哈爾濱工程大學(xué) 朱 軍

中國(guó)船級(jí)社 閻 璐

智能化已成為船舶行業(yè)和制造業(yè)的未來(lái)發(fā)展方向?；谛畔⑽锢硐到y(tǒng)（CPS）核心技術(shù)要素構(gòu)建的測(cè)試平臺(tái)在船舶個(gè)體、船隊(duì)與產(chǎn)業(yè)鏈層面為船舶行業(yè)及制造業(yè)提出了智能化解決方案：在船舶層面，基于綜合感知服務(wù)，保障船舶安全、高效運(yùn)行；在船隊(duì)層面，為船東提供視情使用和視情管理服務(wù)，在安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保三個(gè)方面為船東提供自主成長(zhǎng)的智能化服務(wù)支撐；在產(chǎn)業(yè)鏈層面，融合政府以及軍警民領(lǐng)域的用戶，構(gòu)建虛實(shí)映射的業(yè)態(tài)融合賽博空間，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同的全新知識(shí)認(rèn)知模式，構(gòu)建自成長(zhǎng)型的產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈。

以CPS為核心的船舶智能感知

1、CPS體系架構(gòu)

為提高基于CPS船舶信息系統(tǒng)綜合測(cè)試能力，滿足智能船舶信息系統(tǒng)多源數(shù)據(jù)感知、高速互聯(lián)互通、邊緣信息處理、資源優(yōu)化配置、實(shí)時(shí)/協(xié)同控制等動(dòng)態(tài)需求，針對(duì)多個(gè)層面基本要素之間的組織、互聯(lián)、依賴結(jié)構(gòu)或框架，解決不同類型、不同級(jí)別傳感、執(zhí)行、計(jì)算、交換等規(guī)模化設(shè)備難以按需靈活構(gòu)建不同CPS虛實(shí)閉環(huán)智能化綜合測(cè)試平臺(tái)問(wèn)題，開(kāi)展物理信息系統(tǒng)體系架構(gòu)的研究，為智能船舶體系化建設(shè)作保障。為面向智能船舶綜合測(cè)試應(yīng)用的CPS共性支撐技術(shù)研發(fā)、技術(shù)集成與演示應(yīng)用提供基礎(chǔ)理論、結(jié)構(gòu)、框架支撐，提高資源配置效率，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化。

（1）智能感知是通過(guò)傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等一些數(shù)據(jù)采集技術(shù)對(duì)隱性數(shù)據(jù)（如物理實(shí)體的尺寸、運(yùn)行機(jī)理，外部環(huán)境的溫度、液體流速、壓差等）對(duì)外界狀態(tài)的數(shù)據(jù)獲取，為數(shù)據(jù)的處理分析提供數(shù)據(jù)來(lái)源。

（2）實(shí)時(shí)利用數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、聚類分析等數(shù)據(jù)處理分析技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的直觀性、可理解性。

（3）網(wǎng)絡(luò)映射利用CPS總線等可靠網(wǎng)絡(luò)方式將其傳輸，提取有效信息與其他類似的機(jī)器或在不同的時(shí)間歷程進(jìn)行比較,對(duì)系統(tǒng)的變化信息和任務(wù)狀態(tài)的預(yù)測(cè)。建立裝備“部件級(jí)-系統(tǒng)級(jí)”實(shí)體網(wǎng)絡(luò)綜合模型，在賽博三維虛擬空間進(jìn)行映射。

（4）科學(xué)決策對(duì)當(dāng)前時(shí)刻獲取的所有來(lái)自不同系統(tǒng)或不同環(huán)境下的信息權(quán)衡判斷，形成最優(yōu)決策來(lái)對(duì)物理空間實(shí)體進(jìn)行控制。使信息轉(zhuǎn)變成知識(shí)，迭代優(yōu)化形成系統(tǒng)運(yùn)行、產(chǎn)品狀態(tài)所需的知識(shí)庫(kù)。

圖1

（5）精準(zhǔn)執(zhí)行將信息空間產(chǎn)生的決策轉(zhuǎn)換成物理實(shí)體可執(zhí)行的命令，進(jìn)行物理層面的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)高效運(yùn)營(yíng)，各環(huán)節(jié)智能協(xié)同效果逐步優(yōu)化。

2、船海數(shù)據(jù)狀態(tài)感知研究

為滿足船海數(shù)據(jù)采集的可靠性和實(shí)時(shí)性，針對(duì)數(shù)據(jù)采集難，數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一等諸多問(wèn)題，提高其信息系統(tǒng)的自主決策能力、對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)力和容錯(cuò)能力，對(duì)大量的、多種類型的傳感器進(jìn)行多源精準(zhǔn)采集，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間及節(jié)點(diǎn)與傳感器之間的高速高可靠實(shí)時(shí)通信。開(kāi)展船海數(shù)據(jù)狀態(tài)感知方面研究，涵蓋船、海、岸領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與感知，同時(shí)建立多源化，對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，為數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性作保障。

