海洋平台电子信息系统集成设计方法*

张立伟，王积鹏，赵长明，戴 磊

（1.北京理工大学，北京 100081；2.中国电子科技集团公司电子科学研究院，北京 100041）

0 引言

当前，世界格局调整持续深化，海洋在我国安全和发展中的重要地位日益凸显。提高海洋资源开发能力、维护国家海洋权益和建设海洋强国[1]，成为民族复兴的急迫需求和时代的强烈呼唤。党的十九大再次提出加快建设海洋强国的重大部署，将维护我国海洋安全和发展海洋经济提升到国家战略的高度[2]。实施这一重大部署，对维护国家主权安全、推动经济持续健康发展以及实现中华民族伟大复兴，具有重大而深远的意义[3]。

为支撑我国电子信息领域的快速发展和占领国际领先地位，打造世界级的海洋信息化体系是国家军事安全和我国海洋战略发展的需求[4]。为服务国家海洋信息化体系建设，汇聚各方优势资源能力，需以体系化的信息技术优势开展海洋平台电子信息系统的设计和实践。前期各类海洋平台的建设，已逐步验证了海洋信息采集、传输、融合处理及智能管控等多种海上信息支撑能力，但也存在海洋平台电子信息系统集成度较低、较差、长期工作能力不足、扩展性和通用性受限等问题，难以应对各类用户在不同应用场景下的服务需求。

本文为满足目标监视、数据服务等业务需求，开展了海洋平台电子信息系统总体设计研究，为进一步提升系统远程无人管控、能源自保障等海洋平台系统关键能力奠定了重要基础。

1 相关工作

1.1 浮标型海洋信息系统

浮标型是目前应用最广泛的海洋平台电子信息系统，可实现对风速、风向、波高、波向、流速、流向、气温、气压、湿度、水温、盐度和深度等海洋环境信息开展一体化测量。浮标型海洋装备的特点在于结构简单、部署灵活、海域适应性强、定制化搭载设备高以及功耗低可独立工作，适合大量部署。

传统的海洋浮标为通用型系留浮标，标体直径最大超过10 m，普遍采用太阳能板进行供电，可以进行数据的实时传输，具有较强的搭载能力。它的典型代表是美国NOAA研制的系列浮标，根据搭载需求不同，标体直径可以选择1.5～12 m。它采用锚泊系统固定，可以实现对各类海洋信息感知传感器的搭载[5]。我国在通用型浮标领域也开展了大量工作，典型成果有中科院海洋所研制的深海多参数实时传输浮标，集成了气象、GPS、剖面海流以及剖面温盐等诸多传感器。它采用水下感应耦合传输技术，通过卫星通信方式，可实时获取海面气象、浮标位置、水下500 m剖面海流和温盐数据等资料，最大布放深度4 500 m[6]。国家海洋局研制的白龙浮标，最大部署深度7 000 m，连续使用时间超过18个月，可以观测海表气温、气压、风速风向、相对湿度、雨量、长波和短波辐射等参量，还可以通过感应耦合传输技术实时采集海洋表层至深层海水温度、盐度、海流、溶解氧等重要海洋参数[7]。通用型系留浮标经过多年的发展，目前已经基本可以实现全海域的部署，但是目前受供电手段制约，连续工作能力普遍不足，后期维修维护成本高。

由于单体浮标装备尺寸空间和供电能力有限，浮标型海洋平台装备目前只能开展定制化专用型设计。目前较为有代表性的有美国伍兹霍尔研究所（Woods Hole Oceanographic Institute，WHOI）设计的水下剖面信息测量浮标（McLane Moored Profiler，MMP）[8]，采用240 Ah电池供电，可以实现对30～6 000 m水深范围内的水下剖面流速和水文资料的自主观测；挪威OCEANOR公司设计的海上风剖面浮标SEAWATCH Wind LiDAR[9]，通过搭载的激光雷达实现海上剖面风速风向测量；美国NOAA设计的海啸浮标DART[10]，通过系留缆连接坐底式海啸测量仪和海面标体，实现5 000 m水深以下海域的海啸信息测量；荷兰Datawell公司设计的波浪浮标波浪骑士[11]，通过自带电池，可以实现3年的自主波浪测量、信息收集和数据传输；美国研制的光学浮标MOBY[12]，采用不倒翁式设计，在水面上布置传感器和供电太阳能板，在水下布置光学传感器和设备，可以实现对海水表层、真光层和海底光学特性的自主测量；美国NOAA设计的海水酸化观测浮标[13]，可以实现对海水表层和大气二氧化碳浓度的监测。专用型浮标的搭载能力低于传统综合性浮标，但其针对某一类型观测信息开展了适应性设计，在海域适应能力、供电能力以及成本控制等方面均得到了较大的提升。

