基于以太網(wǎng)的艦船動(dòng)力信息系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用

朱堂勛

(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶401331)

0 引 言

艦船信息交換一般分為2個(gè)方面:首先是船舶外部通信，其擔(dān)負(fù)的功能是提供船舶上人員或裝備與外界的通信功能;其次是船舶內(nèi)部通信，其擔(dān)負(fù)的功能是艦橋中央控制系統(tǒng)和船舶各個(gè)分系統(tǒng)之間的信息傳遞。近年來(lái)，對(duì)于海上通信領(lǐng)域的研究成果較多，通過(guò)應(yīng)用衛(wèi)星通信網(wǎng)、海上無(wú)線自組網(wǎng)等技術(shù)，取得了較大的突破;然而，對(duì)于船舶內(nèi)部通信的研究成果較少，這主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)船舶的信息化水平不高，并不需要特殊的通信手段保障各個(gè)部分之間的信息交換和傳輸。但是，隨著造船和航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，當(dāng)代船舶的自動(dòng)化程度和信息化程度均得到了極大提升，隨之而來(lái)對(duì)于各種信息化設(shè)備之間的信息傳遞，也提出了更高的要求。船舶動(dòng)力系統(tǒng)作為整個(gè)船舶的核心，為其提供行駛動(dòng)力和工作電力，傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式已經(jīng)逐漸無(wú)法滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的信息交換需求。針對(duì)這種情況，本文對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的通信需求進(jìn)行了研究和分析，將成熟的100 M 以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于艦船動(dòng)力信息系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了船舶內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)，提升了船舶內(nèi)部信息交換的效率和可靠性。

1 艦船動(dòng)力系統(tǒng)通信需求

為了研究和分析方便，本文將船舶動(dòng)力系統(tǒng)細(xì)分為推進(jìn)系統(tǒng)和供電子系統(tǒng)，其總體框架如圖1所示。

圖1 船舶動(dòng)力系統(tǒng)總體框架Fig.1 The architecture of ship power system

通過(guò)船舶引擎，一方面向推進(jìn)裝置提供動(dòng)力，控制船舶的航向和航速，另一方面通過(guò)船舶電力系統(tǒng)中分布于船體各個(gè)部分的變電設(shè)備，向船體提供電力。由于其擔(dān)負(fù)的重要功能，因而要求通信過(guò)程必須實(shí)時(shí)和可靠，將動(dòng)力系統(tǒng)的通信需求總結(jié)如下。

1.1 較高的通信速率

隨著船舶動(dòng)力系統(tǒng)的快速發(fā)展，為了保證船舶引擎的穩(wěn)定運(yùn)行和電力供應(yīng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，大量的智能電子檢測(cè)設(shè)備得到應(yīng)用，這些設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和信息量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)機(jī)械監(jiān)測(cè)設(shè)備所產(chǎn)生的，因而龐大的數(shù)據(jù)量需要較大的帶寬來(lái)保證傳輸速率。

在當(dāng)前船舶使用的通信手段中，如CAN、DeviceNet，Modbus和Profibus 等，其提供的帶寬非常有限。最低的DeviceNet 僅僅能夠提供512kbps的傳輸速率，而最高的Profibus 也只能提供12 Mbps的傳輸速率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前的通信需求［1-2］。

同時(shí)，隨著船舶各項(xiàng)設(shè)備和系統(tǒng)的信息化提高，需要傳遞的信息種類(lèi)也大大增多，在傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)中，往往只有溫度、震動(dòng)、電壓等幾類(lèi)數(shù)據(jù)，但隨著各種現(xiàn)代化監(jiān)測(cè)設(shè)備的使用，需要監(jiān)測(cè)和產(chǎn)生更多種類(lèi)的數(shù)據(jù)才能掌握整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行態(tài)勢(shì)，因而對(duì)于傳輸帶寬也有著較高的要求。

1.2 實(shí)時(shí)性

由于船舶動(dòng)力系統(tǒng)的重要性，要求數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要盡可能的高，以便及時(shí)對(duì)各種異常情況進(jìn)行反應(yīng)。通常情況下，電力系統(tǒng)的信息需要在4 ms內(nèi)傳輸完畢，而推進(jìn)系統(tǒng)的信息則需要在0.1～1 ms內(nèi)傳輸完畢。這就要求通信網(wǎng)絡(luò)中的交換節(jié)點(diǎn)需要具有較高的吞吐率和轉(zhuǎn)發(fā)速率。

