智能舰船平台控制系统关键技术

游加慰，何业兰，陈 辉，张信学

(1.中国舰船研究院，北京 100192;2.武汉理工大学能动工程学院，湖北 武汉 430070;3.中国船舶信息中心，北京 100192)

智能舰船平台控制系统关键技术

游加慰1，何业兰2，陈 辉2，张信学3

(1.中国舰船研究院，北京 100192;2.武汉理工大学能动工程学院，湖北 武汉 430070;3.中国船舶信息中心，北京 100192)

基于全舰计算环境(Total Ship Computing Environment，TSCE)实现舰船“全舰综合信息管理”与“真正的自动化控制”，是当今智能舰船一体化、集成化发展的趋势。介绍智能舰船平台控制系统网络结构和控制模式，并针对计算能力、可靠性、实时性等性能需求对ECS关键技术进行探讨。

平台控制系统;全舰计算环境;体系结构;关键技术

0 引言

现代舰船设计越来越多地采用高新技术，全舰系统数字化、网络化成为发展趋势，以适应未来海战由“平台中心战”到“网络中心战”的转变［1］。目前，虽然各国海军舰船上安装了综合平台管理系统，实现了一定程度的信息共享与分布式自动控制，但基本上只是将以前只能在机旁执行的任务换成远程执行，自动化水平还有待提高，未达到真正有效的资源与信息共享。美军在其新型驱逐舰DDG－1000上创造性地使用全舰计算环境(TSCE)作为舰船各系统的集成系统［2］，进行信息整合，发挥系统整体资源优势，最终形成一个统一的“网络中心战”单元。TSCE解决了各分系统独立运行、互操作困难、不同系统的数据处理能力和硬件资源无法相互支援等问题，使舰船各个系统(作战系统、预警系统、动力系统、武器系统等)软硬件模块化、构件化，最终达到跨平台、跨领域的协同作战能力。我国还没有成熟的智能舰船平台控制系统产品［3］，在技术和研究水平上与国外相距甚远。因此，有必要对智能舰船平台控制系统进行研究，掌握其关键技术和设计方法，加快我国舰船的信息化建设，满足我国国防建设的需要。

1 智能舰船平台控制系统(ECS)

1.1 网络体系结构

不同于传统舰船软件“烟囱式”的结构体系，智能舰平台控制系统(ECS)采用一体化体系结构实现系统内部信息交互共享的无缝集成与互操作。采用模块化的程序设计方法与统一的软件接口形式，为各组件提供一个“即插即用”的环境，以方便实现系统通信、扩展与升级。在役舰船改装时任何新增系统设备上舰或旧系统设备拆卸都将更方便地进行。

从物理上来说，ECS采用3层设备和2层网络的结构。3层设备是指位于底层的现场设备，如传感器、执行器、远程终端单元(以下简称RTU)等;位于中层的具有通用接口的分布式控制器(DCU)，它由带有实时操作系统的主机或嵌入式系统组成;位于上层的是装有TSCE核心应用程序的计算机服务器、数据库服务器集群、综合显控台。2层网络是指现场设备与控制设备之间的控制网络，以及控制设备与操作设备之间的管理网络。控制网络采用现场总线，管理网络采用以太网。图1是网络体系结构示意图。

图1 智能舰平台控制系统网络体系Fig.1 The intelligence warship engineering control system network system

从逻辑上，整个体系由三层次构成:核心层、表示层和适应层。

1)核心层

该层提供一个公共的环境，将大部分软件应用放置在冗余的设施上。核心层处理器采用高性能服务器，被封装为电子模块，分散放置于舰船的许多地方。

2)表示层

该层是控制台上负责渲染的显示器，提供符合人体工程学设计的更简便、更可靠的操作界面。

3)适应层

将各种控制软件整合到TSCE，分布在全船不同位置的分布式控制器DCU和RTU处理器中。适应层的主要功能是执行高级控制逻辑及管理功能。

核心层提供一体化信息系统集成，集成的对象是船域控制、综合舰桥、指挥作战、决策支持、外部通讯、在线培训等系统。经过数据融合，实现智能舰内全局的、综合性的信息交互和共享。

适应层中，DCU一方面通过分布适应处理器(DAPs)和其他运行在TSCE设施上的应用程序进行接口;另一方面控制和驱动放在远处被称作远程终端单元(RTUs)的I/O底盘，来与各种底层设备接口。采用单板计算机作为适应层处理器硬件，加强移动性和冗余性，使这些控制及接口软件的位置更靠近它们所控制的系统。

1.2 控制模式

TSCE是所有平台设备的中枢，它采集信息并显示给操作者，将操作者的指令或各种舰船任务以指令的形式一层层分发下去，实现自动化操作，目的是改善操作员和舰船的效率。

根据被控设备的特征，提供几种可选的操作模式。通常提供自动和手动2种模式。自动模式无需操作员任何输入，提供值守工作自动化(一些例行值守功能可以用自动化设备或软件替代)功能，高水平完成自动操作。手动模式允许操作员通过人机接口(HCI)给每个组件以单独指令。这些模式提供给操作员控制这些设备大量服务，在不同船舶状态中控制船舶设备。