浮标型海洋平台电子信息系统（不论是通用型还是专用型浮标）具有成本低、可推广性强以及海域使用范围大的特点，但受到结构尺寸制约，载荷搭载和感知探测能力均难以满足海洋平台电子信息系统需求。

1.2 船载型海洋信息系统

船载型海洋平台电子信息系统是利用船舶作为海洋信息采集设备的载体，对目标海域进行大范围的海域调研，具有良好的机动性。同时，它的搭载空间和供电能力也能够满足大部分海洋观测设备的搭载。此外，船载型海洋信息调查装备由于其出色的机动性，还具有一定的军事用途。

国外已经有了大量的船载型海洋平台电子信息系统装备，普遍称为海洋调查船。较为先进的有美国海军Bruce C.Heeze号综合调查船，全长100.3 m，型宽17.6 m，吃水5.8 m，续航力12 000海里。船上装备12 000 m海深测深仪、CTD、多波束、浅地层剖面仪、磁力仪、ADCP、声速系统以及海洋表面温度测量系统等，能够满足开展海洋物理、化学、地磁、水文、地震以及声学等多种学科的海洋调查；日本水产综合研究中心下属的西海区水产研究“阳光丸”渔业调查船991 t，全长58.6 m，型宽11 m，型深6.85 m，航速13节，续航力5 760海里[14]；美国“Marcus G.Langseth”海底地质调查船，船型长72 m，型宽17 m，吃水5.9 m，最大航速13节，排水量3 834 t，续航力13 500海里，且安装了Syntrak 960-24地震记录系统和气动生源阵列拖曳系统等，具有全面的地球物理学和地质地震探索能力[15]；美国海岸警卫队的“北极星”号极地调查船全长121.6 m，型宽24 m，排水量11 000 t，具备功能先进的破冰和抗横倾系统，可以实现冰区的研究和保障[16]。

在军用方面，利用海洋调查船可以开展海底监听，以监听他国潜艇动态。目前，美国海军拥有“坚强级”“胜利级”和“完美级”3种吃水深度的监测船，排水量分别为2 285 t、3 380 t、5 270 t。其中，“完美级”搭载能力最强，船长85.8 m，型宽29 m，采用双体船结构，甲板面积较传统船舶增加50%可用面积，以增加电子设备的搭载能力。它装备有主动和被动两种声呐阵列探测系统来侦探海底的潜水艇，可探知100海里范围内150～450 m深度的潜艇方位和类型。

我国在船载海洋平台电子信息系统方面也开展了大量工作。其中，中科院的“科学”号调查船是我国目前最大的综合科考船，船总长99.6 m，型宽17.8 m，设计吃水5.6 m，设计排水量约4 660 t，续航力15 000海里，可以在国际海域开展调查，配备DP-1动力定位系统，最大航速超过15节。该船安装了自动气象站、万米测深仪、ADCP、双频回声测深仪等仪器以及辅助设备，同时设置了地震实验室、地貌实验室、磁力实验室、气象实验室、干湿实验室以及重力实验室等；“海洋六号”是我国自行设计建造的地质调查船，长106 m，宽17.4 m，排水量4 600 t，续航能力15 000海里，配有4 000 m级深海水下机器人“海狮号”、深水多波束测深系统、深水浅地层剖面系统以及长排列大容量高分辨率地震采集系统等多种高科技调查设备[17]。

船载型海洋平台电子信息系统目前已经实现了在深远海和极地地区的可靠应用，在搭载能力、机动能力、环境适应能力和可持续能力等方面均具有较高的水平。但是，船载型装备的经济性较低，装备建造和运营成本高，而且无法对区域开展长期观测，限制了船载装备的用途。