1.3 容錯(cuò)性

海上環(huán)境比較惡劣，各種監(jiān)測(cè)設(shè)備需要面對(duì)潮濕、腐蝕等挑戰(zhàn)，極易產(chǎn)生干擾和錯(cuò)誤。對(duì)于這種情況，要求信息系統(tǒng)具備一定的容錯(cuò)性，一方面對(duì)于系統(tǒng)異常具備靈敏的識(shí)別能力，另一方面對(duì)于錯(cuò)誤信息和干擾具備一定的過(guò)濾和容錯(cuò)能力。

1.4 可靠性

在海上航行時(shí)船舶極易遇到惡劣海況，船體的震動(dòng)和顛簸可能會(huì)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)造成損壞，為了避免因信息交換網(wǎng)絡(luò)損壞導(dǎo)致對(duì)于供電和推進(jìn)系統(tǒng)的失控，必須要求通信網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的可靠性，具有冗余、災(zāi)備等功能，在物理網(wǎng)絡(luò)遭到一定損壞的情況下，仍能滿(mǎn)足各個(gè)系統(tǒng)的通信要求。

針對(duì)以上需求，我們看到使用100 M 以太網(wǎng)技術(shù)能夠滿(mǎn)足船舶信息交換對(duì)于帶寬和實(shí)時(shí)性的要求，同時(shí)將針對(duì)船舶的實(shí)際場(chǎng)景，設(shè)計(jì)相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)較好的容錯(cuò)性和可靠性。

2 艦船動(dòng)力信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 以太網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分析

當(dāng)前有多種以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)可以使用，其中主流的3 種為Ethernet/IP，Modbus/TCP，Profinet- IRT［3］。它們之間的性能評(píng)價(jià)如表1所示。

表1 不同以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比Tab.1 Comparison of ethernet standards

根據(jù)第1 節(jié)中對(duì)于通信需求的分析，在本文中將采用Ethernet/IP 作為信息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

Ethernet/IP 是當(dāng)前廣泛使用的成熟技術(shù)，其最高速率能夠達(dá)到10/100 Gbps，在ASIC 芯片中實(shí)現(xiàn)時(shí)，能夠達(dá)到10/100 Mbps的傳輸帶寬［4］，能夠滿(mǎn)足艦船動(dòng)力系統(tǒng)的信息傳輸需求。同時(shí)，與其他標(biāo)準(zhǔn)相比，在以中型船舶為標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng)絡(luò)中，信息傳輸?shù)臅r(shí)延不超過(guò)1 ms，能夠滿(mǎn)足較好的實(shí)時(shí)性。

彈性以太網(wǎng)協(xié)議 (Resilient Ethernet Protocol，REP)保證了在以太網(wǎng)中能夠具備較好的冗余性能，同時(shí)循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)機(jī)制，能夠有效減少誤碼和錯(cuò)誤，具備一定的容錯(cuò)性。

同時(shí)，由于Ethernet/IP 是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的協(xié)議，市場(chǎng)上相關(guān)產(chǎn)品豐富，實(shí)現(xiàn)難度較小，采用這一標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

2.2 供電子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

本文供電子系統(tǒng)特指的是為除了推進(jìn)系統(tǒng)外，船舶各項(xiàng)功能供應(yīng)電力的系統(tǒng)。其主要分為骨干層，分布層和接入層3個(gè)層次。其中骨干層主要是船體內(nèi)部各個(gè)系統(tǒng)信息傳輸?shù)闹鞲傻?，?fù)責(zé)匯聚各個(gè)設(shè)備的傳輸信息到艦橋的中央處理終端;分布層主要用于為甲板上的建筑和設(shè)備提供通信鏈路;接入層則主要用于連接特定的智能設(shè)備、終端等。其中骨干層如圖2所示。

圖2 骨干層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)Fig.2 Design of backbone network

在圖2 中，S 為以太網(wǎng)交換機(jī)，連接線表示連接的雙絞線。骨干層網(wǎng)絡(luò)中的流量主要來(lái)自電力引擎和各個(gè)交換機(jī)節(jié)點(diǎn)流入的流量，是整個(gè)系統(tǒng)流量匯聚的地方，因而其具備較高的傳輸速率和完備的冗余機(jī)制。信息處理中心是設(shè)置在艦橋中的信息處理終端，是整個(gè)動(dòng)力信息系統(tǒng)的核心，匯總收集的信息并進(jìn)行處理;電力引擎為船舶提供電力。因此，信息處理中心和電力引擎，組成了骨干網(wǎng)絡(luò)的主要部分，它們之間分布有若干個(gè)交換機(jī)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)形成冗余環(huán)狀拓?fù)洌瑫r(shí)運(yùn)行有生成樹(shù)協(xié)議，可以有效防止信息環(huán)路，確保通信時(shí)延，當(dāng)某條鏈路遭到破壞或阻塞時(shí)，來(lái)自電力引擎的信息仍然能夠被傳遞到信息處理中心。

