海上通信網絡接口研究范文

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摘要:

船域網是局域網通信網絡技術在船舶上的一種重要應用，其能夠提供船舶內多種設備、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備的制約，構建完備和多功能的船域網較難實現，為解決這一問題，采用實用的船域網構建方案是必須的，這種方案在不更改原有船載設備的同時，通過建立和標準化各種設備的通信接口作為通信網關，構建一種能夠滿足多種通信需求，功能豐富的船域網絡。本文針對如何設計和實現多種通信接口進行研究，并提出具體的實現方案，經過實驗驗證，本文提出的海上通信網絡接口設計與實現方法能夠應用于多種船舶和設備，具有較好的可用性。

關鍵詞:

船域網;通信接口;通信網絡

引言

隨著造船業和ICT技術的不斷發展，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備，然而每個設備的控制、通信等功能通常是獨立的，需要專門的線路、設備和控制臺進行監控和操作，一方面使得控制各項設備的工作量較大，另一方面使得各個系統的信息無法共享。最近提出的船域網概念，是成熟的局域網技術在船舶中的應用，其目的在于將船載所有設備的信息交互，融合在一張網絡中，實現多種設備的互通互聯和集中控制，能夠大大提高船舶的自動化水平和船舶各種信息數據的分析和利用，同時，船域網不僅提供了船舶內部的通信能力，同時還能夠利用無線通信、衛星通信等手段，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和功能，是未來船舶通信技術的重要發展方向［1］。船舶區域網絡是一個融合網絡，依據IEC61162－450標準向多種設備提供統一的接口，實現船舶內部設備人員的互通互聯和岸艦通信。然而，當前大多數供應商并沒有提供基于IEC61162－450接口。因此，為了在現有技術能力和船舶條件下實現船域網［2－3］，網關系統必要，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構建方案，該方案在不更改原有船載設備的同時，通過建立和標準化各種設備的通信接口作為通信網關，從而構建一種能夠滿足多種通信需求，功能豐富的船域網絡。本文對多種通信網絡接口的結構、框架、功能和實現進行了研究，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絡接口具有較好的可行性和有效性，作為現有船舶通信系統向下一代船域網演進的漸進方法，具有重要的實用意義。

1船域網模型

1.1模型框架船域網由以下4層體系結構組成:

1)岸艦網絡:頂層網絡包含船舶局域網，衛星調制解調器和天線，衛星空間段和用戶段，和網絡連接的遠程維護服務器和客戶端。船舶公司和制造商可以通過衛星鏈路訪問船域網，從而提供了遠程維護服務的能力。2)船舶局域網:該網絡是一個包含了網關和本地基于以太網控制網絡的融合網絡。船舶區域網絡中的通信依據IEC61162－450標準協議，采用UDP(用戶數據報協議)傳輸，提供可靠/不可靠組播傳輸模式。3)本地控制網絡:該網絡是一個連接了各種控制器、I/O模塊和各種設備的本地網絡，能夠獨立實現多種控制目標，如報警監控系統、船舶機動操縱系統、航行數據記錄器及艦橋信息集成系統等。網絡內部通信可使用以太網或現場總線技術，如PROFIBUS或CANopen等。需要注意的是，本地控制網絡可以作為其他不支持IEC61162－450標準網絡或設備的網關;4)傳感器/執行器網絡:該網絡是一個現場網絡集成了船舶的所有傳感器和執行器，同時連接了單元控制器和本地控制網絡。與控制網絡相比，傳感器/執行器網絡，可采用硬連接方式或簡單的現場總線技術連接。

1.2實用模型

在傳統的船舶網絡中，需要為每個控制系統單獨建立通信連接。那么該網絡的復雜度為其中n為本地網絡的數量。另一方面，船域網作為本地控制網絡的骨干網，能夠有效減少連接的復雜性。然而在機械層面，多數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絡接入融合網絡。

2構建通信接口

本文主要使用2種通信協議來構建船域網中的網關系統和本地系統。一種協議為IMO承認的NMEA［4］標準化協議，另一種為廣泛使用的，但是并未被IMO承認的非標準化協議Modbus［5］。

2.1NMEA

自20世紀80年代起，NMEA協議就成為了海上導航和無線通信設備的數字接口標準。NMEA－0183標準已經被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技術的NMEA－2000標準為IEC61162－3，采用以太網技術的由于其實現的復雜性而被撤銷。只有輕量級的以太網互聯標準IEC61162－450被保留在IEC61162－4系列中。NMEA協議具有悠久的歷史，且曾經是最早和唯一的船舶通信標準化接口。正因如此，多數供應商在設計和制造設備或系統的通信接口時，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議。該協議具備主/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協議的通信接口優化

ModubsRTU數據包僅關注于發送和接收數據值本身，而并沒有能力傳輸各種參數，如描述、分辨率、單位、范圍等。然而在機械層面，各種設備采用的通信參數均不相同，因此，為了建立有效的通信接口，在建立數據通信過程之前，通信雙方需要確定通信中攜帶的參數。在通信過程中，通信參數通常需要根據具體的應用場景進行修改，而對于參數的修改需要在通信的雙方和多方設備上同時進行，考慮到船域網中包含的接口數量，將引入很大的工作量。為了解決之一問題，對Modbus進行優化，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的參數信息。

4實驗驗證

實驗結果如圖4所示，可看出隨著通信節點的個數增加，時間消耗的變化規律。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據節點至少被詢問1次的時間消耗。總掃描時間為會話時間和掃描時間的和。當通信節點數量達到1000時，總掃描時間為62.8s，同時，采用傳統網絡方法，該用時為11384.2s，將近3h，因此可以看出通過對通信接口的優化，較大地提高了基于Modbus協議通信接口的工作效率。

5結語

本文深入研究了船域網的發展現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實用方案，提出了構建船域網通信網絡接口的設計和實現方法，利用Modbus協議構建了通信接口，并給出了優化算法，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．船舶導航信息系統接口設計［J］．艦船科學技術，2015，37(1):89－96．

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

作者：陳良維 單位：成都航空職業技術學院