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摘要:

船域網(wǎng)是局域網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在船舶上的一種重要應用，其能夠提供船舶內(nèi)多種設(shè)備、通信裝置、人員的信息交互能力。然而，由于造船能力和船載設(shè)備的制約，構(gòu)建完備和多功能的船域網(wǎng)較難實現(xiàn)，為解決這一問題，采用實用的船域網(wǎng)構(gòu)建方案是必須的，這種方案在不更改原有船載設(shè)備的同時，通過建立和標準化各種設(shè)備的通信接口作為通信網(wǎng)關(guān)，構(gòu)建一種能夠滿足多種通信需求，功能豐富的船域網(wǎng)絡(luò)。本文針對如何設(shè)計和實現(xiàn)多種通信接口進行研究，并提出具體的實現(xiàn)方案，經(jīng)過實驗驗證，本文提出的海上通信網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計與實現(xiàn)方法能夠應用于多種船舶和設(shè)備，具有較好的可用性。

關(guān)鍵詞:

船域網(wǎng);通信接口;通信網(wǎng)絡(luò)

引言

隨著造船業(yè)和ICT技術(shù)的不斷發(fā)展，當前船舶的自動化和集成化程度越來越高，為船舶的建造、航行和維護提供了諸多便利。當前的商用船舶和民用船舶使用了多種自動化設(shè)備，然而每個設(shè)備的控制、通信等功能通常是獨立的，需要專門的線路、設(shè)備和控制臺進行監(jiān)控和操作，一方面使得控制各項設(shè)備的工作量較大，另一方面使得各個系統(tǒng)的信息無法共享。最近提出的船域網(wǎng)概念，是成熟的局域網(wǎng)技術(shù)在船舶中的應用，其目的在于將船載所有設(shè)備的信息交互，融合在一張網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)多種設(shè)備的互通互聯(lián)和集中控制，能夠大大提高船舶的自動化水平和船舶各種信息數(shù)據(jù)的分析和利用，同時，船域網(wǎng)不僅提供了船舶內(nèi)部的通信能力，同時還能夠利用無線通信、衛(wèi)星通信等手段，支持“岸艦”通信和“艦艦”通信的擴展，提供多種高附加值的服務(wù)和功能，是未來船舶通信技術(shù)的重要發(fā)展方向［1］。船舶區(qū)域網(wǎng)絡(luò)是一個融合網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)IEC61162－450標準向多種設(shè)備提供統(tǒng)一的接口，實現(xiàn)船舶內(nèi)部設(shè)備人員的互通互聯(lián)和岸艦通信。然而，當前大多數(shù)供應商并沒有提供基于IEC61162－450接口。因此，為了在現(xiàn)有技術(shù)能力和船舶條件下實現(xiàn)船域網(wǎng)［2－3］，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)必要，也是可以被各個供應商所接受的方法之一。為了解決以上問題，部分學者提出了一種實用的船域網(wǎng)構(gòu)建方案，該方案在不更改原有船載設(shè)備的同時，通過建立和標準化各種設(shè)備的通信接口作為通信網(wǎng)關(guān)，從而構(gòu)建一種能夠滿足多種通信需求，功能豐富的船域網(wǎng)絡(luò)。本文對多種通信網(wǎng)絡(luò)接口的結(jié)構(gòu)、框架、功能和實現(xiàn)進行了研究，并利用實驗檢驗了接口的通信性能，證明了本文提出的海上通信網(wǎng)絡(luò)接口具有較好的可行性和有效性，作為現(xiàn)有船舶通信系統(tǒng)向下一代船域網(wǎng)演進的漸進方法，具有重要的實用意義。

1船域網(wǎng)模型

1.1模型框架船域網(wǎng)由以下4層體系結(jié)構(gòu)組成:

1)岸艦網(wǎng)絡(luò):頂層網(wǎng)絡(luò)包含船舶局域網(wǎng)，衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器和天線，衛(wèi)星空間段和用戶段，和網(wǎng)絡(luò)連接的遠程維護服務(wù)器和客戶端。船舶公司和制造商可以通過衛(wèi)星鏈路訪問船域網(wǎng)，從而提供了遠程維護服務(wù)的能力。2)船舶局域網(wǎng):該網(wǎng)絡(luò)是一個包含了網(wǎng)關(guān)和本地基于以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)的融合網(wǎng)絡(luò)。船舶區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中的通信依據(jù)IEC61162－450標準協(xié)議，采用UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)傳輸，提供可靠/不可靠組播傳輸模式。3)本地控制網(wǎng)絡(luò):該網(wǎng)絡(luò)是一個連接了各種控制器、I/O模塊和各種設(shè)備的本地網(wǎng)絡(luò)，能夠獨立實現(xiàn)多種控制目標，如報警監(jiān)控系統(tǒng)、船舶機動操縱系統(tǒng)、航行數(shù)據(jù)記錄器及艦橋信息集成系統(tǒng)等。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部通信可使用以太網(wǎng)或現(xiàn)場總線技術(shù)，如PROFIBUS或CANopen等。需要注意的是，本地控制網(wǎng)絡(luò)可以作為其他不支持IEC61162－450標準網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備的網(wǎng)關(guān);4)傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò):該網(wǎng)絡(luò)是一個現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)集成了船舶的所有傳感器和執(zhí)行器，同時連接了單元控制器和本地控制網(wǎng)絡(luò)。與控制網(wǎng)絡(luò)相比，傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)，可采用硬連接方式或簡單的現(xiàn)場總線技術(shù)連接。

