舰艇综合信息服务系统的设计与实现

尹安

中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064

0 引 言

随着信息技术的迅速发展，大量成熟的民用和商用技术被广泛应用于舰艇设计，这既缩短了技术开发周期，又提升了系统和设备性能，同时也一定程度上减少了新技术的应用风险。在舰船信息化设计中，以美国DDG 1000 为代表的全舰计算环境（TSCE），将作战系统、动力系统和平台系统等相关信息进行集成设计和统筹设计，发挥整体资源优势。更为重要的是，通过顶层规划设计、构件化设计和软硬件模块化等手段，解决了跨系统、跨设备间的信息共享交互等问题，实现了作战平台整体效能的提升[1-3]。近年来，尽管我国装备信息化水平迅速提升，但在各系统软、硬件资源的统筹设计和全艇信息综合利用等方面与国外先进海军仍存在差距。国内学者开展了多类信息化系统的设计和研究，陶伟等[4]开展了舰船损管监控系统研究，基于仿真的实时监控体系，实现了与损管监控系统线程采集数据的交互；吴传海[5]将交互式电子技术手册（IETM）与工程化研制流程等相结合，开展了工程化应用分析；张磊等[6]研究了电子装备状态监控系统，实现了对设备温度、应力等数据的采集与处理，可推广应用于设备可靠性数据分析系统。总体来看，国内研究工作重点是针对特定应用展开，还鲜有从舰艇顶层设计出发论述总体层面的信息化设计思路和信息综合应用的相关工作。

鉴此，本文将提出舰艇综合信息服务系统的设计思路；首先概述系统的设计目标及总体规划，以信息基础设施为依托统筹硬件资源；然后从应用集成管理平台设计和信息应用设计2 个方面论述软件设计方案，解决现有信息系统“各自为战”和信息综合应用不足的问题。

1 舰艇综合信息服务系统总体设计

1.1 设计目标

舰艇信息化工作应重点进行顶层规划和软硬件资源整合设计，需关注应用系统的集成、运维管理和信息利用等问题。基于此，本文提出舰艇综合信息服务系统，主要设计目标如下：

1） 构建全艇信息基础设施，实现计算和存储资源、网络基础设施和人机交互显示设备等的统筹，提供除专用软件外的全艇软件集成部署环境；

2） 提供统一的运行管理和全寿命周期维护管理，实现软件部署和运维管理的生态圈，满足系统功能的持续部署和升级；

3） 建立统一的消息推送机制，为艇员提供平台、动力等系统的各类消息的及时推送服务，实现不同战位、不同艇员所需信息的按需调取；

4） 建立统一的安全管控平台，提供数据接入控制管理、信息访问保护、数据备份等功能；

5） 融入数据分析和智能算法模块，提升信息价值；

6） 结合应用信息化技术、软硬件技术等，提升舰艇综合信息服务系统设计的先进性。

1.2 软硬件体系架构

舰艇装备总体设计的特点决定了其信息化设计工作需要在原有系统和设备的基础上做减法，要在不增加艇内额外负担的情况下实现信息化设计工作的价值提升。因此，舰艇综合信息服务系统要打破原有不同系统和设备硬件资源分而治之的旧模式，实现对全艇信息资源的统筹管理和综合应用的新模式。总体规划如图1 所示。

舰艇综合信息服务系统硬件部分的核心任务是搭建全艇信息基础设施，将其划分为数据处理和存储层、信息传输层和人机交互层架构。数据处理和存储层包括数据处理中心和数据存储中心，提供各信息服务模块的运行环境和数据存储环境，为各类应用和数据存储提供计算资源支持和存储资源支持。信息传输层包括网络基础设施，提供统一的信息传输通道，包括有线连接和无线接入形式。人机交互层包括各类信息显示设备，包括移动式显示设备和固定式显示设备，如艇员个人手持终端、可穿戴设备和壁挂式显示屏等，涉及的操作平台包括安卓和中标麒麟操作系统等；其中，艇员个人手持终端、手表式穿戴设备具备无线接入能力，可用于接收各类推送消息。

软件框架包括系统管理模块和信息服务模块。系统管理模块分为应用集成管理平台和安全管控平台：应用集成管理平台实现对各类信息服务的管理，包括服务部署和运维管理等；安全管控平台提供系统运行所需的安全管理，包括访问安全和数据安全等。信息服务模块包括各类信息服务功能，如生活类信息、保障类信息管理功能、消息推送服务功能和大数据分析及智能辅助决策功能等。其中，大数据分析及智能辅助决策功能是舰艇综合信息服务系统价值的集中体现，内含数据关联分析子模块、视频图像识别子模块和航路辅助规划子模块等。与原有各业务系统独自配置服务器进行软件部署不同，舰艇综合信息服务系统将各软件统一部署于全艇信息基础设施的数据处理中心，相关数据统一存储于数据存储中心，实现计算资源和存储资源统筹，提升硬件利用率，也便于软、硬件资源的统一管理。

