基于虚拟化技术的一体化船舶综合平台管理系统

李幸群，吴国东，张 力

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

0 引 言

船舶平台综合管理系统（IPMS）是应用自动控制技术、网络通信技术和计算机技术，将主推进系统、辅机系统、通信导航系统、损管系统、消防系统、电力系统等相对独立的分系统纳入到统一的网络中，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 – 5]。本文提出一体化船舶IPMS架构，引入船舶IPMS虚拟化数据服务中心概念，应用计算机虚拟化技术建设船舶IPMS虚拟化数据服务中心。文中详细介绍了IPMS虚拟化数据服务中心方案。一体化船舶IPMS具备分布式布置、集中管控的特点，且将计算机虚拟化技术与船舶行业结合，为船舶平台信息化、智能化科研工作者开拓新的思路。

1 通用船舶 IPMS

船舶主要包含主推进系统、辅机系统、通信导航系统、损管系统、消防系统、电力系统等。

如图1所示，每个系统独立配置采集控制设备、集中控制台、数据服务器和存储设备，各个系统通过以太网连接集中控制中心实现远程控制与信息共享。该方案存在以下问题：

1）各系统传感器执行器全船分散分布，存在大量穿舱走线；

2）各系统采集控制设备为专用设备，导致全船设备多样化，增加维修保障困难；

3）各系统分别配置数据服务器和存储设备，存在资源浪费情况，信息共享程度和实时性方面难以保证。

为解决上述问题，并进一步提升系统的可靠性，下面介绍一体化船舶IPMS方案。

2 一体化船舶 IPMS

2.1 一体化船舶IPMS架构和配置

一体化的IPMS架构如图2所示，包括监视管理层、信息传输与服务层、采集控制层。

采集控制层的功能是完成数据信号采集、信号转换、控制运算、控制驱动，主要设备为标准采集控制站。标准采集控制站集成了常用的接口类型：RS485/422串行接口、CAN总线接口、以太网接口等，按需分布在各个舱室，实现当前舱室传感器、执行器等设备接入，不区分具体船舶业务系统。

监视管理层的功能是实现综合显示、辅助决策、远程操控，主要设备包含显示大屏、集控台。显示大屏和集控台均进行统一化设计，为每个船舶业务系统配置对应的显示大屏和集控台，在故障情况下，显示屏和集控台均可进行功能切换。

位于中间的传输与服务层既实现了管理层与控制层的连通，又实现了管理层与控制层的安全隔离，在IPMS中起着承上启下的重要地位。传输与服务层的具体功能是实现船舶各系统如主推进系统、辅机系统、通信导航系统、损管系统、消防系统、电力系统等系统数据传输、数据处理、数据存储。数据传输功能主要由接入交换机和核心交换机组成的冗余以太网实现；而数据处理和数据存储功能采用数据服务中心方式实现。

在此引入数据服务中心的概念，数据服务中心是指业务系统与数据资源进行集中、集成、共享、分析的场地、工具、流程等有机结合，为用户终端提供订阅分发、数据分析处理、数据存储等各类数据服务[6]。通用IPMS为保证各业务系统的相互独立性，数据处理和数据存储功能实现方式是为每个船舶业务系统单独配置服务器、存储设备，在一定程度上能保证IPMS系统功能安全性和稳定性，但存在资源浪费、难以统一管控、数据融合共享不充分等问题。随着计算机虚拟化技术的发展日益成熟化及日益完善的商业化应用，本文将计算机虚拟化技术应用于船舶信息化，建设船舶IPMS虚拟化数据服务中心，在资源配置灵活优化的基础上，进一步实现船舶信息融合共享，为各船舶业务系统提供更稳定、高效、完善的数据服务。

2.2 一体化船舶IPMS虚拟化数据服务中心

1）虚拟化数据服务中心架构

计算机虚拟化技术包括网络虚拟化技术、存储虚拟化技术和服务器虚拟化技术，是指将有限的网络、存储、服务器物理资源统一管理后，依据需求进行具体再分配的技术[7]。虚拟化技术的应用能实现资源统一化管理，提高物理资源整体利用率；能在物理资源有限的情况下，通过高可用等配置，最大化提高系统的可靠性。应用虚拟化技术于船舶信息化，建设IPMS数据服务中心，能为船舶业务系统应用提供相互隔离、安全的执行环境，保证IPMS的稳定性和可靠性，同时符合船舶空间有限特点，满足船舶经济性要求。