（1）面向智能船舶信息系統(tǒng)應(yīng)用的CPS節(jié)點(diǎn)多源數(shù)據(jù)精準(zhǔn)感知技術(shù)，實(shí)現(xiàn)CPS節(jié)點(diǎn)中大量結(jié)構(gòu)不同、功能各異資源的自由靈活接入和實(shí)時(shí)感知。

圖2

依托動(dòng)態(tài)可重構(gòu)高速串行總線多通道并發(fā)冗余的高速高可靠傳輸能力和遠(yuǎn)程穿透式訪問(wèn)能力，通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)總線技術(shù)、即插即用體系架構(gòu)、設(shè)備動(dòng)態(tài)加載與配置技術(shù)、非智能單元的匯聚接入技術(shù)以及時(shí)間確定性保障技術(shù)等，為CPS節(jié)點(diǎn)中多源異構(gòu)資源提供一種即插即用的接入式互連方式和支持軟件定義的動(dòng)態(tài)加載和配置規(guī)范，有效支撐智能船舶信息系統(tǒng)對(duì)海域環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)、內(nèi)部動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控等異構(gòu)CPS功能節(jié)點(diǎn)的多源數(shù)據(jù)智能感知和控制，為后續(xù)CPS端系統(tǒng)的集成感知、數(shù)據(jù)融合和數(shù)字孿生等研究提供技術(shù)支撐。

（2）另外對(duì)船舶狀態(tài)的數(shù)據(jù)收集可采用各種傳感器、數(shù)據(jù)感知裝備構(gòu)建多源傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)船舶狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息采集。

船舶高精度定位系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為滿足船舶在近海的海臺(tái)與岸臺(tái)之間通信可靠性及數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩皶r(shí)性，針對(duì)船舶在海域中與岸上通信困難、時(shí)效差等問(wèn)題，對(duì)船舶高精度定位系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，涵蓋船機(jī)平臺(tái)、岸機(jī)服務(wù)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)信息處理中心等方面的信息傳輸與交互，同時(shí)部署響應(yīng)的硬件設(shè)施和構(gòu)建數(shù)據(jù)信息處理中心，解決以上面臨的問(wèn)題，提高通信響應(yīng)能力，為岸上對(duì)船舶進(jìn)行測(cè)控及虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)作保障。

圖3

試驗(yàn)過(guò)程建模仿真

針對(duì)智能船舶過(guò)程建模精度不夠，過(guò)程建模不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)葐?wèn)題，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程仿真模型的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)過(guò)程性能評(píng)估模型設(shè)計(jì)、試驗(yàn)過(guò)程仿真三個(gè)方面的研究，形成建模仿真綜合測(cè)試能力，為數(shù)字孿生研究作保障。

1、試驗(yàn)過(guò)程仿真模型設(shè)計(jì)

通過(guò)研究智能船舶綜合能力試驗(yàn)過(guò)程中涉及的系統(tǒng)、設(shè)備、通信及網(wǎng)絡(luò)等，研究智能船舶綜合能力測(cè)試過(guò)程的要素、幾何物理信息、行為及規(guī)則，建立基于試驗(yàn)過(guò)程仿真的規(guī)則庫(kù)及數(shù)據(jù)模型庫(kù)，從多維度構(gòu)建智能船舶綜合能力試驗(yàn)過(guò)程的陸基、船基及?；谝惑w的試驗(yàn)過(guò)程仿真模型，為實(shí)現(xiàn)智能船舶綜合能力試驗(yàn)過(guò)程數(shù)字孿生仿真奠定基礎(chǔ)。

2、智能船舶運(yùn)動(dòng)模型及性能再現(xiàn)技術(shù)研究

針對(duì)智能船舶運(yùn)動(dòng)虛擬平臺(tái)需求，建立航行船舶操縱運(yùn)動(dòng)力學(xué)模型，航行性能預(yù)報(bào)，為目標(biāo)船提供基礎(chǔ)。采用理論分析、數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，綜合考慮極地和冰區(qū)環(huán)境影響，針對(duì)船舶直線以及打舵轉(zhuǎn)向航行、正車/倒車航行等不同航行工況，重點(diǎn)開(kāi)展目標(biāo)船操縱運(yùn)動(dòng)力學(xué)模型、操縱運(yùn)動(dòng)仿真以及船舶航行性能再現(xiàn)研究，通過(guò)已有模型試驗(yàn)以及實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)等對(duì)船舶性能再現(xiàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3、試驗(yàn)過(guò)程性能評(píng)估模型設(shè)計(jì)

