“雪龙2”号科考作业协同管理平台设计与实现

1、“雪龙2”号科考作业协同管理平台设计与实现提要 “科考作业协同管理平台”以国家极地战略需求为导向，以“雪龙2”号极地科考破冰船为对象，按 照科考破冰船的航行与科考作业要求，针对“科考协同作业”问题进行协同创新与应用研究，切实提高我国 极地科考能力水平。通过分析科考航次计划执行与管理活动，提炼核心管理要素和业务流程，在充分调查与 梳理中国极地研究中心“业务化调查”历史文件的基础上，采用统一建模语言UML (Unified Modeling Language)总结和分析极地科考业务，提出解决科考业务核心需求“协同作业”的业务架构设计，并在此基础上提出管理平台的技术架构，最终为实现极地科考破冰船科考

2、任务的全过程管理奠定良好的基础。 关键词科考破冰船科考业务架构科考协同作业0引言“雪龙2”号极地科学考察船是中国第一艘 自主建造的极地科学考察破冰船，是全球第一艘 采用船艄、船艉双向破冰技术的极地科考破冰船。 2018年9月10日，“雪龙2”号极地考察船下水, 标志着我国极地考察现场保障和支撑能力取得新 的突破。“雪龙2”号现已完成建造，并顺利完成 第36次南极考察任务。“雪龙2”号综合信息网络系统以船岸一体 化应用业务为核心，统一规划、统一建设、统一 管理，建立高度融合、互联互通的船舶信息网络 系统。系统满足船舶管理、极区航行、大洋调查 等业务信息化需求。船端系统整合船舶信息资源，建成符合极

3、地 考察应用特点和发展要求的现代化科考船综合信 息支撑平台，实现现代化科学考察船的综合信息 管理，满足新建破冰船极区通信管理、科考数据 管理、科考作业管理、船舶综合管理等多业务信 息化需求。陆地端的系统建设兼顾“雪龙”号船舶的信 息接入、岸端中心对多船管理等需求，推动了 极地考察船信息化的发展，增强极地考察船业 务能力和支撑保障能力，为智能3极地考察船的 建设奠定基础，进而推动我国极地考察事业的 发展。“科考作业协同管理平台”作为极地业务化 工作体系，依托“雪龙2”号船舶基础管理平台, 必须同时满足极地中心陆地端和船舶端对于科考 计划和科考航次计划的业务化任务全过程管理的 核心需求，即从“岸端

4、”科考计划的制定，“船端” 航次计划与任务执行过程、任务协同与调度管理、 任务的跟踪与监控以及科考探测数据、科考样品、 实验室分析数据的管理，再到“岸端获得“船端” 的实时数据、过程执行监控数据以及统一汇交的科考作业成果物，一个科考航次的调查成果物包 括：文档报告、现场班报、船舶报、航迹图、测 线站位表、设备调查数据资料、现场样品资料与 汇交单、各类登记表等，为各极地科考和研究业 务化运行系统提供数据支持和平台服务支撑。1管理平台的需求分析与设计管理平台的需求分析1与设计工作应针对科 考船在大洋和极地水域科考调查和科考作业的特 点，结合高纬度与冰区航行的特殊性，开展对科 考航次的计划执行与管理

5、、科考作业监控与管理、 科考作业调度与指挥、科考数据管理等方面的业 务流程分析。研究适应极地科考船调查作业与管 理信息化建设的业务架构与技术架构，为构建数 字化、一体化、专业化、规范化的科考作业协同 管理系统奠定可持续升级和扩展的基础。业务上应兼顾综合科学调查船各学科交叉作 业的特点，统筹各学科的作业流程与相关设备。按照航次科考活动的管理者对组织和实施的管理 要求，实现科考作业任务的“可视化”管理，使管 理者能够实时掌握作业进度，整体把控作业情 况。在科考作业中，需对作业现场统一指挥、协 同管理，包括船岸协同指挥与作业任务的跟踪与 监控。开展对重大科考作业所涉及的要素和流程 展开研究，设计并实

