船舶綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可靠性設(shè)計(jì)

馬玉麗，張冬梅

（青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院，山東 青島 266071）

船舶綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可靠性設(shè)計(jì)

馬玉麗，張冬梅

（青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)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(dòng)、水浸、鹽霧等不利因素，只有對(duì)其可靠性進(jìn)行研究，才能保證整個(gè)船舶監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正常運(yùn)行。本文從拓?fù)洹⑷哂嗪涂闺姶鸥蓴_3個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，全方位有效提高船舶綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

可靠性；拓?fù)洌蝗哂?；電磁干擾

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，船舶監(jiān)控系統(tǒng)也逐步向網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化方向發(fā)展。從最初的由單板機(jī)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(jì)算機(jī)控制，如主機(jī)遙控系統(tǒng)、集中監(jiān)視系統(tǒng)等。整個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中不同系統(tǒng)之間沒(méi)有過(guò)多數(shù)據(jù)的傳送，只是報(bào)警數(shù)據(jù)的傳遞，缺乏集中的管理和控制。如今對(duì)自動(dòng)化的要求越來(lái)越高，自動(dòng)化程度直接影響著船舶的安全性和經(jīng)濟(jì)性能，所以把船舶不同系統(tǒng)集合成一個(gè)綜合的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)是發(fā)展趨勢(shì)［1］。結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，目前綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)比較成型的方案為 2層網(wǎng)絡(luò) 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(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制，并可通過(guò)服務(wù)器對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份；控制層為控制臺(tái)或操作站形式，分別對(duì)不同的系統(tǒng)來(lái)進(jìn)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(gè)網(wǎng)絡(luò)的底層，在測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)，一般采用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)最大的優(yōu)點(diǎn)是可靠性能極高，信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、確定性能夠得到保證。CAN 總線作為船舶上主要應(yīng)用的總線格式，目前的應(yīng)用場(chǎng)合越來(lái)越多。

船舶網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于一般工業(yè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，地理位置比較近，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小，另外船舶振動(dòng)較大，噪聲大、濕度大、溫度高，所以船舶綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)抗干擾性能要好；船舶作為一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體在海上航行，綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)對(duì)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(luò)通信的可靠性。為了保障網(wǎng)絡(luò)通信的可靠，本文主要從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、冗余設(shè)計(jì)、抗干擾設(shè)計(jì)幾方面來(lái)進(jìn)行研究。

1 拓?fù)湓O(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表明網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系，拓?fù)湓O(shè)計(jì)是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的第一步，良好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是可靠性的保障。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，必須對(duì)系統(tǒng)需求進(jìn)行詳細(xì)分析，才能設(shè)計(jì)出安全可靠滿足船舶需求的系統(tǒng)。針對(duì) 2 層網(wǎng)絡(luò) 3 層設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，上層管理網(wǎng)絡(luò)主要是在局域網(wǎng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞、并進(jìn)行不同系統(tǒng)之間的集成，數(shù)據(jù)在各個(gè)艙室之間傳遞相對(duì)距離較遠(yuǎn)，為了完成這樣的功能，要求此網(wǎng)絡(luò)具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率較高的帶寬，適應(yīng)大容量數(shù)據(jù)傳輸，需要具有全開(kāi)放性，對(duì)實(shí)時(shí)性要求并不是很高；下層的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)主要面向現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的采集和控制，主要傳輸狀態(tài)和控制指令，對(duì)實(shí)時(shí)性和確定性要求很高［2］。

圖 1 船舶綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of ship integrated monitoring network

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(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(luò)要求較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以采用核心交換機(jī)組建兩層星型的層次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，核心交換機(jī)到局域網(wǎng)計(jì)算機(jī)之間采用千兆光纖，滿足高速傳輸?shù)男枨?，核心層采?3 層交換機(jī)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)都通過(guò)它的光纖端口進(jìn)行高速交換。通過(guò)核心交換機(jī)創(chuàng)建和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)路由表，實(shí)現(xiàn)不同功能單元或虛擬局域網(wǎng)之間的路由，實(shí)施訪問(wèn)控制機(jī)制。2 層交換機(jī)以下采用超五類(lèi)屏蔽雙絞線。這種雙星型的層次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用以太網(wǎng)交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)劃分為更小的網(wǎng)段，每 1 個(gè)端口就是一個(gè)沖突域，各個(gè)沖突域通過(guò)交換機(jī)進(jìn)行隔離，交換機(jī)可對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，使每個(gè)網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)只限在本地網(wǎng)段內(nèi)進(jìn)行傳輸，而不需要經(jīng)過(guò)主干網(wǎng)，從而減輕了主干網(wǎng)的數(shù)據(jù)負(fù)荷［3］；實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)段的并行運(yùn)行，傳輸速率明顯提高；某個(gè)網(wǎng)段出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

