基于公共计算服务的辅助机电设备信息化研究

刘 春，张 平，王 伟，陈 涛

应用研究

基于公共计算服务的辅助机电设备信息化研究

刘 春1，张 平2，王 伟1，陈 涛1

（1. 中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011；2. 驻上海地区第八军事代表室，上海 200011）

为了提高舰船辅助机电设备的信息全面共享、协同工作、集中监控和资源交互共用的能力，通过对全舰辅助机电设备的种类、监控功能、信息处理流程等的梳理分析，对公共计算服务的信息化需求提出要求，完成了基于公共计算服务的辅助机电设备信息化研究。通过对某型辅助机电设备集中监控系统的科研样机案例分析，进一步总结了该系统的特点和关键技术，可供有类似信息化需求的舰船设计提供参考。

信息化 公共计算 辅助机电设备 自动化 集中监控

0 引言

随着我国海洋大型舰船的快速发展，机电设备越来越多，布置范围越来越广泛，对舰员的要求越来越高，舰船辅助机电设备信息化研究被提上日程，亟需加强舰船的辅助机电设备信息化能力，实现辅助机电设备的信息全面共享、协同工作、集中监控和资源交互共用，需要研究出一套监测范围广、自动化控制水平高的集中监控装置。该装置能对分散布置的辅助机电设备进行集中监控，提升辅助机电设备的运行管理水平和综合保障能力，降低设备故障及危险处置响应时间，减小机电部门舰员的劳动强度，也为设备的维护保障和今后的设计工作提供理论依据。

本文通过对大型舰船辅助机电设备信息化的研究，为辅助机电设备监控系统的装备设计提供技术支撑。并以某型辅助机电设备集中监控系统的科研样机为案例，总结了该系统信息化的特点，为舰船信息化设计提供参考。

1 辅助机电设备信息化研究

1.1 辅助机电设备信息种类

辅助机电设备主要是指为船体与船舶装置、动力系统、综合电力系统和船保系统等提供油、水、气等辅助保障功能的旋转设备、往复设备以及其它机电设备等的总称（不包含与之关联的管路系统以及电力系统下属的供、配电保障设备等）。

涵盖范围主要包括：

1）船体与船舶装置下属的舵机、锚机、减摇鳍、艏侧推等甲板机械装置；

2）动力系统下属的燃油泵、滑油泵、冷却水泵、空气压缩设备等动力辅助装置；

3）综合电力系统下属的燃油输送泵、滑油输送泵、海水冷却泵等电力辅助装置；

4）船保系统下的冷藏设施、空调设施、环境污染控制设施、疏水设施、资源供应保障设施等船舶辅助装置。

1.2 辅助机电设备监控的功能要求

辅助机电设备监控系统的主要功能包含状态监测、自动控制、综合状态评估和健康管理等功能。

状态监测主要指设备的工作参数监测和异常监测。辅助机电设备监控系统可实现全船辅助机电设备的状态显示和综合报警功能，接收本舰主要辅助设备状态信息数据，优化处理后可结合总布置图等对重要信息进行分层综合显示。

自动控制主要是指设备的集中控制和本地控制。辅助机电设备监控系统不仅可实现辅机设备的信息监测，还可在一体化的监控软件中实现对辅机的集中控制（例如可在集控室台位上集中控制全船的辅助机电设备等），可基于软件策略实现对任务工况的一键控制[1]（例如：一键燃油调拨、一键淡水驳运等），甚至在全舰公共计算环境的平台下可实现基于任务场景的联动控制（如：日用油柜与燃油调驳联动控制、武器发射与消防系统联控、通风系统与损管灭火联动等）。

状态评估和健康管理是指设备的故障诊断趋势和使用及维护维修辅助决策等。辅助机电设备监控系统可通过对辅助机电设备的振动监测[2]及运行状态监测等手段，采集典型工况并提取特征参数，形成相应的辅助机电设备健康管理评估算法及健康状态预测模型，并实现典型辅助机电设备的健康评估及预警、预防性维修辅助决策以及算法库、模型库、知识库和维修信息管理库及时更新。

1.3 辅助机电设备信息处理流程

辅助机电设备监控系统的体系结构设计应充分考虑各系统在信息感知、信息传输、信息处理等方面的共性和特性要求，在保证效率和安全的前提下，加强顶层规划设计，梳理全舰辅助机电设备信息处理流程。

