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摘要：文章立足于船舶裝備、物聯(lián)網(wǎng)、計算機網(wǎng)絡(luò)、通訊等技術(shù)基礎(chǔ)，從頂層規(guī)劃層面分析了智能船舶在功能實現(xiàn)上的基本內(nèi)涵和在技術(shù)實現(xiàn)上的主要外延，適用性地提出了符合智能船舶平臺化集成要求的軟硬件體系架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)化接口體系。以此為設(shè)計開發(fā)框架，可以敏捷經(jīng)濟地指導(dǎo)智能船舶的規(guī)劃設(shè)計、設(shè)備訂購、船廠施工、分系統(tǒng)調(diào)試、大系統(tǒng)集成與信息融合等應(yīng)用實現(xiàn)。該文簡述了智能船舶的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用內(nèi)容，闡明了集成展示環(huán)境對于促進智能船舶推廣應(yīng)用的意義及作用。

關(guān)鍵詞：智能船舶；頂層規(guī)劃；體系架構(gòu)；標(biāo)準(zhǔn)化接口；集成展示

1背景分析

1.1依據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)2015年5月19日，國務(wù)院印發(fā)了《中國制造2025》。這是我國部署實施和全面推進“制造強國”戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領(lǐng)，把“海洋工程裝備和高科技船舶”作為需要聚集資源并實現(xiàn)突破發(fā)展的十大重點領(lǐng)域之一，并將集成化、智能化、模塊化的重點配套設(shè)備及關(guān)鍵造船技術(shù)作為所需掌握的核心技術(shù)。2016年3月1日，中國船級社（CCS）編制的《智能船舶規(guī)范（2015）》［1］正式開始生效，該規(guī)范主要從智能船舶的定義描述以及主體功能（智能航行、智能船體、智能機艙、智能能效管理、智能貨物管理和智能集成平臺等六個方面的功能），進行具體細(xì)化明確。

1.2基礎(chǔ)與條件智能船舶的提出順應(yīng)了船舶裝備發(fā)展與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的新潮流。首先，隨著船舶裝備數(shù)字化、智能化、信息化技術(shù)的持續(xù)發(fā)展與廣泛應(yīng)用，越來越多的設(shè)備具有可接入其領(lǐng)域局域網(wǎng)或船舶互聯(lián)網(wǎng)的可能。其次，隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的提出與相應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，基于現(xiàn)場總線、領(lǐng)域局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等形式的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、應(yīng)用開發(fā)、系統(tǒng)集成、集中監(jiān)控、分析預(yù)警、輔助決策等信息技術(shù)得到充分發(fā)展并進而推廣和應(yīng)用。再者，隨著減員增效及人性化需求的不斷發(fā)展，無人機艙、中央集控系統(tǒng)、數(shù)字化橋樓系統(tǒng)等平臺化的應(yīng)用實現(xiàn)也獲得逐步推廣。

1.3現(xiàn)實的痛點物聯(lián)網(wǎng)軟硬件架構(gòu)體系及實現(xiàn)技術(shù)現(xiàn)已基本成熟并得到充分驗證和發(fā)展，但其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用還主要局限于分領(lǐng)域范圍內(nèi)，整個體系的標(biāo)準(zhǔn)化、平臺化、融合化的向基礎(chǔ)設(shè)施方向的發(fā)展進程較為緩慢?，F(xiàn)階段，船舶領(lǐng)域裝備系統(tǒng)的智能化為有限智能（初級），其有效范圍也僅限于各裝備系統(tǒng)自身，船舶裝備的物聯(lián)網(wǎng)化發(fā)展進程較為緩慢，信息化水平較低，主要表現(xiàn)為以下幾個方面：（1）信息孤島效應(yīng)明顯。表現(xiàn)為主機、輔機、冷水機組等既有智能裝備的信息接口開放度不夠，信息的第三方應(yīng)用集成與二次開發(fā)相對困難。（2）重復(fù)建設(shè)成本較高。表現(xiàn)為各類型裝備硬件形式的應(yīng)用終端在特定區(qū)域平臺上的集中布置與應(yīng)用實現(xiàn)、信號采集、通訊接口、資源部署、應(yīng)用終端等的實現(xiàn)基本上都是相互獨立的，系統(tǒng)建設(shè)的復(fù)雜度、重復(fù)性等其他成本較高，系統(tǒng)調(diào)整變更的實現(xiàn)成本較高。（3）數(shù)據(jù)接口的等級較低。表現(xiàn)為以硬點信號線為承載的報警點信號量偏多，以串口通訊、寬帶通訊、光纖通訊等標(biāo)準(zhǔn)化接口及通訊協(xié)議為承載的應(yīng)用開發(fā)還不夠廣泛。（4）智能化信息化應(yīng)用的體系度還不夠。比如：主推進系統(tǒng)中的主機、齒輪箱、可調(diào)螺距槳等的智能化監(jiān)測與控制，與其輔助系統(tǒng)中的燃油駁運及分油系統(tǒng)、滑油駁運及分油系統(tǒng)、中央冷卻水系統(tǒng)等的管理與控制，主、輔兩類系統(tǒng)間的數(shù)字化智能化信息化的能力水平差距較大，基于相互間信息融合的應(yīng)用不足。（5）信息化應(yīng)用的層級水平還較低。應(yīng)用范圍僅限于現(xiàn)場總線級具有互操作能力的應(yīng)用終端以及有限智能的軟件交付，其故障預(yù)警與自診斷能力、故障處置的決策支持能力、維修保養(yǎng)的計劃性管理與實時監(jiān)測能力、備品件管理能力等智能化的應(yīng)用實現(xiàn)還不足。（6）信息有效應(yīng)用的形式較少。表現(xiàn)為用于支持復(fù)雜業(yè)務(wù)場景的信息融合與應(yīng)用開發(fā)還非常欠缺，用于評價裝備可靠性與體系能力貢獻率的模型、框架及相互間邏輯關(guān)系的應(yīng)用還沒有。（7）平臺化集成的實現(xiàn)等級還較低。集成方式仍主要體現(xiàn)為對各類型終端設(shè)備在統(tǒng)一物理平臺上的布置位置的空間規(guī)劃、優(yōu)化與調(diào)整等，基于信息集成、應(yīng)用集成、服務(wù)集成、網(wǎng)絡(luò)集成的標(biāo)準(zhǔn)化客戶端及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的信息化數(shù)字平臺還稀少。

