楊 武 張朝亮

(1.海軍92823部隊 三亞 5720211)(2.海軍工程大學電氣工程學院 武漢 430033)

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海軍艦船電子裝備維修保障系統(tǒng)網(wǎng)絡化研究*

楊 武1,2張朝亮2

(1.海軍92823部隊 三亞 5720211)(2.海軍工程大學電氣工程學院 武漢 430033)

隨著當前網(wǎng)絡技術的發(fā)展和艦船電子裝備維修保障的需求,網(wǎng)絡化已經(jīng)成為海軍艦船電子裝備維修保障系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和特征。論文就實現(xiàn)海軍艦船電子裝備維修保障系統(tǒng)的網(wǎng)絡體系結(jié)構及其所涉及的關鍵技術進行了詳細闡述。

海軍艦船電子裝備; 維修保障系統(tǒng); 網(wǎng)絡化

Class Number TP393

1 引言

海軍艦艇電子裝備種類繁多,技術各異,特別是隨著大量新技術裝備的配發(fā),維修保障相當困難。而技術士官、技術軍官作為目前主要的維修保障力量,其知識更新較慢,在演習乃至戰(zhàn)時等重要活動中的維修保障能力較弱。在這種情況下,大多會調(diào)用許多設備生產(chǎn)廠、專業(yè)維修廠和專業(yè)院校的技術人員到現(xiàn)場維修保障。一方面,部隊對技術人員的后勤保障牽扯了大量的人力、物力,另一方面,也不利于軍事行動的保密。因此,有必要建立一個高效、快速、安全的網(wǎng)絡化裝備維修保障系統(tǒng),使得技術士官、技術軍官這些主要保障力量足以能夠完成維修保障任務,有些維修保障問題甚至可以由裝備的責任班長通過保障網(wǎng)絡得以解決,從而省去一系列的麻煩。

隨著網(wǎng)絡技術的迅猛發(fā)展,我們的裝備維修保障網(wǎng)絡可以從單艦擴展到編隊、艦隊,甚至整個海軍,而這整個裝備維修保障系統(tǒng)的網(wǎng)絡化進程可以由現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展得比較成熟的一些關鍵技術來支撐。利用這些技術,可以根據(jù)具體需求對裝備維修保障系統(tǒng)進行靈活拓展,從而使我們海軍的裝備維修保障方式更加豐富,這對于加強海軍艦艇武器裝備維修保障能力建設,提高信息化保障水平和測試診斷效率具有重要的現(xiàn)實意義。

2 網(wǎng)絡體系結(jié)構

由于我國海軍不同時代、不同類型的艦艇數(shù)量龐大,為了使裝備維修保障系統(tǒng)網(wǎng)絡具有兼容性,提高整個海軍艦艇的裝備使用水平,可以設計一種開放式的系統(tǒng)網(wǎng)絡,根據(jù)各自不同的需求來配置不同的內(nèi)部網(wǎng)絡,只要符合規(guī)定的層級即可。這里,具體的層級初步定為單艦和編隊兩級,當然還可以進一步向上延伸至艦隊和總部兩級,鑒于篇幅限制,在此就不贅述了。

2.1 單艦系統(tǒng)