通過(guò)調(diào)研智能船舶的智能信息系統(tǒng)、關(guān)鍵設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)傳輸、船舶動(dòng)力系統(tǒng)等性能指標(biāo)參數(shù)，研究各系統(tǒng)、裝備、信息系統(tǒng)等影響智能船舶運(yùn)營(yíng)、安全、通信等性能的關(guān)鍵因子，依據(jù)預(yù)設(shè)統(tǒng)計(jì)條件和參數(shù)閥值，構(gòu)建智能船舶綜合能力試驗(yàn)過(guò)程的性能評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)智能船舶綜合能力性能實(shí)時(shí)評(píng)估與驗(yàn)證。

4、試驗(yàn)過(guò)程仿真實(shí)現(xiàn)

結(jié)合試驗(yàn)過(guò)程仿真模型和性能評(píng)估模型的研究成果，引進(jìn)具有先進(jìn)的、適合的仿真平臺(tái)，對(duì)船舶、海、陸、空等環(huán)境進(jìn)行建模，并依次對(duì)船舶關(guān)鍵與裝備、船岸通信、陸基通信等系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，實(shí)現(xiàn)智能船舶試驗(yàn)過(guò)程可視化仿真，可視化仿真數(shù)據(jù)展示，同時(shí)可滿足智能船舶綜合能力試驗(yàn)過(guò)程仿真的需要，使智能船舶綜合能力測(cè)試與驗(yàn)證成為可能。

圖4

數(shù)據(jù)融合及數(shù)字孿生技術(shù)

為滿足在虛擬環(huán)境下數(shù)據(jù)的真實(shí)性與精確性，針對(duì)數(shù)據(jù)缺乏連續(xù)性、實(shí)時(shí)性以及數(shù)據(jù)融合性等問(wèn)題，開(kāi)展物理信息異構(gòu)要素融合、虛擬船舶多維模型融合、物理-信息數(shù)據(jù)融合、智能船舶綜合能力測(cè)試與驗(yàn)證服務(wù)融合等多應(yīng)用方面關(guān)鍵技術(shù)研究，通過(guò)信息物理的交互與融合，及船舶測(cè)試實(shí)體與數(shù)字虛體的精準(zhǔn)映射，分析智能船舶綜合能力測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、虛擬空間模型數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)等覆蓋全要素、全流程的相關(guān)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)典型海洋裝備實(shí)體的賽博空間仿真精度不少于90%。

圖5

1、物理船舶異構(gòu)要素融合

為實(shí)現(xiàn)船舶測(cè)試過(guò)程中的異構(gòu)要素智能感知與互聯(lián)，分析船舶測(cè)試過(guò)程人、機(jī)、物、環(huán)境異構(gòu)全要素信息，開(kāi)展集成規(guī)約多源多模態(tài)異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)與混雜動(dòng)態(tài)環(huán)境下異構(gòu)測(cè)試資源的行為協(xié)同精準(zhǔn)控制技術(shù)研究，開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。并開(kāi)展“人-機(jī)-物-環(huán)境”的智能感知與互聯(lián)、數(shù)據(jù)智能傳輸與集成、智能交互與控制、智能協(xié)作與共融等關(guān)鍵技術(shù)研究，從而實(shí)現(xiàn)車間內(nèi)“人一機(jī)一物一環(huán)境”全要素的智能感知與互聯(lián)、高效數(shù)據(jù)傳輸與集成、實(shí)時(shí)交互與控制、智能協(xié)作與共融。

2、虛擬船舶多維模型融合

為實(shí)現(xiàn)物理船舶到虛擬船舶的真實(shí)完整映射，分析船舶測(cè)試場(chǎng)景幾何模型構(gòu)建，物理因素（如系統(tǒng)的物理運(yùn)行參數(shù)、試驗(yàn)過(guò)程因素等）及船舶測(cè)試行為、規(guī)則、約束等，開(kāi)展虛擬船舶多位建模構(gòu)建技術(shù)、虛擬船舶多維模型評(píng)估與驗(yàn)證技術(shù)、虛擬船舶多位模型關(guān)聯(lián)關(guān)系與映射機(jī)制、虛擬船舶多維模型一致性理論與方法等研究，從而在信息空間級(jí)連與融合為一個(gè)完整的、具備高忠實(shí)度的虛擬船舶模型。

3、物理-信息數(shù)據(jù)融合

為實(shí)現(xiàn)船舶信息層面與虛實(shí)交互環(huán)境下船舶測(cè)試全要素／全范圍數(shù)據(jù)的集成融合，開(kāi)展測(cè)試過(guò)程多源異構(gòu)物理—信息數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究，包括：物理測(cè)試實(shí)體異構(gòu)要素融合、虛體多維模型融合、船舶物理—信息數(shù)據(jù)融合。并開(kāi)展數(shù)據(jù)“生成—建模—清洗”理論與技術(shù)、數(shù)據(jù)“關(guān)聯(lián)聚類挖掘”理論與技術(shù)、數(shù)據(jù)“迭代演化融合”理論與技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研究，真實(shí)地刻畫(huà)和反映測(cè)試過(guò)程狀態(tài)、要素行為等各類動(dòng)態(tài)演化過(guò)程、演化規(guī)律、統(tǒng)計(jì)學(xué)特性等，實(shí)現(xiàn)船舶物理實(shí)體多源多模態(tài)數(shù)據(jù)的集成與融合。