1.4指導(dǎo)方法智能船舶的提出、研究與建設(shè)，就是要在既有數(shù)字化、智能化裝備基礎(chǔ)上，以及無人機艙、中央集控系統(tǒng)、數(shù)字化橋樓系統(tǒng)等平臺化的應(yīng)用實現(xiàn)上，借鑒物聯(lián)網(wǎng)軟硬件架構(gòu)體系及其實現(xiàn)方式，借助成熟的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其資源配置管理方法，適用性地提出船舶裝備物聯(lián)網(wǎng)及信息化應(yīng)用的軟硬件體系架構(gòu)，定義相應(yīng)的接口標(biāo)準(zhǔn)，并據(jù)此規(guī)劃與部署相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)資源、進行相應(yīng)的應(yīng)用開發(fā)，突出對用戶需求的調(diào)研、分析、挖掘、發(fā)現(xiàn)與實現(xiàn)，最終以網(wǎng)絡(luò)平臺環(huán)境下的基礎(chǔ)資源及應(yīng)用服務(wù)向廣泛的用戶提供權(quán)屬范圍內(nèi)的業(yè)務(wù)支撐，促進裝備信息的有效流動、科學(xué)管理、高效應(yīng)用，使數(shù)字化智能化的船舶分裝備向船舶裝備物聯(lián)網(wǎng)及信息化智能化協(xié)同化的應(yīng)用體系轉(zhuǎn)變。

2概念分析

2.1基本定義目前，英國勞氏船級社（LR）和中國船級社（CCS）都有針對智能船舶的描述。英國勞氏船級社智能船舶入級指導(dǎo)文件，定義了船舶自動化的程度，從AL1-AL6，分為六個等級，從設(shè)計到營運，針對每個等級的特征進行定義。相比之下，CCS的定義相對更具體。智能船舶系指利用傳感器、通信、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，自動感知和獲得船舶自身、海洋環(huán)境、物流、港口等方面的信息和數(shù)據(jù)，并基于計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理、分析技術(shù)，在船舶航行、管理、維護保養(yǎng)、貨物運輸?shù)确矫鎸崿F(xiàn)智能化運行的船舶，使船舶運行更加安全、環(huán)保、經(jīng)濟、可靠［2］。中國船級社（CCS）《智能船舶規(guī)范》，針對常規(guī)的軸系柴油機推進的運輸商船提出有關(guān)智能的六大基本符號，概括為：i-ship（N）智能航行/Navigationi-ship（H）智能船體/Hulli-ship（M）智能機艙/Machineryi-ship（E）智能能效/Energyi-ship（C）智能貨控/Cargoi-ship（I）智能集成平臺/Integration智能船舶與常規(guī)船的技術(shù)差異主要是在常規(guī)船的基礎(chǔ)上增設(shè)以下功能：（1）增加船端統(tǒng)一集成平臺，實現(xiàn)船端各系統(tǒng)的互聯(lián)互通，通過數(shù)據(jù)的綜合分析和評估，提供輔助決策功能，同時通過船岸通訊實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。（2）船舶實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)能力，并可完成部分的自主操作，通過加強岸端系統(tǒng)的建設(shè)實現(xiàn)對船舶的遠(yuǎn)程控制。（3）通過船岸港的一體智能化建設(shè)，船舶實現(xiàn)最終的無人駕駛，自主航行、自主靠港。基于以上定義以及相關(guān)功能組成，智能船舶是以用戶需求及關(guān)鍵業(yè)務(wù)內(nèi)容為牽引，將人性化、智能化的應(yīng)用實現(xiàn)，貫穿于船舶平臺設(shè)計、建造、運用、管理、維修等全壽命周期的所屬產(chǎn)品、環(huán)境及體驗的船舶系統(tǒng)的總稱，包含物聯(lián)網(wǎng)體系中的感知層、傳輸層、應(yīng)用層等各層級領(lǐng)域內(nèi)容［3］，并需要選用較為經(jīng)濟、高效、便捷、可靠的計算機網(wǎng)絡(luò)及其資源為支撐，采用合理的接入、控制、承載、疊加、部署、認(rèn)證和協(xié)同形式等，目的是以人性化智能化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的形式實現(xiàn)對船舶系統(tǒng)及其裝備的體系性信息描述及高效合理的信息使用。

