基于DDS技术的舰船平台综合管理系统

吕云飞，王旋，张军

（武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉 430064）

1 概述

舰船平台综合管理系统是利用计算机、通信、网络、自动控制等技术，将主推进系统、电站及电能管理系统、辅机系统、损管系统、三防系统、综合舰桥系统、综合状态评估系统、实船在线训练系统、全船维护保障系统、电视监视系统等相对独立的分系统纳入到统一的网络中，实现信息集成，形成以信息集成为核心，集监测、控制、管理于一体的网络化、信息化和智能化的综合大系统［1－4］。其目的旨在为日趋复杂的舰船系统和设备提供高自动化、高可靠性的集成监控平台，并提供1种开放式的、高可扩展性的具备功能动态配置、灵活重组特性的信息集成体系架构，实现功能与设备的分离、信息采集与信息使用的分离、数据与应用的分离，从而解除系统功能与设备紧耦合的绑定关系，消除当前日益严重的舰船系统功能扩展与总体优化间的矛盾，达到减员增效的目标。

舰船平台的航行、动力、电站、辅机等各系统采用不同的监控技术、通信标准和来自不同的制造商的监控设备，给平台综合管理系统的信息集成设计带来了较大的困难。因此，如何建立一个全船统一的信息集成体系框架，实现对舰船平台各系统的信息集成共享和综合管理是平台综合管理系统设计的关键和重点。目前，平台综合管理系统可以采用基于以下几种技术的信息集成体系框架:

1）基于传统网络通信机制和应用信息接口协议的信息集成

平台综合管理系统在监控设备和被控对象间建立私有的应用层信息传输接口协议，并利用网络提供的协议栈实现信息的传输。例如，目前平台综合管理系统多采用以太网实现设备连接，通过以太网口经Socket协议栈来进行信息通信，实现系统集成，这种方式的优点是通信效率高，缺点是集成灵活性和可扩展性差，需要对通信设备间制定信息接口协议，无法实现软件和硬件的分离，系统控制功能动态配置和重组困难。

2）基于OPC技术中间件［5］的信息集成

OPC技术建立了1组符合工业控制要求的接口规范，将现场信号按照统一的标准与SCADA、HMI等软件无缝连接起来，实现硬件和应用软件有效分离，提供了从设备和数据库等数据源获得数据的通信机制;通过提供带有OPC接口的服务器，使任何带有OPC接口的客户程序均以统一的方式存取不同厂商的设备数据，解决了不同厂家设备之间不能通信的问题，从而可将多种现场总线集成在一个可以互操作的网络平台下。平台管理系统可利用该技术将基于不同厂商的各系统设备进行互连互通，实现全船的信息集成。该方法具有开发工作量小，集成方便等优点，但OPC技术主要用于Window操作系统，且采用C/S模式，存在服务瓶颈等问题。

3）基于CORBA中间件［6－7］技术的信息集成

目前，国外平台管理系统较多采用CORBA技术实现信息集成。该技术采用远程对象调用机制，支持异构环境下分布式应用系统的开发和互操作，具有与底层硬件、操作系统、网络、通信协议和编程语言无关的特点，系统开发简单，集成效率高，但由于其采用了C/S的通信模式，通信机制较为复杂，数据收发需要建立连接的过程［11］，不能很好的满足平台综合管理系统实时控制需求。

4）基于数据分布服务（DDS）［8－13］技术的信息集成

数据分布服务（DDS）是1种应用于分布式实时系统信息集成，保证系统互连互通和互操作的全新技术。它基于以数据为中心的发布－订阅（DCPS）模型，在各系统设备通信网络上建立了全局数据空间的概念，应用程序（发布者）发布大量的数据样本（主题信息）给远程感兴趣的访问端（订阅者）。当主题信息满足订阅者的需求时，两者建立连接，实现与主题相关数据的传输。它具有实时性强、无服务瓶颈、跨平台操作、可扩展性强等优点，可以实现软硬件的分离、数据采集与应用的分离，非常适用于舰船平台综合管理系统的信息集成。

