Корабельная инфраструктура ЦОД: прошлое, настоящее и будущее

От Шанхая и Тяньцзиня в Китае до южно-корейского Пусана, а также Роттердама в Нидерландах и Гамбурга в Германии – крупнейшие порты ежедневно принимают и отправляют в путь бесчисленные гигантские корабли. Эти исполинские суда без усилий рассекают водную гладь и не страшатся даже больших волн.

Еще несколько веков назад корабли были просто пустой оболочкой для транспортировки грузов и людей, всецело завися от ветра / гребцов и экипажа моряков на борту. Но по мере развития технологий росла и сложность кораблей. Хотя до беспилотных контейнеровозов пока далеко, но субъекты морской отрасли все более активно руководствуются данными, собираемыми на борту судов и на берегу, а не только человеческими суждениями.

По мере уверенного движения к цифровизации инфраструктуры флота судам требуется все более сложная IT-инфраструктура, чтобы поддерживать связь с берегом, друг с другом и обрабатывать информацию, поступающую с набортных датчиков.

Цифровые корабли

Крупнейшие современные корабли похожи на передвижные города. Спущенный на воду в 2022 году круизный лайнер Wonder of the Seas может принять на борт почти 7 тыс. человек. И все пассажиры будут ожидать наличия стабильного и быстрого подключения к интернету.

Но количество людей на борту типичного лайнера, которым требуется подключение к глобальной сети, не идет ни в какое сравнение с числом датчиков, собирающих данные о состоянии судна и ситуации за бортом. Сенсоры контролируют двигатель, расход топлива, скорость корабля, температуру в машинном отделении, погодные условия и течения, а также другие важные параметры. Генерируемые этими датчиками данные требуют обработки.

Согласно подсчетам консалтинговой компании Marine Digital, современный корабль генерирует более 20 гигабайт данных ежедневно. Количество информации, конечно, сильно варьируется в зависимости от размера и назначения судна. Но единиц и нулей, как правило, генерируется очень много. И пока не существует универсального подхода к их сбору и обработке.

В компании по управлению судами Thome отмечают, что на борту судна IT-оборудования, как правило, гораздо меньше, чем на берегу. В компании ко всем подконтрольным кораблям относятся как к небольшим офисам, многие из которых оснащаются аналогами наземных периферийных ЦОД. На большинстве кораблей, находящихся в ведении Thome, есть минимум один сервер.

Вместо того чтобы пытаться обрабатывать данные на борту судна, Thome обрабатывает большую часть технической информации в ЦОД на берегу, общаясь с экипажами и набортной электроникой / датчиками через малый терминал спутниковой связи узкой направленности (англ.: Very Small Aperture Terminal; VSAT).

Системы класса VSAT соединяют сушу и корабль, фиксируясь на геостационарном спутнике. Они могут обеспечивать скорость скачивания от 256 кбит/с до 90 Мбит/с, а скорость загрузки обычно составляет от 100 до 512 кбит/с. Это меркнет по сравнению с 20-гигабитным каналом скачивания и 10-гигабитной загрузкой при использовании 5G. Но в океане вышек 5G, к сожалению, нет.

VSAT предлагает достаточные скорости для решения многих задач. Но не все данные целесообразно передавать через спутники. Поэтому, как полагают в Thome, на каждом судне нужен минимум один сервер.

К счастью для Thome и других компаний, управляющей флотилиями кораблей, обрабатывать судовые данные в режиме реального времени, как правило, не нужно. Вместо этого компании полагаются на ежедневные или ежечасные обновления данных, передаваемых через не совсем надежный канал VSAT. Данные обрабатываются в локальной серверной или, в большинстве случаев, отправляются в облачный ЦОД стороннего провайдера.

Аналогичный подход использует конкурирующая компания Columbia Shipmanagement Group. Ее инженеры разработали для этого концепцию Центра управления производительностью и оптимизацией (англ.: Performance and Optimization Control Room; POCR). POCR позволяет клиентам оптимизировать навигационные, эксплуатационные и коммерческие показатели за счет анализа данных, собранных как на борту корабля, так и на берегу.

