海軍艦船電子裝備維修保障系統網絡化研究*

楊 武 張朝亮

(1.海軍92823部隊 三亞 5720211)(2.海軍工程大學電氣工程學院 武漢 430033)

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海軍艦船電子裝備維修保障系統網絡化研究*

楊 武1,2張朝亮2

(1.海軍92823部隊 三亞 5720211)(2.海軍工程大學電氣工程學院 武漢 430033)

隨著當前網絡技術的發展和艦船電子裝備維修保障的需求,網絡化已經成為海軍艦船電子裝備維修保障系統的發展趨勢和特征。論文就實現海軍艦船電子裝備維修保障系統的網絡體系結構及其所涉及的關鍵技術進行了詳細闡述。

海軍艦船電子裝備; 維修保障系統; 網絡化

Class Number TP393

1 引言

海軍艦艇電子裝備種類繁多,技術各異,特別是隨著大量新技術裝備的配發,維修保障相當困難。而技術士官、技術軍官作為目前主要的維修保障力量,其知識更新較慢,在演習乃至戰時等重要活動中的維修保障能力較弱。在這種情況下,大多會調用許多設備生產廠、專業維修廠和專業院校的技術人員到現場維修保障。一方面,部隊對技術人員的后勤保障牽扯了大量的人力、物力,另一方面,也不利于軍事行動的保密。因此,有必要建立一個高效、快速、安全的網絡化裝備維修保障系統,使得技術士官、技術軍官這些主要保障力量足以能夠完成維修保障任務,有些維修保障問題甚至可以由裝備的責任班長通過保障網絡得以解決,從而省去一系列的麻煩。

隨著網絡技術的迅猛發展,我們的裝備維修保障網絡可以從單艦擴展到編隊、艦隊,甚至整個海軍,而這整個裝備維修保障系統的網絡化進程可以由現在已經發展得比較成熟的一些關鍵技術來支撐。利用這些技術,可以根據具體需求對裝備維修保障系統進行靈活拓展,從而使我們海軍的裝備維修保障方式更加豐富,這對于加強海軍艦艇武器裝備維修保障能力建設,提高信息化保障水平和測試診斷效率具有重要的現實意義。

2 網絡體系結構

由于我國海軍不同時代、不同類型的艦艇數量龐大,為了使裝備維修保障系統網絡具有兼容性,提高整個海軍艦艇的裝備使用水平,可以設計一種開放式的系統網絡,根據各自不同的需求來配置不同的內部網絡,只要符合規定的層級即可。這里,具體的層級初步定為單艦和編隊兩級,當然還可以進一步向上延伸至艦隊和總部兩級,鑒于篇幅限制,在此就不贅述了。

2.1 單艦系統

對于不同的艦艇類型,其內部的裝備維修保障系統網絡體系結構大體如圖1所示。

圖1 單艦系統網絡體系結構

其中,單艦內部的網絡就是一個局域網。在該局域網的主干環網部分,采用EIP協議,即Ethernet/IP以太網工業協議,它由IEEE802.3物理層和數據鏈路層標準、TCP/IP協議組和控制與信息協議CIP(Control Information Protocol)等三個部分組成,具體一點說,就是該協議在TCP/UDP/IP之上附加控制和信息協議(CIP),提供一個公共的應用層。CIP的控制部分用于實時I/O報文,其信息部分用于報文交換。ControlNet和Ethernet/IP都使用該協議通信,分享相同的對象庫、對象和設備行規,使得多個供應商的設備能在上述整個網絡中實現即插即用。對象的定義是嚴格的,在同一種網絡上支持實時報文、組態和診斷。Ethernet/IP的協議一般采用商業以太網通信芯片、物理介質和星形拓撲結構,利用以太網交換機實現各設備間的點對點連接,能同時支持10Mbps和100Mbps以太網商用產品。它的一個數據包最多可達1500字節,數據傳輸率可達10Mbps或100Mbps,因而采用Ethernet/IP便于實現大量數據的高速傳輸[1]。Ethernet/IP現場總線系統體系結構如圖2所示。