在舰船的主要部位和机舱控制室、驾控台、损管控制室等舱室都安装控制台(操作屏)，软件和数据库都贮存在控制台服务器中，授权用户在任何1台操作站上均可以对全船设备进行集中管理、监视和控制，各控制台可实现相互动态冗余。

2 智能舰船平台控制系统关键技术

2.1 全舰计算环境(TSCE)

全舰计算环境中的各类数据处于“网格化处理”阶段，是目前正在研制中的最先进舰载系统集成模式。通过广泛采用标准化的COTS计算机和网络硬件及分布式中间件系统，可将舰载上千个网络节点连接起来，将指挥、传感器、武器、舰艇控制系统等具体应用通过中间件封装成分布式应用中的软构件，因而为这些具体应用提供了即插即用的能力，提高了舰船平台对多种作战环境和任务的适应能力，系统总体能力有了大幅提高，理论上具有无限的可扩展能力。各分系统之间具有极高的互操作性，同时打破了各分系统对专属专用软硬件资源(即“烟囱式系统”结构)的限制，将具体应用软件同底层基础软硬件平台和服务相隔离，网络、内存和CPU等计算资源被当作公共资源根据不同任务需求而进行动态分配共享。应用软件的增减配置与基础设施软硬件的升级和拓展彼此互不影响，因而系统总体升级和维护成本较低。由于采用了先进的体系结构和资源管理技术，可确保系统内无单一故障点，具备多版本(N-Version)冗余度，软件可在多台计算机或节点上复制，因此，系统本质上不受战损影响。

由于TSCE需要集成多种传感器、通信、导航、指挥控制、舰载武器、舰船平台管理等来自多个不同厂商的各类异种/异构应用系统，因此，在“开放式体系结构”的系统集成思想指导下，中间件技术成为美国海军新一代舰船武器平台各系统集成的核心技术。基于中间件的TSCE系统集成模型见图2。

图2 基于中间件的TSCE系统集成模型Fig.2 Integrate model based on the ISCE system of medium piece

基于标准的中间件是用来屏蔽各级分系统网络硬件平台的差异性和操作系统与网络协议的异构性，使运行于不同技术平台的分系统能平滑集成。其核心是支持QOS对象请求代理(Object Request Brokers)技术可以支持复杂的结构，并提供实时和容错服务。满足多种QOS特性(包括达到军方安全标准QOS)，还需要满足实时规范，允许分布式实时嵌入应用对CPU、存储器和网络资源进行管理和预留。

领域服务中间件包含了在基于标准的中间件基础上针对智能舰不同领域开发的一些专用服务，用以共同支撑网络中的应用，其中包括信息保障和安全服务、各种数据库服务、任务资源管理等服务。任务资源管理服务能在不同的配置、环境条件和系统开销下提供不同的服务级别。

2.2 实时数据库技术

在智能舰平台控制系统设计中，需要对大量的数据信息进行存储和处理等操作，包括现场采集的数据、系统数据、计算数据、属性数据、控制和管理数据等，因此必须选择高性能的数据库平台和先进的数据库访问技术。

根据不同操作模式，操作人员从控制台TSCE核心中的舰载应用程序访问数据库系统，可以采用B/S与C/S混合模式。监控计算机收集现场信息经处理后传送给实时数据库服务器，客户端浏览器通过Web服务器从实时数据库中获取数据，或者通过客户端程序直接访问实时数据库。另外，通过应用服务器访问的方式来提高数据通信的实时性。采集到的数据传给数据库服务器的同时还传给应用服务器，并且接收来自应用服务器发出的控制命令。用户进行监控操作只要通过浏览器的界面就可以进行。应用服务器保存每个客户的连接信息，根据这些信息可以较容易地实现数据的实时“推送”服务(Server Push);另一方面，客户端程序也是通过一些组件和现场监控计算机进行通讯，实时显示和发送数据，这种方式能很好地满足数据通讯的实时性。

2.3 存储技术

智能舰平台控制系统对不同数据响应速度要求、数据大小等各不相同，可以采取分级存储策略。对于需要长期保存的非共享数据(如控制组态值、固定参数等)采用文件管理系统直接存取。对于大量客户端软件屋特殊要求的共享数据(如操作人员记录)采用Oracle等外存数据库管理。对于经常变化的实时数据和中间变量等放在内存数据库中。