Корабли напрямую связаны с POCR. С помощью IT-оборудования специалисты Columbia Shipmanagement Group активно проверяют маршруты перед отплытием на предмет эффективности, безопасности и надежности. Затем, когда судно приходит в движение, система отслеживает и создает оповещения, на которые команда управляющей компании реагирует круглосуточно и без выходных.

Поскольку под управлением Columbia Shipmanagement Group находится более 3 сотен кораблей, большая часть процедур автоматизирована. Компания использует систему светофора: зеленый – оптимальные показатели, желтый – заслуживает внимания, красный – требуется оптимизация. Предупреждения персонал получает только при ухудшении показателей и, соответственно, изменении цвета с зеленого на желтый и красный.

Часть данных обрабатывается на месте, но подавляющее большинство информации поступает в стороннее облако. Сейчас Columbia Shipmanagement Group использует Azure. Ранее компания применяла AWS, создав частный инстанс и собственное пространство для облачного хостинга.

Периферийные ЦОД под палубой

Размещение вычислительных мощностей и даже создание полноценного ЦОД на борту корабля вполне возможно. Но есть проблемы. Места на судне мало. Также существуют ограничения по весу. Кроме того, наличие в экипаже IT-специалистов и инженеров, занимающихся обслуживанием вспомогательного оборудования ЦОД, нормой на данном этапе отнюдь не является.

Компания Scale Computing, являющаяся поставщиком периферийных ЦОД, разработала специализированный сервер, чтобы обойти эти ограничения и решить обозначенные проблемы. Новый сервер уже используется судоходной компанией Northern Marine.

Комментируя опыт нового клиента, в компании Scale Computing отметили, что сначала инженеры Northern Marine работали с традиционными серверами для 19-дюймовых монтажных стоек. Устройства размещались на борту кораблей. Применялись серверы HPE. Дополнительно использовалась отдельная монтажная стойка для размещения системы хранения данных.

В начале 2022 года Northern Marine начала использовать корпоративную вычислительную систему на базе микрокомпьютера Scale Computing Intel HE150 с площадью основания менее пяти квадратных дюймов.

В основе решений из линейки Scale Computing, которая включает модели HE150 и HE151, лежат тесно интегрированные микрокомпьютеры. HE150 и HE151 основаны на barebone-системах Intel NUC (Next Unit of Computing), на которых работает программное обеспечение Scale HC3 для кластерных вычислений.

Они потребляют значительно меньше электроэнергии, чем традиционные 19-дюймовые серверы, и занимают совсем немного места. Оптимизированное программное обеспечение позволяет запускать гораздо больше виртуальных машин с использованием одинаковой ресурсной базы, чем аналоги.

Корабельные ЦОД и автоматизация: появятся ли беспилотные корабли?

Во многих отраслях следующим шагом в процессе цифровизации становится автоматизация. В морском секторе это может вылиться в появление беспилотных кораблей. Но, как объясняют эксперты Columbia Shipmanagement Group, достижение этого рубежа будет сложным, учитывая задержки при обмене информации между кораблем и берегом.

Даже если будут созданы беспилотные корабли, их придется контролировать удаленно посредством диспетчерских центров, которые будут активно вмешиваться в работу судов. Задержка при обмене информации между диспетчерами и набортной электроникой очень важна.

Уже существующим наземным беспилотным транспортным средствам вполне хватает сетей 5G, предлагающих достаточно низкие задержки. В случае кораблей все гораздо хуже, поскольку они полагаются на спутниковую связь.

То есть приходится полагаться на очень медленное интернет-соединение. Подобный канал передачи данных характеризуется периодическими потерями связи. Также периодически возникают «слепые зоны», обусловленные наличием физических препятствий между спутником и кораблем, а также погодными условиями и местоположением судна.

На текущем этапе скорости спутниковой связи просто недостаточно, чтобы позволить кораблестроителям сделать решительный шаг в направлении беспилотных судов и полной автоматизации корабельной инфраструктуры. Пропускной способности спутникового интернета достаточно только для обмена с берегом данными с датчиков и оборудования.

