一种开放式科考船船载信息系统的设计与实现

2021-05-17朱新平欧盛春屈骎宇

舰船科学技术 2021年4期

朱新平，欧盛春，屈骎宇

(1.中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西西安 710068；2.中国电子科学研究院，北京 100041)

0 引言

走向蓝海，保障海洋安全、引领海洋科技发展、促进海洋经济增长，海洋科考船、调查船、试验船等进行各种科学考察和试验船舶的技术发展是一个国家了解海洋、开发海洋、建设海洋的重要力量。发达国家对于海洋科考船的投资巨大，以确保其在全球海洋资源开发利用中的竞争优势。美国海洋科考船队的装备最先进、船舶数量最多，共有各类海洋科考船242 艘[1]。

科考船的应用方向多种多样，每种科考船都有其应用特点。科考船上的设备种类多、接口不统一，设计建造科考船是一项多学科、多专业的复杂的系统工程，特别是科考船的船载信息系统的能力集中体现出了科考船整体的应用能力。由于科学考察船的运行、大型海洋调查设备的使用与维护，以及相关油料使用耗费巨大，其重复使用必然在一定程度上造成科学考察资源的浪费。因此，推行航次共享是一项提高科考资源利用率的有效举措[2]。在不同的航次中，经常需要在船上加装其他的应用和试验设备，科考船需要为多种科考任务提供一个基础的并且具有开放、通用、可裁减的船载信息系统，这要求船载信息系统装备的集成方式和组织运行要进行创新性设计才能满足应用的需求。文献[3]主要从组成框架、组织流程方面介绍了一种载人潜水艇母船网络信息系统设计，文献[4]主要解决科考船数据的采集、格式化处理问题。

1 科考船信息系统功能分析

科考船是海上的一个重要的机动式信息节点、多种信息感知处理传输的平台、各种海洋信息设备走向海洋过程中测试和试验平台，是海洋信息新技术、新装备的展示平台，能进行海洋环境和试验信息资源的共享，为军、警、民提供多种信息服务，同时还能对海洋领域信息系统运行维护进行保障，并可作为多种海洋工程的试验平台。

该科考船信息系统具有感知、传输、应用、管控等功能，并拥有遂行集成扩展能力，可实现与海上舰船编队间、固定或浮动台站系统之间的灵活的无线网络自组织通信，构成一体化的海洋综合信息网络。船载信息系统主要功能为：

1）信息感知

① 目标感知。作为一个机动的海上综合信息平台，具有对周围广大海域进行全面、多维、精确的感知探测能力，对合作和非合作的目标进行常态化监视、跟踪、定位、识别、电磁信息特征协同认知和监控。

② 环境感知。通过船载设备对海域的海洋水文、地理、气象、电磁等环境信息进行感知，通过船载实验室设备分析，对海洋相关数据源及公共信息融合，采集获取大量海洋数据，可为内容丰富的定制化海洋信息服务提供感知数据基础。

③ 平台感知。对科考船平台上的平台位置、运动状态、设备运行和物料储备状态信息进行实时感知，为船载设备以及其它用户提供平台的PNT（位置、导航和时间）基准参考和监控信息。

2）信息传输

科考船应用海域一般都是远离海岸、岛礁，没有公共的通信网络，需通过卫星、无线电台等无线设备提供与外部节点的网络通信传输能力，实现信息的采集、传送、交互及海上用户服务的接入；在科考船平台上铺设双冗余高速光纤覆盖全船，为位于全船不同位置的设备提供高速信息互联。

3）系统应用

① 应用信息服务。为军、警、民等各种用户提供报文、语音、图像、视频等多种形式的综合信息服务。

② 电子信息设备的试验保障。为各种船载以及与海洋有关的测试、试验设备提供一个开放的、通用的、综合的搭载试验平台，通过该平台，可在全球各大海域实施海洋设备的研制、开发、测试和试验，与其它协同船或者陆地实验室的数据进行同步，进行信息查询、展示和分析，提高科考和试验的效率。

③ 演示及体验服务。依托丰富的感知信息和信息处理和显示能力，提供系统仿真、应用演示和体验，进行试验评估，提供操作训练、维护保障等能力的模拟训练。

④ 综合管控。为各类用户及多种试验的应用提供统一的运营服务能力、系统管控能力和稳定的系统运维保障。对本船平台、其他平台以及试验设备进行管理和运行维护，收集信息进行实时汇总分析处理和传输发送，具有与其他平台的信息接入功能，并为其他浮台、岛礁等平台上的信息系统提供维护、补给等后勤保障支援。