本文在对DDS技术分析的基础上，提出基于DDS技术的平台综合管理系统，并通过仿真系统进行了设计验证。

2 DDS原理及特点分析

2.1 DDS层次结构

数据分布服务（Data Distribution Service，DDS）规范是近来OMG为了满足分布式实时通信需求而制定的基于发布/订阅通信模型的规范。DDS拥有一个以数据为中心的发布－订阅机制，提供了一个与平台无关的数据模型。它允许应用程序实时发布其拥有的信息，并订阅其需要的信息，较好地处理了不可靠网络通信中数据的自动发现、可靠性和冗余性等问题。该规范有2层，分别是数据本地重构层（Data Local ReconstructionLayer，DLRL）和以数据为中心的发布－订阅层DCPS［9］。

DCPS层是DDS的核心和基础，它提供了数据发布的基础架构，确保正确有效地传输信息给适当的接收者。该层建立了一个全局数据空间的概念（如图1所示），发布者和订阅者在该全局空间中分别发布和订阅自己需要的数据类型，通过中间件处理后，再进行数据传送，将传统的C/S模式转为以数据为中心的服务模式。DCPS层提供了应用程序所需的发布和订阅数据的功能。发布和订阅是通过主题来关联的，通过主题来关联发布信息，创建发布和订阅者实体，并为这些实体设定服务质量QoS参数［11］。

图1 DDS全局数据空间示意图Fig.1Whole data space of DDS

DLRL层将DCPS层提供的服务进行了抽象，在DLRL层建立了与底层服务的映射关系。它建立在下层DCPS基础之上，通过DCPS提供的服务，简化了编程实现工作，把服务简单地整合到应用层，让用户能直接访问变更的数据，达到与本地语言结构无缝连接的目的。其具体实现机制是:将DCPS层提供的服务以类的形式进行封装，建立每个类与DCPS层相应服务的映射关系，然后在DLRL层用本地语言结构对该类进行操纵，让用户能方便快捷地访问数据［12］。

图2 DDS层次结构示意图Fig.2The hiberarchy of DDS

2.2 DDS工作流程

DDS工作流程如图3所示。具体步骤如下:①发布者在中间件上注册数据类型DataType;②返回;③发布者通知中间件生成主题，中间件根据数据类型DataType定义主题并设置QoS;④返回主题;⑤某个时刻，1个订阅者（比如指控系统某指挥控制台）向中间件发送请求，查找该主题;⑥中间件返回需要查找的主题;⑦订阅者订阅主题，中间件比较主题和订阅者设定的QoS，看是否满足订阅者要求，如果满足则保存1个新的订阅信息（此订阅信息包含合成的QoS）并成功返回，否则拒绝订阅;⑧中间件返回相应信息;⑨发布者设置QoS并发布最新的数据;⑩中间件接收到数据，比较QoS，适时将数据传递给订阅者［13］。

图3 DDS工作流程示意图Fig.3The working flow of DDS

2.3 DDS特点分析

相对于CORBA等其他中间件技术，DDS具有如下优点:

1）引入全局数据空间概念，提高了通信效率

DDS不需要中心服务器的连接，而通过全局数据空间上的主题来关联，消除了服务瓶颈和中心节点故障隐患，可完全实现一对多的连接，大大提高了通信效率。

2）以数据为中心，降低网络延迟

DDS以数据为中心，1个订阅者可以在全局数据空间中找到多个相同主题，实现一对多的连接，1个连接失败可以换用另1个，大大降低了网络延迟。同时发送者和订阅者通过主题相连后直接进行点对点的数据传送，不需要中间媒介，也大大提高了通信效率。

3）用QoS控制服务行为，增加了通信灵活性

DDS将资源的可用情况、提供方对资源的占有程度及请求方对资源的期待程度分别程序化为主题QoS、发布者QoS和订阅者QoS，通过QoS控制大大增加了通信的灵活性［13］。

4）采用UDP/IP协议，增大网络吞吐率和传输实时性

DDS基于实时性的考虑，它采用UDP/IP协议。并采用多播传播方式，可大大增加网络吞吐率和传输实时性。

3 基于DDS技术的平台综合管理系统

3.1 体系架构

鉴于DDS技术在信息集成方面的优点，本文将DDS技术引入到舰船平台综合管理系统设计实现中，提出了基于DDS技术的平台综合管理系统信息集成体系架构，如图4所示。该系统体系架构分为3个层次，包括现场控制层、DDS信息交换层和管理控制层。