Но корабли не передвигаются с невероятно высокой скоростью, как это делают многие другие транспортные средства, поэтому задержка может быть меньшей проблемой, чем можно было бы ожидать. Относительно быстрое судно-контейнеровоз может развивать скорость до 20 узлов (37 км в час). Для сравнения: самолет может развивать скорость до 925 км в час. Поэтому для эксплуатации автономного судна в большинстве случаев будет достаточно ежечасных обновлений.

Но не всегда. В случае различных инцидентов скорость реагирования выходит на первый план. В качестве примера можно привести широко известный инцидент, случившийся в 2021 году, когда контейнеровоз заблокировал Суэцкий канал на шесть дней. Могло ли наличие дополнительных вычислений на борту (даже если это был бы только один сервер) помочь в избежании проблемы?

Корабельная IT-инфраструктура поможет избежать повторения инцидента на Суэцком канале

В марте 2021 года судно Ever Given, принадлежащее Shoei Kiden Kaisha, сданное в аренду Evergreen Marine и управляемое Bernhard Schulte Shipmanagement, село на мель в Суэцком канале в акватории Египта. Его нос и корма застряли в противоположных берегах канала шириной 2 сотни метров.

В последующие дни блокировка ключевого торгового пути помешала проходу 369 судов и, соответственно, привела к снижению мирового торгового оборота на 9,6 миллиарда долларов. Авария была объяснена сильным ветром (около 74 км в час), который сбил 400-метровое (1300 футов) судно с курса. Египетские власти предположили, что определенную роль могли сыграть технические или человеческие ошибки. Но эта гипотеза отрицалась вовлеченными в инцидент компаниями.

Погоде моряки традиционное уделяют повышенное внимание. Например, при разработке системы POCR специалисты Columbia Shipmanagement Group первым делом реализовали модель прогнозирования климатических условий и их влияния на конкретные суда с помощью алгоритмов машинного обучения.

В частности, повышенное внимание уделялось изучению влияния ветра на эффективность. Как показали исследования, недостаточное внимание погоде при планировании вояжа может увеличить расход топлива на 10–15 процентов. При надлежащем планировании, напротив, появляется возможность сэкономить до 5 процентов.

Эксперты по морским технологиям из Гентского университета в Бельгии провели анализ данных, используя веб-сайты отслеживания судов, чтобы выяснить, что именно произошло во время инцидента в Суэцком канале. В итоге причиной был назван «эффект берега», касающийся изменения гидродинамики на мелководье.

Корабль, плывущий по мелководью, будет иметь совершенно другой диаметр поворота по сравнению с судном на глубоководье. Разница может достигать 5 раз. То есть диаметр круга необходимый для того, чтобы корабль сделал разворот, будет в пять раз больше на мелководье, чем на глубокой воде.

Проведенное исследование не потребовало больших вычислительных мощностей, поэтому анализ соответствующих данных в режиме реального времени вполне можно проводить на судне. Набортного периферийного ЦОД может быть достаточно, чтобы предупредить экипаж и компанию по управлению судном о возможности возникновения подобной проблемы.

Будущее за кораблями с собственными ЦОД

Перечисленные выше кейсы и здравый смысл, подкрепленный экономическими соображениями и соображениями безопасности, позволяют предположить, что в ближайшем будущем автономные корабли с собственными ЦОД действительно появятся. Но первоначально все будет ограничиваться небольшими городскими судами и паромами, что упростит техобслуживание и контроль. В отдаленном будущем эта концепция может найти развитие.

Концепция «безлюдного» корабля все еще находится в стадии разработки. Но технология проектирования «умных» судов находит все более широкое применение на практике. Используя комбинацию бортовых вычислительных мощностей, наземных ЦОД, облака, а также VSAT для подключения и геостационарных спутников, набортные системы кораблей и те, кто ими управляет, могут принимать все более обоснованные решения на основе результатов оперативного анализа собираемых данных.

Пока не будет найдено решение проблемы высоких задержек при передаче данных с кораблей на сушу и обратно, полная автоматизация судоходства будет оставаться несбыточной мечтой, а моряки сохранят свои рабочие места. Но это лишь вопрос времени, поскольку технологии быстро развиваются.