1.3.1 信号类型及传输选择

辅助机电设备设备层信号类型有：

1）数字量信号（脉冲或0/1信号），例如设备的开启、关闭、运行信号等；

2）模拟量信号（线性电压或线性电流信号），例如温度传感器、流量计等；

3）光电信号（调幅、调频脉冲等缓变信号），例如振动传感器等。

综合统计所有辅助机电设备的信息，按传输类型分为：硬线、RS485、光纤、CAN总线，接收设备层信号的信号采集设备需要满足此要求。

采用网线作为输介质时应选用不低于舰用六类屏蔽双绞线，采用光纤作为传输介质时应选用舰用耐火单模光纤。考虑舰用条件，各设备的冗余线缆分左右两舷布置；双冗余网络设备分散布置，分开供电[3]。

1.3.2 组网方式的选择

为了满足系统内各个节点间的数据通信需求，一般使用组网实现通信拓扑结构。常见的组组网方式有：RS485、以太网、CAN。组网方式的比较见表1。

辅助机电设备监控系统具有设备信息多（数据量大）、布置位置分散全船（距离远）、涉及工况多、存在多个设备同时使用的概率大（易引起问询冲突）等特点。通过组网方式的异同点比较，综合考虑安全可靠性，辅助机电设备监控系统一般建议选择CAN总线组网方式。

1.3.3 拓扑方式选择

表1 组网方式的比较

CAN总线主流的拓扑方式有以下几种：

1）直线型拓扑的每个节点都连接在总线上的各个线性分支支线上，通过主干总线使每个节点能够同步共享信息，从主干总线上的其中一个节点发送信息，可以传送到主干线上的其他任意节点。

2）星型拓扑的每个节点都直接连接在中央设备节点上，呈现放射状星型形状，通过中央设备节点可以汇总所有节点的信息，每个节点与中央设备都是点对点的通信。

3）树状拓扑的每个节点可独立连接在分支上，也可串联在其他节点后面，每个分支可按需扩展节点数目，所以分支的长度不一。所有节点都通过支线连接汇总信息，总线通过每个独立节点配套的CAN控制器与该节点进行网络通信。

4）环形拓扑的首尾节点均直接连接在总线上，中间节点通过连接在首个节点后面，相邻节点首尾相连的方式，一直连接的最后一个节点上，形成一个环状。所有节点信息均可直接通过环网传输。

CAN网拓扑方式的比较见表2。

表2 CAN网拓扑方式的比较

针对辅助机电设备监控系统的监测设备物理位置分布广泛、业务需要快速灵活部署等特点，需要选择一种网络通讯性能高、数据交换速率高、配置自动化程度高的拓扑方式，对比四种CAN网拓扑方式，环形拓扑的结构简单、网络通讯可靠性高，更适合辅助机电设备监控系统。

其中，网络的流畅性需要考虑总线的负载率。CAN总线负载率，指在单位时间内总线上全部节点发送的数据总数占整个总线理论带宽的百分比，也相当于实际上达到的数据传输速率与理论上能达到的最大数据传输速率的比值。计算公式如式（1）：

负载率越高，意味着单位时间内需要发送的数据量越大，总线上优先级较低的节点处容易发生丢包等通信故障。总线负载率越高，系统的稳定性会急速衰减，严重影响网络的安全性。所以，根据木桶原理，总线的负载率由系统内优先级最低的节点传输延迟情况决定。一般情况下，总线利用率最好控制在30%以内，军品的总线利用率一般建议不超过10%。

1.3.4系统架构

辅助机电设备监控系统含信息基础设施层、信息服务层、信息应用层等三个层次组成（系统架构图如图1），开展数据数据采集、处理。

图1 系统架构图

信息基础设施层，可在信号端和应用终端采集本舰辅助机电设备监控信息，含全舰辅助机电设备下属设施的相关监控信息，为系统的集中监控、自动化控制和健康管理等提供数据支撑。