2.2內(nèi)涵分析智能船舶實現(xiàn)的物理平臺是船舶，這是由其領(lǐng)域特性及服務(wù)對象所決定的，其人性化、智能化應(yīng)用的首要目的是支持船舶系統(tǒng)所屬功能性能的發(fā)揮。其實現(xiàn)形式及主要內(nèi)容必然是圍繞船舶系統(tǒng)領(lǐng)域范圍內(nèi)的相關(guān)業(yè)務(wù)內(nèi)容而展開；其次才是對船舶系統(tǒng)輔助功能及相關(guān)應(yīng)用的拓展。所交付的產(chǎn)品也是支持船舶系統(tǒng)相關(guān)業(yè)務(wù)需求的終端產(chǎn)品、應(yīng)用環(huán)境、交互體驗等。

2.3外延分析（1）智能船舶實現(xiàn)的基礎(chǔ)條件是數(shù)字化智能化裝備、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，其相關(guān)技術(shù)與實現(xiàn)方式亦具有通用性、多樣性等特點，在多領(lǐng)域、多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成中需要做好“云與?！斌w系規(guī)劃，在大系統(tǒng)的應(yīng)用集成中需要做好分布式應(yīng)用部署與虛擬化集中部署的體系規(guī)劃，在多鏡像系統(tǒng)中需做好數(shù)據(jù)的同步、緩存、更新等。（組成要素及硬件體系）（2）智能船舶實現(xiàn)的核心是以用戶需求及關(guān)鍵業(yè)務(wù)內(nèi)容為牽引，及以此為目的的對相關(guān)人性化智能化應(yīng)用的技術(shù)實現(xiàn)及條件創(chuàng)造。簡單便捷、智能高效、安全可靠的人性化交互界面、業(yè)務(wù)內(nèi)容、應(yīng)用環(huán)境的保障是用戶體驗的首要關(guān)注點，相關(guān)技術(shù)、設(shè)施、設(shè)備的應(yīng)用是實現(xiàn)手段。（用戶關(guān)注點及其輸入條件）（3）智能船舶實現(xiàn)的關(guān)鍵是可用于指導(dǎo)智能船舶設(shè)計、建造的高可用性的開發(fā)框架及標(biāo)準(zhǔn)化的接口體系，包括硬件體系架構(gòu)及其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?、軟件體系架構(gòu)及其業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系、交互信息及通訊協(xié)議等。按照該框架、體系，總體負(fù)責(zé)單位就可以對分系統(tǒng)設(shè)備商和分系統(tǒng)開發(fā)團隊形成有效的規(guī)定約束并開展相應(yīng)的分工、協(xié)同，從而實現(xiàn)智能船舶設(shè)計建設(shè)過程的敏捷化和高效化。（系統(tǒng)框架及標(biāo)準(zhǔn)化接口）（4）智能船舶實現(xiàn)的工質(zhì)是船舶系統(tǒng)及其裝備的描述信息。通過對智能裝備及其信息接口的開放和補充，對裝備信息的數(shù)據(jù)采集、分析、管理、控制、消費等的應(yīng)用開發(fā)，以及所需元數(shù)據(jù)庫建設(shè)、數(shù)據(jù)中心建設(shè)、數(shù)據(jù)消費方式實現(xiàn)、軟件開發(fā)平臺建設(shè)、應(yīng)用部署環(huán)境建設(shè)、人員身份信息及信息訪問權(quán)限管理等，實現(xiàn)對船舶系統(tǒng)及其裝備信息的科學(xué)、高效、合理使用。