對于不同的艦艇類型,其內(nèi)部的裝備維修保障系統(tǒng)網(wǎng)絡體系結(jié)構大體如圖1所示。

圖1 單艦系統(tǒng)網(wǎng)絡體系結(jié)構

其中,單艦內(nèi)部的網(wǎng)絡就是一個局域網(wǎng)。在該局域網(wǎng)的主干環(huán)網(wǎng)部分,采用EIP協(xié)議,即Ethernet/IP以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議,它由IEEE802.3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標準、TCP/IP協(xié)議組和控制與信息協(xié)議CIP(Control Information Protocol)等三個部分組成,具體一點說,就是該協(xié)議在TCP/UDP/IP之上附加控制和信息協(xié)議(CIP),提供一個公共的應用層。CIP的控制部分用于實時I/O報文,其信息部分用于報文交換。ControlNet和Ethernet/IP都使用該協(xié)議通信,分享相同的對象庫、對象和設備行規(guī),使得多個供應商的設備能在上述整個網(wǎng)絡中實現(xiàn)即插即用。對象的定義是嚴格的,在同一種網(wǎng)絡上支持實時報文、組態(tài)和診斷。Ethernet/IP的協(xié)議一般采用商業(yè)以太網(wǎng)通信芯片、物理介質(zhì)和星形拓撲結(jié)構,利用以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)各設備間的點對點連接,能同時支持10Mbps和100Mbps以太網(wǎng)商用產(chǎn)品。它的一個數(shù)據(jù)包最多可達1500字節(jié),數(shù)據(jù)傳輸率可達10Mbps或100Mbps,因而采用Ethernet/IP便于實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的高速傳輸[1]。Ethernet/IP現(xiàn)場總線系統(tǒng)體系結(jié)構如圖2所示。

圖2 Ethernet/IP現(xiàn)場總線系統(tǒng)體系結(jié)構

Ethernet/IP采用生產(chǎn)者/消費者(Producer/Consumer)的通信模式,允許網(wǎng)絡上的不同節(jié)點同時存取同一個源的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡的媒體送取,通過限制時間存取算法來控制,即采用并行時間域多路存取(CTDMA)方法,在每個網(wǎng)絡刷新間隔(NUI)內(nèi)調(diào)節(jié)節(jié)點的傳送信息機會。Ethernet/IP協(xié)議將信息分為顯式和隱式兩種,采用TCP/IP發(fā)送顯式消息,采用UDP/IP發(fā)送隱式信息。顯式信息的數(shù)據(jù)段既包括協(xié)議信息又包括行為指令,主要用于設備配置和診斷;隱式信息的數(shù)據(jù)段沒有協(xié)議信息,僅包括實時UO數(shù)據(jù),適用于規(guī)則地重復傳遞數(shù)據(jù)的場合,如I/O模塊和PLC之間的數(shù)據(jù)傳遞。

其實,這種網(wǎng)絡完全可以實現(xiàn)監(jiān)控一體化。

2.2 編隊系統(tǒng)

由幾條艦艇所組成的一個編隊,其裝備維修保障系統(tǒng)網(wǎng)絡體系結(jié)構大致如圖3所示。

圖3 編隊級裝備維修保障系統(tǒng)網(wǎng)絡體系結(jié)構

其中,編隊內(nèi)部采用定制的數(shù)據(jù)鏈進行通信組網(wǎng),一般情況下的裝備維修保障在編隊內(nèi)部協(xié)調(diào)完成即可。如果需要,由旗艦通過衛(wèi)星中繼或其他方式與岸基裝備維修保障單元通信聯(lián)絡。在戰(zhàn)時等特殊情況下,單艦也可以經(jīng)上級允許后直接聯(lián)系岸基單元。岸基裝備維修保障單元依托寬帶IP網(wǎng)絡,利用VPN技術[2～4]構建強大的通信裝備維修保障網(wǎng)絡。

組網(wǎng)的關鍵是要設計一個VPN安全網(wǎng)關。這里的VPN安全網(wǎng)關位于寬帶IP網(wǎng)絡和維修保障子網(wǎng)的結(jié)合部,可以采用IPSec協(xié)議[5]來進行設計。它主要完成兩方面的功能,一方面作為過濾器,阻止未授權的闖入者進入私有網(wǎng)絡;另一方面作為代理設備,為私有網(wǎng)絡中的節(jié)點提供安全服務。

驗證機構CA作為獲得公眾廣泛信任的機構,接受個人或?qū)嶓w提供的可以證明其身份的文件或資料,經(jīng)過檢驗后,向他們發(fā)放“證書”,證書用來將一個用戶身份和一個公共密鑰對應起來。

安全策略服務器的功能是:IPSec客戶軟件和安全網(wǎng)關在協(xié)商之前,要通過一條安全的通道向某個中央策略服務器進行查詢。這使得對安全聯(lián)盟協(xié)商中某些問題的集中管理成為可能。