数据库硬件平台采用存储区域网系统(SAN)。通过一个单独的网络把存储设备和连接在TCP/IP局域网上的服务器群相连，这个单独的网络通常由高速光纤网络构成。当有海量数据的存取需求时，数据可以通过存储区域网在相关服务器和后台存储设备之间高速传输。从逻辑构成的角度看，1个存储区域网SNA包括存储区域网组件、资源及其之间的关系，相关性与从属关系。存储区域网组件间的关系不受物理连接的限制。舰船运行的重要数据，如航行数据，每隔5 s(可以在配置文件中设置)往数据库保存1次。存储区域网系统中，采用服务器集群和磁盘阵列配合，来存放TSCE实时/历史数据库。采用阵列配合热插拔技术，可以实现数据的在线恢复。当阵列中任一块硬盘损坏时，不需要用户关机或停止应用服务就可更换和修复。各台服务器间通过内部网络相互通信，当1台服务器发生故障时，它所运行的应用程序将由其他服务器自动接管。

2.4 现场总线技术

在控制网络层，根据要采集的数据类型、设备性质和采集位置的不同，可以选用适当的通信机制和总线获取实时现场数据。现场总线的使用，减少可编程逻辑控制器的负载，并减少响应时间。大量使用具有现场总线接口的智能型传感器以及智能化仪表，可实现数据采集和控制信号输出。现场数据采集中，将根据现场设备和环境的具体情况，实现模块化、分散化现场数据采集和现场设备状态控制，并综合应用各种总线使系统总体性能指标(如实时性，可靠性和故障可诊断性等)达到最优［4］。CAN总线具有可靠性高、传输速率快及连线简单等突出优点，因此船上主要使用CAN总线进行数据采集和控制。Profibus总线在采用Siemens可编程控制器组网采集数据时使用。RS－232和485总线主要用于航海仪器、损管设备和某些机舱设备集成监控单元的数据采集与控制。由于TCP具有速度快，与管理网络完全兼容的优点，在干扰少、通信数据量大，通信速率要求高的系统级现场数据采集中可以利用。现在，随着各种实时以太网、千兆、万兆以太网技术的出现，工业以太网可能在未来成为工业控制网络的统一标准，形成真正意义上全开放的系统结构。

2.5 DAP接口技术

控制网络和管理网络的紧密集成是建立舰船综合实时状态与控制信息库的基础。如果控制网络采用工业以太网，与管理网络用相同的协议，实现信息交换很简单。但是，现阶段使用传统现场总线的情况下，异构网络之间的数据交互一般通过专用网关来实现。数据交换可以采用加入转换接口、动态数据交换(DDE)、采用中间层技术(如 OPC)等技术实现。TSCE运行高性能的集成数据库，控制网络层各子系统的实时数据通过Soft PLC与DCU进行交换，DCU装有分系统控制代码，将数据处理转换后存入本地嵌入式数据库，通过统一接口DAP与管理网络相连，TSCE核心应用程序能与DAP交换所需数据，实现信息共享。DCU作为网络接口中间件，它屏蔽了网络通信时数据组包、差错控制等，方便网络数据交换。

3 结语

舰艇平台作为舰艇构成的基础，是舰艇装备实现机械化与信息化复合式发展的关键环节。海军装备体系的信息化，必须提高舰艇平台的信息化和自动化水平，实现舰艇平台综合管理与指挥控制的一体化、智能化。因此，现在必须加强智能舰船平台控制系统(ECS)的体系研究，尽快突破关键技术和设计方法，从而满足海军智能舰船的要求。同时要注意的是，智能舰平台控制系统的构建和推广要充分考虑管理、技术、习惯上的各种因素。

［1］王征，黄楠，魏建华.船舶综合平台管理系统研究［J］.船海工程，2009，38(1):116 －118.

［2］危嵩，熊瑛，胡鹏.通用船舶综合平台管理系统模型研究［J］.中国舰船研究，2008，3(5):25 －27.

［3］任悦琴，徐慧.舰船综合平台管理系统［J］.舰船科学技术，2005，27(6):105 －108.

［4］JUN L，KHIANG W L.Using the OPC standard for realtime proeess monitoring and control［J］.SoftwareIEEE，2005，22(6):54 －59.

［5］方万水，李炜，蔡敬标.国外舰船综合平台管理系统发展概述［J］.舰船科学技术，2005，27(1):94 －96.

The key technologies of intelligent warship's engineering control system(ECS)

YOU Jia-wei1，HE Ye-lan2，CHEN Hui2，ZHANG Xin-xue3
(1.China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China;2.School of Energy and Power Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China;3.China Ship Information Center，Beijing 100192，China)

The implements of TSCE(Total Ship Computing Environment)in intelligent warship can achieve“total ship integrated information management”and“automated control”.Now TSCE becomes the integration development trend of intelligent warship.This paper introduces the ECS net ware architecture and control mode，then discusses the key technologies of ECS in view of performance demands such as computing power，reliability，timeliness.

ECS;TSCE;architecture;key technologies

TJ81+0.37

A

1672－7649(2011)06－0038－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.010

2011－05－06

游加慰(1963－)，男，研究员，主要从事舰船技术研究。