（信息流是智能船舶的血液）（5）智能船舶實現(xiàn)的難點是基于業(yè)務(wù)邏輯的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、知識表示、知識完善、知識應(yīng)用的底層領(lǐng)域應(yīng)用開發(fā)。數(shù)據(jù)分析時，主要以基于既有知識及相關(guān)業(yè)務(wù)邏輯的特征提取，通過對數(shù)據(jù)的向上鉆取，實現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)空間數(shù)據(jù)在時間序列上的最大程度的降維與性能評價，并用以支持系統(tǒng)監(jiān)控與運維管理等；當(dāng)發(fā)生異常狀態(tài)評價時，可基于特定的知識及業(yè)務(wù)邏輯，對數(shù)據(jù)進行向下鉆取，實現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)空間數(shù)據(jù)在時間序列上的最大程度的增維，通過對系統(tǒng)狀態(tài)空間的可觀性來支持輔助決策。數(shù)據(jù)挖掘時，主要以基于時間序列的統(tǒng)計分析、回歸分析、關(guān)聯(lián)分析、分類分析、聚類分析等方法為主，并且需要對所發(fā)現(xiàn)的知識特征以及奇異點等進行基于業(yè)務(wù)邏輯的分析解釋，并采用計算機邏輯語言的形式為知識表示，進而將其補充到可供分析應(yīng)用的知識策略庫中。（中間產(chǎn)品及資源消耗）（6）智能船舶實現(xiàn)的亮點是基于用戶需求及業(yè)務(wù)內(nèi)容的人性化交互接口、信息聚合方式、消息推送服務(wù)等頂層應(yīng)用開發(fā)，包括基于人員身份信息的單點登錄、訪問權(quán)限控制等。面向用戶的頂層應(yīng)用開發(fā)及其終端設(shè)備、平臺環(huán)境等是支持用戶完成特定業(yè)務(wù)內(nèi)容的信息化交互接口，是智能船舶的外在表現(xiàn)形式，是用戶體驗獲取與應(yīng)用評價的直接對象，也是底層應(yīng)用實現(xiàn)及數(shù)據(jù)產(chǎn)品消費并表現(xiàn)相應(yīng)價值的承載主體。（終端產(chǎn)品及價值體現(xiàn)）（7）智能船舶實現(xiàn)的特點是基于接口的通用性、實現(xiàn)上的多樣性、建設(shè)上的經(jīng)濟性，以及功能性能上的安全性、可靠性、穩(wěn)定性，還有規(guī)模、內(nèi)容、空間、時間上的擴展、延伸、變更、遷移、異構(gòu)、演進等。其中，功能、性能的安全性是依靠相對獨立的有限開放來實現(xiàn)，尤其是要求快速響應(yīng)的領(lǐng)域系統(tǒng)或智能化裝備，如船舶主機、發(fā)電機等的控制主要依靠于本地化的智能模塊及控制器；建設(shè)上的經(jīng)濟性是通過接口上的通用性和實現(xiàn)上的多樣性來保證，并構(gòu)成為可擴展、變更的基礎(chǔ)；空間上的延伸性包括感知層面有效節(jié)點的擴展、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入方式的擴展、傳輸層面信息隧道的應(yīng)用與端到端信息鏡像的管理等。（一般性特點、要求、關(guān)系等）

3頂層規(guī)劃

3.1概念智能船舶實現(xiàn)的顯著特征是智能，是在船舶設(shè)計、建造、運用、管理、維修等全壽命周期中將人性化智能化的應(yīng)用需求實現(xiàn)；并將其集成到相應(yīng)的終端產(chǎn)品、應(yīng)用環(huán)境、系統(tǒng)平臺中；具有友好的交互體驗，對船舶系統(tǒng)相關(guān)業(yè)務(wù)的開展具有良好支撐作用。3.2頂層規(guī)劃體系智能船舶實現(xiàn)的內(nèi)在本質(zhì)是對船舶系統(tǒng)及其所屬裝備相關(guān)信息體系的科學(xué)規(guī)劃、正確描述、安全管理、高效使用的應(yīng)用實現(xiàn)方式。在規(guī)劃這套信息體系時，需要充分考慮現(xiàn)有的船舶系統(tǒng)，包括總體、船體、輪機、電氣以及舾裝等特征，能夠?qū)Υ跋到y(tǒng)及其所屬裝備的相關(guān)功能、性能、狀態(tài)進行準(zhǔn)確全面的描述和反映，并以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的形式給出相應(yīng)的評價分析、趨勢分析、診斷分析、決策分析、管理分析或信息支持等。

4體系架構(gòu)