6、现基于电子海图、视景仿真 的综合科考协同管理系统。在执行科考任务的过 程中，分布在船舶各作业区的操作人员与监控管 理人员需要密切配合、协调一致，实现科考航次 计划根据现场条件的及时调整。在整个需求整理的过程中需从3个维度，即 设备资源、信息资源、业务需求开展分析，确定 不同作业任务所要求的设备资源与信息资源，并 使用三维坐标系进行直观的展示，采用此种方式 有利于业务分析的形象化表达。图1所示为 CTD（温盐深仪）作业过程中所涉及的设备资源与 信息资源的相互关系。本图仅为示意图，用于说 明作业业务分析需要从3个维度进行思考。/_ 2图1开展业务分析的3个维度(示意图)Fig.1. Three d

7、imensions of business analysis (schematic diagram)经纬度信息时间信息新建极地科考破冰船科考业务的核心需求在 于“协同作业”,具体可分为“船岸协同”与“在 船协同”,未来随着“雪龙”系列船舶数量逐步 形成规模，还将产生“船船协同”的业务需求。 结合“雪龙2”号船的实际定位，本文仅从“船岸 协同”与“在船协同”的角度展开论述。业务流程包括2个部分，一是科考业务总体流程，二是 调查作业业务流程。1.1科考业务总体流程在充分调查“雪龙”船历次南北极航次历史 记录4-9的基础上，“船岸协同”可归纳为从科考 计划的制定到航次报告完成的整个业务过程，具 体包

8、含“初始化阶段”、“计划阶段”、“协同作业 阶段”、“统一汇交成果物阶段”四个阶段，可体 现为“科考业务总体流程”。结合上述的分析内容，首先建立科考业务总 体流程，并进一步明确总体流程与各业务操作的 关系,见图2。科考设备科考项目 单一业务内容的时间关系业务内容之间的关系V单一业务的向前发展绿色字体动作与影响I不同阶段的分割线一 船舶部CTD绞车及行车操作L 一L船肿部水文生物绞车操作船幌部采样作业IL图2科考业务总体流程与协同作业阶段不同作业之间的关系Fig.2. The relationship between the overall business process and the di

9、fferent operation in the collaborative operation phase“初始化阶段”具体表现为岸端航次计划的 制定到船端确定实施计划的过程，主要包括科考 航线的确定、科考项目的划分、人员的安排、设 备的使用等。“计划阶段”具体表现为计划渐进明细的过 程。依据极地考察的总体目标与重点海域的业务 化调查内容与调查方法4-9,细化为各考察项目 子课题4-9的专项调查任务，实现总体方案所确 定的目标。计划阶段包括调查内容、站位布设与 调查方法这3部分的提交、审核、确定9。“在船协同”以作业任务的形式开展，主要 集中于总体流程下的“协同作业阶段”完成，可 归纳为不同

10、学科作业计划的执行与管理，各类设 备资源的分配与协同使用以及数据成果物的共享 等业务内容。在“中国第四次北极科学考察” 4 中，整个航次包含10种不同作业部位和作业种类 的作业内容，下文将以CTD作业4为例对作业业 务展开分析。“统一汇交成果物阶段”汇交范围和内容涵 盖航次调查资料、航次调查、室内分析处理资料 和航次调查成果。成果物主要包括航次设计、导 航定位、走航及航渡观测、现场作业班报和记录 等原始资料及处理结果、经整编后的航迹数据、 现场工作总结及技术总结等10,最终形成航次 报告。整个流程中，不同阶段彼此间存在着必然的联系，比如“协同作业阶段”中，实施计划可根据 现场作业条件进行调整，