在骨干層網(wǎng)絡(luò)之外，還有若干分布層網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 分布層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)Fig.3 Design of distributed network

在圖3 中，S 為分布層網(wǎng)絡(luò)和骨干層網(wǎng)絡(luò)相連的交換機(jī)節(jié)點(diǎn)，T 為變電設(shè)備。分布層的作用主要是通過(guò)變電設(shè)備與各個(gè)用電設(shè)備相連，將安裝在具體用電設(shè)備的多種智能監(jiān)測(cè)終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，匯聚之后傳輸給骨干網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而送給信息處理中心進(jìn)行處理。

在分布層網(wǎng)絡(luò)之外，則是在具體用電設(shè)備中的接入層網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 接入層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)Fig.4 Design of access network

在圖4 中，S 為以太網(wǎng)交換機(jī)節(jié)點(diǎn);D 為具體用電設(shè)備的智能監(jiān)測(cè)裝置。在實(shí)際應(yīng)用中，具體的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有這些裝置產(chǎn)生，并通過(guò)分布層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入骨干層網(wǎng)絡(luò)，最后被傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行倪M(jìn)行處理。

2.3 推進(jìn)子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

推進(jìn)子系統(tǒng)與供電子系統(tǒng)的區(qū)別在于，前者處理的信息主要由機(jī)械和非智能設(shè)備產(chǎn)生，需要進(jìn)行信息格式的轉(zhuǎn)換和特殊的處理機(jī)制，而后者由于大量智能電力監(jiān)測(cè)設(shè)備的使用，處理的往往是結(jié)構(gòu)化和標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)，根據(jù)這2 種傳輸場(chǎng)景的不同，有相關(guān)研究成果提出，在推進(jìn)子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中采用SERCOS III［5］標(biāo)準(zhǔn)，在供電子系統(tǒng)中采用Ethernet/IP 標(biāo)準(zhǔn)，以取得更好的時(shí)延性能，然而在對(duì)兩者的工作機(jī)制和協(xié)議棧進(jìn)行研究之后，發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題:首先，二者雖然均支持802.3 以太網(wǎng)，然而其在傳輸?shù)男旁袷降确矫婢哂休^大的差異，實(shí)現(xiàn)2 種網(wǎng)絡(luò)的連接仍然需要單獨(dú)的轉(zhuǎn)接設(shè)備，為系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了困難;同時(shí)，二者雖然均能達(dá)到10/100 M的傳輸速率，然而傳輸格式、數(shù)據(jù)包大小的差異，仍然使得2 種網(wǎng)絡(luò)的速率匹配產(chǎn)生問(wèn)題，造成整個(gè)通信鏈路的瓶頸或故障?；谝陨峡紤]，在推進(jìn)子系統(tǒng)中，將仍然采用Ethernet/IP 標(biāo)準(zhǔn)作為實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

與供電子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同的是，推進(jìn)子系統(tǒng)并不需要在整個(gè)船體布網(wǎng)，而僅僅需要圍繞船舶引擎和推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行布網(wǎng)即可，其基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 推進(jìn)子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)Fig.5 The design of propelling system

在圖5 中，D 為在船舶引擎和推進(jìn)系統(tǒng)中安裝的智能監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備，一方面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)引擎和推進(jìn)系統(tǒng)的震動(dòng)、壓力、轉(zhuǎn)速等運(yùn)行狀況;另一方面能夠根據(jù)上層系統(tǒng)的指令給與其及時(shí)的控制。

推進(jìn)子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的范圍較小，主要集中于船舶引擎和推進(jìn)系統(tǒng)，由于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的環(huán)境較為復(fù)雜多變，因而對(duì)其可靠性提出了較高的要求。在圖5 中，采用交換機(jī)冗余備份的方案，確保任意鏈路或節(jié)點(diǎn)損壞，并不會(huì)影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸。

2.4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)計(jì)

通過(guò)以上分析和設(shè)計(jì)，確定了各個(gè)子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，然而，在船舶內(nèi)部各個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間相互融合，而非互相孤立，從而能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)部分?jǐn)?shù)據(jù)和信息的互聯(lián)互通，因而還需要采用科學(xué)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，將供電子系統(tǒng)和推進(jìn)子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，形成“船域網(wǎng)”，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)對(duì)信息處理中心的信息傳輸;另一方面也能夠?qū)崿F(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的冗余備份，提高船舶動(dòng)力信息系統(tǒng)的可靠性。

船域網(wǎng)的截面圖如圖6所示。

圖6 船域網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 The architecture of ship-area network

