舰船综合平台管理系统设计

袁 伟，俞孟蕻

(江苏科技大学电子信息学院，江苏 镇江 212003)

0 引言

综合平台管理系统 (integratedplatform management system，IPMS)是通过网络将舰船平台上的各个子系统进行集中控制和管理的系统。该系统能为舰艇操作人员提供准确实时的信息咨询和控制手段，从而提高舰艇生命力;减少人力资源，使日益复杂的系统能更加简单和安全地运行;抑制事故发生，保证整个平台设备的完好率;减少设备运营成本，并保证在出现紧急情况时，能正确判断故障原因及程度，最大限度地缩短采取行动的时间。

目前，已有10多个国家的海军为水面舰艇、潜艇及作战保障舰船研制设计或安装了IPMS系统，如美国、加拿大、英国、德国、意大利、以色列、韩国、荷兰、澳大利亚等，其中应用数量最多的是美国、加拿大、英国和韩国。所有这些综合平台管理系统均采用先进的网络技术。加拿大CAE公司、意大利AVIO公司等已将IPMS系统应用于实船［1－4］。

尽管目前国内的机舱监控设备供应商能提供主推进装置监控系统、电站监控系统、损管控制系统等自动化产品，它们之间能进行信息沟通但并没有达到信息共享、综合管理的状态，因而在IPMS系统研究上还处于起步阶段。目前一些研究所和院校也在开展IPMS系统的研究［6］。

1 系统组成与功能

综合平台管理系统包括主推进系统、电站系统、损管监控系统、辅机系统、综合状态评估系统等子系统。综合平台管理系统具有以下主要功能:通过计算机网络互联技术，实现平台的资源与信息共享;实时监测和记录主推进系统、电站系统、损管监控系统等子系统工作状态，并能在各子系统的工作站和平台工作站进行状态或功能的控制;为复杂的舰船设备提供操作界面。

主推进系统为双机双桨推进方式。该系统的监控现场采用可靠的CANBUS现场总线网络，整个网络通过网关组成2个相互独立的子网，每个子网采用双冗余的开放式结构，它们既相互联系，又相对独立，任何一个子网损坏，并不会影响整个网络的工作。所有信号通过现场总线传递到推进系统工作站和系统主干网络，实现主推进系统的控制和监测。

电站系统同样采用CANBUS现场总线技术，整个网络采用总线结构及冗余备份方案，当任意节点出现故障时系统仍能正常工作。通过现场总线网和网关，将电站系统的测量信号和控制信号接入电站控制管理工作站和系统主干网络，实现电站系统的控制和监测。

损管系统以损管中心监控台为核心，构成一个CANBUS现场总线网络，进行信号采集、损管控制和报警指示。

辅机系统主要完成包括推进装置和发电装置运行所必需的保障设备以及液位测量、空调、通风系统、饮用水和生活污水系统。该系统的网络构成是通过PROFIBUS现场总线及相应的数据采集装置进行数据的采集和控制。

综合状态评估系统的主要任务是该系统既可采用在线输入，也可取用手工输入的机械正常状态数据，然后进行趋向分析，以检测设备在严重损坏前的性能下降。综合状态评估系统还包含与专家咨询意见链接的故障查找逻辑，能预报和检测即将出现的故障，诊断特别故障形态并提出解决办法。综合状态评估系统的数据也可通过岸线或卫星链路传输到岸上的数据网络，这样，海军岸上组织机构便可得到实时舰船数据，并用于编制维修计划。

2 系统网络结构

综合平台管理系统采用现场过程级和监控管理级两层网络结构，构成完整的管控一体化分布式控制系统，实现对舰船推进系统、电力系统、损管系统、辅机系统等各子系统的统一管理与控制，并通过对各个子系统的信息综合，进行综合状态评估［5－6］，系统网络结构如图1所示。

图1 综合管理平台网络结构图Fig.1 The network of integrated platform management system

系统采用基于现场总线技术的分布式智能信号采集/输出模块作为现场级I/O主件模块，以千兆以太网和TCP/IP协议作为监控管理级网络，过程级现场总线通过网关与以太网进行连接，以太网络采用环网结构，网络交换机分布在全船舶各处。网络采用冗余网络、服务器采用冗余配置，以最大限度地保证系统的高可靠性。

在综合平台管理系统网络系统中，各种过程级的现场总线子系统都是独立的，可单独完成各自的工作。因此，即使以太网出现故障或战损状态，各个分系统依然能保留最低限度的功能。监控/管理层采用开放结构的以太网，执行TCP/IP协议。监控/管理层网络采用千兆高速以太网，并采用冗余配置，以保证系统监控的可靠性。

从系统的总体结构看，工作站与现场总线级内各个子系统的对应关系是全透明的，既可以是1∶N的关系，也可以是N∶1的关系。因此任一台工作站只需要改变工作站的定义及相应软件的模块，即可实现同时对现场各个不同子系统的监控。因而整个系统仅需少量工作站的备份，就可以实现整个系统所有工作站的备份。对于相对复杂的系统，需要监控更多的点以及多台工作站同时工作时，也可通过对软件的设置，完成多台工作站对同一个子系统进行监控。

3 系统软件设计

监控管理级由服务器和工作站构成，Windows 2003系统作为操作系统平台，以VC++6.0作为应用软件的开发工具，构成船舶规模的分布式控制系统［7］。系统工作站采用通用的研华IPC610工业控制计算机，中央数据库使用SQL Server 2000。每个工作站采用完全相同应用软件系统，包含了各个过程级子系统的应用软件，每个工作站互为备份，大大提高了系统实船使用的可靠性。