11、对“计划阶段”确定的 人员、设备的使用产生影响，实现调查资源利用 的最大化。1.2调查作业业务流程业务流程本文以CTD作业4为例，针对作业任务中 “协同作业”相关的业务需求展开归纳与分析。CTD作业业务包含功能性业务与业务支撑 数据流，需满足CTD现场作业的功能需求、船岸 作业监督、协同管理的需要。CTD作业业务分为 三个阶段：CTD作业计划阶段、CTD协同作业阶 段、CTD成果物汇总审核阶段。各个阶段在岸端 提供对应监视、同步功能，岸端系统使用者可以 实时了解船端CTD的作业情况。CTD作业作为科考航次11作业的典型关键 部分，需要以航次计划、站位11 布设计划作为前 提，其中CTD作业计划

12、、CTD作业协同、CTD 作业成果物部分使用实时数据监控、实时视频监 控的方法提供船岸协同功能。图3所示为CTD作 业业务流程图，包括“船岸协同作业”与“在船 协同作业”。岸端现场作业实施计划作业任务监督成果物集中管理船舶甲板工作区绞车操作间作业实刊屈据物理实验室船舶月池作业区C TD 作 业 协 同驾控台支撑设 备数据CTD作业成果物船端图3 CTD作业业务流程图Fig.3. CTD operation business flow chart数据流向物理实验室作为CTD作业指挥中心，接入气 象、海况、海冰等极区环境预报和现报，接入船 载航行实时动态、CTD作业支撑设备数据（科考 用定位数据、

13、姿态数据、水深数据、绞车数据）。 在物理实验室中提供集成数据环境，为作业指挥 提供便利。向现场作业位置提供作业相关性数据，向绞 车间提供专业水深数据，防止CTD架触底；向作 业甲板提供CTD绞车运行数据等。数据流向图见 图4。调查作业的管理范围航次11中所有的CTD作业全部结束后，通 过进行CTD作业的数据成果物、作业记录的表单 提取，可以为航次报告中涉及CTD部分的相关内 容提供支撑，航次报告内容会涵盖CTD实施计划、CTD作业记录、数据统计、数据分析等多类 别、多种数据格式的信息。CTD作业的整个管理范围包含：CTD作业计 划、CTD作业体系与规范、CTD作业协同、CTD 作业班组、CTD

14、作业成果物。对上述内容进行类 图（图5）分析，为系统设计建立良好的基础。图4 CTD作业数据流向图Fig.4. CTD operation data flow diagramCTD作业记录+编号+视频信号位置+视成流+作业位置+ CTD作业提醒+ CTD作业记录+ CTD实时数据+支撑设备实时数据+作业现场实时视顾+环境数据信息+莎位编号 +设备名称 +气象信息 +海冰信息+起始时间 +结束时间 +米水记录 +简要记录+诅录人+校对人 +记隶时间+编号+摩备驾称+设备状态+设备数据+设备情况+设备校订状态+编号+供备名称+设备状态+设备数据+设备情况+设备校订状态+编号 +环境信息名称+环境数

15、据+安布人+发布时间+编号+提醒信息+通知信息+埴写人+填写时间CTD作业协同作业位置包括： 物理实验室、船舶甲板 作业区、月池作业区、 绞车操作间、驾驶台CTD作业提醒CTD实时数据支撑设臂时数作业现参时数环境数据信息天气预报、现 报、海冰、海况图5 CTD作业协同类图(示例)Fig.5. CTD operation collaboration class diagram (example)审批流程在实际作业过程中，仅提取CTD作业计划申请 审核流程与CTD成果提交审核流程。其中CTD协同 作业阶段由于作业过程的复杂性、紧急性等业务特点, 以作业提醒、作业监视作为系统功能，不宜使用复杂 的业

