2016, Vol. 38
2. 清华大学, 北京 100084 ;
3. 中国船舶及海洋工程设计研究院, 上海 200011
2. Tsinghua University, Beijing 100084, China ;
3. Marine Design and Research Institute of China, Shanghai 200011, China
载人潜水器母船作为一种特殊的海洋科学考察船，同样需要配备基于船载网络的信息化系统，在潜水器下潜作业期间及常规调查设备作业期间，为船舶各设备间信息共享、数据融合提供可靠、先进的手段，为各专业领域人员提供协同一致的工作环境，有效提高载人深潜航次的效率。
1 基本设计原则船舶网络系统的设计目标是构筑网络平台，实现资源共享；建立基于船舶网络的数据采集系统，以实现船舶各类设备的数据采集、传输、交换和存储；基于船舶网络的互联网访问及邮件收发系统；船域网内视频点播系统；船域网内信息交换和共享[1]。
基于以上设计目标，整个网络系统设计应坚持实用性、完整性、可靠性，同时还应考虑先进性。具体表现在充分考虑载人潜水器母船网络的特殊性，数据的安全高效性，良好的系统可扩展性，良好的可管理性等[2]，如图 1所示。
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图 1 船舶网络系统设计原则 Fig. 1 Principles of ship network system design |
载人潜水器母船信息系统可归纳为“一二六”设计思路。即1个平台，2个中心，六大系统。
1个平台是指船舶一体化网络平台，该平台是网络信息化建设的基础，承担全船乃至岸基及其他平台的数据传输和信息交互任务。同时负责将通信设备、导航设备、专业调查装备、通用服务调查装备、深海水下平台互连成一个整体。
2个中心是指数据中心和作业管理中心，是船舶网络信息系统的实体，除了遍布全船的传感器、网络接口和信息终端外，网络信息化系统的大多数核心部件均布置在数据中心和作业管理中心。
六大系统是指船舶网络系统下辖的数据采集系统、数据管理系统、安全管理系统、业务管理系统、综合视频系统及远程交互系统6个应用系统[3]。
3 数据中心数据中心即全船的计算中心、存储中心和网络中心，数据中心通常位于船舶的中心位置，方便网络布线和维护，是服务器、磁盘阵列、路由器、交换机、配线系统、安全技防系统、UPS系统等综合集成场所，其计算资源、存储备份资源、网络互联资源为调查业务活动提供硬件的支撑和服务，图 2为数据中心系统结构图。
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图 2 数据中心系统结构图 Fig. 2 Structure diagram of data center system |
载人潜水器母船可参考科考船，信息采集节点（含导航信息采集和设备信息采集）通常按照64个统一设计，能满足RS-232、RS-422、RS-485等类型的串口输入输出设备和网络输入输出设备的数据采集要求，自适应标准或非标准多种波特率，支持网路协议：ICMP/IP/TCP/UDP等[4]，图 3为数据采集系统框图。
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图 3 数据采集系统框图 Fig. 3 Block diagram of data acquisition system |
数据管理系统包括设备信息管理、数据管理、发布管理和报告管理等，如图 4所示。作为载人潜水器母船，除各类常规调查设备的信息管理外，载人潜水器本体及其水面支持系统的信息管理也是非常重要的部分。对调查资料进行现场标准化处理和常规质量控制，并根据分析研究的要求，对观测调查数据做必要的预处理、存储、备份与管理，数据处理应符合大洋数据处理规范，便于数据下船后与大洋资料中心数据处理与管理无缝交接。
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图 4 数据管理系统框图 Fig. 4 Block diagram of data management system |
这里以CTD为例，介绍整个船舶数据管理系统的数据流程，如图 5所示。首先，是数据生成，在CTD作业过程中，会产生CTD采集数据，数据先进入CTD末端处理计算机，然后通过网络传输至数据管理系统，数据管理系统通过数据适配，进入原始数据库，原始库的数据经过数据处理，进入到初步质控数据库，再经过数据发布审核，进入到发布数据库，用户能够通过访问发布数据库获取CTD数据。
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图 5 CTD数据管理框图 Fig. 5 Block diagram of CTD data management |
安全管理系统实现对船舶网络系统的访问管理控制、杀毒策略管理等，主要体现在以下几个方面：
1）接入控制：防止计算机终端被非法接入，必须经过管理员审核后才能进入网络。
2）访问控制：入网的人员应根据不同工作岗位划分相应角色，并赋予相应的访问权限，避免越权访问和涉密资源的非法操作，图 6为用户准入管理模式图。
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图 6 用户准入管理模式图 Fig. 6 User access management pattern |
3）安全控制：网络的终端必须强制安装统一的防病毒软件，并方便病毒库和系统补丁的及时更新推送。
4）终端控制：应对于网内统一配置的计算机进行管控，禁止私自安装与工作无关的软件，影响网内工作效率及信息安全。
5）数据安全控制：自动识别隐藏在文件中的关键字，防止关键数据、信息泄露，如图 7为数据安全管理控制。
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图 7 数据安全管理控制 Fig. 7 Data security management and control |
