船舶綜合監控網絡可靠性設計

馬玉麗，張冬梅

（青島遠洋船員職業學院，山東 青島 266071）

船舶綜合監控網絡可靠性設計

馬玉麗，張冬梅

（青島遠洋船員職業學院，山東 青島 266071）

由于船舶工作環境特殊，空間狹小，有電磁干擾、振動、水浸、鹽霧等不利因素，只有對其可靠性進行研究，才能保證整個船舶監控網絡系統正常運行。本文從拓撲、冗余和抗電磁干擾3個方面進行設計，全方位有效提高船舶綜合監控網絡的可靠性。

可靠性；拓撲；冗余；電磁干擾

0 引 言

隨著計算機網絡技術的發展，船舶監控系統也逐步向網絡化、自動化方向發展。從最初的由單板機控制的集散型控制系統發展到分布控制系統，不同的系統中由不同的計算機控制，如主機遙控系統、集中監視系統等。整個監控網絡中不同系統之間沒有過多數據的傳送，只是報警數據的傳遞，缺乏集中的管理和控制。如今對自動化的要求越來越高，自動化程度直接影響著船舶的安全性和經濟性能，所以把船舶不同系統集合成一個綜合的監控網絡是發展趨勢［1］。結合國內外現狀，目前綜合監控網絡比較成型的方案為 2層網絡 3 層設備的結構，如圖 1 所示。

管理層為滿足 TCP/IP 協議的以太網，局域網用戶可以依照權限對整個系統進行監視和控制，并可通過服務器對系統數據進行備份；控制層為控制臺或操作站形式，分別對不同的系統來進行監視和控制，控制層設備采取就近控制，節約通信電纜，傳輸速度快；設備層位于整個網絡的底層，在測控現場，一般采用現場總線網絡。現場總線網絡最大的優點是可靠性能極高，信息傳輸的實時性、確定性能夠得到保證。CAN 總線作為船舶上主要應用的總線格式，目前的應用場合越來越多。

船舶網絡相對于一般工業網絡來說，地理位置比較近，網絡規模較小，另外船舶振動較大，噪聲大、濕度大、溫度高，所以船舶綜合監控網絡抗干擾性能要好；船舶作為一個獨立的個體在海上航行，綜合監控網絡對船舶的安全航行起著至關重要的作用，所以必須保障船舶綜合監控網絡通信的可靠性。為了保障網絡通信的可靠，本文主要從拓撲結構、冗余設計、抗干擾設計幾方面來進行研究。

1 拓撲設計

網絡的拓撲結構表明網絡中各個節點的位置關系，拓撲設計是網絡設計的第一步，良好的拓撲結構是可靠性的保障。在進行系統設計之初，必須對系統需求進行詳細分析，才能設計出安全可靠滿足船舶需求的系統。針對 2 層網絡 3 層設備的網絡系統來說，上層管理網絡主要是在局域網中進行數據的傳遞、并進行不同系統之間的集成，數據在各個艙室之間傳遞相對距離較遠，為了完成這樣的功能，要求此網絡具有較高的數據傳輸速率較高的帶寬，適應大容量數據傳輸，需要具有全開放性，對實時性要求并不是很高；下層的現場總線網絡主要面向現場參數的采集和控制，主要傳輸狀態和控制指令，對實時性和確定性要求很高［2］。

圖 1 船舶綜合監控網絡示意圖Fig. 1 Schematic diagram of ship integrated monitoring network

傳統網絡的拓撲結構有總線型、星型、環型幾種基本形式。結合前面的需求分析，上層的管理網絡要求較高的數據傳輸速率，可以采用核心交換機組建兩層星型的層次拓撲結構，核心交換機到局域網計算機之間采用千兆光纖，滿足高速傳輸的需求，核心層采用 3 層交換機，網絡數據都通過它的光纖端口進行高速交換。通過核心交換機創建和維護網絡路由表，實現不同功能單元或虛擬局域網之間的路由，實施訪問控制機制。2 層交換機以下采用超五類屏蔽雙絞線。這種雙星型的層次拓撲結構采用以太網交換機將網絡劃分為更小的網段，每 1 個端口就是一個沖突域，各個沖突域通過交換機進行隔離，交換機可對網絡數據進行過濾，使每個網段內節點間數據只限在本地網段內進行傳輸，而不需要經過主干網，從而減輕了主干網的數據負荷［3］；實現多網段的并行運行，傳輸速率明顯提高；某個網段出現問題時，其他網段還能正常使用，有利于限制故障影響和故障排除，魯棒性較好［4］。雙星型的層次拓撲結構如圖 2 所示。

下層的現場總線網絡屬于總線型拓撲結構，所有的現場測控節點掛在 CAN 總線上，最遠傳輸距離可達10 km，節點設備最多可達 110 個，可實現多種工作方式。網絡中的各節點都可根據總線訪問優先權采用逐位仲裁的方式競爭向總線發送數據。CAN 總線在信息量不大的情況下可以保障總線上數據傳輸的可靠性和實時性

圖 2 雙星型網絡拓撲結構Fig. 2 Double star network topology

2 冗余設計

冗余技術是通過配置并聯運行的同等功能的部件，并通過一定的冗余邏輯使它們協調地同步運行，系統的可靠性得到多重保證。本文主要討論工業以太網冗余和 CAN 總線網絡冗余的方案。