16、务流程进行管理。如果在协同作业阶段存在关键 节点需要使用审批流程管理，可以适当增加。作业计划申请审核流程作业班长制定了 CTD作业计划后，将CTD 作业计划提交审核，由首席助理根据实际情况判 断是否可以按照计划进行CTD作业。将审核结果 反馈至作业班长，完成审核流程。成果物提交审核流程CTD作业完成后，由CTD数据终端人员提 交CTD作业记录、CTD温深盐数据，甲板操作员 提交水样信息，由作业队长判断数据准确性、完 整性。如果成果物异常，可能需要检查故障、重 新制定作业计划。业务数据结合“雪龙2”号综合网络信息系统已建设 的硬件资源，CTD作业时需要信号源提供数据支 撑，数据主要包括：数据流、

17、信息流、视频流等。 在CTD协同作业时，需依赖船载通导信号数据, 数据包括经纬度、时间、船艄向、航速、风速等, 还需要监控万米测深仪、高精度GPS、光纤罗经、 CTD绞车等设备提供高精度经纬度数据、姿态数 据、水深数据、绞车数据，在数据监控的同时系 统提供作业位置的实时监控视频信息。从而为 CTD作业提供稳定高效的支撑数据。CTD数据成 果物的记录一部分来自SBE911（物理海洋多参数 理化数据采集与探测系统）与LADCP（声学多普勒 海流剖面仪）设备，另一部分需要记录高精度经 纬度数据、姿态数据、水深数据作为支撑数据。CTD作业相关信号源（表1）CTD作业相关的设备、仪器、信号源共16 种，

18、预计有20个信号源接入。设备数据存在主备关系（表2）,关键设备数 据需要提供备份数据源，如UTC信息源（NTP, Network Time Provider网络时间服务源）、定位及 姿态数据源（POS-MV,船载定位、定姿系统）、水 深数据源（万米测深仪）需要提供一个以上备份数 据源，以免数据缺失。表1 CTD作业相关的设备、仪器、信号源Table 1. CTD operation related equipment and signal source序号设备仪器信号源名称型号数量1物理海洋多参数理化数据采集与探测系统SBE91112声学多普勒海流剖面仪LADCP13走航式声学多普勒海流ADC

19、P(38K/300K)24CTD绞车15全海深测深仪（万米测深仪）EA64016DGPS（差分全球定位系统）DGPS-LD717光纤罗经（VERIPOS）18POS-MV（船载定位、定姿系统）19船基自动气象站110DGPS（差分全球定位系统）DGPS-LD5311电罗经112风速风向仪113计程仪114测深仪115视频监控系统116天气预报、现报1表2信号源主备关系Table 2. The relationship of primary and secondary signal source信号源（主）信号源（备1）信号源（备2）信号源（备3）NTPPOS-MV通用定位POS-MV专业姿态万

20、米测深仪POS-MV通用定位 高精度GPS+电罗经 光纤罗经 船载测深仪高精度GPS船载GPS+电罗经船载GPSCTD作业依赖参数需要从各个信号源接入信号48项，数据在系 统中定义唯一标识符、描述信息。在系统中需要 定义数据长度、数据精度、数据范围、数据单位, 用于数据接入、处理、存储、显示，设计中数据 展示精度可以低于存储精度。CTD作业数据接入对于CTD业务来说,设备之间提供数据可能 出现冗余，需要按照业务规则确定具体的信号源, 即当数据可以由多个设备输出时，数据需要根据 设备主备关系获取；数据源由系统日志记录；系 统可以按照CTD业务提供数据服务。CTD作业数据存储CTD业务中接入的各类

21、数据，一部分用于监 控显示，其他部分需要进行存储便于查询。CTD作 业中用于存储、查询的数据结构应包含时空数据。样品数据在第36次南极考察过程中，细化分析航次现 场调查资料中的样品管理规范10,将CTD采水 任务分解为采水计划与扫描入库两部分（图6）, 通过业务化系统与智能手持终端设备完成水样录 入与管理过程。图6采样计划与扫描入库流程Fig.6. Sampling plan and scanning warehousing process2业务架构的技术实现信息化系统需要从技术层面得到支撑，系统 建设采用面向服务技术架构12作为整个技术架 构的骨干支撑，快速、有效解决业务协同、资源 共享以及