在裝備維修保障網(wǎng)絡中,各個專業(yè)維修廠家、設備生產(chǎn)廠家和專業(yè)院所等的維修局域網(wǎng)作為一個維修保障子網(wǎng)通過安全VPN網(wǎng)關接入,而個別移動終端可以通過就近的服務接入點接入。所有的維修保障子網(wǎng)、維修現(xiàn)場子網(wǎng)和移動終端通過IP寬帶網(wǎng)絡互聯(lián)起來,構成一個完整的通信裝備維修保障網(wǎng)。

3 實現(xiàn)網(wǎng)絡化所需的關鍵技術

3.1 信號數(shù)據(jù)數(shù)字化

為了使裝備工作狀態(tài)能夠得到更加全面、方便、及時的監(jiān)控,裝備內(nèi)部的各個模塊應該盡量產(chǎn)生數(shù)字信號,以便于網(wǎng)絡傳輸。譬如可以根據(jù)已發(fā)表的標準IEEE Std 1451來開發(fā)傳感器模塊,為系統(tǒng)提供數(shù)字化的傳感器或變換器的數(shù)據(jù);也可以利用已有眾多的信號處理的標準化方法,如濾波、頻譜分析、多分辨分析等,對來自于傳感器、變換器或其它信號處理器的數(shù)據(jù)進行信號變換和特征提取,輸出包括已數(shù)字濾波的傳感器數(shù)據(jù)、頻譜、可視化的傳感器信號等。另外,還可以利用數(shù)字式無線數(shù)據(jù)傳輸電臺,它采用數(shù)字信號處理、數(shù)字調(diào)制解調(diào)、糾錯編碼、軟件無線電(SDR)和表面貼片工藝(SMT)一體化設計等技術,具有高可靠性、實時數(shù)據(jù)傳輸、抗干擾能力強、適用范圍廣、成本低等特點,能夠較好地適應艦艇艙內(nèi)及海上惡劣工作環(huán)境的使用要求。并且,可利用RS-232串行數(shù)據(jù)通信接口與計算機連接,傳輸速率可達19.2Kbps,誤碼率低于10E-6(接收電平-110dBm時)。如果能夠?qū)⒗走_、聲納等輸出數(shù)據(jù)數(shù)字化,通過網(wǎng)線傳輸?shù)街行目刂剖疫M行分析,出現(xiàn)異常情況時結(jié)合專家?guī)鞂崿F(xiàn)智能預警,那么這些電子裝備的探測效率無疑會前進一大步。轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號之后,采用DSSS等安全機制進行傳輸,抗干擾能力就會一定程度上增強,也可以發(fā)給遠程輔助終端進行輔助決策。同時,數(shù)字信號所占帶寬比較小。

3.2 Web技術

民用網(wǎng)絡技術的發(fā)展為我們提供了很好的借鑒,特別是Web技術[6]的出現(xiàn)和發(fā)展,更讓廣大用戶能夠方便快速地訪問資源。Web技術以其快速、方便、友好的巨大優(yōu)勢,在網(wǎng)絡中得到了廣泛的應用。短短幾年時間,Web技術也獲得了長足的發(fā)展。從最初只能瀏覽靜態(tài)文檔,到實現(xiàn)動態(tài)交互,再到在Web上實現(xiàn)可伸縮的實時的事務處理。我們也可以在軍用網(wǎng)絡平臺上應用Web技術,為我們提供便利的信息獲取和處理方式。

分布式處理技術和客戶端程序處理技術是推動Web技術發(fā)展的兩個重要的基礎技術,基于這兩種技術的多種框架得到了最新應用。通過分布式處理技術,用戶計算機可以作為一個終端設備通過IP網(wǎng)絡連接到具有更多資源和更強處理能力的計算機上。COM/DCOM技術和COBRA技術為分布式處理提供了有力手段,特別是COBRA技術表現(xiàn)得更成熟和更普及。客戶端程序處理技術是一項出現(xiàn)不久的新技術,解決了客戶端實施操作的問題,為實現(xiàn)異地協(xié)同診斷提供了技術保障。