圖2 Ethernet/IP現場總線系統體系結構

Ethernet/IP采用生產者/消費者(Producer/Consumer)的通信模式,允許網絡上的不同節點同時存取同一個源的數據。網絡的媒體送取,通過限制時間存取算法來控制,即采用并行時間域多路存取(CTDMA)方法,在每個網絡刷新間隔(NUI)內調節節點的傳送信息機會。Ethernet/IP協議將信息分為顯式和隱式兩種,采用TCP/IP發送顯式消息,采用UDP/IP發送隱式信息。顯式信息的數據段既包括協議信息又包括行為指令,主要用于設備配置和診斷;隱式信息的數據段沒有協議信息,僅包括實時UO數據,適用于規則地重復傳遞數據的場合,如I/O模塊和PLC之間的數據傳遞。

其實,這種網絡完全可以實現監控一體化。

2.2 編隊系統

由幾條艦艇所組成的一個編隊,其裝備維修保障系統網絡體系結構大致如圖3所示。

圖3 編隊級裝備維修保障系統網絡體系結構

其中,編隊內部采用定制的數據鏈進行通信組網,一般情況下的裝備維修保障在編隊內部協調完成即可。如果需要,由旗艦通過衛星中繼或其他方式與岸基裝備維修保障單元通信聯絡。在戰時等特殊情況下,單艦也可以經上級允許后直接聯系岸基單元。岸基裝備維修保障單元依托寬帶IP網絡,利用VPN技術[2～4]構建強大的通信裝備維修保障網絡。

組網的關鍵是要設計一個VPN安全網關。這里的VPN安全網關位于寬帶IP網絡和維修保障子網的結合部,可以采用IPSec協議[5]來進行設計。它主要完成兩方面的功能,一方面作為過濾器,阻止未授權的闖入者進入私有網絡;另一方面作為代理設備,為私有網絡中的節點提供安全服務。

驗證機構CA作為獲得公眾廣泛信任的機構,接受個人或實體提供的可以證明其身份的文件或資料,經過檢驗后,向他們發放“證書”,證書用來將一個用戶身份和一個公共密鑰對應起來。

安全策略服務器的功能是:IPSec客戶軟件和安全網關在協商之前,要通過一條安全的通道向某個中央策略服務器進行查詢。這使得對安全聯盟協商中某些問題的集中管理成為可能。

在裝備維修保障網絡中,各個專業維修廠家、設備生產廠家和專業院所等的維修局域網作為一個維修保障子網通過安全VPN網關接入,而個別移動終端可以通過就近的服務接入點接入。所有的維修保障子網、維修現場子網和移動終端通過IP寬帶網絡互聯起來,構成一個完整的通信裝備維修保障網。

3 實現網絡化所需的關鍵技術

3.1 信號數據數字化

為了使裝備工作狀態能夠得到更加全面、方便、及時的監控,裝備內部的各個模塊應該盡量產生數字信號,以便于網絡傳輸。譬如可以根據已發表的標準IEEE Std 1451來開發傳感器模塊,為系統提供數字化的傳感器或變換器的數據;也可以利用已有眾多的信號處理的標準化方法,如濾波、頻譜分析、多分辨分析等,對來自于傳感器、變換器或其它信號處理器的數據進行信號變換和特征提取,輸出包括已數字濾波的傳感器數據、頻譜、可視化的傳感器信號等。另外,還可以利用數字式無線數據傳輸電臺,它采用數字信號處理、數字調制解調、糾錯編碼、軟件無線電(SDR)和表面貼片工藝(SMT)一體化設計等技術,具有高可靠性、實時數據傳輸、抗干擾能力強、適用范圍廣、成本低等特點,能夠較好地適應艦艇艙內及海上惡劣工作環境的使用要求。并且,可利用RS-232串行數據通信接口與計算機連接,傳輸速率可達19.2Kbps,誤碼率低于10E-6(接收電平-110dBm時)。如果能夠將雷達、聲納等輸出數據數字化,通過網線傳輸到中心控制室進行分析,出現異常情況時結合專家庫實現智能預警,那么這些電子裝備的探測效率無疑會前進一大步。轉化成數字信號之后,采用DSSS等安全機制進行傳輸,抗干擾能力就會一定程度上增強,也可以發給遠程輔助終端進行輔助決策。同時,數字信號所占帶寬比較小。