硬件组成架构在民用和商用领域已有成熟应用，舰艇综合信息服务系统设计的重点是软件框架设计和信息应用。下文重点从软件设计中的应用集成管理平台设计和信息应用设计方面来论述方案实现过程。

2 软件设计

2.1 应用集成管理平台设计

应用集成管理平台通过构建软件集成管理仓库，实现对信息服务模块相关的应用程序进行统一管理。管理的信息软件模块包括浏览器/服务器结构（B/S）类和客户端/服务器结构（C/S）类应用。

2.1.1 B/S 类应用管理

B/S 类应用基于Docker 进行集成管理。Docker是目前流行的开源引擎，提供一种轻量级虚拟化的解决方案，即将不同应用及其依赖库文件打包为镜像文件，构建镜像仓库，通过容器技术构建镜像运行环境，形成提供信息服务的应用中心。Docker 极大地方便了应用服务的部署。与虚拟化技术不同，他以一种更轻量的方式实现对应用和应用的依赖环境等的打包管理，形成独立的镜像，以Docker 镜像作为软件的交付形式，可方便地对应用进行全寿命周期的运维管理和应用的快速迭代[7-8]。在舰艇综合信息服务系统设计框架中采用Docker 的优势有以下几点：

1） 资源隔离。系统的设计目标之一是实现软件部署和运维管理的“云”模式生态圈，即“应用云化”，而云化的基本要求就是要实现资源隔离。Docker 通过容器技术实现不同应用运行环境的隔离，即将不同应用以集装箱（容器）为单位进行装载（运行），不同的集装箱装载不同的货物（不同应用所需的程序、组件和依赖库文件等），集装箱（容器）之间保持独立。

2） 轻量化。相比传统的虚拟化技术，使用Docker在CPU、内存、磁盘输入/输出和网络输入/输出上的性能损耗都有同样甚至更优的表现。

3） 弹性扩展。传统的B/S 模式应用通常都包括“Web 端应用+Web 运行容器+数据库”，程序的部署、调试工作繁琐。以Docker 提供的容器技术对应用程序及其各依赖环境进行打包形成镜像文件，以容器提供镜像运行环境，可实现“构建一次，到处运行”[9]。因此，将不同软件模块打包成镜像，并提交镜像仓库进行入库和分发管理，不用考虑全艇信息基础设施的部署环境和对其他应用的影响，可实现系统功能的弹性扩展。

在实际应用中，对涉及数据库操作的B/S 应用软件，如公共信息系统、勤务政务信息发布系统和保障信息管理系统等，采用“Web 容器+数据库容器”方式，进行功能模块化，并将应用和数据分离。对于复杂功能，可考虑采用微服务架构模式，即将复杂功能分解为相互独立、边界明确的服务，服务之间解耦，可独立替换、升级和伸缩，服务间通过语言无关的轻量级接口，如网络通信（远程过程调用（RPC）、超文本传输协议（HTTP）等）、消息队列等进行协同。此外，为便于艇员进行运维管理和后续持续迭代升级，在应用集成管理平台设计相应功能，以可视化形式对基于Docker进行集成的软件进行管理，使其具备全局信息监测、镜像管理、容器运行状态控制和数据卷管理等功能。主要设计示意图如图2所示。

图2 B/S 类应用管理设计Fig. 2 B/S application management design

基于Docker 提供的B/S 应用采用以下途径调用信息服务功能：

1） 对于安卓平台，根据应用服务的URL 地址，使用WebView 等封装成APK 程序的形式部署于艇员个人手持终端，通过在艇员个人手持终端运行该APK 程序来获取所需信息服务；

2） 对于中标麒麟平台，可直接通过内置浏览器访问URL 地址来获取所需信息服务。

2.1.2 C/S 类应用管理

C/S 类应用管理各信息服务功能模块的发布版本，包括对安卓平台安装的APK 程序和中标麒麟平台安装的Qt 程序，并在软件集成管理仓库中进行统筹管理。其中，用于安装的APK 程序内嵌数字签名管理，以提升应用安全管理的要求；Qt 程序发布打包版本应包含所需的动态库等依赖文件。安卓平台和中标麒麟平台均可通过访问软件集成管理仓库，下载或更新本机应用程序，下载或更新后的应用程序在本地运行。与B/S 类应用管理类似，C/S 类应用也可通过可视化管理平台进行操作和运维。

综上，应用集成设计框图如图3 所示。

图3 应用集成设计框图Fig. 3 Block diagram of application integration design

2.2 信息应用设计

2.2.1 大数据分析和智能辅助决策功能模块

在信息集成后，应关注如何应用信息来实现信息到知识的价值提升。如结合系统运行中收集的数据，包括设备运行状态、故障、综合保障、舱室环境和艇员健康状态等信息，构建适当规模的学习库和测试库，引入大数据分析引擎，充分利用分类、聚类、决策树和AdaBoost 等算法，基于多维度的挖掘分析与深度学习、强化深度学习和迁移学习等人工智能算法，挖掘数据内部蕴藏的智慧信息，以提升保障工作、设备故障预测、舱室环境控制等智能服务水平，提升全艇作战效能和艇员工作效能。针对信息在大数据和智能辅助决策方面的应用，民用和商用领域已有较多成熟算法可以借鉴[10-11]。此外，通过数据处理和存储中心的统筹设计，为应用提供了强大运算能力，使设计重点转移到样本数据获取、数据清理和业务流程梳理中，从故障监测、操艇辅助和作战决策等方面提升信息利用价值。