3.3 LXI技術

LXI(LAN extension for instrument)是LAN局域網(wǎng)技術在儀器領域的擴展,LXI儀器是嚴格基于IEEE802.3、TCP/IP、網(wǎng)絡總線、網(wǎng)絡瀏覽器、IVI-COM驅(qū)動程序、時鐘同步協(xié)議(IEEE 1588)和標準模塊尺寸的新型儀器[7]。LXI模塊借助于標準網(wǎng)絡瀏覽器實現(xiàn)信息瀏覽與程序控制,并以IVI-COM格式進行通信,便于系統(tǒng)集成和同類型儀器的互換。

與傳統(tǒng)的卡式儀器相比,LXI模塊化儀器具備了許多優(yōu)勢: 1) 可以保證儀器的全部性能; 2) 集成更為方便,不需要專用的機箱和0槽計算機; 3) 可以利用網(wǎng)絡界面操作,無需編程和其他虛擬面板; 4) 連接和使用更為方便,可以利用通用的軟件進行系統(tǒng)編程; 5) 非常容易實現(xiàn)校準計量和故障診斷; 6) 靈活性強,可以作為系統(tǒng)儀器,也可以單獨使用。另外,由于LXI模塊本身配備由處理器、LAN連接、電源供應器和觸發(fā)輸入,因此它不像模塊式卡槽必須使用昂貴的電源供應器、背板、控制器及MXI插卡和接線。

3.4 多總線集成技術

為將PCI、EIP等不同總線模塊集成到LXI測試系統(tǒng)中,有兩種技術方案可供選擇:一是開發(fā)橋轉(zhuǎn)接器和接口適配器這樣的硬件網(wǎng)關技術,二是利用軟件技術OPC DX來實現(xiàn)。

橋轉(zhuǎn)接器由LXI接口和特定總線接口組成。LXI接口端實現(xiàn)LXI接口的所有要求,包括:網(wǎng)絡協(xié)議支持,Web頁瀏覽與儀器控制,LAN配置初始化和IVI驅(qū)動器。在橋轉(zhuǎn)接器的特定總線接口端,實現(xiàn)特定的硬件和軟件接口要求。例如,如果LXI橋轉(zhuǎn)接器連接GPIB儀器,橋轉(zhuǎn)接器不僅要支持LXI接口和GPIB接口,還需具備將軟件命令從LXI端映射到GPIB端的能力。接口適配器將非LXI總線接口完全轉(zhuǎn)化為LXI接口。和橋轉(zhuǎn)接器不同,通過接口適配器,主機可以利用儀器驅(qū)動器和Web頁直接訪問和控制非LXI儀器,在接口適配器和非LXI儀器之間不需要控制與通信機制的映射和VISA資源的映射。

但在不同現(xiàn)場總線網(wǎng)段上的設備之間需要進行信息交流時,一般要借助于中間件來完成[8～9]。這種橋接技術中,中間件實際上就是一個OPC客戶端,從一個服務器(源服務器)讀取數(shù)據(jù),再寫入另一服務器(目標服務器)。采用這樣的訪問手段,一方面難以保證系統(tǒng)的實時性;另一方面,它為通信系統(tǒng)增加了額外的故障點,錯誤發(fā)生時,需要終端用戶對其進行故障診斷和維護;此外,終端用戶還必須依賴中間件不同開發(fā)商提供的繁多組態(tài)接口,這恰好有悖于OPC的接口標準化的初衷。OPC DX正是由此而提出的解決方案。

OPC DX是相對于OPC DA的客戶端-服務器通信模式推出的服務器-服務器模式,提供了在以太網(wǎng)上服務器到服務器可互操作的數(shù)據(jù)通信方法,使系統(tǒng)間可用相同的標準實時交換數(shù)據(jù),其實質(zhì)就是基于高速以太網(wǎng)的軟件網(wǎng)關技術。由于不需要數(shù)據(jù)存儲和發(fā)送的中間環(huán)節(jié),而不必擔心不同協(xié)議間的轉(zhuǎn)換問題,這樣一個OPC服務器就能直接與另一個OPC服務器直接相連,使駐留在不同體系的現(xiàn)場總線控制器上的服務器數(shù)據(jù)可以直接交換。