在圖6 中，各個(gè)部分的表示方法與上文相同，將供電子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和推進(jìn)子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)融合，即形成了船域網(wǎng)。接入層網(wǎng)絡(luò)在具體的用電設(shè)備和推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)部，負(fù)責(zé)將各個(gè)構(gòu)件和傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和匯聚;分布層網(wǎng)絡(luò)將來(lái)自各個(gè)用電設(shè)備和推進(jìn)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯總，并連接骨干網(wǎng)，最終通過(guò)骨干通信網(wǎng)將數(shù)據(jù)遞交信息處理中心。

3 仿真與驗(yàn)證

3.1 傳輸帶寬與時(shí)延性能仿真

根據(jù)本文提出的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案，將在OPNET 中進(jìn)行實(shí)際性能仿真，檢驗(yàn)系統(tǒng)提出的方案能否滿(mǎn)足船舶動(dòng)力信息系統(tǒng)在傳輸速率和時(shí)延上的要求。

在仿真過(guò)程中，采用能夠支持IEEE 802.1p 標(biāo)準(zhǔn)的交換機(jī)模塊，這種交換機(jī)能夠支持QoS 服務(wù)［6-7］，基于這一服務(wù)可以將不同種類(lèi)的消息分級(jí)。在仿真中采用3個(gè)優(yōu)先級(jí):優(yōu)先級(jí)3 表示需要實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，優(yōu)先級(jí)2 表示系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)的控制和狀態(tài)信息，優(yōu)先級(jí)3 表示盡力而為傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

則在仿真過(guò)程中，將對(duì)優(yōu)先級(jí)3的流量進(jìn)行測(cè)試和觀察。表2 顯示了不同流量的發(fā)送頻率。

表2 流量發(fā)送頻率Tab.2 The Frequency of traffic in the simulation

在仿真過(guò)程中，將根據(jù)本文提出的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案設(shè)計(jì)相應(yīng)的拓?fù)洌孕畔⑻幚碇行臑榛鶞?zhǔn)，測(cè)試各種流量的時(shí)延和帶寬性能，在OPNET 中仿真的拓?fù)淙鐖D7所示。

圖7 仿真拓?fù)鋱DFig.7 The topology of the simulation

根據(jù)測(cè)試的結(jié)果，在信息處理中心端，獲得吞吐量不少于25 Mbps，同時(shí)對(duì)于優(yōu)先級(jí)為3的實(shí)時(shí)流量，其時(shí)延不超過(guò)5 ms，測(cè)試的時(shí)延結(jié)果如圖8所示。

圖8 優(yōu)先級(jí)3 流量時(shí)延Fig.8 The delay of traffic with priority 3

仿真結(jié)果證明，本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)能夠滿(mǎn)足在通信速率和時(shí)延性能上的需求。

3.2 網(wǎng)絡(luò)自愈性能仿真

為了測(cè)試網(wǎng)絡(luò)自愈性能，本文涉及了相應(yīng)的測(cè)試環(huán)境，其由若干個(gè)運(yùn)行REP的以太網(wǎng)交換機(jī)節(jié)點(diǎn)組成，形成冗余環(huán)狀鏈路，測(cè)試當(dāng)鏈路中斷之后，網(wǎng)絡(luò)能夠在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)找到新的通信路徑，并恢復(fù)通信。測(cè)試網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D9所示。

圖9 網(wǎng)絡(luò)自愈仿真拓?fù)銯ig.9 The topology of network healing

在測(cè)試的過(guò)程中，運(yùn)行有由S6 發(fā)往Sink，和Sink 發(fā)往S3的流量，在測(cè)試中將依次斷開(kāi)S1～S6之間的互聯(lián)鏈路，然后記錄網(wǎng)絡(luò)利用REP 實(shí)現(xiàn)的自愈時(shí)間。結(jié)果記錄如表3所示。

表3 網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)間測(cè)試結(jié)果Tab.3 The result of network healing time

以上仿真結(jié)果證明，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)鏈路遭到破壞時(shí)，本文設(shè)計(jì)的通信網(wǎng)絡(luò)能夠利用相應(yīng)的冗余機(jī)制，較快地恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)通信功能，說(shuō)明了本文提出的方案具有較好的可靠性。

4 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的動(dòng)力信息交換系統(tǒng)，逐漸無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際需求。以太網(wǎng)作為一種成熟、高效的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，則可以在一定程度上彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)總線的不足，滿(mǎn)足日益提升的通信要求。本文對(duì)如何構(gòu)建基于以太網(wǎng)的艦船動(dòng)力信息系統(tǒng)進(jìn)行了研究，分析了動(dòng)力信息系統(tǒng)通信的具體需求，設(shè)計(jì)了一種新型的基于以太網(wǎng)技術(shù)的艦船動(dòng)力信息系統(tǒng)，并在OPNET 仿真平臺(tái)上進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了本文提出方案的可行性。

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