通過本系統與其他系統中可能存在的共用數據、共用該數據庫的分析，輔助機電設備監控系統可向公共計算環境提出平臺服務支撐。

3）信息化安全[4]需求

針對基礎資源服務物理主機、虛擬主機、操作系統、數據庫等提供基礎安全防護手段支撐，支持主機安全、網路安全、數據安全、防病毒、安全態勢感知等功能。

公共計算環境需要提供網絡防火墻、入侵防御、防病毒、數據庫防火墻、數據庫訪問行為分析、負載均衡等功能。輔助機電設備監控系統可在本臺位支持定期的對防火墻升級、對病毒庫更新，以保障系統的信息化安全。

2 輔助機電設備信息化實現

2.1 輔助機電設備監控系統配置

以某型艦船平臺輔助機電設備監控系統為例，該系統包括下屬的各類子采控系統統一采用了四層設備和兩層網絡的結構，某船輔助機電設備集中監控裝置系統架構圖如圖2所示。

四層設備是指：

1）位于底層的現場設備

如傳感器、執行器、遠程終端單元等，用于實現現場的信號采集、接入和控制；

2）位于中層的信號采集設備

如分布式采集單元、信號箱等，用于實現區域的數據管理、數據集成；

3）位于上層的信息監控層設備

如集中顯控臺等，用于數據的綜合顯示、人機交互和信息交互。

4）位于頂層的公共計算服務層設備

如服務器集群、數據庫和防火墻等，用于數據的集中解算、數據交互、數據存儲和數據安全防護。

兩層網絡是指：

1）上層信息監控設備與中底層設備之間的控制網絡；

2）公共計算服務層與信息監控層設備之間的管理網絡。

系統采用了集中控制和區域集成的思想[5]。按照站位設置的需求，在機電集控室設置輔助機電設備集中監控臺（以下簡稱“監控臺”）。監控臺通過以太網與公共計算服務器連接在一起，并可以通過一體化網絡在云端共享和調取相關系統的數據。

全艦根據防火區域劃分為7個區域，每個區域布置2臺信號采集設備，全艦共配置14臺，信號采集設備（通過標準化模塊：DI/DO模塊、AI/AO模塊、A/D模塊、RS485模塊、現場總線和通信網關等）間通過CAN環網聯結在一起，通過標準通訊協議掛接了數百個遍布全艦的信號設備，完成信號采集和現場數據處理和控制任務。

通過計算發現，輔助機電設備監控系統環網的總線負載率達到了17%，為減輕總線上的負荷，可將數據按系統分為兩部分，空調冷藏信號采集設備與監控臺形成一個環形拓撲結構，機艙信號采集設備與監控臺形成一個環形拓撲結構，保證各個環網的負載率不超過10%。

本系統也是目前水面艦船設計和建造的自動化程度最高的輔助機電設備監控系統，監控的輔助機電設備共有30000多個信號點，其中有約有近8000點針對船保下的輔助機電設備，支持正常運行條件下的所有艦船級平臺任務，單個操作員可協調全部輔助機電設備，而不需要在設備層進行人工干預，最大程度優化了人員編制[6]，降低全壽期維護費用，并滿足可靠性、可維護性和生命力[7]的要求。

2.2 輔助設備集中監控裝置特點

輔助機電設備監控裝置信息化特點：

1）可靠：采用冗余理念，實現軟件網絡鏈路和硬件配置設計的雙冗余設計；組網扁平化，網絡結構簡單，便于施工和全壽命保障，從組網架構上進一步提高可靠性；

2）高安全：依靠公共計算服務提供安全控制的硬件和軟件保護，按用戶級別和業務范圍對用戶權限進行管理，對系統進行分區邏輯隔離和定期防護管理；

3）易管理：結合管理狀況，采用網絡虛擬化技術，具有良好的可管理型以及可維護性；

4）標準化：采用通用的標準化協議和標準化硬件，提高設備在網絡中的互聯互通性。

3 關鍵技術

輔助機電設備監控裝置有以下關鍵技術：

1）區域集成采控：每個區域內的數據可在該區域內集成采控，可選擇在單個區域內獨立采控，也可達到服從上層監控的集中控制功能，達到區域資源共用、系統功能共享的目的；

2）跨區協同控制：針對燃油駁運、淡水駁運、中央冷卻等涉及到全船性的系統，設置了跨區協同控制模式，系統收到指令后，可通過相應的控制策略實現“一鍵駁運”功能；

3）聯鎖和優先級協調：本裝置需要關聯三防狀態的功能要求、全艦失電時功能要求、能量管理系統功能要求、特種艙室安保要求等，并協調聯鎖功能和優先級，在軟件和硬件上同時實現與全船相關系統的協調功能。

4 結論

1）本文梳理了大型艦船輔助機電設備信息化種類、輔助機電設備監控的功能要求、輔助機電設備信息處理流程，并對公共計算服務的信息化提出相應要求，完成了輔助機電設備信息化研究，為輔助機電設備監控系統的裝備設計提供技術支撐。

2）介紹了某型輔助機電設備監控系統的設計應用，并在科研樣機過程中得到了專家的一致肯定，擬用于實船裝備?？晒┯蓄愃铺岣咝畔⒒妥詣踊刃枨蟮拇白鳛閰⒖肌?/p>

[1] 趙云. 中國船級社《智能船舶規范》 [N]. 中國船舶報, 2015-12-02

[2] GB/T 19873.1-2005. 機器狀態監測與診斷振動狀態監測

[3] GJB4000-2000艦船通用規范.

[4] GB 17859-1999計算機信息系統安全防護等級劃分準則.

[5] 洪術華,焦儂.船舶輔機信息化的現狀與展望[J].船舶工程2017,39(4):88-92.

[6] 陳志民, 李江. 我國船舶輔機信息化技術發展概況[J]. 船舶工程, 2017, 39(5): 57-59+65.

[7] Ryszard Arendt, Ewa van Uden. A decision-making moudule for aiding ship system automation design:a knowledge-based approach[J]. Expert Systems With Applications, 2010, 38(1): 410-416.

Research on the informatization of marine auxiliary electromechanical equipment based on public-computing -services

Liu Chun1, Zhang Ping2, Wang Wei1, Chen Tao1

（1. Marine Design and Research Institute of China，Shanghai 200011, China; 2. The 8th Military Representative Office of the Naval Equipment in Shanghai，Shanghai 200011, China）

s:

TP391.9

A

1003-4862（2023）12-0053-06

2023-08-22

劉春（1986-），女，工程師，研究方向：主要從事船舶電氣設計、信息化等方向工作。E-mail：870333616@qq.com

張平（1981-），男，工程師，主要從事船舶電氣設計質量監督等方向工作。E-mail：echo.1215@qq.com