1）现场控制层

现场控制层是控制核心，主要由若干数据采集控制单元（Data collection and control unit，DCCU）组成，它打破了传统系统划分的模式，按照区域划分配置数据采集控制单元，实现平台系统设备的信息采集和控制的总体优化配置。在该层内，数据采集控制单元安装在需要检测数据和状态的设备附近，面向平台中各设备的传感器和调节器，用于从平台各系统或设备处获得数据并以主题模式提供给DDS信息交换平台，并订阅接收各种控制指令主题，解析并对被控制系统进行控制。每个数据采集控制单元具有多类型输入输出接口，可通过现场总线接口、I/O接口以及模拟量接口等完成对多个平台设备信息的收集与控制。

图4 基于DDS的平台综合管理系统体系架构示意图Fig.4The architecture of IPMS based on DDS

2）DDS信息交换层

DDS信息交换层利用DDS中间件将平台管理系统的信息传输网络、各设备的不同的软硬件平台（操作系统、计算机、网络接口）进行统一集成整合，提供了一个全船统一的信息交换平台，平台综合管理系统的任何节点以发布/订阅主题的方式获取其应用所需的信息，发送本节点应用程序产生的数据和控制命令信息，节点的数据处理应用不需要了解本节点的硬件信息，信息网络状况以及其他节点的状态，信息的接收和发布不需要考虑对发地址、接口协议、网络资源等条件，完全实现了软件与硬件的分离、数据应用与传输的分离等。

如图4所示，DDS中间件将嵌入到平台综合管理系统的包括数据采集控制单元、操控台、数据库、决策支持服务器等所有的网络通信节点，屏蔽了设备硬件、操作系统、信息接口不同所带来的信息交换共享困难的问题，使应用开发者可专注于数据应用，大大降低了系统监控管理软件研制的复杂度。

3）管理监控层

管理监控层是与操作人员进行信息交互的层，直接面向操作人员。操作人员可利用控制台对平台系统各种设备进行监测、控制、管理、辅助决策，实现了操作与监控的集中处理。该层主要包括各种硬件设备和数据处理应用程序。多个通用多功能操控台包括航行控制台、大气监控台、损管保障监控台、动力监控台、电气监控台等，所有操控台采用通用的硬件模块和DDS中间件，根据功能配置方案动态加载应用程序，分别实现对平台各系统设备的统一的综合管理和监控。各功能台可根据舰船的任务和设备故障情况进行灵活的功能重组。

3.2 信息交换流程

DDS采用主题方式实现信息的交换和共享，以航行操控功能为例，该功能涉及到航行控制台、导航设备、用于舵状态监控、艇体姿态监控、阀门状态信息监控的DCCU、数据库、支援决策服务器等，其信息主题订阅/发布情况如表1所示。

航行控制台的操控应用程序将订阅舵状态、阀门状态、导航参数等航行相关信息主题，并进行综合集成显示，为实现自动航行等自动化功能，航向控制台将订阅操控辅助决策主题，用于实现舰船的智能自主航行;导航设备将发送导航参数信息;DCCU将采集舵状态、阀门状态等信息，并发布相应主题供其他网络节点使用，订阅舵控制指令等主题用于实现对舵、阀门的相关控制;数据库将订阅各类信息并进行存储，并提供历史状态参数主题供其他设备使用;支援决策服务器订阅各类相关设备参数状态信息主题用于辅助决策的计算并发布辅助决策信息主题，供航行控制台使用。

3.3 系统优点

基于DDS技术的平台综合管理系统具有如下优点:

1）真正实现了软件硬件的分离和功能灵活重组

基于DDS平台的系统监控软件与设备硬件、操作系统无关，通过软件动态加载等技术实现任意操控台对任意系统的控制管理，打破系统设备“专台专用”的操控模式，从而实现舰船系统管控的位置无关化、冗余化和系统间的功能备份，提高系统总体可靠性。

2）实现了设备间的“松耦合性”

设备的对外接口仅仅针对DDS平台，设备以主题模式发送和接收数据，不需要考虑信息传输网络、对端通信设备地址的条件，真正数据应用和传输的分离，设备间没有直接关联，设备功能设计具有极大的自由度和可扩展性。