2 科考船信息系统的设计与实现

2.1 船载信息系统架构

通过体系规划、顶层设计，借鉴国内外军用舰载信息系统研制的先进设计理念，以科考船的应用及未来发展需求为牵引，采用开放式体系结构（OA，Open Architecture），构建面向服务的计算环境，系统的信息服务采用松耦合面向服务架构（SOA，Service Oriented Architecture）设计思想，将各种信息资源虚拟成可通过标准方式访问的独立服务，按照用户权限、保障关系和订阅规则，以数据为中心发布/订阅模型(DDS）提供给网络中其他成员，做到各类数据的按需分发，避免冗余传输，同时能够形成松耦合、开放式的体系结构。采用商用现货（COTS，Commercial Off The Shelf）技术，降低科研成本和研制风险，提升了产品的快速交付能力，为减员增效提供了技术支撑，能很好地支持后续保障和改装升级[5]。

参考全舰计算环境（TSCE）的设计思想进行科考船船载信息系统的设计。TSCE是当前军用舰载信息系统实现开放性、扩展性的主要实现方式，全舰计算环境以高速网络为骨架，将全舰各种资源和数据集成到一个统一、公共的计算环境中，使舰体、机械、电力系统、作战系统、C4ISR系统、损管、后勤保障、维修和训练等系统高度集成，实现信息共享[6-7]。

科考船信息系统系统架构图见图1，通过高速网络，将各种任务设备、计算设备、存储设备、显示设备、通信设备以及其他设备作为开放的、公共的“资源”，统一管理和部署，可以根据任务灵活配置舰艇载荷，快速增加、删减、修改各功能模块，适应多样化的任务需求。

图1 某科考船船载信息系统架构Fig.1 Shipborne information system architecture of the research ship

前端感知层是整个信息系统的信息源头，主要通过多种波段雷达、光电跟踪器、侧扫和拖曳声呐、电磁监测、电磁测频测向、气象仪、水文设备、时统设备、组合导航、计程仪、磁罗经、电罗经、AIS、ADS-B、机舱监控及实验室检测设备等多种类型感知设备获取。

信息传输层提供了多种类型的传输路径，主要由对外的卫通、短波等无线通信网和遍布全船的高速光纤网组成，保证在系统内的信息的实时交换和对外提供的信息服务。

平台层提供数据存储、数据处理、显控处理、系统运维管理等，这些处理平台通过多服务器集群、网络化存储设备，构成了系统的感知信息实时的存储和数据处理资源池，为各种应用提供实时的基础信息资源服务。

业务应用层提供各种具体的应用服务，包括对各类用户提供的多种公共信息服务应用、定制信息服务，并进行海洋电子信息领域的各类设备的测试，多种试验的应用等。

2.2 船载信息系统设计

科考船船载信息系统从网络的应用上划分为2个独立的网络，分别是工作网和用于文化娱乐的生活网两大部分，工作网从功能上划分为管控中心、通信分系统、任务设备分系统3个分系统。

2.2.1 工作网系统设计

科考船工作网的信息系统总体框图见图2。

1）管控中心

管控中心包括信息中心和各种人机交互的显控端两大部分。

① 信息中心

由高可用虚拟化集群由浪潮机架式企业级服务器、存储服务器、存储区域网（SAN）等COTS产品组成，包括1个主控节点、1个虚拟存储节点和多个服务器集群组成的数据处理节点（见图3）。通过主控节点管理整个集群中容器的生命周期，同时对各计算节点的健康状态进行监控，当虚拟服务器的性能指标(CPU、内存等）超过既定的阈值，或检测不到计算节点时，主控节点将会进行容器迁移。使得容器始终保持在可用状态，且不影响其上运行的应用。

图2 船载信息系统总体框图Fig.2 General block diagram of shipborne information system

图3 高可用虚拟化集群示意图Fig.3 High availability virtualization cluster diagram

主控服务器端主控服务器负责对整个集群中包括物理服务器、虚拟集群以及网络存储在内的所有资源进行集中调度和控制，通过对资源的合理调度和分配，实现虚拟化资源池的高可用。

数据存储采用多个磁盘阵列进行数据的高速存储，为各类业务提供海量数据计算分析能力，支持批处理统计分析、在线数据检索、数据挖掘、实时流处理、全文搜索和图计算等业务场景，为实时数据的应用分析提供高效支撑。

数据处理数据处理设备由若干多核服务器集群组成，具备高性能的计算和大容量存储能力。系统资源管理中心可以根据需要统一规划和部署，实现设备资源的冗余。

系统提供基本的数据处理，包括数据的预处理、分析、存储管理和数据分发，并控制部署的虚拟容器的整个生命周期，对物理服务器和虚拟容器的健康状态进行监控，并在必要时根据主控服务器的调度命令迁移虚拟容器。