4.1硬件體系架構(gòu)與物聯(lián)網(wǎng)體系的硬件實現(xiàn)相類似，在技術(shù)實現(xiàn)上，智能船舶的硬件體系也可切分為多個邏輯平面，可分為現(xiàn)場感知層、異構(gòu)接入層、基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)層、平臺疊加層、用戶接口層、平臺環(huán)境層。其中，現(xiàn)場感知層主要由開放接口的智能裝備及基于現(xiàn)場總線的感知網(wǎng)絡(luò)、基于光纖的傳感網(wǎng)絡(luò)等組成，如用于船體健康監(jiān)測的分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)及其設(shè)備終端等；異構(gòu)接入層主要是指實現(xiàn)對現(xiàn)場感知網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換并將其接入TCP/IP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的設(shè)施設(shè)備，包括光纖、以太網(wǎng)、總線和無線接入的各種形式。基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)層是船舶系統(tǒng)通訊實現(xiàn)的最基本方式，實現(xiàn)形式如以太網(wǎng)、光纖等；平臺疊加層主要用于部署數(shù)據(jù)中心、基礎(chǔ)應(yīng)用服務(wù)器、Web應(yīng)用服務(wù)器、加解密服務(wù)器、CDN服務(wù)器等；用戶接口層主要為人性化智能化應(yīng)用的終端設(shè)備，包括計算機工作站、桌面、移動終端等；平臺環(huán)境層主要是指用以集成或支持終端設(shè)備的臺體、電源、接入網(wǎng)及其他人性化的設(shè)計實現(xiàn)等。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问娇梢愿爬榛赥CP/IP基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的泛在接入與無限擴展，包括處于網(wǎng)絡(luò)前端的現(xiàn)場感知網(wǎng)絡(luò)、處于網(wǎng)絡(luò)中端的平臺疊加層、處于網(wǎng)絡(luò)后端的客戶終端等。另外，對于岸船協(xié)同系統(tǒng)，其還包括數(shù)據(jù)中心相關(guān)內(nèi)容的鏡像遷移與管理等，以及所需的通訊隧道技術(shù)的應(yīng)用。

4.2軟件體系架構(gòu)與計算機網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用實現(xiàn)相類似，智能船舶在技術(shù)實現(xiàn)上其軟件體系可以分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)分析層、數(shù)據(jù)管理層、應(yīng)用層等。其中，數(shù)據(jù)采集層主要部署于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點并實現(xiàn)相關(guān)通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)分析層主要部署于專業(yè)化的數(shù)據(jù)分析、處理工作站，其配置有豐富的數(shù)據(jù)分析策略及相關(guān)應(yīng)用，并可以向數(shù)據(jù)中心訂閱相應(yīng)的有待分析的數(shù)據(jù)源；數(shù)據(jù)管理層主要由數(shù)據(jù)中心或數(shù)據(jù)庫及其管理工具來實現(xiàn)，實現(xiàn)對有效數(shù)據(jù)的存儲管理、訪問控制、消息推送等；應(yīng)用層主要由分布式應(yīng)用服務(wù)器、Web應(yīng)用服務(wù)器等來提供應(yīng)用服務(wù)，用戶可以采用基于富客戶端的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)或基于瘦客戶端的Web服務(wù)來獲取應(yīng)用服務(wù)。其業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系可以簡述為：數(shù)據(jù)采集層主要用以支持底層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的匯聚；數(shù)據(jù)分析層主要用以專業(yè)化的數(shù)據(jù)分析及領(lǐng)域范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)邏輯解讀，其產(chǎn)品輸出是可供消費的有效數(shù)據(jù)、評價、決策等；數(shù)據(jù)管理層是數(shù)據(jù)存儲、管理、訪問、推送的中間層，可以隔離底層應(yīng)用開發(fā)與上層應(yīng)用開發(fā)之間的接口耦合關(guān)系，并且簡化對海量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)管理與有效控制；應(yīng)用層是面向用戶的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)實現(xiàn)，是對有效數(shù)據(jù)、評價、決策等信息的消費接口，也是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與用戶間的交互接口，并可以分為服務(wù)端和客戶端，其表現(xiàn)層的實現(xiàn)方式還可以細(xì)分為MVC開發(fā)框架。