1.3 平台型海洋信息系统

近年来，在浮标型和船载型装备以外，在海洋固定式平台和浮动式平台上搭载海洋观测仪器也成为一种主流方式。海洋平台尺寸一般较大，甲板尺寸可以达到100 m×100 m，因此可以提供足够的搭载空间。同时，海洋平台具有足够的能源供应，可支撑搭载的海洋仪器持续工作。然而，鉴于石油平台具有大量的水下管线，基于石油平台开展水下设备搭载难度较大，而且政治因素限制了利用石油平台开展军事用途的海洋观测活动。为了解决这一问题，各国开展了专用海洋平台的设计与建造，代表性的有韩国在苏岩礁建造的海洋观测平台。该平台采用典型导管架平台结构，出水面高36 m，利用风能、太阳能和油机供电，搭载卫通、雷达以及气象设备等海洋仪器。美国的海基X波段雷达采用海洋平台改建，甲板长119 m，宽76 m，排水量50 000 t，可承受60 m/s的台风侵袭，具有动力系统，航速可达11 km/h。雷达平台搭载了SBX雷达，对空探测距离达4 800 km，同时搭载了大量的海面探测设备，可以对所在海域的综合信息进行探测。唐山航岛海洋重工有限公司设计的桁架式超大型海上平台“航岛”，是具有长300 m、排水量达到100 000 t的海上超大型浮式平台，可以为海洋观测装备提供充足的搭载环境和搭载条件。

平台型海洋装备的搭载空间和能力较强，同时可以在海况恶劣海域长期定位观测。但是，它的造价和维护成本过高，一般仅能用于军事用途，难以大范围推广。

2 系统体系架构设计

系统在架构上可划分为支撑层、接入层、处理层和信息传送层4个层次，且标准体系、安全体系、保障体系贯穿系统架构各层。体系架构如图1所示。

图1 系统体系结构模型

2.1 支撑层

支撑层负责为系统运行提供基本保障条件，其主要有台体支撑、能源供给、基础数据和安全防护等功能。其中，台体支撑为搭载设备提供安装空间和加装接口，能源供给通过各种发电手段对搭载设备进行供电，基础数据为搭载设备提供各类基准数据，安全防护为搭载设备提供环境监视和入侵防护。

2.2 接入层

接入层负责搭载设备在物理上和业务上的接入，并将获取的信息发送至数据处理层，主要有设备接入、状态获取、开关控制和业务控制等功能。其中，设备接入为搭载设备提供电气接口和信息接口，状态获取负责采集搭载设备的各类状态信息，开关控制和业务控制分别为处理层提供设备开关机控制接口和模式控制接口。

2.3 处理层

处理层负责各类状态数据和感知业务数据的处理，以及系统的管理与控制。其中，状态管理负责对接入的系统设备状态信息进行分析，并形成系统工作日志；故障诊断根据系统工作日志和实时设备状态信息进行故障诊断，并给出故障解决建议；数据存储负责保存系统的各类业务数据、状态数据和工作日志等内容；数据融合负责对接入业务的数据进行融合处理，形成统一的态势信息；参数配置根据信息传送层下发的配置指令，完成搭载设备的软硬件参数配置；用户管理是对不同登录用户的权限进行分配；模式切换根据管控指令完成系统工作模式的切换；设备管理根据管控指令完成设备的业务模式管理和开关机的控制。

2.4 信息传送层

信息传送层负责系统与外部的信息交互，主要有数据传输、链路切换、协议转换和应急通信。其中，数据传输负责接收外部管控指令，并上报系统状态信息和感知数据；链路切换负责根据通信链路状态实现不同链路之间的切换；协议转换负责解析外部指令，并封装系统向外部传输的信息；应急通信为外部用户提供备用管控通道，并上报系统当前的运行状态信息。

2.5 标准体系

系统标准体系包括运维保障标准、工程技术标准、工程管理标准、质量管理标准和安全标准等，为系统设计、设备研制生产、总装集成、拖航及布放、运维保障等全过程提供规范和依据。

2.6 安全体系

安全体系包括数据安全、数据传输安全、网络边界防护、网络安全审计和系统安全防护等，为系统可靠运行提供安全运行环境和防护手段。

2.7 保障体系

保障体系是一个综合性体系，并非单纯依靠技术手段就能实现，而是要从运行机制、管理体制、资源配置以及标准制定等多个方面入手进行构建，是一个长期积累、持续发展和不断迭代改进的过程。

3 系统工作原理设计

海洋平台电子信息系统由海洋浮台系统、综合一体化电子信息系统和多能互补智能供电系统组成。其中，综合一体化电子信息系统由智能管控系统、基础支撑系统、多源目标处理系统和信息传送系统等组成。系统对外通过不同无线传输设备建立与用户间的通信链路，实现对岸信息交互。它在系统内部以交换机的方式建立通信网络，实现系统内部信息传输，并分隔内外网以保障系统自身信息安全，同时建立内部实时数据总线向用户设备提供姿态、位置等实时数据。系统工作原理设计如图2所示。

