基于混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)的船舶智能集成平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究

陳 力 孫劍峰

（上海船用柴油機(jī)研究所，上海 201108）

近年來，船舶智能化快速發(fā)展。在船端，現(xiàn)有最典型的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的系統(tǒng)綜合船橋系統(tǒng)（IBS），該系統(tǒng)采用的是令牌環(huán)形局域網(wǎng)，將有關(guān)導(dǎo)航、駕控、避碰和監(jiān)視等傳感信息進(jìn)行融合，并從人機(jī)工程的角度進(jìn)行集成，以提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。[1]在這種傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式中，平臺(tái)各系統(tǒng)設(shè)備之間采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式進(jìn)行通訊，耦合大，可擴(kuò)展性不強(qiáng)，而且作為數(shù)據(jù)源的各系統(tǒng)之間缺乏聯(lián)系，數(shù)據(jù)封閉無法共享，難以建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)。

中國船級(jí)社提出的《智能船舶規(guī)范》中，智能集成平臺(tái)作為規(guī)范中規(guī)定的智能船舶七個(gè)重要組成部分之一，能夠集成智能航行、智能船體、智能機(jī)艙、智能能效管理以及智能貨物管理等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和統(tǒng)一存儲(chǔ)，被整合的數(shù)據(jù)可有效解決數(shù)據(jù)孤島的問題，為智能船舶的發(fā)展提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。其總體結(jié)構(gòu)分為七大部分：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)整合、信息應(yīng)用、信息展現(xiàn)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、信息安全體系。[2]

1 傳統(tǒng)船舶信息平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)

目前，船舶系統(tǒng)普遍采用的是控制層、信息層分離的雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由于控制層對(duì)響應(yīng)時(shí)間、同步時(shí)間要求較高，普遍采用現(xiàn)場(chǎng)CAN 總線，而信息層對(duì)響應(yīng)時(shí)間、同步時(shí)間要求不高，普遍采用兼容性更好的以太網(wǎng)。

CAN 協(xié)議本身在OSI 七層協(xié)議中只包含物理層和鏈路層，這使協(xié)議本身具備較強(qiáng)的靈活性，但是CAN 總線的兩層協(xié)議自身也存在一些瓶頸：

（1）物理層阻抗匹配設(shè)計(jì)復(fù)雜；

（2）鏈路層仲裁機(jī)制的局限；

（3）鏈路層位定時(shí)要求嚴(yán)格；

（4）鏈路層傳輸速率較低。

針對(duì)傳統(tǒng)動(dòng)力推進(jìn)與信息平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)的不足，本文結(jié)合智能船舶規(guī)范的要求，提出了一種基于混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)的智能集成平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其中，控制層采用基于分布式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)的EPA 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，信息層采用基于星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)的光纖以太網(wǎng)，通過軟硬件的模塊化、結(jié)構(gòu)化和服務(wù)化，解決了各分系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行、互操作困難、資源無法共享等問題，提高船舶的智能化和自動(dòng)化，最終達(dá)到跨平臺(tái)、跨領(lǐng)域的協(xié)同作戰(zhàn)能力。

2 船舶智能集成平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

本文控制層采用的是EPA 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)，EPA 是基于UDP/IP 協(xié)議通信調(diào)度策略的確定性，以及以太網(wǎng)高效、穩(wěn)定、標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)，構(gòu)建一種適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)工作狀態(tài)的全新標(biāo)準(zhǔn)。目前，國內(nèi)浙大中控等公司已經(jīng)開發(fā)出了基于EPA 的多種產(chǎn)品，包括基于EPA 的執(zhí)行器、變送器、遠(yuǎn)程分散控制站、數(shù)據(jù)采集器、現(xiàn)場(chǎng)控制器、無紙記錄儀等。[3]基于EPA 的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在工業(yè)化生產(chǎn)中已有實(shí)際運(yùn)用案例。

參考OSI 通信模型，EPA 通信模包含了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，其模型如圖1 所示。