4.3標(biāo)準(zhǔn)化接口體系標(biāo)準(zhǔn)化接口體系的基礎(chǔ)是模型語言與功能屬性描述，表現(xiàn)形式是元數(shù)據(jù)及其資源庫，模型對象庫，以及模型對象間發(fā)生相互作用時所需的消息應(yīng)用協(xié)議。其中，模型表述所需的元數(shù)據(jù)是有粒度的，具有自描述、自包含的特點，以及格式化、結(jié)構(gòu)化的特點。模型對象之間的關(guān)系必須是面向?qū)ο螅∣O）的和具有實體關(guān)系（ER）的。采用元數(shù)據(jù)，通過可編配、可擴展的方式來結(jié)構(gòu)化地定義各種信息模型的數(shù)據(jù)類型、組成結(jié)構(gòu)、屬性特點、數(shù)據(jù)格式、單位度量等，能使各種數(shù)據(jù)類型在其相應(yīng)組成、屬性、格式、度量等的描述與定義方式上高度一致，從而為跨系統(tǒng)集成與信息融合等提供有利條件，并降低數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等的實現(xiàn)成本與運算復(fù)雜度，也為數(shù)據(jù)的存儲、查詢與使用等管理提供有效的技術(shù)手段。元數(shù)據(jù)信息模型的設(shè)計與生成，按照面向復(fù)用的原則，在中心數(shù)據(jù)庫及其數(shù)據(jù)字典的統(tǒng)一環(huán)境下，采用自頂向下的細(xì)化設(shè)計，以及自底向上的編配組合。區(qū)別于傳統(tǒng)的ER數(shù)據(jù)庫信息模型的設(shè)計方法，元數(shù)據(jù)信息模型通常采用星形模型或雪花模型。這種基于細(xì)粒度的元數(shù)據(jù)信息模型的編配與組合方式，能夠在特定的領(lǐng)域主題范圍內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)倉庫的范式要求，且體現(xiàn)了ER數(shù)據(jù)庫信息模型設(shè)計的基本思想。由于領(lǐng)域范圍內(nèi)相應(yīng)主題關(guān)注點的部分交叉，不同主題應(yīng)用間的多個大粒度的元數(shù)據(jù)信息模型，會存在一定程度的信息冗余。由于采用在統(tǒng)一環(huán)境下的元數(shù)據(jù)信息模型的設(shè)計與生成方法，該部分冗余并不會導(dǎo)致信息在表述上的不一致。相反，其更有助于發(fā)現(xiàn)各分系統(tǒng)間的信息關(guān)聯(lián)，有效促進信息融合與系統(tǒng)融合。且能使大粒度的元數(shù)據(jù)信息模型可以基于此逐漸生成并不斷完善。面向?qū)ο蟮膶嶓w關(guān)系，即對象間接口關(guān)系，包括數(shù)據(jù)接口和功能接口兩個部分，并可采用技術(shù)元數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)分別描述。其在應(yīng)用實現(xiàn)上可以采用SOAP、JOSN、XML等語言形式來表述。

5主要內(nèi)容

5.1基于框架體系的設(shè)計、采購、建造依托于高可用性的指導(dǎo)智能船舶設(shè)計建造的開發(fā)框架及標(biāo)準(zhǔn)化的接口體系，總體責(zé)任單位就可以對分系統(tǒng)設(shè)備商和分系統(tǒng)開發(fā)團隊形成有效的規(guī)約并開展相應(yīng)的分工、協(xié)同，從而實現(xiàn)智能船舶在設(shè)計、建設(shè)、管理過程中的敏捷化和高效化，并且有效促進各類型裝備、設(shè)備、設(shè)施向該框架體系的靠攏與發(fā)展。智能船舶的實施是一項綜合性系統(tǒng)工程，在設(shè)計之初就應(yīng)該根據(jù)船級社的入級要求從總體、船體、輪機、電氣和舾裝各專業(yè)綜合考慮。以智能機艙為例，設(shè)計者除了要考慮常規(guī)船機艙的設(shè)備、系統(tǒng)、布置以及安裝外，還應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求，綜合利用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)所獲得的各種信息和數(shù)據(jù)，對機艙內(nèi)機械設(shè)備的運行狀態(tài)、健康狀況進行分析和評估，用于機械設(shè)備操作決策和維護保養(yǎng)計劃的制定。對機艙內(nèi)的主推進發(fā)動機、輔助發(fā)電用發(fā)動機、軸系的運行狀態(tài)進行監(jiān)測；根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)，對機械設(shè)備的運行狀態(tài)和健康狀況進行分析和評估；根據(jù)分析與評估結(jié)果，提出糾正建議，為船舶操作提供決策建議［2］。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，不但需要確定物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的軟、硬件框架，同時需要整理出數(shù)據(jù)采集和控制點的清單。為解決本文1.3節(jié)中列出現(xiàn)實的痛點，設(shè)計者需要和設(shè)備供應(yīng)商進行充分的溝通和協(xié)商，整理出各個設(shè)備的數(shù)據(jù)接口格式、數(shù)據(jù)類型等。把有數(shù)據(jù)接口的設(shè)備數(shù)據(jù)利用采集終端轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式上傳，設(shè)計者同時還應(yīng)該對沒有數(shù)據(jù)接口的設(shè)備增加傳感器和采集終端。由于船用設(shè)備供應(yīng)商多樣性，這需要采購部門和供應(yīng)商共同努力，對于相關(guān)設(shè)備盡量采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口。從短期來看，這些確實是阻礙智能船舶發(fā)展的痛點，但從長期來看則是大勢所趨。另外，對于像主機遙控、監(jiān)測報警、閥門遙控和液位遙測等本身就有控制臺的設(shè)備和系統(tǒng)，應(yīng)考慮從標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口拿數(shù)據(jù)，減少或取消控制臺，由應(yīng)用層服務(wù)器統(tǒng)一顯示和控制，將來甚至可以取消集控室或貨控室，由數(shù)據(jù)監(jiān)測和設(shè)備控制中心取代。

5.2能化感知系統(tǒng)的補充與完善隨著船舶安全監(jiān)測及人居環(huán)境評價等相關(guān)業(yè)務(wù)需求的發(fā)展，可以建設(shè)用以船體健康監(jiān)測的分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)及其智能化的設(shè)備終端，可以建設(shè)用以船體、設(shè)備、平臺振動或噪聲監(jiān)測的感知網(wǎng)絡(luò)。