22、应用支撑的架构问题。技术架构（图7）根据建设内容可以分为数据、 服务、应用3个核心结构，主要表现为数据的采 集、存储、加工与服务,业务功能构件的封装与实现，业务应用的功能集成与整合。2.1数据（D）数据层是整个系统的数据资源中心，涵盖管 理平台中所有相关的结构化、非结构化数据，包 括与数据直接相关的所有操作，是数据从进入系 统到标准数据的追踪记录集合与操作记录集合。 它是数据资源的存储和积累，为系统应用提供标 准的数据访问服务并提供备份、存储功能。SpringMVC SpringBoot应用(A)公共服务组件基础业务构件Business FunctionSpringBoot集中认证服务(CAS

23、:Central AuthenticationService)统一用户管理（LDAP:Light Directory Access Portocol轻量级目录访问协议）统一、标准、规范的数据交互API数据服务数据(D)套接字超文本传输协议远程调用服务 （Socket）(Http)(WebService)分布式文件系统（HDFS）数据采集数据存储数据处理业务数据元数据采集数据业务数据数据库访问接口驱动持久化框架图7系统技术架构Fig.7. The technical framework of system连接池缓存通过服务封装数据的配置接口、操作接口以及 管理接口，既可满足安全和标准规范的约定，

24、又可 满足服务路由和数据权限等信息管理的要求。数据存储采用 ORM （Object Relational Mapping, 对象关系映射）关系型数据库实现结构化数 据存储，采用 HDFS（Hadoop Distributed File System 分布式文件系统）分布式文件系统为非结构化 数据存储提供了高效的解决方案。数据服务基于统一、标准、规范的交互接口, 提供多样性的服务形式和多种标准格式数据，基 于 Socket 的 JSON（JavaScript Object Notation）格式, 基于HTTP（超文本传输协议）的RESTFUL （面向资 源的设计风格）格式，基于WebServi

25、ce（远程调用 服务）的 xml（eXtensible Markup Language）格式， 同时也提供原始数据服务。2.2服务（S）服务层构建于数据层之上，是整个系统体系 架构的核心，并提供大量公共服务和基于业务构 件的服务，提供服务的运行、管理环境，最大限度 提高业务开发效率，降低工程实施、维护的成本 和风险。服务层采用支撑体系结构的先进标准和 规范，以帮助建立高性能、高可靠性、高扩展性 的应用系统，满足客户快速发展的业务需求。基础业务构件采用分布式服务架构13,基于 微服务框架SpringCloud14设计，实现模块化、高 性能、可伸缩的分布式服务体系。公共服务组件提供高效的系统中间件

26、，对数 据、服务等进行有效的解耦。服务层提供由同一用户管理+集中认证服务 实现的统一用户管理体系，支持单点登录业务整 合，有效解决“一次登录，多处使用”。2.3应用（A）业务应用层提供所有的信息应用和系统管 理的业务逻辑，分解业务请求，通过支撑服务层 进行数据处理，并将返回信息组成所需的格式 提供给客户端。与传统体系架构下的业务层不同, 面向服务架构的业务层基于服务构建，从而可 以使业务能够更快地组装，达到服务的改变不 会影响已经使用中的业务应用，使形成的应用 更加稳定。应用层包含Web系统与应用软件，设计基于 Springboot微服务框架实现，可集成多种组件， 无需依赖Servlet容器，

27、与分布式服务天然集成， 并可独立运行、部署。2.4展现（P）展现层15设计为前后端分离架构16,基于 HTML5、Javascript等前端技术实现，自由集成多 种流行的前端插件，融合GIS（地理信息系统），实 现资源、数据的集中统一展示。展现层设计支持多终端，在PC（个人电脑） 机、移动设备（Android系统、iOS系统）等终端进 行信息显示与人机交互。3应用实践根据业务分析与架构研究的成果，研发科考 作业协同管理平台。管理平台可根据海洋调查规 范（GB12763.1-10 2007）中定义的科学调查航次、调 查海域、调查站位、走航测线、调查测线等概念，结 合极地科考实际应用业务，提供方便

