陳 力 孫劍峰

（上海船用柴油機研究所，上海 201108）

近年來，船舶智能化快速發(fā)展。在船端，現(xiàn)有最典型的對數(shù)據(jù)進行采集的系統(tǒng)綜合船橋系統(tǒng)（IBS），該系統(tǒng)采用的是令牌環(huán)形局域網(wǎng)，將有關導航、駕控、避碰和監(jiān)視等傳感信息進行融合，并從人機工程的角度進行集成，以提高系統(tǒng)的自動化程度。[1]在這種傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式中，平臺各系統(tǒng)設備之間采用點對點的方式進行通訊，耦合大，可擴展性不強，而且作為數(shù)據(jù)源的各系統(tǒng)之間缺乏聯(lián)系，數(shù)據(jù)封閉無法共享，難以建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺。

中國船級社提出的《智能船舶規(guī)范》中，智能集成平臺作為規(guī)范中規(guī)定的智能船舶七個重要組成部分之一，能夠集成智能航行、智能船體、智能機艙、智能能效管理以及智能貨物管理等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和統(tǒng)一存儲，被整合的數(shù)據(jù)可有效解決數(shù)據(jù)孤島的問題，為智能船舶的發(fā)展提供數(shù)據(jù)基礎。其總體結構分為七大部分：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)整合、信息應用、信息展現(xiàn)、標準規(guī)范體系、信息安全體系。[2]

1 傳統(tǒng)船舶信息平臺網(wǎng)絡

目前，船舶系統(tǒng)普遍采用的是控制層、信息層分離的雙網(wǎng)結構，由于控制層對響應時間、同步時間要求較高，普遍采用現(xiàn)場CAN 總線，而信息層對響應時間、同步時間要求不高，普遍采用兼容性更好的以太網(wǎng)。

CAN 協(xié)議本身在OSI 七層協(xié)議中只包含物理層和鏈路層，這使協(xié)議本身具備較強的靈活性，但是CAN 總線的兩層協(xié)議自身也存在一些瓶頸：

（1）物理層阻抗匹配設計復雜；

（2）鏈路層仲裁機制的局限；

（3）鏈路層位定時要求嚴格；

（4）鏈路層傳輸速率較低。

針對傳統(tǒng)動力推進與信息平臺網(wǎng)絡的不足，本文結合智能船舶規(guī)范的要求，提出了一種基于混合網(wǎng)絡拓撲架構的智能集成平臺網(wǎng)絡架構，其中，控制層采用基于分布式網(wǎng)絡拓撲架構的EPA 實時工業(yè)以太網(wǎng)絡，信息層采用基于星型網(wǎng)絡拓撲架構的光纖以太網(wǎng)，通過軟硬件的模塊化、結構化和服務化，解決了各分系統(tǒng)獨立運行、互操作困難、資源無法共享等問題，提高船舶的智能化和自動化，最終達到跨平臺、跨領域的協(xié)同作戰(zhàn)能力。

2 船舶智能集成平臺網(wǎng)絡協(xié)議

本文控制層采用的是EPA 實時工業(yè)以太網(wǎng)，EPA 是基于UDP/IP 協(xié)議通信調度策略的確定性，以及以太網(wǎng)高效、穩(wěn)定、標準的特點，構建一種適應現(xiàn)場設備實時工作狀態(tài)的全新標準。目前，國內浙大中控等公司已經(jīng)開發(fā)出了基于EPA 的多種產品，包括基于EPA 的執(zhí)行器、變送器、遠程分散控制站、數(shù)據(jù)采集器、現(xiàn)場控制器、無紙記錄儀等。[3]基于EPA 的分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)在工業(yè)化生產中已有實際運用案例。

參考OSI 通信模型，EPA 通信模包含了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層，其模型如圖1 所示。

圖1 EPA 通信模型

其特點在于，通過在數(shù)據(jù)鏈路層上添加了一個EPA CSME(EPA 通信調度管理實體)，采用分時調度與優(yōu)先級調度相結合的方式控制EPA 報文的發(fā)送；在應用層添加了EPA 系統(tǒng)管理實體(作為EPA 管理設備)、EPA 應用訪問實體(作為EPA 應用訪問服務)和EPA 應用套接字映射實體(作為系統(tǒng)管理實體、應用訪問實體與UDP/IP 之間的映射)。EPA 管理信息庫則包含了通信調度管理實體、系統(tǒng)管理實體和應用訪問實體操作所需的信息。除此之外，它還在應用層中增添了一個用戶層，包括EPA 功能塊應用進程和其他非實時應用進程兩部分。[4]

3 船舶智能集成平臺網(wǎng)絡架構

3.1 控制層-分布式網(wǎng)絡拓撲架構

控制層打破以往各系統(tǒng)獨自實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制的方式，基于分布式網(wǎng)絡拓撲架構，采用通用化統(tǒng)一化的控制單元模塊對船舶智能集成平臺各艙室進行數(shù)據(jù)采集與控制。其網(wǎng)絡架構如圖2 所示。

圖2 底層控制層結構圖

控制層采用分布式的采集控制方式，每個艙室配置兩個控制單元，兩者之間互為冗余，通過艙室內冗余配置的網(wǎng)關接到雙冗余光纖以太網(wǎng)，實現(xiàn)底層控制層與上層信息層的互聯(lián)。

3.2 信息層-星型網(wǎng)絡拓撲架構

信息層是對數(shù)據(jù)信息進行傳輸與服務的部分，是以雙冗余光纖以太網(wǎng)的骨架，是構成船舶智能集成平臺網(wǎng)絡的主要組成部分。各艙室經(jīng)控制單元匯聚控制層信息，經(jīng)網(wǎng)關、交換機傳輸?shù)椒掌鬟M行處理與儲存。其網(wǎng)絡架構如圖3 所示。

圖3 信息層結構圖

系統(tǒng)信息傳輸層采用星型網(wǎng)絡拓撲結構，各個層面采用冗余鏈路或設備備份，充分考慮了鏈路中斷、設備故障等可能性的意外情況，有效提高網(wǎng)絡的可靠性。

基于上，本文提出一種基于混合式網(wǎng)絡拓撲架構的船舶智能集成平臺網(wǎng)絡，其基本結構如圖4 所示。

圖4 智能集成平臺硬件公共服務架構

其中，在控制層某些特殊位置，傳統(tǒng)傳感器布線難度大、功耗高、數(shù)據(jù)采集處理成本高，加裝無線傳感網(wǎng)絡設備，比較成熟的像WIA-PA 網(wǎng)絡，可以提供無線傳感器（無線轉速采集傳感器、無線壓力采集傳感器、無線PT100 溫度傳感器、無線PT1000溫度傳感器、無線熱電偶溫度傳感器）、無線適配器（無線模擬量輸入適配器、無線模擬量輸出適配器、無線模擬量輸入輸出適配器）和無線網(wǎng)關，這樣可以增強平臺感知能力，提高船舶的智能性。

4 結論

本文提出的基于混合式網(wǎng)絡拓撲架構的智能集成平臺網(wǎng)絡架構，是智能船舶發(fā)展的一個重要方向，下層采控層面劃分為實時域可以直接通過實時網(wǎng)交互數(shù)據(jù)，上層信息層劃分為非實時域交互非實時的數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)關隔離實時域與非實時域，使全艦網(wǎng)絡扁平化的同時，使得各個分系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)進行了最大限度的共享，提高船舶的智能化和自動化，最終達到跨平臺、跨領域的協(xié)同作戰(zhàn)能力。