5.3泛在接入的模塊化標(biāo)準(zhǔn)化實現(xiàn)對于現(xiàn)場感知層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，其數(shù)據(jù)定義格式、網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)形式等的差異性較大，需要采用接口及協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊來實現(xiàn)由底層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)向平臺性基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的接入。采用模塊化標(biāo)準(zhǔn)化的接口轉(zhuǎn)換模塊，并實現(xiàn)相應(yīng)轉(zhuǎn)換協(xié)議的自定義配置，這將是高效便捷的實現(xiàn)方法及應(yīng)用模式。

5.4基于策略集的數(shù)據(jù)分析與補充策略集是對裝備系統(tǒng)構(gòu)成及其內(nèi)部邏輯的計算機語言表述，這是由裝備系統(tǒng)的構(gòu)成原理、分系統(tǒng)間關(guān)系、人員認(rèn)知水平等先驗知識所決定的，對裝備功能性能的描述與評價具有非常積極的作用。由于認(rèn)知水平的發(fā)展，以及分系統(tǒng)間關(guān)系的變更等，策略集需進行相應(yīng)補充、完善或調(diào)整。

5.5基于相關(guān)屬性的數(shù)據(jù)挖掘與解釋實現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘是需要成本的，這就需要采用較為經(jīng)濟高效的分析方法。而基于相關(guān)屬性的數(shù)據(jù)挖掘則相對較為容易，對于其所產(chǎn)生的知識特征也較為容易判讀和解釋，對于有用的知識特征可將其補充到數(shù)據(jù)分析的策略集中。

5.6頂層應(yīng)用開發(fā)及其終端設(shè)備以面向用戶和需求拉動的方式來規(guī)劃設(shè)計頂層應(yīng)用，并且按照人員的領(lǐng)域特性及視角特點來規(guī)劃信息實現(xiàn)，通過不同的信息聚合方式及上下鉆取方式、導(dǎo)航方式等來提供人性化智能化的信息消費及應(yīng)用服務(wù)。

5.7遠(yuǎn)程監(jiān)控、診斷、托管等實現(xiàn)智能船舶實現(xiàn)所需的基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)資源、計算資源、存儲資源、軟件資源、應(yīng)用資源等的訂購、開發(fā)、建設(shè)、部署、應(yīng)用等相對受設(shè)計建設(shè)時的資金預(yù)算、布置空間分配、使用范圍及其體系性作用、可復(fù)用程度及其成本攤薄、智能化實現(xiàn)的軟件能力及等級水平等條件所限制。因此，即使最先進的智能化船舶，其單船智能化程度在實現(xiàn)上也是受限制的，更為專業(yè)而復(fù)雜的業(yè)務(wù)功能，如領(lǐng)域性故障分析診斷、路徑規(guī)劃決策、方案優(yōu)化設(shè)計等，需采用服務(wù)租用的形式，交付給相應(yīng)的岸基服務(wù)中心來獲取。通過相應(yīng)的隧道通信技術(shù)、鏡像管理技術(shù)等保證岸船間的準(zhǔn)實時性和近似同步；相應(yīng)的監(jiān)控、診斷、托管等技術(shù)實現(xiàn)也是柔性化的，相應(yīng)物理系統(tǒng)間的關(guān)系是自主化的；岸基服務(wù)中心的軟硬件資源、知識庫資源、專家?guī)熨Y源都是最優(yōu)化的。

5.8特殊應(yīng)用開發(fā)及其業(yè)務(wù)實現(xiàn)環(huán)境（1）船舶安全中心：火災(zāi)報警、疏散指示、防火門及防火風(fēng)閘控制、風(fēng)機控制、速關(guān)閥控制、水噴淋控制、CO2釋放報警與控制、船體健康監(jiān)測、艙室環(huán)境監(jiān)測、船體振動監(jiān)測等監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用集成。（2）視情維修監(jiān)測、決策、保障系統(tǒng)：基于裝備系統(tǒng)構(gòu)成與業(yè)務(wù)邏輯的故障分析、預(yù)警、告警、診斷、評價、決策的裝備監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用集成，以及基于設(shè)備維護保養(yǎng)規(guī)程的計劃性維修提醒、基于設(shè)備實時監(jiān)控與狀態(tài)性能評價的視情性維修決策、備品件出入庫管理及申報管理等智能化的管理軟件。（3）完整性、安全性、可靠性能力評價系統(tǒng)：基于船舶系統(tǒng)間接口關(guān)系與業(yè)務(wù)邏輯的模型描述，以及對平臺體系內(nèi)相關(guān)能力的評估和體系貢獻率的計算，并據(jù)此設(shè)計的評價推演軟件或仿真平臺。