1.2實用模型

在傳統(tǒng)的船舶網(wǎng)絡(luò)中，需要為每個控制系統(tǒng)單獨建立通信連接。那么該網(wǎng)絡(luò)的復雜度為其中n為本地網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量。另一方面，船域網(wǎng)作為本地控制網(wǎng)絡(luò)的骨干網(wǎng)，能夠有效減少連接的復雜性。然而在機械層面，多數(shù)供應商并不愿意提供IEC61162－450接口:有些供應商無法在控制器中集成以太網(wǎng)等接口，而另一些供應商則出于安全或其他原因，并不愿意將其本地控制網(wǎng)絡(luò)接入融合網(wǎng)絡(luò)。

2構(gòu)建通信接口

本文主要使用2種通信協(xié)議來構(gòu)建船域網(wǎng)中的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)和本地系統(tǒng)。一種協(xié)議為IMO承認的NMEA［4］標準化協(xié)議，另一種為廣泛使用的，但是并未被IMO承認的非標準化協(xié)議Modbus［5］。

2.1NMEA

自20世紀80年代起，NMEA協(xié)議就成為了海上導航和無線通信設(shè)備的數(shù)字接口標準。NMEA－0183標準已經(jīng)被IEC認可，其諧波標準為IEC61162－1。NMEA－0183的告訴諧波標準為IEC61162－2。采用CAN技術(shù)的NMEA－2000標準為IEC61162－3，采用以太網(wǎng)技術(shù)的由于其實現(xiàn)的復雜性而被撤銷。只有輕量級的以太網(wǎng)互聯(lián)標準IEC61162－450被保留在IEC61162－4系列中。NMEA協(xié)議具有悠久的歷史，且曾經(jīng)是最早和唯一的船舶通信標準化接口。正因如此，多數(shù)供應商在設(shè)計和制造設(shè)備或系統(tǒng)的通信接口時，都依照該標準，因此在船舶中實施該接口時較為簡單和方便。

2.2Modbus

ModbusRTU因為其應用的簡便性，是當前在船舶機械層面被廣泛接受和應用的協(xié)議。該協(xié)議具備主/從通信模式，并且使用RS－232/422/485作為物理接口。RS－485是船舶中主要使用的物理接口，其通信過程由簡單的請求和應答組成。

3基于Modbus協(xié)議的通信接口優(yōu)化

ModubsRTU數(shù)據(jù)包僅關(guān)注于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)值本身，而并沒有能力傳輸各種參數(shù)，如描述、分辨率、單位、范圍等。然而在機械層面，各種設(shè)備采用的通信參數(shù)均不相同，因此，為了建立有效的通信接口，在建立數(shù)據(jù)通信過程之前，通信雙方需要確定通信中攜帶的參數(shù)。在通信過程中，通信參數(shù)通常需要根據(jù)具體的應用場景進行修改，而對于參數(shù)的修改需要在通信的雙方和多方設(shè)備上同時進行，考慮到船域網(wǎng)中包含的接口數(shù)量，將引入很大的工作量。為了解決之一問題，對Modbus進行優(yōu)化，使得在通信建立之前，首先使用一個附加的會話過程收集相關(guān)的參數(shù)信息。

4實驗驗證

實驗結(jié)果如圖4所示，可看出隨著通信節(jié)點的個數(shù)增加，時間消耗的變化規(guī)律。會話時間表示在附加會話過程中的時間消耗，掃描時間表示所有數(shù)據(jù)節(jié)點至少被詢問1次的時間消耗。總掃描時間為會話時間和掃描時間的和。當通信節(jié)點數(shù)量達到1000時，總掃描時間為62.8s，同時，采用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方法，該用時為11384.2s，將近3h，因此可以看出通過對通信接口的優(yōu)化，較大地提高了基于Modbus協(xié)議通信接口的工作效率。

5結(jié)語

本文深入研究了船域網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀和實際應用過程中的主要困難，針對當前廣泛采用的船域網(wǎng)實用方案，提出了構(gòu)建船域網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)計和實現(xiàn)方法，利用Modbus協(xié)議構(gòu)建了通信接口，并給出了優(yōu)化算法，通過實驗證明了本文提出的方法具有較好的可行性和高效性。

參考文獻:

［3］萬軍，陳凱華．船舶導航信息系統(tǒng)接口設(shè)計［J］．艦船科學技術(shù)，2015，37(1):89－96．

［5］宋輝，戚艷玲．一種CAN總線伺服控制模塊設(shè)計［J］．艦船科學技術(shù)，2013，35(12):221－226．

作者：陳良維 單位：成都航空職業(yè)技術(shù)學院