下層的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)屬于總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所有的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控節(jié)點(diǎn)掛在 CAN 總線上，最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)10 km，節(jié)點(diǎn)設(shè)備最多可達(dá) 110 個(gè)，可實(shí)現(xiàn)多種工作方式。網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)都可根據(jù)總線訪問(wèn)優(yōu)先權(quán)采用逐位仲裁的方式競(jìng)爭(zhēng)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?shí)時(shí)性

圖 2 雙星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 2 Double star network topology

2 冗余設(shè)計(jì)

冗余技術(shù)是通過(guò)配置并聯(lián)運(yùn)行的同等功能的部件，并通過(guò)一定的冗余邏輯使它們協(xié)調(diào)地同步運(yùn)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(luò)冗余的方案。

無(wú)冗余網(wǎng)絡(luò)存在眾多的單點(diǎn)故障，核心交換機(jī)數(shù)據(jù)壓力大［5］，因?yàn)榇熬W(wǎng)絡(luò)規(guī)模較一般工業(yè)網(wǎng)絡(luò)較小，可采用核心交換機(jī)雙機(jī)熱備份的核心層冗余方案，如圖 3 所示，實(shí)線表示正常的通信鏈路，虛線表示冗余鏈路，核心交換機(jī) L1和 L2互為熱備用，通過(guò) 2 臺(tái)交換機(jī)之間的 Ethernet Channel，實(shí)現(xiàn) 3 層交換機(jī)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(shí)會(huì)形成廣播風(fēng)暴，通過(guò)在數(shù)據(jù)鏈路層使用生成樹(shù)協(xié)議STP使冗余端口處于阻塞狀態(tài)，消除網(wǎng)絡(luò)中可能存在的路徑。當(dāng)正常鏈路失效故障時(shí)，冗余鏈路迅速啟動(dòng)，使船舶網(wǎng)絡(luò)能夠順利完成數(shù)據(jù)的傳輸任務(wù)。

圖 3 核心交換機(jī)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(qiáng)的檢糾錯(cuò)能力，傳輸數(shù)據(jù)完整有效，抗干擾能力強(qiáng)，但在船上的控制現(xiàn)場(chǎng)，插頭連接不牢固、傳輸介質(zhì)損壞或總線驅(qū)動(dòng)器的損壞等都會(huì)破壞 CAN 總線的可靠通信。為使 CAN總線網(wǎng)絡(luò)具有更高的可靠性，有效的途徑就是進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)［6］。

典型的 CAN 電路（例如圖 1 中的智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)）可分為單片機(jī)、總線控制器、CAN 總線驅(qū)動(dòng)器及總線4個(gè)環(huán)節(jié)。冗余技術(shù)就是針對(duì)這4個(gè)部分進(jìn)行相應(yīng)的備份，通過(guò)不同方法來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)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(jí)不同可分為 CAN 驅(qū)動(dòng)器極冗余、CAN 控制器級(jí)冗余及CPU 級(jí)冗余等。

熱備份的自動(dòng)化程度高，管理方便，故障后系統(tǒng)重新恢復(fù)正常工作的時(shí)間間隔比較短。

CAN 總線驅(qū)動(dòng)器級(jí)、控制器級(jí)，及CPU 級(jí)三者的冗余為等級(jí)遞增，相應(yīng)的可靠性也越來(lái)越高，電路和軟件的復(fù)雜程度及成本也會(huì)有所增加［7］，綜合考慮船舶工作環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)的重要性，CAN 總線網(wǎng)絡(luò)采用 CPU級(jí)系統(tǒng)冗余網(wǎng)絡(luò)最合適，如圖 4 所示。系統(tǒng)冗余中，CPU、控制器、驅(qū)動(dòng)器和總線均為2套，1套系統(tǒng)運(yùn)行，另外1套作為熱備份，發(fā)生故障時(shí)，另外1套馬上工作維持系統(tǒng)的正常運(yùn)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(jì)

船舶機(jī)艙空間狹小，設(shè)備布置緊湊，各種電磁干擾對(duì)正常工作都有嚴(yán)重的影響。為保證網(wǎng)絡(luò)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(luò)系統(tǒng)中受干擾最大的部分，而且各種干擾也極容易通過(guò)通信電纜進(jìn)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(jìn)行隔離。

2）防電網(wǎng)串?dāng)_：電網(wǎng)干擾傳入控制網(wǎng)絡(luò)主要是通過(guò)系統(tǒng)不同部分的供電電源耦合進(jìn)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(luò)電纜采用光纜和屏蔽電纜，采用獨(dú)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(luò)的接插件全部采用屏蔽產(chǎn)品，屏蔽層可靠接地，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)鏈路形成一個(gè)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(luò)線纜加鎧裝層加強(qiáng)強(qiáng)度和線纜的密封性。

4 結(jié) 語(yǔ)

為了提高船舶的自動(dòng)化水平，當(dāng)前船舶監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)向著不同系統(tǒng)綜合的方向發(fā)展。綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)行關(guān)系著船舶的生命力。本文所設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(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(luò)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。

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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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)方面的教學(xué)研究。