4、智能船舶綜合能力測(cè)試與驗(yàn)證服務(wù)融合與應(yīng)用

融合物理-信息數(shù)據(jù)的船舶孿生數(shù)據(jù)，反映物理船舶和虛擬船舶的運(yùn)行情況，驅(qū)動(dòng)并影響物理船舶和虛擬船舶的運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)制造物理世界和信息世界間智能互聯(lián)與智能操作的重要橋梁?；诖皩\生數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)有信息系統(tǒng)(如船舶機(jī)艙管理系統(tǒng)、船舶能效管理系統(tǒng)等),開(kāi)展數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的服務(wù)生成理論與方法、船舶測(cè)試與驗(yàn)證服務(wù)智能管理與優(yōu)化、船舶測(cè)試與驗(yàn)證服務(wù)協(xié)作與融合應(yīng)用等研究，形成智能船舶綜合能力測(cè)試與驗(yàn)證過(guò)程中所需的各類服務(wù)（測(cè)試報(bào)告服務(wù)、測(cè)試過(guò)程管理服務(wù)、船舶測(cè)試記錄等），從而以融合服務(wù)協(xié)作的方式實(shí)現(xiàn)船舶智能測(cè)試、精準(zhǔn)測(cè)試管控、智能仿真等智能目標(biāo)，是物理融合、模型融合、數(shù)據(jù)融合在智能船舶綜合能力測(cè)試與驗(yàn)證平臺(tái)應(yīng)用的最終體現(xiàn)。

為滿足船舶在賽博空間進(jìn)行虛擬測(cè)試要求，針對(duì)船舶綜合測(cè)試無(wú)反饋、無(wú)優(yōu)化等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)半實(shí)物，虛擬事物的仿真測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析挖掘。測(cè)試的結(jié)果、測(cè)試的過(guò)程可在可視化智控平臺(tái)上進(jìn)行綜合展示，并進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后將優(yōu)化結(jié)果反饋到智能綜合能力測(cè)試平臺(tái)中進(jìn)行再測(cè)試，再優(yōu)化，最后將最優(yōu)結(jié)果反饋到實(shí)際環(huán)境進(jìn)行執(zhí)行驗(yàn)證。

賽博安全測(cè)試技術(shù)研究

根據(jù)賽博安全測(cè)試技術(shù)要求，結(jié)合智能船舶安全測(cè)試范圍，針對(duì)賽博網(wǎng)絡(luò)的安全性差、可靠性不高等問(wèn)題，開(kāi)展賽博安全測(cè)試評(píng)估體系、船舶維系管理系統(tǒng)測(cè)試、船岸一體入侵檢測(cè)測(cè)試以及智能船舶未知威脅發(fā)現(xiàn)測(cè)試進(jìn)行初步方案的研究。

通過(guò)分析任務(wù)關(guān)鍵系統(tǒng)中核心能力形成過(guò)程，并考慮到處理過(guò)程中系統(tǒng)面臨的賽博空間威脅及其對(duì)系統(tǒng)影響，凝煉賽博安全性的度量屬性；以此為指導(dǎo)和依據(jù)，并參考現(xiàn)有的系統(tǒng)性能／效能評(píng)估指標(biāo)和信息系統(tǒng)安全測(cè)評(píng)指標(biāo)，遵循指標(biāo)選取原則，采用層次化結(jié)構(gòu)建立任務(wù)關(guān)鍵系統(tǒng)賽博安全性評(píng)估指標(biāo)體系。

針對(duì)船舶SCADA系統(tǒng)各核心能力處理流程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)，分析環(huán)節(jié)中的賽博空間威脅及其對(duì)系統(tǒng)能力造成的影響（針對(duì)信息處理環(huán)節(jié)，對(duì)手將利用定位和破壞服務(wù)器、吞占處理資源和篡改處理參數(shù)等手段，致使系統(tǒng)信息處理中斷、處理容量變小和處理精度降低等），開(kāi)展安全測(cè)試評(píng)估體系研究。

以獨(dú)立性和可測(cè)性等為原則，采用自頂而下和逐步細(xì)化的方法，構(gòu)建一個(gè)層次化的任務(wù)關(guān)鍵系統(tǒng)賽博安全性評(píng)估指標(biāo)體系框架，評(píng)估指標(biāo)體系框架如圖6所示。

圖6