3）解决了系统功能扩展与总体优化的矛盾

在基于DDS技术平台综合管理系统上，由于具备了一个统一的信息交换平台，任意系统功能的增加和扩充仅需要进行相关应用软件的研制，并加载在任意的控制台上即可，避免了硬件设备的增加，打破了系统功能与设备硬件绑定的现状，解决了系统功能扩展与总体优化的矛盾。

4）提高了系统集成效率，减轻了系统开发工作量

平台综合管理系统的信息集成基于统一的DDS技术平台，监控层和现场控制层可独立设计，降低了系统设计的复杂度，提高了系统集成效率;各类监控软件和数据采集控制软件仅仅关注于数据应用设计，降低了软件设计开发的复杂度和工作量。

4 系统实现仿真验证

为了验证DDS技术在平台综合管理系统上的应用可行性，笔者在试验室环境利用神州普惠科技有限公司开发的DTS实时分布式试验仿真工具，搭建了1套基于DDS技术的平台综合管理仿真系统。

操作控制层包括航行控制台、损管保障台、动力监控台、电力监控台和仿真监控台。操作控制台采用PC机，操作控制台上运行包含DTS中间件（基于发布/订阅工作模式）的用户应用程序;监控台运行监控软件，同时该监控软件在每个操作控制台上均有备份。当仿真监控台发生故障时，可以启动任意1个控制台上的监控软件备份程序，随时可以接替仿真监控台的功能。

图5 平台综合管理仿真系统示意图Fig.5The sketch map of IPMS system

数据传输网络实现对数据的传输，双冗余的100/1000以太网作为系统的主干网，所有的操作控制台和数据采集控制器均通过自带的以太网口连接到主干网上。

数据采集控制器负责实现对各类型传感器的数据采集和对执行机构的控制。其接口包括CAN、I/O、RS485、模拟信号接口等，它与上层控制台间进行数据和控制命令的通信。数据采集控制器采用工控机。工控机上运行VxWorks实时操作系统和包含DTS中间件（基于发布/订阅工作模式）的数据采集程序。工控机通过IO板卡与现场的传感器和执行机构相连。

系统仿真过程如下:

1）仿真监控台开机运行，自动建立仿真联邦。各个控制台和数据采集控制器分别运行本机安装的应用程序，并自动加入仿真联邦。

2）各个控制台和数据采集控制器上的应用程序根据事先设置好的发布/订阅数据模式，自动接收网络上的数据或向网络上发布数据。

3）监控台上的监控软件实时监控整个仿真系统中各个控制台和采集控制器的运行情况。此外，监控软件还可以根据用户要求记录、显示和存储网络上的数据。

4）当某1个控制台或数据采集控制器失效时，监控台会按照事先确定的规则启动备用的控制台或数据采集控制器，并自动实现失效控制台或数据采集控制器的功能，实现功能备份。

5）仿真运行前通过编辑每个控制台上应用程序的发布订阅数据情况，并配合设置控制台的ID号来保证控制台控制功能的惟一性。

6）在仿真运行过程中，既可以通过监控台（或手动方式）随时关闭某个控制台程序，也可以通过监控台（或手动方式）动态加入某个控制台程序。

7）当监控台发生故障时，用户可手动启动任意1个控制台上的监控软件的备份程序，从而实现监控软件的功能备份。

通过该仿真系统，笔者测试了基于DDS的平台系统信息交换、功能动态重组、控制台的功能热备份等功能。试验结果表明，将DDS技术应用于平台综合管理系统是可行的。

5 结语

基于DDS技术的平台综合管理系统将平台管理系统的信息传输网络、各设备不同的软硬件平台（操作系统、计算机、网络接口）进行统一集成整合，以发布/订阅主题的方式提供了1个全船统一的信息交换平台，真正实现了系统软件硬件的分离和系统功能灵活重组，降低了设备间的功能“耦合性”，打破了系统功能与设备硬件绑定的现状，解决了系统功能扩展与总体优化的矛盾，大大提高了系统集成效率，减轻了系统开发工作量。仿真试验结果证明DDS技术应用于平台综合管理系统是合理可行的。

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