圖1 EPA 通信模型

其特點(diǎn)在于，通過在數(shù)據(jù)鏈路層上添加了一個(gè)EPA CSME(EPA 通信調(diào)度管理實(shí)體)，采用分時(shí)調(diào)度與優(yōu)先級(jí)調(diào)度相結(jié)合的方式控制EPA 報(bào)文的發(fā)送；在應(yīng)用層添加了EPA 系統(tǒng)管理實(shí)體(作為EPA 管理設(shè)備)、EPA 應(yīng)用訪問實(shí)體(作為EPA 應(yīng)用訪問服務(wù))和EPA 應(yīng)用套接字映射實(shí)體(作為系統(tǒng)管理實(shí)體、應(yīng)用訪問實(shí)體與UDP/IP 之間的映射)。EPA 管理信息庫則包含了通信調(diào)度管理實(shí)體、系統(tǒng)管理實(shí)體和應(yīng)用訪問實(shí)體操作所需的信息。除此之外，它還在應(yīng)用層中增添了一個(gè)用戶層，包括EPA 功能塊應(yīng)用進(jìn)程和其他非實(shí)時(shí)應(yīng)用進(jìn)程兩部分。[4]

3 船舶智能集成平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.1 控制層-分布式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)

控制層打破以往各系統(tǒng)獨(dú)自實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制的方式，基于分布式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)，采用通用化統(tǒng)一化的控制單元模塊對(duì)船舶智能集成平臺(tái)各艙室進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與控制。其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 底層控制層結(jié)構(gòu)圖

控制層采用分布式的采集控制方式，每個(gè)艙室配置兩個(gè)控制單元，兩者之間互為冗余，通過艙室內(nèi)冗余配置的網(wǎng)關(guān)接到雙冗余光纖以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)底層控制層與上層信息層的互聯(lián)。

3.2 信息層-星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)

信息層是對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸與服務(wù)的部分，是以雙冗余光纖以太網(wǎng)的骨架，是構(gòu)成船舶智能集成平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分。各艙室經(jīng)控制單元匯聚控制層信息，經(jīng)網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)傳輸?shù)椒?wù)器進(jìn)行處理與儲(chǔ)存。其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 信息層結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)信息傳輸層采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各個(gè)層面采用冗余鏈路或設(shè)備備份，充分考慮了鏈路中斷、設(shè)備故障等可能性的意外情況，有效提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

基于上，本文提出一種基于混合式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)的船舶智能集成平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)，其基本結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 智能集成平臺(tái)硬件公共服務(wù)架構(gòu)

其中，在控制層某些特殊位置，傳統(tǒng)傳感器布線難度大、功耗高、數(shù)據(jù)采集處理成本高，加裝無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，比較成熟的像WIA-PA 網(wǎng)絡(luò)，可以提供無線傳感器（無線轉(zhuǎn)速采集傳感器、無線壓力采集傳感器、無線PT100 溫度傳感器、無線PT1000溫度傳感器、無線熱電偶溫度傳感器）、無線適配器（無線模擬量輸入適配器、無線模擬量輸出適配器、無線模擬量輸入輸出適配器）和無線網(wǎng)關(guān)，這樣可以增強(qiáng)平臺(tái)感知能力，提高船舶的智能性。

4 結(jié)論

本文提出的基于混合式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)的智能集成平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，是智能船舶發(fā)展的一個(gè)重要方向，下層采控層面劃分為實(shí)時(shí)域可以直接通過實(shí)時(shí)網(wǎng)交互數(shù)據(jù)，上層信息層劃分為非實(shí)時(shí)域交互非實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)關(guān)隔離實(shí)時(shí)域與非實(shí)時(shí)域，使全艦網(wǎng)絡(luò)扁平化的同時(shí)，使得各個(gè)分系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行了最大限度的共享，提高船舶的智能化和自動(dòng)化，最終達(dá)到跨平臺(tái)、跨領(lǐng)域的協(xié)同作戰(zhàn)能力。