以基于装备综合保障信息的大数据和智能辅助分析应用为例，设计思路如图4 所示。

图4 装备综合保障信息应用设计Fig. 4 Application design of equipment integrated logistic support information

收集的艇内重要设备运行的状态信息，经信息传输层传输至部署在数据处理中心的设备状态监控功能模块，进行监控和数据处理，处理后的数据信息，包括设备标识码、设备运行参数信息、故障信息等，自动存储于数据中心；此外，保障类信息服务功能模块提供设备维修记录和备品备件使用等信息的录入功能，录入信息存储于数据存储中心。大数据分析及智能辅助决策功能中的数据关联分析子模块从数据存储中心提取上述数据，从多层次和多维度进行数据挖掘，分析数据间的关联规则，如设备之间的故障关联度、设备内各模块间的故障关联度、环境变化与设备故障间的关联度、备品备件间的使用关联度等，从而为维修计划制定、备品备件优化配置和视情维修等提供决策依据，也为保持舰艇装备战斗力提供有力支撑。全艇数据处理中心将为算法提供算力支持。数据关联分析结果由消息推送服务模块进行处理，通过信息传输层推送至指定人机交互层的信息显示设备中，进行提醒和信息显示。

对大数据分析和人工智能应用而言，算法和训练模型与具体应用的业务数据和业务逻辑强相关。因此，在大数据分析及智能辅助决策功能中可扩展部署多个子模块，以满足不同应用场景的需求。

2.2.2 消息推送服务功能模块

在信息应用设计中，舰艇综合信息服务系统设计了消息推送服务功能模块，根据消息分类和推送规则将消息推送至人机交互层设备，如艇员个人手持终端、手表式穿戴设备、显控台和壁挂式信息显示屏等，实现“信息找人，按需推送”，避免信息集成后可能产生的信息爆炸或信息噪声，影响艇员对工作的响应速度。消息推送服务既包括常规的即时通信类消息推送，也包括各种通知类消息、设备故障报警信息、作战类信息和自定义消息推送等，即涵盖“人-人”、“物-人”的信息交互。消息推送服务功能模块实现的核心包括根据信息分类制定全艇统一的消息编码和推送规则。

1） 消息编码设置。将艇内产生的消息进行分类，通过制定统一的数据协议进行消息编码（表1），并采用自定义消息体，封装消息结构。自定义消息体有利于后期的维护和扩展。

表1 消息编码示意表Table 1 The message coding diagram

消息编码采用4 位数字编码，其中前2 位编码代表消息分类，后2 位编码代表该消息分类下的消息识别序列号。

2） 推送规则设置。消息推送服务功能模块内置2 种类型的消息推送服务：

（1）根据内置预设定的规则，采取按时间触发推送消息，如按设定的值更表推送到指定战位人员的值更消息和定期的设备维护提醒消息。

（2）根据来自外部消息设定的规则，如来自艇员发送的即时消息、来自设备的故障报警消息和来自外部传感器发送的需即时做出响应的报警消息等。针对此种消息，在消息推送服务功能模块中设置监听机制，将接收到的消息类型按照编码格式解码后，交由推送规则分析，按制定的规则向指定的单个或多个人机交互层设备进行推送，并视情进行联动控制。如消息推送服务功能模块监听到重要设备故障报警消息，将报警消息推送到对应显控台和所属部门的部门长或艇员的手表式穿戴设备进行振动提醒，将设备维护所需技术资料的URL 链接推送到艇员个人手持终端中，使该艇员可快速调阅该设备相关技术文档或图纸文件资料，并设置与对应舱室的光报警器联动进行视觉提醒。

为正确接收和显示消息推送服务功能模块的消息，在人机交互层设备中均安装配套监听和信息显示模块软件。推送规则在系统交付前可根据艇队使用习惯和需求进行设定，并提供管理后台可供指挥员进行维护管理。以重要设备故障报警消息推送为例，信息推送流程示意图如图5 所示。

图5 信息推送流程（场景：重要设备报警）Fig. 5 Message push process (scenario: important equipment alarm)

3 结 语

舰艇综合信息服务系统从顶层出发统筹全艇硬件资源和全艇信息服务资源，结合信息基础设施，构建应用集成管理平台，采用Docker 技术和软件集成管理仓库设计，实现对不同类型信息服务模块的统筹管理。针对集成后的信息如何利用以发挥信息价值的问题，设计了大数据分析和智能辅助决策功能模块及消息推送服务功能模块，并重点对后者的设计实现进行了论述。在后续设计中将结合系统弹性服务设计，灵活扩展功能，提升硬件资源利用率；结合在系统运行过程中收集或生成的数据，充分挖掘数据的内在价值，促进艇员工作的开展并提升全艇作战效能。