3.2 Web技術

民用網絡技術的發展為我們提供了很好的借鑒,特別是Web技術[6]的出現和發展,更讓廣大用戶能夠方便快速地訪問資源。Web技術以其快速、方便、友好的巨大優勢,在網絡中得到了廣泛的應用。短短幾年時間,Web技術也獲得了長足的發展。從最初只能瀏覽靜態文檔,到實現動態交互,再到在Web上實現可伸縮的實時的事務處理。我們也可以在軍用網絡平臺上應用Web技術,為我們提供便利的信息獲取和處理方式。

分布式處理技術和客戶端程序處理技術是推動Web技術發展的兩個重要的基礎技術,基于這兩種技術的多種框架得到了最新應用。通過分布式處理技術,用戶計算機可以作為一個終端設備通過IP網絡連接到具有更多資源和更強處理能力的計算機上。COM/DCOM技術和COBRA技術為分布式處理提供了有力手段,特別是COBRA技術表現得更成熟和更普及。客戶端程序處理技術是一項出現不久的新技術,解決了客戶端實施操作的問題,為實現異地協同診斷提供了技術保障。

3.3 LXI技術

LXI(LAN extension for instrument)是LAN局域網技術在儀器領域的擴展,LXI儀器是嚴格基于IEEE802.3、TCP/IP、網絡總線、網絡瀏覽器、IVI-COM驅動程序、時鐘同步協議(IEEE 1588)和標準模塊尺寸的新型儀器[7]。LXI模塊借助于標準網絡瀏覽器實現信息瀏覽與程序控制,并以IVI-COM格式進行通信,便于系統集成和同類型儀器的互換。

與傳統的卡式儀器相比,LXI模塊化儀器具備了許多優勢: 1) 可以保證儀器的全部性能; 2) 集成更為方便,不需要專用的機箱和0槽計算機; 3) 可以利用網絡界面操作,無需編程和其他虛擬面板; 4) 連接和使用更為方便,可以利用通用的軟件進行系統編程; 5) 非常容易實現校準計量和故障診斷; 6) 靈活性強,可以作為系統儀器,也可以單獨使用。另外,由于LXI模塊本身配備由處理器、LAN連接、電源供應器和觸發輸入,因此它不像模塊式卡槽必須使用昂貴的電源供應器、背板、控制器及MXI插卡和接線。

3.4 多總線集成技術

為將PCI、EIP等不同總線模塊集成到LXI測試系統中,有兩種技術方案可供選擇:一是開發橋轉接器和接口適配器這樣的硬件網關技術,二是利用軟件技術OPC DX來實現。

橋轉接器由LXI接口和特定總線接口組成。LXI接口端實現LXI接口的所有要求,包括:網絡協議支持,Web頁瀏覽與儀器控制,LAN配置初始化和IVI驅動器。在橋轉接器的特定總線接口端,實現特定的硬件和軟件接口要求。例如,如果LXI橋轉接器連接GPIB儀器,橋轉接器不僅要支持LXI接口和GPIB接口,還需具備將軟件命令從LXI端映射到GPIB端的能力。接口適配器將非LXI總線接口完全轉化為LXI接口。和橋轉接器不同,通過接口適配器,主機可以利用儀器驅動器和Web頁直接訪問和控制非LXI儀器,在接口適配器和非LXI儀器之間不需要控制與通信機制的映射和VISA資源的映射。