② 显控端

显控端是各种显示控制台，采用云桌面技术提供多个公用的虚拟桌面，实现了显示与任务的分离，如图4所示。各种应用显示控制台位都采用虚拟终端，可灵活分配操作员或战位的功能和任务。服务器群被虚拟成多台虚拟机，每个显控台采用瘦客户端方式，通过网络中任意一个节点和公共显控平台的服务器群相连，每用户独享一台虚拟机。后端服务器虚拟化平台具有在线迁移、HA（High Availability）、数据备份等高级特性，可保证整合后平台的稳定可靠运行，在进行授权和安全认证后，进入相应功能的操作显示桌面。

图4 桌面云示意图Fig.4 Desktop cloud diagram

舰载信息系统能够支持根据角色和任务的需求为操作人员和显示屏重新分配和部署显控软件。

2）通信分系统

对外无线通信网根据传输带宽而分为宽带和窄带通信2种，宽带有多波段卫星通信、散射和LTE通信，窄带有北斗短消息、短波通信及其它通导设备的海事信息交换，无线通信分系统的连接关系见图5。在科考船上通过智能无线通信管理单元与外部其他节点交换信息，智能无线通信管理单元负责信息网络路由、信息虚拟化传输，采用虚拟物理链路传输技术，将应用数据在多个无线通信设备链路上依据链路的负载情况实时进行通信负载虚拟分配，采用多种冗余通信手段，有效提高了系统中通信分系统的可用性。

图5 船载信息系统对外无线通信连接示意图Fig.5 Schematic diagram of external wireless communication connection of shipborne information system

3）任务设备分系统

任务设备分系统包括了分布在全船的各种基础任务设备、可加装的扩展任务设备以及接口适配器。

1）通用接口适配器

任务设备通过一个通用设备适配器（UDA，Universal Device Adapter）接入信息系统网络，通用设备适配器能将RS485/RS422A/RS232，1553B和Multibus等多种接口转换成以太网络接口，支持TCP/IP Server，TCP/IP Client及UDP广播模式，支持网关、多串口服务器透明传输功能。

2）系统时间同步设备

在信息系统中，为了满足高精度的同步测量和数据标校，各个任务设备的时间必须统一，考虑到任务设备的多种时间同步需求，采用了2种网络时间协议NTP(Network Time Protocol）和PTP(Precise Time Protocol）协议，任务设备根据需求增加时统从时钟设备。

图6为PTP网络时钟架构图，PTP协议是时统主设备接收卫星时间，通过网络发出，在网络上的时统从时钟设备与主时钟进行通信，获得高精度的时钟信息，从时钟设备可实现不同的时间同步接口，主要有PTP网口、IRIG-B（Inter Range Instrumentation Group-B）、1PPS脉冲、RS232C串口等接口，PTP网络时间同步误差约为 0.2 μs[8]。

图6 PTP网络时钟架构Fig.6 PTP network clock architecture

3）任务设备

任务设备包括搜索雷达、导航雷达、光电跟踪器、声呐设备、电磁监测设备、ADS-B接收机、AIS接收机、组合惯导、罗经、计程仪、气象仪、水文仪器、实验室检测设备以及对船平台状态监测设备等，这些任务设备的信息在管控中心进行存储、处理，并可提供数据分析、查询等。

在船平台上可加装多种扩展任务设备进行试验测试，船载信息系统为这些设备提供各种类型目标、电磁环境、平台姿态等多种信息，并可把试验测试信息传送到信息系统中进行存储、处理，为各种试验提供信息保障。

2.2.2 生活网

船载文化生活网进行“三网”合一设计，具有电话、网络、电视功能。设备硬件采用商用设备，软件设计采用成熟的媒体播放技术、网络数据管理技术，通过整合和定制完成软件设计开发。文化生活网的原理连接图见图7，将卫星电视接收到的频道内容通过视频多路编码器编码并送到网络上，在网络上用网络电视观看卫星电视的频道信息；网页服务器存储有大量的各类视频、音乐、游戏和电子书籍等资源，能给系统内网络上用户提供基于网页访问的多种服务，包括新闻、音乐、视频、社交软件等应用服务；WIFI控制器对在网络上的各个WIFI无线路由器进行管理和控制；用户也可通过有线和无线的局域网络，用计算机进行网络新闻阅读、音乐欣赏，观看网络电视和视频，丰富船上人员的文化生活。