無冗余網絡存在眾多的單點故障，核心交換機數據壓力大［5］，因為船舶網絡規模較一般工業網絡較小，可采用核心交換機雙機熱備份的核心層冗余方案，如圖 3 所示，實線表示正常的通信鏈路，虛線表示冗余鏈路，核心交換機 L1和 L2互為熱備用，通過 2 臺交換機之間的 Ethernet Channel，實現 3 層交換機之間的高速互通。這種冗余方案在核心層和接入層之間形成了物理環路，廣播幀在轉發時會形成廣播風暴，通過在數據鏈路層使用生成樹協議STP使冗余端口處于阻塞狀態，消除網絡中可能存在的路徑。當正常鏈路失效故障時，冗余鏈路迅速啟動，使船舶網絡能夠順利完成數據的傳輸任務。

圖 3 核心交換機冗余方案Fig. 3 Redundancy scheme of core switch

雖然 CAN 總線協議本身具有較強的檢糾錯能力，傳輸數據完整有效，抗干擾能力強，但在船上的控制現場，插頭連接不牢固、傳輸介質損壞或總線驅動器的損壞等都會破壞 CAN 總線的可靠通信。為使 CAN總線網絡具有更高的可靠性，有效的途徑就是進行冗余設計［6］。

典型的 CAN 電路（例如圖 1 中的智能測控節點）可分為單片機、總線控制器、CAN 總線驅動器及總線4個環節。冗余技術就是針對這4個部分進行相應的備份，通過不同方法來實現各個部分之間的切換。

CAN 總線冗余大多采用硬件冗余的方式，根據冗余方式不同可分為熱備份和冷備份；根據冗余等級不同可分為 CAN 驅動器極冗余、CAN 控制器級冗余及CPU 級冗余等。

熱備份的自動化程度高，管理方便，故障后系統重新恢復正常工作的時間間隔比較短。

CAN 總線驅動器級、控制器級，及CPU 級三者的冗余為等級遞增，相應的可靠性也越來越高，電路和軟件的復雜程度及成本也會有所增加［7］，綜合考慮船舶工作環境和網絡的重要性，CAN 總線網絡采用 CPU級系統冗余網絡最合適，如圖 4 所示。系統冗余中，CPU、控制器、驅動器和總線均為2套，1套系統運行，另外1套作為熱備份，發生故障時，另外1套馬上工作維持系統的正常運行。

圖 4 CAN 總線系統冗余Fig. 4 CAN Bus system redundancy

3 抗電磁干擾設計

船舶機艙空間狹小，設備布置緊湊，各種電磁干擾對正常工作都有嚴重的影響。為保證網絡系統正常工作，可采取如下措施：

1）電氣隔離：通信電纜是網絡系統中受干擾最大的部分，而且各種干擾也極容易通過通信電纜進入系統，為了切斷干擾途徑，可在線路中增加光電隔離器件進行隔離。

2）防電網串擾：電網干擾傳入控制網絡主要是通過系統不同部分的供電電源耦合進入的，所以需要采用隔離性能較好的電源。

3）防電磁干擾：網絡電纜采用光纜和屏蔽電纜，采用獨立的布線通道，并注意加大該通道與其他電纜的布線間距。網絡的接插件全部采用屏蔽產品，屏蔽層可靠接地，整個網絡鏈路形成一個完整、封閉的屏蔽層［8］。

4）防撞擊、水浸、高溫和鹽霧腐蝕措施：網絡線纜加鎧裝層加強強度和線纜的密封性。

4 結 語

為了提高船舶的自動化水平，當前船舶監控網絡向著不同系統綜合的方向發展。綜合監控網絡的可靠運行關系著船舶的生命力。本文所設計的拓撲結構、冗余結構和抗干擾策略大大地提高了綜合監控網絡的可靠性，適用于現代艦船的發展需要，有利于提高艦船的生命力。

［1］楊春英， 左艷軍， 李敏茹. 艦船網絡技術現狀和發展趨勢［J］.艦船科學技術， 2011， 33（3）: 3–6， 11.

［2］武飛. 船舶信息系統的網絡研究與設計［D］. 武漢: 武漢理工大學， 2008.

［3］趙海， 白宗振， 林愷， 等. 工業以太網中層次拓撲結構對網絡性能的影響［J］. 東北大學學報（自然科學版）， 2008， 29（10）: 1418–1421.

［4］宰守剛. 工業以太網的實時調度及系統設計［D］. 杭州: 浙江大學， 2003.

［5］黃文君， 謝東凱， 盧山， 等. 一種高可用性的冗余工業實時以太網設計［J］. 儀器儀表學報， 2010， 31（3）: 704–708.

［6］楊家龍. 基于網絡環境的艦船機艙動力裝置監控系統技術研究［D］. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學， 2006.

［7］馬建彬. CAN總線實驗系統及其雙線冗余的研究［D］. 天津:天津大學， 2009.

［8］程嵐. “大洋一號”科學考察船計算機網絡系統總體方案設計［J］. 船海工程， 2003（5）: 10–12.

Reliability design for ship integrated monitoring network

MA Yu-li， ZHANG Dong-mei
（Qingdao Ocean Shipping Mariners College， Qingdao 266071， China）

Because of the special working environment of ship， the space is small， there are some disadvantages， such as electromagnetic interference， vibration， water immersion， salt spray and so on. In this paper， three aspects of topology，redundancy and anti electromagnetic interference are analyzed and designed， which can improve the reliability of integrated monitoring network.

reliability；topology；redundancy；electromagnetic interference

TP393

A

1672 – 7619（2016）04 – 0128 – 03

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.04.026

2015 – 12 – 23；

2016 – 01 – 30

馬玉麗（1978 – ），女，講師，主要從事電子電氣、計算機網絡方面的教學研究。