馬玉麗，張冬梅

（青島遠洋船員職業(yè)學院，山東 青島 266071）

船舶綜合監(jiān)控網(wǎng)絡可靠性設(shè)計

馬玉麗，張冬梅

（青島遠洋船員職業(yè)學院，山東 青島 266071）

由于船舶工作環(huán)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(jiān)控網(wǎng)絡系統(tǒng)正常運行。本文從拓撲、冗余和抗電磁干擾3個方面進行設(shè)計，全方位有效提高船舶綜合監(jiān)控網(wǎng)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(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，船舶監(jiān)控系統(tǒng)也逐步向網(wǎng)絡化、自動化方向發(fā)展。從最初的由單板機控制的集散型控制系統(tǒng)發(fā)展到分布控制系統(tǒng)，不同的系統(tǒng)中由不同的計算機控制，如主機遙控系統(tǒng)、集中監(jiān)視系統(tǒng)等。整個監(jiān)控網(wǎng)絡中不同系統(tǒng)之間沒有過多數(shù)據(jù)的傳送，只是報警數(shù)據(jù)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(jīng)濟性能，所以把船舶不同系統(tǒng)集合成一個綜合的監(jiān)控網(wǎng)絡是發(fā)展趨勢［1］。結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)狀，目前綜合監(jiān)控網(wǎng)絡比較成型的方案為 2層網(wǎng)絡 3 層設(shè)備的結(jié)構(gòu)，如圖 1 所示。

管理層為滿足 TCP/IP 協(xié)議的以太網(wǎng)，局域網(wǎng)用戶可以依照權(quán)限對整個系統(tǒng)進行監(jiān)視和控制，并可通過服務器對系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(tǒng)來進行監(jiān)視和控制，控制層設(shè)備采取就近控制，節(jié)約通信電纜，傳輸速度快；設(shè)備層位于整個網(wǎng)絡的底層，在測控現(xiàn)場，一般采用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡?，F(xiàn)場總線網(wǎng)絡最大的優(yōu)點是可靠性能極高，信息傳輸?shù)膶崟r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(wǎng)絡相對于一般工業(yè)網(wǎng)絡來說，地理位置比較近，網(wǎng)絡規(guī)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(jiān)控網(wǎng)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(jiān)控網(wǎng)絡對船舶的安全航行起著至關(guān)重要的作用，所以必須保障船舶綜合監(jiān)控網(wǎng)絡通信的可靠性。為了保障網(wǎng)絡通信的可靠，本文主要從拓撲結(jié)構(gòu)、冗余設(shè)計、抗干擾設(shè)計幾方面來進行研究。

1 拓撲設(shè)計

網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)表明網(wǎng)絡中各個節(jié)點的位置關(guān)系，拓撲設(shè)計是網(wǎng)絡設(shè)計的第一步，良好的拓撲結(jié)構(gòu)是可靠性的保障。在進行系統(tǒng)設(shè)計之初，必須對系統(tǒng)需求進行詳細分析，才能設(shè)計出安全可靠滿足船舶需求的系統(tǒng)。針對 2 層網(wǎng)絡 3 層設(shè)備的網(wǎng)絡系統(tǒng)來說，上層管理網(wǎng)絡主要是在局域網(wǎng)中進行數(shù)據(jù)的傳遞、并進行不同系統(tǒng)之間的集成，數(shù)據(jù)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(wǎng)絡具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率較高的帶寬，適應大容量數(shù)據(jù)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(xiàn)場總線網(wǎng)絡主要面向現(xiàn)場參數(shù)的采集和控制，主要傳輸狀態(tài)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(jiān)控網(wǎng)絡示意圖Fig. 1 Schematic diagram of ship integrated monitoring network

傳統(tǒng)網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)有總線型、星型、環(huán)型幾種基本形式。結(jié)合前面的需求分析，上層的管理網(wǎng)絡要求較高的數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)，核心交換機到局域網(wǎng)計算機之間采用千兆光纖，滿足高速傳輸?shù)男枨螅诵膶硬捎?3 層交換機，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)都通過它的光纖端口進行高速交換。通過核心交換機創(chuàng)建和維護網(wǎng)絡路由表，實現(xiàn)不同功能單元或虛擬局域網(wǎng)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(jié)構(gòu)采用以太網(wǎng)交換機將網(wǎng)絡劃分為更小的網(wǎng)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(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行過濾，使每個網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點間數(shù)據(jù)只限在本地網(wǎng)段內(nèi)進行傳輸，而不需要經(jīng)過主干網(wǎng)，從而減輕了主干網(wǎng)的數(shù)據(jù)負荷［3］；實現(xiàn)多網(wǎng)段的并行運行，傳輸速率明顯提高；某個網(wǎng)段出現(xiàn)問題時，其他網(wǎng)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(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