信息服务层，对基础设施层采集的数据进行逻辑处理、数据搭建组合和算法计算，含括监控工况逻辑和信号处理的决策，只需要对信息应用层提供信息服务。

信息应用层，是用户和监控系统之间交流的媒介，可直接与用户交互，主要用于接收用户的指令和反馈显示状态，通过后台调用服务来实现逻辑处理，完成用户的指令需求。

1.4 基于全舰公共计算服务的信息化需求分析

1）数据的传输需求

辅助机电设备分散全船，位置较零散，需要设备层现场采集的信息可从各设备分区接入就近的采集装置，通过CAN网汇总至集中监控台后，由台位接入全舰一体化网络。其他的辅助机电设备信息可通过一体化网络从公共计算环境申请调用。

CAN数据结构、设备地址、标识符格式、状态报文、指令报文等数据格式按照约定的通讯协议进行。数据地址列表按照《测点表》统一进行。

公共计算环境网络接口可支持带POE供电的100/1000 Mbps自适应电缆以太网口、1Gbps光纤以太网口、10Gbps光纤以太网口接入。各系统/设备接入一体化网络的接入方式可以分为以下四类：A类:直接接入网络；B类:汇聚后接入网络；C类:自带子网，单点接入网络；D类:自带子网，安全隔离后单点接入网络。根据辅助机电设备监控系统在信息交互、上网节点规模、设备布置、综合布线等方面的特点，可选择合适的网络接入方式。

上网终端设备与交换机的连接方式有单链路连接、双冗余连接两种方式。辅助机电设备监控系统可选择合适的链路连接方式。

2）公共计算服务的资源需求

辅助机电设备监控系统通过全舰一体化网络需向公共计算服务系统提出计算资源支撑、存储资源支撑、网络支援支撑和平台服务支撑等。

通过对软件的计算分析，测点数据的内存消耗使用场景分析，台位软件需要较高的运算环境支持，辅助机电设备监控系统可向公共计算环境提出计算资源需求：虚拟机数量和配置等。

通过对系统软件（桌面操作系统）镜像空间、业务软件部署空间、存放软件运行缓存数据空间以及日志数据空间的预估和不同系统数据的共享需求，辅助机电设备监控系统可向公共计算环境提出存储资源需求：系统文件存储需求、云盘存储需求和IPSAN/NAS存储等。

通过对数据库初始安装空间的分析，计算产生增量数据的依据，辅助机电设备监控系统可向公共计算环境提出数据库资源需求：数据库名称、初始空间大小和设计空间上限等。

通过本系统与其他系统中可能存在的共用数据、共用该数据库的分析，辅助机电设备监控系统可向公共计算环境提出平台服务支撑。

3）信息化安全[4]需求

针对基础资源服务物理主机、虚拟主机、操作系统、数据库等提供基础安全防护手段支撑，支持主机安全、网路安全、数据安全、防病毒、安全态势感知等功能。

公共计算环境需要提供网络防火墙、入侵防御、防病毒、数据库防火墙、数据库访问行为分析、负载均衡等功能。辅助机电设备监控系统可在本台位支持定期的对防火墙升级、对病毒库更新，以保障系统的信息化安全。

2 辅助机电设备信息化实现

2.1 辅助机电设备监控系统配置

以某型舰船平台辅助机电设备监控系统为例，该系统包括下属的各类子采控系统统一采用了四层设备和两层网络的结构，某船辅助机电设备集中监控装置系统架构图如图2所示。

四层设备是指：

1）位于底层的现场设备

如传感器、执行器、远程终端单元等，用于实现现场的信号采集、接入和控制；

2）位于中层的信号采集设备

如分布式采集单元、信号箱等，用于实现区域的数据管理、数据集成；

3）位于上层的信息监控层设备

如集中显控台等，用于数据的综合显示、人机交互和信息交互。

4）位于顶层的公共计算服务层设备

如服务器集群、数据库和防火墙等，用于数据的集中解算、数据交互、数据存储和数据安全防护。

两层网络是指：

1）上层信息监控设备与中底层设备之间的控制网络；

2）公共计算服务层与信息监控层设备之间的管理网络。

系统采用了集中控制和区域集成的思想[5]。按照站位设置的需求，在机电集控室设置辅助机电设备集中监控台（以下简称“监控台”）。监控台通过以太网与公共计算服务器连接在一起，并可以通过一体化网络在云端共享和调取相关系统的数据。

全舰根据防火区域划分为7个区域，每个区域布置2台信号采集设备，全舰共配置14台，信号采集设备（通过标准化模块：DI/DO模块、AI/AO模块、A/D模块、RS485模块、现场总线和通信网关等）间通过CAN环网联结在一起，通过标准通讯协议挂接了数百个遍布全舰的信号设备，完成信号采集和现场数据处理和控制任务。

