安少明

（中國人民解放軍四八〇五工廠軍械修理廠 上海市 200439）

隨著海洋經(jīng)濟的崛起，遠洋運輸行業(yè)規(guī)模持續(xù)擴大，在船舶建造總噸位不斷增加的同時，船舶智能化水平也顯著提升，其中就包括船舶通信系統(tǒng)。在遠洋航行過程中，為保證船舶自動化控制系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，以及與外部單元的信息交互，則需要具有高可靠性的通信系統(tǒng)，否則，將嚴重威脅船舶航行安全。以提升可靠性為目標的船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計，將能夠從根本上解決船舶通信系統(tǒng)抗干擾能力差、系統(tǒng)冗余設(shè)計缺失、通信效率低等一系列問題，為船舶航行安全提供更加可靠的通信保障。

1 船舶通信系統(tǒng)概述

基于現(xiàn)代電子信息技術(shù)與數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在船舶通信系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，以及船舶電子通信平臺集成化管理的具體要求，船舶通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1：船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

根據(jù)船舶通信系統(tǒng)的使用環(huán)境，其可以分為“內(nèi)通”和“外通”兩種類型，所謂“內(nèi)通”，是指船舶內(nèi)部搭設(shè)的通信系統(tǒng)，主要用于船舶內(nèi)部各平臺、設(shè)備之間的信息傳輸，如自動操舵系統(tǒng)、機電控制系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)、船舶自動導(dǎo)航系統(tǒng)等。而“外通”則是以載體為區(qū)分，不同載體之間的信息交流，如船舶無線通信系統(tǒng)、GPS 單元等。

2 船舶通信系統(tǒng)常見故障分析

通過對2000年以來的船舶航行事故分析發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)通信故障是導(dǎo)致船舶碰撞、擱淺、著火等事故的主要原因之一，基于船舶通信系統(tǒng)架構(gòu)特點，船舶通信系統(tǒng)常見故障如下。

2.1 通信單元頻繁宕機

在船舶通信系統(tǒng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化水平不斷提升的情況下，各通信單元所需要處理的數(shù)據(jù)量明顯增加，并且，為保證通信系統(tǒng)之間信息的有效協(xié)同，相關(guān)通信單元需要對關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)進行協(xié)同處理。由于通信單元無法滿足龐大數(shù)據(jù)的算力要求，且船舶通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系缺乏對單元算力的合理配置，且缺少冗余設(shè)計，以至于相關(guān)通信單元在實際使用過程中頻繁宕機的問題較為普遍，尤其是船舶處于自動控制狀態(tài)時無法及時修正航向、航速等參數(shù)，這將對船舶航行安全造成不可挽回的影響。

如圖2所示，該船舶綜合導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)部通信所采用的是總線架構(gòu)，從根據(jù)不同單元模塊的數(shù)據(jù)容量來看，GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）、慣性導(dǎo)航、計程儀、測速儀、風(fēng)速儀等所占數(shù)據(jù)總量比重不超過3%，而電子海圖、AIS（Automatic Identification System，船舶自動識別系統(tǒng)）、導(dǎo)航雷達等動態(tài)數(shù)據(jù)更新需要龐大的數(shù)據(jù)吞吐和運算能力?；诳偩€架構(gòu)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理多依賴于單元模塊，無法通過算力的合理配置保證綜合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定，所以通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計問題與綜合導(dǎo)航系統(tǒng)宕機故障之間有著密切的關(guān)聯(lián)。

圖2：船舶綜合導(dǎo)航系統(tǒng)通信總線架構(gòu)

2.2 擴展單元狀態(tài)匹配度低

現(xiàn)代船舶自動化水平的快速提升得益于點信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，在技術(shù)不斷迭代的同時，船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計需要滿足不同單元的擴展要求，保證各單元之間的高度匹配。由于船舶網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)可靠性要求較高，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計中需要考慮核心單元的狀態(tài)匹配度，卻忽略了非核心單元的狀態(tài)匹配度，這導(dǎo)致船舶通信網(wǎng)絡(luò)升級過程中擴展性受限。