作业管理中心是全船的作业集控管理、会商决策中心，实现对全船设备监控视频、船舶监控视频、远程视频会议等音视频资源的统一监控与调度；与其他船平台、岸基的远程数据传输和远程技术支持。作为载人潜水器母船，作业管理中心还有个主要功能是载人潜水器下潜作业期间的指挥、监控、调度等。
4.1 业务管理系统业务管理系统实现以载人潜水器为主的调查计划、作业流程、调查人员、调查设备、样品的信息化、规范化管理，以航次→航段→下潜试验的形式组织报告及相关试验过程信息，同时将试验产生的数据上传数据存储系统统一管理，能够完成试验项目的跟踪管理、进度掌控、流程规范、历史项目统计。如图 8所示为业务管理系统框图。
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图 8 业务管理系统框图 Fig. 8 Block diagram of business management system |
首先总指挥和科学家通过业务管理系统登录到相关主页；然后针对航次计划进行相关的规划，主要包含航段计划、起始时间、应急预案、停靠港口等信息；将确定的航段计划任务发送给相关人员，如科学家、潜航员、调查人员及深潜保障人员等；上述人员针对任务完善相关的信息，做好人员、设备等的准备工作及任务结束后的后续工作。如图 9为业务管理系统流程图。
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图 9 业务管理系统流程图 Fig. 9 Flow diagram of business management system |
载人潜水器母船综合视频系统主要包括视频监控系统、设备状态监视系统、船舶动态信息显示系统、IPTV播放系统、大屏综合显示系统和视频会议系统等。
4.2.1 视频监控系统视频监控系统利用摄像头对船舶平台的重要部位进行实时监控，如前后甲板和重要的实验舱室等，并通过公共信息子网进行网络传输、存储和控制，监控视频应连续记录，并且保存时间一般不小于60 d。目前常用的摄像头有球型摄像机、枪式摄像机和激光摄像机，通常防护等级为IP66，通过三防检测。
4.2.2 设备状态监视系统设备状态监控系统在船域网内实现对载人潜水器和常规调查设备运行的全面监控，能实时录播设备的屏幕显示信息，可对设备运行状态进行回溯[5]。设备实时监控系统应不消耗调查设备本身的处理资源，不影响设备的稳定性。另外从安全保密角度出发，应给不同用户分配相应的控制权限。
4.2.3 船舶动态信息显示系统船舶动态信息显示系统向船上人员实时提供船舶动态信息，显示内容通常为船舶航行状态、环境信息和平台信息，包括船舶的经度、纬度、航向、航速、时间、水深、舱室外温度、湿度、风向、风速、气压以及导航、绞车、吊机等平台系统的信息参数。同时能提供可定制的信息显示以及多种形式的多媒体通知、公告、作业调度信息。各类信息通过布设在实验室、相关住舱、公共空间的IPTV电视终端显示，或通过网络在电脑上查询。
4.2.4 IPTV播放系统IPTV播放系统用于实现基于船舶局域网络的交互式视频点播应用，包含网络视频点播、视频会议及在船舶局域网络中传播的数字音视频信息等，利用视频编码盒对全船的视频信息进行编码，生成数字码流，IPTV播放系统对全部码流进行存储、播放，终端通常布置在住舱和公共区域。
4.2.5 大屏综合显示系统大屏综合显示系统实现本船作业指挥调度及其综合信息显示等功能，为作业调度、作业监控和船舶管理提供一体化的服务平台，考虑到实际应用，大屏综合显示系统的大屏幕通常设置在作业指挥监控室，目前主流的多采用LCD拼接屏或者DLP屏幕。实验室区域内，通常设置为可通过网络在计算机上访问。大屏综合显控系统设计时应采用先进的技术和系统结构，提高系统可靠性和安全性，不能对其他子系统造成安全影响和环境影响，提供冗余配置，采用模块设计，具备扩展能力。图 10为大屏幕综合显示系统示意图。
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图 10 大屏幕综合显示系统示意图 Fig. 10 Schematic diagram of large screen display system |
视频会议系统利用卫星通信技术进行船岸以及海上不同船舶之间的视频会议，支持终端点对点、多点远程会议，通过将安全服务认证和通话隐私合并的方法加强远程视频会议的安全性，同时系统可以将重要的会议存储在录播服务器。
4.3 远程交互系统远程监控管理系统通过海事卫星通信系统，通过先进的图像、语音处理设备及专业的船舶采集处理技术，在确保数据安全的前提下，实现在岸基对船舶状态的远程监控管理。并且可实现岸基与船上技术人员对船载设备的远程故障诊断及其相关技术支持，技术人员能够及时进行语音、视频的远程技术沟通与技术交流，建立具有互动功能的远程视频技术协调系统。
5 船舶网络信息系统建设实施流程网络信息系统的建设分为不同阶段建设，如图 11所示。论证阶段和方案设计阶段主要根据船东的需求，完成各分系统设计说明书、系统原理图等技术文件编制工作；技术设计阶段主要完成系统原理图、外部接线图、设备安装图等技术文件的编制，完成软件需求调研并完成软件开发，同时完成陆上联调及系泊航行试验方案的编制等；陆上联调阶段主要是根据陆上联调试验方案验证系统性能及功能指标是否满足设计要求，缩短船厂安装调试周期，确保项目进度；系泊航行阶段主要配合船厂完成设备安装及接线，完成系统功能及性能指标验收；系统运维阶段主要是提供系统全寿命保障，承诺为船东提供软件功能持续完善更新等[6]。
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图 11 网络信息系统实施流程图 Fig. 11 Implementation flow chart of network information system |
船舶网络信息系统犹如人的神经系统，遍布于船舶的每个角落，同时也将各个部位的信息进行汇总，并通过各种方式呈现在人们面前。建设一套功能全面、安全可靠、更加人性化的载人潜水器母船网络信息系统对于提高我国载人深潜科考能力具有现实意义。
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