虚拟化数据服务中心的架构如图3所示。

从功能上看，由下至上包含4个层次：

①硬件设备层，包括数据中心的各类服务器、存储设备和网络设备等各类硬件资源。

②虚拟资源层，包括服务器虚拟化软件、分布式存储软件以及网络虚拟化软件，主要功能是抽象化物理资源，便于资源统一管理。

③资源管理层，包含资源管理、资源监控。资源管理具备独立完整的资源管理功能和部分最重要的数据服务能力，如资源监控，可以对数据中心虚拟平台、共享信息资源以及资源内部进行可用性以及性能监控，具备事件告警能力。

④系统应用层，包含基础软件和业务软件。

2）IPMS虚拟化数据服务中心组成

船舶业务系统包括主推进系统、辅机系统、通信导航系统、损管系统、消防系统、电力系统等，系统多功能复杂。为保证各船舶业务系统相互独立，通用船舶IPMS为每个系统配置独立的服务器和存储设备。根据虚拟化数据服务中心的架构，可以通过创建多个虚拟机，保证船舶业务系统的相关独立性，提升硬件资源利用率。

依据虚拟化数据服务中心的架构，IPMS虚拟化数据服务中心组成可分为：硬件设备、虚拟化管理平台、系统应用。

硬件设备是物理资源，是系统运行的基础，对应硬件设备层，包括：数据处理服务器、数据存储服务器、网络交换机、VM管理终端。

虚拟化管理平台实现数据中心、集群、主机、网络、存储等资源的集中管理，支持虚拟机创建删除、在线迁移和高可用配置。虚拟化管理平台需安装在数据处理服务器和VM管理终端上，对应虚拟资源层和资源管理层。

系统应用实现各船舶业务系统独立运行，主要包括基础软件：操作系统、订阅分发中间；船舶系统业务软件：船舶系统业务数据处理软件。基础软件安装在虚拟机上，船舶系统业务软件以APP的形式安装在已安装基础软件的虚拟机上。

3）IPMS虚拟化数据服务中心配置

IPMS虚拟化数据服务中心的具体配置如图4所示。

3 一体化船舶 IPMS 与通用船舶 IPMS 比较

某船舶平台包含主推进系统、辅机系统、通信导航系统、损管系统、消防系统、电力系统共6个系统，其中主推进系统、辅机系统、通信导航系统、电力系统为重要系统。其通用IPMS方案需配置系统控制台屏6台、数据处理服务器10台、采集控制设备类型不少于2类、集中控制设备不少于1台，存在大量穿舱走线（各船舶业务系统和主干网均需要穿舱走线）。若采用一体化IPMS方案需要配置标准化集控台屏6台、数据处理服务器3台、标准化采集控制设备类型1类，系统穿舱走线可减少50%（仅主干网需要穿舱走线）。

1）一体化船舶IPMS的优势

如表1所示，相比通用船舶IPMS方案，基于虚拟化技术的一体化船舶IPMS具备如下明显优势：

①网络结构层次分明，系统结构更清晰，穿舱走线明显减少；

表 1 两个方案比较Tab. 1 Compare of the two schemes

②设备标准化，提高系统稳定性同时，降低后期维保工作；

③应用更少的硬件资源，实现了更高的系统可靠性；

④在保证系统功能相互独立正确运行的情况下，减少硬件资源配置，提升物理资源利用率，提升了经济效益；

⑤数据处理、存储更集中，信息资源共享更充分，同时便于开展更全面的船舶业务系统数据建模分析，为船舶设计和保障提供理论依据。

2）进一步研究方向

基于虚拟化的一体化船舶IPMS具有现实意义，然而由于需要对所有船舶系统的数据进行集中处理，一体化船舶IPMS仍面临多船舶系统信息融合处理和一体化编码方面问题。解决船舶多系统信息融合处理和一体化编码方面，是船舶IPMS研究者进一步的研究方向。

4 结 语

船舶IPMS为船舶操作管理人员提供了一个开放式、标准化、网络化、集成化、智能化的优良信息管控平台[8]，随着船舶自动化向智能化的发展，船舶IPMS数据服务的高可靠性、高度信息融合共享、高资源利用率要求越来越高。计算机技术的发展是船舶IPMS发展的技术前提，一体化船舶IPMS具备分布式布置、集中管控的特点，同时将先进的计算机虚拟化技术应用于船舶IPMS，有助于船舶的智能化发展。本文详细介绍了基于虚拟化数据服务中心的一体化船舶IPMS方案，该方案与通用船舶IPMS方案相比具备更高的可靠性、更高的信息融合共享程度、更高的资源利用率，有明显优势，可供船舶智能化研究、船舶IPMS系统研究及船岸一体化管理体系研究人员作参考。