以AIS 系統(tǒng)為例，作為現(xiàn)代船舶航行狀態(tài)監(jiān)視與管理的重要設(shè)備，自20世紀初，國際海事組織要求各類型船舶按規(guī)定加裝AIS 系統(tǒng)，有AIS 系統(tǒng)屬于數(shù)據(jù)綜合處理單元，不僅需要與其它導(dǎo)航設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)交互，還能夠通過VHF（Very High Frequency，甚高頻）模塊同步發(fā)送、接收其他船舶的航行數(shù)據(jù)，并實時更新本船與目標船舶的TCPA（Time to Closest Point of Approach，最小會遇時間），以保證航行安全。早期船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)多匹配DSC（Digital Selective Calling Terminals，數(shù)字選擇性呼叫）單元，在更換AIS 系統(tǒng)后，該通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)則無法匹配其狀態(tài)，主要表現(xiàn)在關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)丟幀、實時性差等方面，這導(dǎo)致早期AIS 系統(tǒng)的優(yōu)勢得不到體現(xiàn)。

2.3 系統(tǒng)抗干擾能力不足

船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計受環(huán)境限制較為明顯，為滿足通信系統(tǒng)的功能性需求，除區(qū)分“內(nèi)通”與“外通”的同時，還需要根據(jù)相關(guān)單元的特點實現(xiàn)模擬通信、數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)通信、無線通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計要求，復(fù)合功能特征對船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提出了更高要求，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的抗干擾問題也就更加明顯。

（1）船舶通信系統(tǒng)的“自擾”問題。以無線通信為例，船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計的“自擾”問題多為對無線通信的干擾屏蔽措施考慮不足導(dǎo)致，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計中對定頻、變頻單元的頻率構(gòu)成并未進行深入分析，影響無線通信質(zhì)量。船舶通信系統(tǒng)一旦發(fā)生“自擾”現(xiàn)象，則需要利用“排除法”進行故障定位，這使船舶通信系統(tǒng)“自擾”問題難以在短時間內(nèi)解決。

（2）船舶通信系統(tǒng)的“抗擾”問題?；诖巴ㄐ畔到y(tǒng)工作原理，除“自擾”問題外，非通信系統(tǒng)自身因素而形成的干擾現(xiàn)象同樣較為明顯，由于缺少差異化的抗干擾設(shè)計方案，導(dǎo)致船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)較為脆弱，無線通信質(zhì)量明顯下降。以近海航行為例，受來自陸地、海上等不同頻段信號源的影響，船舶無線通信系統(tǒng)對復(fù)雜電磁環(huán)境的適應(yīng)性偏低，且缺少屏蔽、濾波等設(shè)計，通信系統(tǒng)可靠性不足。

抗干擾能力不足是現(xiàn)階段船舶通信系統(tǒng)普遍存在的問題，尤其是在船舶通信系統(tǒng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化水平不斷提升的情況下，這將成為威脅船舶航行安全的重要因素之一。

3 船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

為推動遠洋運輸行業(yè)的快速發(fā)展，則需要提供更加高效、安全、可靠的通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計方案，在對傳統(tǒng)通信系統(tǒng)進行深入分析的基礎(chǔ)上，以及結(jié)合現(xiàn)階段電子信息技術(shù)發(fā)展的實際情況，針對船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計主要包括以下幾個方面。

3.1 構(gòu)建通信系統(tǒng)復(fù)合拓撲網(wǎng)絡(luò)

船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計是在保證其基本功能的前提下，擁有較高的可靠性，從而保證系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的單一性不僅無法實現(xiàn)資源的合理分配，同時也對船舶通信系統(tǒng)安全造成了一定的影響，因此，優(yōu)化通信系統(tǒng)拓撲網(wǎng)絡(luò)就顯得尤為重要，其中就包括復(fù)合拓撲網(wǎng)絡(luò)。復(fù)合拓撲網(wǎng)絡(luò)集合了網(wǎng)狀網(wǎng)、樹形網(wǎng)、星型網(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)、總線網(wǎng)的優(yōu)勢，能夠通過系統(tǒng)化、智能化的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點資源分配，提高船舶通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。

如圖3所示，復(fù)合拓撲網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成較為復(fù)雜，需要根據(jù)功能差異對相關(guān)單元進行分類，以保證船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計的科學(xué)性，并且，基于各類型拓撲網(wǎng)絡(luò)的特點，以及智能控制技術(shù)在船舶通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，復(fù)合拓撲網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢如下。