3.5 分布式數(shù)據(jù)庫技術

分布式數(shù)據(jù)庫結(jié)構是基于網(wǎng)絡的故障診斷及維修系統(tǒng)的信息發(fā)布模式。關鍵特征為音頻、視頻等各種不同形式的信號,可以嵌入總線以便傳送到綜合處理臺位,與專家數(shù)據(jù)庫的相應數(shù)據(jù)進行比對分析,有異常情況則立即報警并自動將發(fā)生異常情況的部位、時間和關鍵信號記錄下來。目前的機內(nèi)專家?guī)齑鎯υ谛∪萘縍OM中,成本高,容量小,信息量狹窄。專家知識庫的更新和完善要求數(shù)據(jù)庫具有開放性、遠程可操作性。異構網(wǎng)絡環(huán)境中的異構數(shù)據(jù)庫操作得到了廣泛的研究,早期提出并使用了數(shù)據(jù)庫中間件。最新應用JDBC(java database connectivity,JAVA數(shù)據(jù)庫互聯(lián))在多平臺、異構數(shù)據(jù)庫操作方面所具有的優(yōu)點為網(wǎng)絡化異地故障診斷所使用的診斷數(shù)據(jù)庫、專家知識庫的建立、維護和操作提供了強大的支持[10]。

當艦載信息中心啟動監(jiān)控方式時,嵌入式采集器采集的裝備狀態(tài)信息用來與裝備信息數(shù)據(jù)庫內(nèi)的該裝備的狀態(tài)信息作實時比較,實時狀態(tài)信息記錄與裝備狀態(tài)信息樣本不相符時發(fā)出警報,同時,艦載信息中心則進一步檢索該型裝備的故障裝備狀態(tài)信息庫,并將故障狀態(tài)信息與實時狀態(tài)信息記錄逐一比較以確定故障板件,提供維修指導。如未能在故障狀態(tài)信息庫內(nèi)檢索到相符的故障狀態(tài)信息時,可申請遠程保障信息中心支援。艦載信息中心使用分析軟件將實時狀態(tài)信息記錄與狀態(tài)信息波形信息的差異部分通過數(shù)字電臺傳輸給岸基接收基站,并接收遠程保障信息中心的維修指導,或從遠程保障信息中心下載最新的該型裝備的故障樣本庫。

4 系統(tǒng)網(wǎng)絡化過程的難題

在艦艇裝備維修保障系統(tǒng)網(wǎng)絡化的過程中,從裝備乃至具體設備的組網(wǎng)到具體維修保障工作的各個環(huán)節(jié)還存在一些難題有待解決。譬如PAC與其下控制器的組網(wǎng)兼容性。目前TS控制器PAC及主干網(wǎng)交換機是符合羅克韋爾CIP規(guī)范的產(chǎn)品,使用了實時以太網(wǎng)協(xié)議EthernetIP,而逆變控制器、電機控制器、段開關監(jiān)測器、位置傳感器等控制網(wǎng)絡上的其它設備只有普通CAN、RS232、RS485口,尚無規(guī)范的組網(wǎng)能力,使PAC的實時以太網(wǎng)的優(yōu)越性無法發(fā)揮。

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Networking of the Maintaining System of Electronic Equipments in Naval Ships

YANG Wu1,2ZHANG Chaoliang2

(1. No. 92823 Troops of Navy, Sanya 572021) (2. College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

With the development of current network technology and the need of maintaining the electronic equipments in naval ships, networking has become the developing trend and key characteristic of the maintaining system of the electronic equipments in naval ships. Network architecture on actualizing the maintaining system of the electronic equipments in naval ships is put forward, and some key technologies involved are elaborated.

electronic equipments in naval ships, maintaining system, networking

2014年7月9日,

2014年8月23日

楊武,男,博士,工程師,研究方向:艦船電子裝備維修保障、網(wǎng)絡化測控。張朝亮,男,博士,講師,研究方向:智能控制、網(wǎng)絡化測控。

TP393

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.036