下層的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡屬于總線型拓撲結(jié)構(gòu)，所有的現(xiàn)場測控節(jié)點掛在 CAN 總線上，最遠傳輸距離可達10 km，節(jié)點設(shè)備最多可達 110 個，可實現(xiàn)多種工作方式。網(wǎng)絡中的各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)采用逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。CAN 總線在信息量不大的情況下可以保障總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性

圖 2 雙星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)Fig. 2 Double star network topology

2 冗余設(shè)計

冗余技術(shù)是通過配置并聯(lián)運行的同等功能的部件，并通過一定的冗余邏輯使它們協(xié)調(diào)地同步運行，系統(tǒng)的可靠性得到多重保證。本文主要討論工業(yè)以太網(wǎng)冗余和 CAN 總線網(wǎng)絡冗余的方案。

無冗余網(wǎng)絡存在眾多的單點故障，核心交換機數(shù)據(jù)壓力大［5］，因為船舶網(wǎng)絡規(guī)模較一般工業(yè)網(wǎng)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(xiàn) 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(huán)路，廣播幀在轉(zhuǎn)發(fā)時會形成廣播風暴，通過在數(shù)據(jù)鏈路層使用生成樹協(xié)議STP使冗余端口處于阻塞狀態(tài)，消除網(wǎng)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(wǎng)絡能夠順利完成數(shù)據(jù)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(xié)議本身具有較強的檢糾錯能力，傳輸數(shù)據(jù)完整有效，抗干擾能力強，但在船上的控制現(xiàn)場，插頭連接不牢固、傳輸介質(zhì)損壞或總線驅(qū)動器的損壞等都會破壞 CAN 總線的可靠通信。為使 CAN總線網(wǎng)絡具有更高的可靠性，有效的途徑就是進行冗余設(shè)計［6］。

典型的 CAN 電路（例如圖 1 中的智能測控節(jié)點）可分為單片機、總線控制器、CAN 總線驅(qū)動器及總線4個環(huán)節(jié)。冗余技術(shù)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(xiàn)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(jù)冗余方式不同可分為熱備份和冷備份；根據(jù)冗余等級不同可分為 CAN 驅(qū)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(tǒng)重新恢復正常工作的時間間隔比較短。

CAN 總線驅(qū)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(huán)境和網(wǎng)絡的重要性，CAN 總線網(wǎng)絡采用 CPU級系統(tǒng)冗余網(wǎng)絡最合適，如圖 4 所示。系統(tǒng)冗余中，CPU、控制器、驅(qū)動器和總線均為2套，1套系統(tǒng)運行，另外1套作為熱備份，發(fā)生故障時，另外1套馬上工作維持系統(tǒng)的正常運行。

圖 4 CAN 總線系統(tǒng)冗余Fig. 4 CAN Bus system redundancy

3 抗電磁干擾設(shè)計

船舶機艙空間狹小，設(shè)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(wǎng)絡系統(tǒng)正常工作，可采取如下措施：

1）電氣隔離：通信電纜是網(wǎng)絡系統(tǒng)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(tǒng)，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(wǎng)串擾：電網(wǎng)干擾傳入控制網(wǎng)絡主要是通過系統(tǒng)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(wǎng)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(wǎng)絡的接插件全部采用屏蔽產(chǎn)品，屏蔽層可靠接地，整個網(wǎng)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(wǎng)絡線纜加鎧裝層加強強度和線纜的密封性。

4 結(jié) 語

為了提高船舶的自動化水平，當前船舶監(jiān)控網(wǎng)絡向著不同系統(tǒng)綜合的方向發(fā)展。綜合監(jiān)控網(wǎng)絡的可靠運行關(guān)系著船舶的生命力。本文所設(shè)計的拓撲結(jié)構(gòu)、冗余結(jié)構(gòu)和抗干擾策略大大地提高了綜合監(jiān)控網(wǎng)絡的可靠性，適用于現(xiàn)代艦船的發(fā)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(wǎng)絡技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.艦船科學技術(shù)， 2011， 33（3）: 3–6， 11.

［2］武飛. 船舶信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡研究與設(shè)計［D］. 武漢: 武漢理工大學， 2008.

［3］趙海， 白宗振， 林愷， 等. 工業(yè)以太網(wǎng)中層次拓撲結(jié)構(gòu)對網(wǎng)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(yè)以太網(wǎng)的實時調(diào)度及系統(tǒng)設(shè)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(yè)實時以太網(wǎng)設(shè)計［J］. 儀器儀表學報， 2010， 31（3）: 704–708.

［6］楊家龍. 基于網(wǎng)絡環(huán)境的艦船機艙動力裝置監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)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(tǒng)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(wǎng)絡系統(tǒng)總體方案設(shè)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(wǎng)絡方面的教學研究。