圖3：船舶通信系統(tǒng)復(fù)合拓撲網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

（1）資源合理共享。環(huán)形總線網(wǎng)為各通信單元提供了相對穩(wěn)定的高速信息傳輸通道，并依托星形網(wǎng)絡(luò)使船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計的冗余性顯著提升，即單一通信節(jié)點故障的情況下，可通過系統(tǒng)對資源的合理化分配，以構(gòu)建最佳通信鏈路，提高通信系統(tǒng)的可靠性?；趶?fù)合拓撲網(wǎng)絡(luò)的資源合理共享能夠更好的解決船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)擁堵問題，尤其是星型網(wǎng)與總線網(wǎng)的復(fù)合，實現(xiàn)了算力智能分配下的通信網(wǎng)絡(luò)資源的高效利用，這有效降低了通信單元發(fā)生宕機故障的幾率。

（2）故障協(xié)同處理。從船舶通信系統(tǒng)故障分析與維護的角度考慮，復(fù)合拓撲網(wǎng)絡(luò)可以對某一單元進行隔離，且不影響其它單元之間的信息傳輸，即在線故障協(xié)同處置，這對船舶航行安全極其重要。以樹形拓撲網(wǎng)絡(luò)為例，其雖具有良好的擴展性，且能夠?qū)Ω鞴?jié)點下故障單元進行隔離，但過度依賴于根節(jié)點，而網(wǎng)狀網(wǎng)與樹形網(wǎng)的復(fù)用，則實現(xiàn)了船舶通信系統(tǒng)不同單元之間故障協(xié)同處理的功能。

盡管，復(fù)合拓普網(wǎng)絡(luò)的可靠性相對較高，能夠滿足船舶通信系統(tǒng)功能擴展的要求，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高等因素，在設(shè)計中應(yīng)堅持最小化原則，根據(jù)通信系統(tǒng)中各單元特點采取差異化的復(fù)合拓撲網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案，使其更加靈活、高效。

3.2 優(yōu)化船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層次設(shè)計

在電子信息技術(shù)快速發(fā)展的過程中，為保證船舶通信系統(tǒng)的可靠性，則需要持續(xù)優(yōu)化船舶通信系統(tǒng)組成。因此，在船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)充分考慮不同擴展單元的匹配需求，這里選擇層次架構(gòu)設(shè)計理念，將船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)區(qū)分為硬件層、系統(tǒng)層和應(yīng)用層三個部分，如圖4所示。

圖4：船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層次解析圖

3.2.1 硬件層

船舶通信系統(tǒng)的功能實現(xiàn)需要依托完整硬件系統(tǒng)組成，為保證其可擴展性，船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中硬件層的設(shè)計應(yīng)保留多類型接口，以滿足不同通信單元的需要，提升硬件層的可擴展性。例如，為保證硬件層狀態(tài)的穩(wěn)定性，擴展通信單元驅(qū)動設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)接口應(yīng)進行適配，對適配過程中出現(xiàn)的問題進行優(yōu)化，使硬件層具有較高的可靠性。

3.2.2 系統(tǒng)層

船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計的可擴展性需要各單元在系統(tǒng)層上具有良好的兼容性，其中通信數(shù)據(jù)傳輸需要嚴格遵守相關(guān)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，如TCP/IP、UDP、UDP-Lite、SCTP、DCCP、ARP、ICMP 等（如表1所示），在現(xiàn)有協(xié)議的基礎(chǔ)上，為保證通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的可靠性與可擴展性，應(yīng)強調(diào)新擴展單元網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議向上兼容，對于兼容性較差的通信單元，應(yīng)禁止接入船舶通信系統(tǒng)。

表1：Windows 系統(tǒng)與Linux 系統(tǒng)應(yīng)用層數(shù)據(jù)報文關(guān)鍵位對比分析

3.2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層實現(xiàn)了船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的多元功能，在向系統(tǒng)層發(fā)出請求的同時，建立系統(tǒng)進程，并根據(jù)請求完成情況動態(tài)跟蹤系統(tǒng)進程。在對船舶通信系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化時，需保證擴展單元數(shù)量增加的同時，系統(tǒng)進程應(yīng)能夠正常執(zhí)行，這就要求通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)用層遵守TCP、FTP、DNS、NFS、TFTP、TELNET、URL、HTTP、SMTP、POP等協(xié)議，并在進程沖突時按照優(yōu)先級實施進程控制，保證船舶通信系統(tǒng)工作狀態(tài)正常。