图2 系统工作原理

平台系统通过平台和锚系装置为全系统设备提供稳定的海上物理载体，配备照明、通风、排污以及燃油存储等设备，从而为维护人员登台检修和能源分系统柴油机运行提供物理环境保障，并配备压载水调节设备以实现不同水深条件下的平台吃水调节能力。通过台体监控完成对上述设备的状态监测和部分设备的本地控制，并将状态监测数据经内部网络上报至智能管控系统。

供电系统通过柴油机、风能、光伏以及海洋能等发电手段互补的形式实现海上自主发电，通过蓄电池完成电力存储以保证发电手段出现间断时系统能够持续运行，并在发电能力缺失的情况下为系统维护维修提供时间缓冲。供电系统通过交流220 V和直流48 V两种母线形式完成对外电力输送，并利用柴油机发电实现对台体分系统大功率设备的电力保障。同时，供电系统将自身发电、蓄电和配电的各类状态信息经内部网络上报至智能管控系统。

智能管控系统利用部署在不同舱室内的供电箱接入能源分系统的输电母线，经过稳压、整流为全系统电子设备提供不同形式的供电接口，并实现全系统电子设备的开关机管理。智能管控分系统具备主用、备用两种手段，以获取全系统设备运行状态、物理环境状态及信息交互状态，完成系统状态管理和故障诊断，同时根据用户指令、当前系统健康状态或搭载服务分系统请求，完成设备开关机、参数配置和软件更新等管控工作。

基础支撑系统除为系统搭建内部通信网络以外，通过姿态/时统设备为全系统提供基础位置、姿态和时间信息；通过内外部环境传感器，实现系统工作环境监测；通过安防设备监视台体人员入侵情况和失火情况，并采取相应警示处理手段；通过声力电话和无线路由器，为维护人员提供台体内部和近距离通信手段。同时，基础支撑系统将上述采集到的信息经内外部通信链路上报至智能管控分系统和用户，以便进行系统管控操作。

多源目标处理系统连接各类用户搭载设备和加载用户业务处理软件，根据用户指令对其搭载设备进行运行策略设定和相关业务操作，并对搭载设备采集的信息进行汇集、处理与融合，以及根据形成的周边态势情况开展不同设备间的联动操作，更好地完成用户所需的信息感知与业务服务。同时，它将获取的搭载设备状态上报至智能管控分系统进行故障分析与诊断，在对岸通信质量降低的情况下，为用户搭载设备提供数据本地存储能力。

信息传送系统主要采用Ku卫星通信和北斗通信两种手段建立对岸无线信息传送链路，通过主备两个Ku卫星通信设备对接岸基不同主站，保障宽带通信链路。同时，信息传送系统监测各对外通信设备的工作状态，获取海上通信网络质量信息，以实现对不同链路的切换，并根据当前链路传输能力对各系统需回传的数据进行组包发送。

4 系统工程特性设计

4.1 可靠性设计

海洋平台电子信息系统在海上部署使用且无人值守，故障后需出海维修，且单次维修的准备时间较长、维修本较高，因此仅当系统发生影响任务的严重故障时才需立即开展维修工作。当系统发生不影响任务的一般故障时，一般不需立即开展维修，而是尽量结合重要故障的维修或定期维护一并开展。因此，系统的可靠性工作应着重关注系统的任务可靠性，尽量避免发生严重故障，降低出海维修频率，提高系统可用性。

依据GJB 813—1990建立系统的任务可靠性模型。任务可靠性的故障判据：造成系统在任务期间不能为搭载设备提供必要的生存保障、能源供应、智能管控和数据通信服务，导致搭载设备无法工作，必须立刻进行故障维修。其中，台体分系统中为油机发电提供通风排气、变压以及供油等配套设备的可靠性，将在供电分系统中一并进行考虑。任务可靠性框图模型如图3所示。

4.2 维修性设计

根据海洋平台电子信息系统的任务特点和工作特性，系统的维修等级大致分为基层级（现场级）和基地级（返厂维修）。

4.2.1 基层级（现场级）

根据故障表现，基于综合管控系统、BIT或自动检测设备的故障定位信息，在平台系统工作现场直接定位故障并更换LRU。该级别不负责LRU的维修，直接送往基地级进行LRU的维修。基层级维修职能流程如图4所示。