但在不同現場總線網段上的設備之間需要進行信息交流時,一般要借助于中間件來完成[8～9]。這種橋接技術中,中間件實際上就是一個OPC客戶端,從一個服務器(源服務器)讀取數據,再寫入另一服務器(目標服務器)。采用這樣的訪問手段,一方面難以保證系統的實時性;另一方面,它為通信系統增加了額外的故障點,錯誤發生時,需要終端用戶對其進行故障診斷和維護;此外,終端用戶還必須依賴中間件不同開發商提供的繁多組態接口,這恰好有悖于OPC的接口標準化的初衷。OPC DX正是由此而提出的解決方案。

OPC DX是相對于OPC DA的客戶端-服務器通信模式推出的服務器-服務器模式,提供了在以太網上服務器到服務器可互操作的數據通信方法,使系統間可用相同的標準實時交換數據,其實質就是基于高速以太網的軟件網關技術。由于不需要數據存儲和發送的中間環節,而不必擔心不同協議間的轉換問題,這樣一個OPC服務器就能直接與另一個OPC服務器直接相連,使駐留在不同體系的現場總線控制器上的服務器數據可以直接交換。

3.5 分布式數據庫技術

分布式數據庫結構是基于網絡的故障診斷及維修系統的信息發布模式。關鍵特征為音頻、視頻等各種不同形式的信號,可以嵌入總線以便傳送到綜合處理臺位,與專家數據庫的相應數據進行比對分析,有異常情況則立即報警并自動將發生異常情況的部位、時間和關鍵信號記錄下來。目前的機內專家庫存儲在小容量ROM中,成本高,容量小,信息量狹窄。專家知識庫的更新和完善要求數據庫具有開放性、遠程可操作性。異構網絡環境中的異構數據庫操作得到了廣泛的研究,早期提出并使用了數據庫中間件。最新應用JDBC(java database connectivity,JAVA數據庫互聯)在多平臺、異構數據庫操作方面所具有的優點為網絡化異地故障診斷所使用的診斷數據庫、專家知識庫的建立、維護和操作提供了強大的支持[10]。

當艦載信息中心啟動監控方式時,嵌入式采集器采集的裝備狀態信息用來與裝備信息數據庫內的該裝備的狀態信息作實時比較,實時狀態信息記錄與裝備狀態信息樣本不相符時發出警報,同時,艦載信息中心則進一步檢索該型裝備的故障裝備狀態信息庫,并將故障狀態信息與實時狀態信息記錄逐一比較以確定故障板件,提供維修指導。如未能在故障狀態信息庫內檢索到相符的故障狀態信息時,可申請遠程保障信息中心支援。艦載信息中心使用分析軟件將實時狀態信息記錄與狀態信息波形信息的差異部分通過數字電臺傳輸給岸基接收基站,并接收遠程保障信息中心的維修指導,或從遠程保障信息中心下載最新的該型裝備的故障樣本庫。

4 系統網絡化過程的難題

在艦艇裝備維修保障系統網絡化的過程中,從裝備乃至具體設備的組網到具體維修保障工作的各個環節還存在一些難題有待解決。譬如PAC與其下控制器的組網兼容性。目前TS控制器PAC及主干網交換機是符合羅克韋爾CIP規范的產品,使用了實時以太網協議EthernetIP,而逆變控制器、電機控制器、段開關監測器、位置傳感器等控制網絡上的其它設備只有普通CAN、RS232、RS485口,尚無規范的組網能力,使PAC的實時以太網的優越性無法發揮。

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Networking of the Maintaining System of Electronic Equipments in Naval Ships

YANG Wu1,2ZHANG Chaoliang2

(1. No. 92823 Troops of Navy, Sanya 572021) (2. College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

With the development of current network technology and the need of maintaining the electronic equipments in naval ships, networking has become the developing trend and key characteristic of the maintaining system of the electronic equipments in naval ships. Network architecture on actualizing the maintaining system of the electronic equipments in naval ships is put forward, and some key technologies involved are elaborated.

electronic equipments in naval ships, maintaining system, networking

2014年7月9日,

2014年8月23日

楊武,男,博士,工程師,研究方向:艦船電子裝備維修保障、網絡化測控。張朝亮,男,博士,講師,研究方向:智能控制、網絡化測控。

TP393

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.036