例如，Windows 系統(tǒng)于Linux 在網(wǎng)絡(luò)通信過程中存在無法“握手”的現(xiàn)象，利用Wireshark 對某次端到端指令進行抓包分析后可以發(fā)現(xiàn)，兩個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)報文格式存在明顯差異（如表1所示）。基于數(shù)據(jù)報文時間戳與TSval、TSecr的關(guān)系，由于Linux 系統(tǒng)TCP 協(xié)議明確要求報文中需要增加時間戳字符串，而Windows 系統(tǒng)則并未要求，在對數(shù)據(jù)報文時間戳進行修改后，并未有效解決該問題，因此，WS（Window Scale，窗口縮放選項）參數(shù)的嫌疑也就最大。通過移除Linux 系統(tǒng)中的WS 值，Windows 系統(tǒng)與Linux 系統(tǒng)能夠正常通信，基于TCP 協(xié)議的報文格式也能夠滿足船舶通信系統(tǒng)需要。

3.3 船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)抗干擾設(shè)計

根據(jù)船舶通信系統(tǒng)干擾現(xiàn)象的產(chǎn)生機理，基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的船舶通信系統(tǒng)抗干擾設(shè)計應(yīng)重點圍繞干擾源、干擾路徑展開。

3.3.1 基于干擾源的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化

干擾源問題是影響船舶通信系統(tǒng)可靠性的重要因素之一，在有限空間內(nèi)，應(yīng)當結(jié)合復(fù)合型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計進行干擾隔離，從而確定干擾源的類型，對干擾源影響范圍內(nèi)的通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行優(yōu)化。例如，在機艙通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化中，應(yīng)當對船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的供電節(jié)點進行檢測，獲取機艙工作狀態(tài)下個節(jié)點電壓、電流的變化情況，對超出閾值的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行改進，通過增設(shè)耦合裝置與空間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點優(yōu)化等，將干擾源所產(chǎn)生的影響降至最低?；谝陨显O(shè)計，應(yīng)急通信系統(tǒng)為與其它設(shè)備共用節(jié)點，其它設(shè)備啟停過程中所產(chǎn)生的電壓變化將對通信質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響，通過調(diào)整機艙應(yīng)急通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可以提高應(yīng)急通信系統(tǒng)的可靠性。

3.3.2 基于干擾路徑的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化

在現(xiàn)有船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計中，除內(nèi)部干擾源外，還包括外部干擾干擾源對無線通信系統(tǒng)的影響，基于無線通信的技術(shù)特點，以及參考無線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的方式切斷無線干擾路徑，其中就包括增設(shè)無線電磁兼容模塊和擴頻模塊。

（1）增設(shè)電磁兼容控制模塊。電磁兼容技術(shù)是利用智能控制技術(shù)對本船通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行優(yōu)化，通過船舶通信單元綜合管理模塊，可以根據(jù)本船無線通信單元工作頻率進行“開窗”控制，以避免本船無線通信單元工作時相互干擾。

（2）增設(shè)擴頻模塊。面出本船以外的不可控的電磁干擾，船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計優(yōu)化應(yīng)當利用擴頻技術(shù)提升其抗干擾能力。擴頻通信模塊增加了船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的抗干擾能力，如圖5所示，需要傳輸?shù)男畔?nèi)容通過經(jīng)過信息調(diào)制而成為數(shù)字信號，然后經(jīng)過擴頻調(diào)制后其頻譜范圍得到延展，延展后的信號中干擾信號的能量更加分散，信噪比增大，經(jīng)反向解擴、解調(diào)后，干擾信號將在傳輸過程中被濾除，無線通信質(zhì)量明顯提升。

圖5：無線通信系統(tǒng)擴頻模塊原理圖

4 總結(jié)

船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)化能夠在進一步提升通信質(zhì)量的同時，減輕船舶航行過程中通信業(yè)務(wù)部門人員工作壓力，提高通信數(shù)據(jù)處理效率，以保證現(xiàn)代船舶遠洋航行安全。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，以及大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)等在船舶通信系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，船舶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將持續(xù)完善，并成為推動海洋經(jīng)濟發(fā)展的重要支撐。