通过计算发现，辅助机电设备监控系统环网的总线负载率达到了17%，为减轻总线上的负荷，可将数据按系统分为两部分，空调冷藏信号采集设备与监控台形成一个环形拓扑结构，机舱信号采集设备与监控台形成一个环形拓扑结构，保证各个环网的负载率不超过10%。

本系统也是目前水面舰船设计和建造的自动化程度最高的辅助机电设备监控系统，监控的辅助机电设备共有30000多个信号点，其中有约有近8000点针对船保下的辅助机电设备，支持正常运行条件下的所有舰船级平台任务，单个操作员可协调全部辅助机电设备，而不需要在设备层进行人工干预，最大程度优化了人员编制[6]，降低全寿期维护费用，并满足可靠性、可维护性和生命力[7]的要求。

2.2 辅助设备集中监控装置特点

辅助机电设备监控装置信息化特点：

1）可靠：采用冗余理念，实现软件网络链路和硬件配置设计的双冗余设计；组网扁平化，网络结构简单，便于施工和全寿命保障，从组网架构上进一步提高可靠性；

2）高安全：依靠公共计算服务提供安全控制的硬件和软件保护，按用户级别和业务范围对用户权限进行管理，对系统进行分区逻辑隔离和定期防护管理；

3）易管理：结合管理状况，采用网络虚拟化技术，具有良好的可管理型以及可维护性；

4）标准化：采用通用的标准化协议和标准化硬件，提高设备在网络中的互联互通性。

3 关键技术

辅助机电设备监控装置有以下关键技术：

1）区域集成采控：每个区域内的数据可在该区域内集成采控，可选择在单个区域内独立采控，也可达到服从上层监控的集中控制功能，达到区域资源共用、系统功能共享的目的；

2）跨区协同控制：针对燃油驳运、淡水驳运、中央冷却等涉及到全船性的系统，设置了跨区协同控制模式，系统收到指令后，可通过相应的控制策略实现“一键驳运”功能；

3）联锁和优先级协调：本装置需要关联三防状态的功能要求、全舰失电时功能要求、能量管理系统功能要求、特种舱室安保要求等，并协调联锁功能和优先级，在软件和硬件上同时实现与全船相关系统的协调功能。

4 结论

1）本文梳理了大型舰船辅助机电设备信息化种类、辅助机电设备监控的功能要求、辅助机电设备信息处理流程，并对公共计算服务的信息化提出相应要求，完成了辅助机电设备信息化研究，为辅助机电设备监控系统的装备设计提供技术支撑。

2）介绍了某型辅助机电设备监控系统的设计应用，并在科研样机过程中得到了专家的一致肯定，拟用于实船装备。可供有类似提高信息化和自动化等需求的船舶作为参考。

[1] 赵云. 中国船级社《智能船舶规范》 [N]. 中国船舶报, 2015-12-02

[2] GB/T 19873.1-2005. 机器状态监测与诊断振动状态监测

[3] GJB4000-2000舰船通用规范.

[4] GB 17859-1999计算机信息系统安全防护等级划分准则.

[5] 洪术华,焦侬.船舶辅机信息化的现状与展望[J].船舶工程2017,39(4):88-92.

[6] 陈志民, 李江. 我国船舶辅机信息化技术发展概况[J]. 船舶工程, 2017, 39(5): 57-59+65.

[7] Ryszard Arendt, Ewa van Uden. A decision-making moudule for aiding ship system automation design:a knowledge-based approach[J]. Expert Systems With Applications, 2010, 38(1): 410-416.

Research on the informatization of marine auxiliary electromechanical equipment based on public-computing -services

Liu Chun1, Zhang Ping2, Wang Wei1, Chen Tao1

（1. Marine Design and Research Institute of China，Shanghai 200011, China; 2. The 8th Military Representative Office of the Naval Equipment in Shanghai，Shanghai 200011, China）

s:

TP391.9

A

1003-4862（2023）12-0053-06

2023-08-22

刘春（1986-），女，工程师，研究方向：主要从事船舶电气设计、信息化等方向工作。E-mail：870333616@qq.com

张平（1981-），男，工程师，主要从事船舶电气设计质量监督等方向工作。E-mail：echo.1215@qq.com