3.1 人机界面

人机界面可以是索引方式，也可以是总览方式，或者是分组方式，或者是图形显示方式。主要由模拟流程图、相关画面、成组显示画面、报警信息栏。系统人机界面如图2和图3所示。

图2 主推进系统监控界面Fig.2 The main propulsion system HMI

图3 损管系统监控界面Fig.3 Damage control system HMI

模拟流程图:工作站采用标准符号描述各种复杂的工艺流程图，如表示主机、齿轮箱、发电机组、各种辅机、电站、主接线等各个工艺过程的工艺流程图。在工艺流程图上，用标准的符号生动、形象地显示每个工艺过程。

相关画面:由几个主要参数及若干相关的参数组成，以便对主要参数综合监视与分析，当主要参数越限或开关量状态变化时，可以自动激活相关画面的显示。

成组显示画面:将各测点成组地进行显示，特点是显示的测点信息全，方便操作人员对各个测点信息的检索，在成组显示画面上，同样可以用不同的显示颜色表示不同的报警状态。

报警信息栏:用于显示当前发生报警的测点信息，包括测点序号、测点名称、发生报警的时间、报警状态、实时数值等，不同的报警状态用不同的颜色表示。报警信息栏既可以放在其他的显示画面中，也可以作为一个单独的显示画面。当有多条报警信息而报警栏显示不下时，可以使用滚动条来浏览报警信息。

3.2 数据接口软件设计

舰船平台上各子系统和设备之间的数据接口是舰船综合平台管理系统的关键技术，系统采用OPC技术解决了现场总线、各子系统和以太网的异构问题［8］。

OPC技术是在工业控制系统开放性和工业信息集成性的需求下产生的，它为现场设备、自动控制应用、企业管理应用软件之间提供了开放、统一的标准接口，能很好地解决工业系统的异构问题。OPC服务器采用KEPServer EX和U－CON，安装在数据服务器中，KEPServer EX是最好的OPC Server，支持100多种通信协议;U－CON是一种支持用户自定义通信协议的OPC Server，作为插件整体嵌入到KEPServer EX中，以获取更好的系统集成性。

OPC数据接口程序采用VC++6.0工具开发，采用自定义接口方式，数据交换采用异步访问方式。OPC应用程序首先生成OPC服务器支持的0PC对象，然后才可以使用对象支持的属性和方法，对其进行简单的操作。OPC数据访问对象由项(OPCItem)、组(OPCGroup)以及服务器(OPCSever)3部分组成。项代表了OPC服务器数据源的一个物理连接，组是供OPC客户程序组织数据的一种方法，服务器提供自身的相关信息及组织和管理项的机制。OPC客户端程序通过创建服务器对象来建立服务器连接;添加组实现底层数据的管理和C0M接口;添加项建立与底层数据的连接，最终实现与服务器的数据交换。

4 系统关键技术

在综合平台管理系统的设计中，充分利用当今的计算机技术、控制技术和网络技术等先进技术，并合理地进行选择和集成，解决了相应关键技术，主要包括:

1)综合通信、导航、精密测量、监视、控制、计算机通信、计算机控制、数据库、PLC控制和传感器等技术，实现舰船的综合监控，解决舰船航行控制和作业控制的统一，提高了舰船自动化系统的应用水平。

2)系统采用冗余技术和加固技术，解决了服务器/数据库冗余备用 (采用2热备，1冷备设置)、工作站冗余备用、网络冗余、不间断电源供电、设备环境控制等专用技术。

3)通过通信模块的软硬件研究和开发，构建OPC通用数据接口，实现了全平台的数据集成。

4)开发数据库系统、接口软件系统、图形编辑系统、SCADA系统、计算机辅助决策系统、数据记录及回放系统等软件技术。

5)解决了损管系统实时数据分析和损管扩散预测控制及舰船全局情况态势计算等，提供抗沉预案功能。

5 结语

随着计算机技术、信息技术的发展，舰船的平台自动化和集成化水平越来越高。舰船综合平台管理系统大大提高了海军舰船的自动化水平，降低了全寿期费用，提高了舰船的安全性。IPMS在今后很长一段时间内会是世界海军舰船发展的方向，并向着全舰系统工程方向发展。该系统已在某训练船上取得了良好的实际应用效果。

［1］江立军，王光荣，赵永生.船舶综合平台管理系统通信网络的可靠性技术［J］.大连海事大学学报，2010，36(2):47－50.WANG Li-jun，WANG Guang-rong，ZHAO Yong-sheng.Reliability of ship integrated platform management system network［J］.Journal of Dalian Maritime University，2010，36(2):47－50.

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［5］ABB-integrated platform management systems and industrial information technology ［EB/OL］. http://navaltechnology.com，2007.

［6］吴向军.舰船综合平台管理系统网络通信与集成技术研究［J］.舰船电子工程，2005，25(2):47－51.WU Xiang-jun.Researches on network and integration technology of ship＇s integrated platform management system［J］.Ship Electronic Engineering，2005，25(2):47 －51.

［7］俞孟蕻，陈红卫，王欣.耙吸挖泥船集成平台管理系统的研究［J］.船舶工程，2004，26(4):52－55.YU Meng-hong，CHEN Hong-wei，WANG Xin.Research on integrated platform management system for trailing suction dredge［J］.Journal of Ship Enginerering，2004，26(4):52－55.

［8］宁鸥，阳世荣，夏伟，等.OPC技术在舰船综合平台管理系统中的应用研究［J］，中国舰船研究，2011，6(4):75－78.NING Ou，YANG Shi-rong，XIA Wei，et al.Application of OPC in ship integrated platform management system［J］.Chinese Journal of Ship Research，2011，6(4):75 －78.