5.9用戶端無線接入與桌面集成的平臺環(huán)境包括人性化的移動用戶端的無線接入與單點登錄方式，以及對工作站形式的桌面應(yīng)用客戶端主機及其顯示器等的統(tǒng)一桌面集成，還有所需的網(wǎng)絡(luò)管控、正常電源、應(yīng)急電源、接地系統(tǒng)等平臺條件、環(huán)境條件。這是智能船舶實現(xiàn)人機交互的宏觀接口，是增強或改善人機交互體驗的一個重要環(huán)節(jié)。

6集成展示環(huán)境

智能船舶集成展示環(huán)境的打造引領(lǐng)了未來船舶設(shè)計建造與裝備使用管理的新方向。船舶系統(tǒng)的設(shè)計建造具有典型的集約性，從設(shè)計到交付的時間周期相對較短，而所需集成的設(shè)備設(shè)施卻日益增多、日趨先進，以滿足不斷提高的功能性能要求。與此相比，智能船舶對于智能裝備及其標(biāo)準(zhǔn)化接口、通訊協(xié)議的要求更嚴(yán)，系統(tǒng)實現(xiàn)的難度和復(fù)雜度更高。這就需要有較為成熟、經(jīng)濟、敏捷、高效的指導(dǎo)船舶系統(tǒng)進行裝備集成的設(shè)計開發(fā)框架、標(biāo)準(zhǔn)化接口體系和總體責(zé)任單位，并可以采用推的方式來促進智能裝備、智能船舶的應(yīng)用實現(xiàn)。對于具體的船舶項目而言，其總體設(shè)計單位、總體施工單位基本具有唯一性，在此基礎(chǔ)上引入智能船舶系統(tǒng)集成的總體責(zé)任單位可以形成更為專業(yè)化、系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的業(yè)務(wù)分工與協(xié)同合作，并形成為船舶系統(tǒng)設(shè)計建造過程中高效運行推進的一種新形式?；诟甙踩浴⒖煽啃?、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性、可變更性、可擴展性、可演進性的軟硬件體系架構(gòu)，構(gòu)建人性化智能化的數(shù)據(jù)分析、消息推送、應(yīng)用開發(fā)、軟件部署、配置管理、應(yīng)用交互、輔助決策、監(jiān)控管理的平臺化應(yīng)用集成環(huán)境，這是滿足用戶關(guān)于設(shè)備智能化集約化平臺化管理、應(yīng)對復(fù)雜業(yè)務(wù)場景、新功能新需求可以不斷植入、變更實現(xiàn)較為敏捷經(jīng)濟高效的必然趨勢與有效途徑，并可以由該類型業(yè)務(wù)需求及其應(yīng)用實現(xiàn)的不斷豐富、完善與發(fā)展來拉動智能裝備、智能船舶的不斷發(fā)展。對于需要新造船舶的用戶而言，智能船舶的集成展示環(huán)境實際上是用戶各類型潛在需求及其應(yīng)用實現(xiàn)的范例性成果展示平臺?；谠撈脚_，用戶可以獲取相關(guān)應(yīng)用實現(xiàn)的感性交互體驗，并對其作用、價值等作出合理評估，進而可用以指導(dǎo)自身的業(yè)務(wù)需求分析與選擇規(guī)劃，最終以菜單選項的方式完成對相關(guān)業(yè)務(wù)需求及其應(yīng)用實現(xiàn)的快速配置。總體責(zé)任單位則可據(jù)此進行基于相關(guān)框架體系、標(biāo)準(zhǔn)接口、使用經(jīng)驗、應(yīng)用范例的項目定制，對內(nèi)外部產(chǎn)品及其配套廠商等進行合理計劃、分配、跟進、管理等；可據(jù)此進行基于產(chǎn)品設(shè)計制造流程的資源配置、范例復(fù)制、軟件移植等工作。

7結(jié)論

本文以實現(xiàn)智能船舶的應(yīng)用為關(guān)注點，突出了用戶需求及關(guān)鍵業(yè)務(wù)內(nèi)容的牽引性作用，從頂層規(guī)劃層面分析其在功能實現(xiàn)上的基本內(nèi)涵和在技術(shù)實現(xiàn)上的主要外延；提出符合智能船舶平臺化集成要求的軟硬件體系架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)化接口體系，該框架可以敏捷經(jīng)濟高效地指導(dǎo)智能船舶相應(yīng)規(guī)劃設(shè)計、設(shè)備訂購、船廠施工、分系統(tǒng)調(diào)試、大系統(tǒng)集成與信息融合等應(yīng)用實現(xiàn)；指出用以支持智能船舶應(yīng)用實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用內(nèi)容，確認(rèn)智能船舶由概念走向?qū)崿F(xiàn)的主要內(nèi)容及基本方法；并論述了集成展示環(huán)境對于促進智能船舶推廣應(yīng)用的意義及作用。

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作者：周志鳳1 黃嶸2 龔瑞良3 單位：1.中國衛(wèi)星海上測控部；2.中國極地研究中心；3.常熟瑞特電氣股份有限公司