4.2.2 基地级（返厂维修）

对故障LRU采用专用设备定位到SRU或元器件，并通过更换SRU或元器件等方式完成维修或直接报废处理。基地级维修职能流程如图5所示。

4.3 测试性设计

由于系统在海上部署，现场维修测试环境较为恶劣，且到现场后进行故障检测和隔离会存在无法提前准备和携带备件和维修工具等问题，从而增加了整体维修时间和维修成本。系统整体测试性和诊断设计应遵循系统自动测试为主、人工测试为辅的设计原则，尽量实现在出海维修前系统能够确认故障设备和故障模式并报送岸基，使得维修人员在出海前能够提前备好备品、备件和维修工具，降低维修的时间和经济成本。

图5 基地级维修流程

系统自动测试方面，系统安装了传感器、监控设备等硬件，并将数据上报到综合管控主机。综合管控主机上的故障诊断软件将综合分析各类数据，实现对系统故障的检测和隔离。系统设计过程中应尽量使用具有自检功能的设备，安装必要的传感器，设计故障检测机制，配合故障诊断软件，从而实现对故障或异常情况的检测和隔离。

系统人工测试方面，根据维修等级和维修任务分析，基层级（现场级）维修的主要工作是更换LRU，因此外部测试的目标通过现场的人工测试或自动诊断设备的测试将故障隔离到LRU。

4.4 保障性设计

系统应制定维修保障规划，对故障维修、定期维护内容以及所需人力及物资做出相应计划。当系统发生影响任务的严重故障时，需开展修复性维修工作。出海前，将根据故障诊断软件进行故障定位，并根据故障诊断信息确定维修所需的人员、工具、备件和技术资料。如有可能，修复性维修应尽量和定期维护保障工作合并进行。

应明确出海维修保障的规程，并能根据维修保障工作确定出海所需的船只、人员、工具、备件及技术资料要求，便于在海上开展设备维修更换、设备加装以及燃油补充等维修维护工作。系统以预埋形式安装的零部组件应具备详细清单，及其数字化规范的图纸或三维模型。

4.5 环境适应性设计

海洋平台电子信息设备在制造检验出厂后，寿命期剖面如图6所示。

图6 系统内设备寿命环境剖面

系统设备主要考虑低温、高温、湿热、霉菌、盐雾、淋雨/海浪、振动、太阳辐射、淋雨/海浪以及风等环境因素的影响，其中仅舱内设备不需考虑太阳辐射、淋雨/海浪、风等环境的影响，并针对以上环境因素确定环境适应性要求。

4.6 安全性设计

应用初步危险性分析（Application of Preliminary Hazard Analysis，PHA）方法，对浮台设计存在的危险因素类型、来源、出现阶段、导致的事故后果以及有关防范措施等进行概略分析。

分析认为，系统主要存在强电磁辐射、短路、触电、雷击、起重伤害、机械伤害以及噪声等危险因素。

4.7 电磁兼容性设计

海洋平台电子信息系统作为一型海上综合信息设备部署载体，将布置众多无线设备，其中大功率发射设备与小信号接收设备共存，并且都部署在一个相对较小的平台上，会遇到严重的频率使用冲突问题和共场地干扰问题。

共场地干扰问题主要包括发射机反向互调失真、发射机宽带噪声、发射机谐波和非谐波乱真发射、接收机互调以及寄生响应等。同时，平台通信设备与其他系统之间也存在兼容问题。克服共场地干扰的措施主要有增大天线隔离、为收发机附加RF滤波器和合理的频率管理等。

因此，一方面通过天线合理布局、射频滤波器控制发射频谱和接收响应特性、舱内单元EMC设计、良好的接地等保障措施来实现系统电磁兼容性，另一方面必须制定合理的同频带收/发设备分时使用的原则。

总体而言，在海洋平台电子信息系统设计中应分别按照工作时间、工作频段以及空间布设位置3个维度解决电磁兼容性问题。

5 结语

针对国内外各型海洋平台电子信息系统的发展情况，研究一型无人值守、智能化、灵活布署、生存能力强以及可持续工作的海洋平台电子信息系统，提出了“四横三纵”的体系结构模型，明确了海洋平台电子信息系统包括电子信息系统、平台系统和供电系统的功能架构和工作原理，同时重点对可靠性、维修性、测试性、保障性、环境适应性、安全性和电磁兼容性等系统工程特性设计要素进行逐一设计分析，可为海洋平台电子信息系统设计建模、指标分解、研制集成和功能联试提供科学的设计思路和方法。