28、、可视化、可 扩展的科考业务流程，并在此过程中规范各类作 业规范和作业流程，统一整理并输出各类业务记 录模板。2019年10月15日一2020年4月23日，雪 龙2”号参与执行中国第36次南极考察任务，并 在南大洋宇航员海进行了为期约37天的科考调 查作业。在此期间极地科考破冰船科考协同管理 平台在协调作业管理中发挥了重要作用，受到实 验室管理人员（用户，平台的操作管理人员）和科 考队员（服务对象，平台使用具体受益人员）的广 泛好评，并得到新闻媒体的关注17o“雪龙2号第36次南极科学考察中，在船应 用的科考协同管理平台为1.0版本。主界面为经 典地图类网页排版，主体为左右结构（图8a）,左

29、侧区域较大，为主要展示区域，该区域主要展示 海图地图、站位站点信息、冰图等信息。通过该 区域右下角的“航迹查询”、“航行计划”、“冰区 图层”、“台风预报”等快捷菜单，可方便显示对 应信息。同时还可以通过点击地图、“海图、 “卫星图”实现显示区域地图的便捷切换；右 侧区域较小，主要为信息查看区域，该区域顶 部主要显示航行（图8b）、机舱、气象（图8c）、 水文（图8d）等与科考调查相关的基础参数，中部 主要展示航次基本情况，底部主要展示站位及站 点编号等信息。实验室管理人员可以分权限通过账号和密 码登录进入平台后台，对航次基本信息、站位站 点信息、水深水文定位等输入参数的输入源选择 等内容进行

30、编辑处理。平台系统在船上局域网内 运行，接入局域网内任何一台电脑均可打开查 看，科考队员就近在实验室、居住舱室均可方便 进入该平台，进行作业站位信息、作业内容、作 业时长、航行等待时长、水文基础信息等的查询 和记录。实验室管理人员通过固定格式的Excel表格, 将站位名、位置、站位作业内容、各项目进行时长 等进行编辑，导入系统平台后，科考队员可在各终 端便捷查看。若调查计划有调整，如作业站点先后 顺序发生变化，管理人员可编辑页面进行各站点的 上下移动调整；科考队员通过主页右上角可以直观 查询到距下一站点的距离、预计航行时间和到达时 间，以便合理安排作息时间和采样准备工作；点开 站位编号, 可以

31、查询到该站点具体的调查作业项目, 以及每个项目的持续时间。图8协同管理平台主界面显示Fig.8. Main interface display of collaborative management platform除上述查询功能外，平台还具有以往航 迹线查询的功能，科考队员可以对船舶经过 的航线进行查看，航迹线由航迹点组成，每 个点均包含:UTC时间、GPS位置、水深、海 水温度、海水盐度等参数。这对进行一些走航 测量的项日或错过某些站点信息记录的队员 来说非常实用。同时系统平台具有台风实时查 询更新系统，可从NOAA官网定期抓取“雪龙 2”号附近海域的气旋信息（图9）,确保航行和 调查作业安全，并为现场航行决策人员和首 席科学家提供航线调整、调查作业计划调整的 参考。此外，平台还具备在原有海图或卫星底 图上叠加最近日期冰情图的功能，原有作业 站点也将在冰图上得以显示，首席科学家可 以对原计划的调查作业站点是否受到海冰影 响进行评估，从而确定是否调整计划，有效 提高作业效率并节约船时。通过一个南极航次的现场实际使用检验，极 地科考破冰船科考协同管理平台能较好地适应 “雪龙2号极地科考作业模式，为首席科学家、 科考作业队员、航行人员和实验