基于RS－485總線的艦船損管訓(xùn)練平臺監(jiān)控系統(tǒng)研究

常 壯 邱金水 劉伯運(yùn)

1海軍裝備指揮學(xué)院實驗指揮系,北京 101416

2海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，湖北 武漢 430033

基于RS－485總線的艦船損管訓(xùn)練平臺監(jiān)控系統(tǒng)研究

常 壯1邱金水2劉伯運(yùn)2

1海軍裝備指揮學(xué)院實驗指揮系,北京 101416

2海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，湖北 武漢 430033

通過構(gòu)建監(jiān)控網(wǎng)元的特殊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將基于RS－485現(xiàn)場總線、嵌入式技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)的艦船損管仿真綜合訓(xùn)練自動化監(jiān)測與控制系統(tǒng)中的軟、硬件設(shè)計融為一體，使系統(tǒng)具備良好的電氣特性、高效的傳輸速率和穩(wěn)定的工作性能，較好地實現(xiàn)了模擬災(zāi)害設(shè)置、訓(xùn)練實時監(jiān)控和訓(xùn)練動態(tài)管理等功能。

損管訓(xùn)練；監(jiān)測與控制；RS－485總線；嵌入式技術(shù)

1 引言

艦船損管訓(xùn)練，有助于提高艦員在海損事故中正確、及時、有效地開展損管行動的能力，具有極大的現(xiàn)實意義［1］。為貼近實戰(zhàn)，各國都建有仿真度和現(xiàn)代化程度較高的損管訓(xùn)練設(shè)施。美國、英國、荷蘭等國海軍設(shè)有專門的損管訓(xùn)練中心和損管學(xué)校，配備有比較先進(jìn)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，美國和葡萄牙甚至還設(shè)有實船嵌入式的虛擬損管訓(xùn)練系統(tǒng)［2-3］。在國內(nèi)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，一些航海院校及海警也建立了相應(yīng)的損管訓(xùn)練模擬設(shè)施并得到逐步完善。在一些大型的船舶研究機(jī)構(gòu)和海軍系統(tǒng)，甚至已經(jīng)開始對虛擬損管訓(xùn)練開展相關(guān)研究且成效顯著［4］。

艦船損管仿真綜合訓(xùn)練平臺運(yùn)用工業(yè)自動化控制技術(shù)、計算機(jī)軟件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，較為真實地模擬了多種損害環(huán)境，能實時控制和監(jiān)測訓(xùn)練仿真環(huán)境及訓(xùn)練全過程、記錄和分析訓(xùn)練數(shù)據(jù)并進(jìn)行訓(xùn)練評價，其多種訓(xùn)練效果的實現(xiàn)很大程度上依賴于自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。

2 損管仿真綜合訓(xùn)練平臺的功能與架構(gòu)

2.1 損管仿真綜合訓(xùn)練平臺功能

艦船損管仿真綜合訓(xùn)練平臺具有以下基本功能：

1）損管基本理論的學(xué)習(xí)。幫助艦員熟悉艦艇艙室、相關(guān)規(guī)章制度、損管設(shè)施分布和使用、不沉性文件等。

2）損管指揮流程的訓(xùn)練。培養(yǎng)指揮員根據(jù)現(xiàn)場災(zāi)害狀況組織損管作戰(zhàn)、損管指揮決策和組織指揮能力。

3）損管基本技能訓(xùn)練。使艦員掌握損管設(shè)施的操作使用技能，提高損管和心理適應(yīng)能力。

4）損管指揮與技能的協(xié)同訓(xùn)練。訓(xùn)練各級人員在多種災(zāi)害環(huán)境下指揮、實裝操作的協(xié)同，提高指揮員決策指揮和損管隊員技能操作的協(xié)同作戰(zhàn)能力。

5）學(xué)科研究和實驗論證。作為研究和論證與艦船損管有關(guān)課題的平臺，可以研究各類災(zāi)害發(fā)生和蔓延的規(guī)律、研發(fā)新型損管器材和損管監(jiān)控系統(tǒng)、嘗試和論證新的損管作戰(zhàn)方案及輔助決策等的可行性。

2.2 損管仿真綜合訓(xùn)練平臺架構(gòu)

系統(tǒng)采用通常的三層結(jié)構(gòu)，即設(shè)備層、監(jiān)測層和信息處理層［5］，其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖1所示。

1）現(xiàn)場設(shè)備層。該層是執(zhí)行控制命令，完成模擬損管環(huán)境的設(shè)置。根據(jù)不同模擬訓(xùn)練艙室的功能，分別配置有電火裝置、碟閥控制的破損模擬、通風(fēng)裝置、發(fā)熱裝置、發(fā)煙裝置、喇叭、聲光報警器等，通過現(xiàn)場手動操作控制面板或中央控制計算機(jī)遠(yuǎn)程控制，營造煙、熱、聲、火、破損進(jìn)水等模擬災(zāi)害環(huán)境。

2）監(jiān)控層。包括現(xiàn)場總線和嵌入式系統(tǒng)在內(nèi)的監(jiān)控體系，用以控制現(xiàn)場設(shè)備和監(jiān)測訓(xùn)練現(xiàn)場的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)。溫度、煙霧、流量、壓力等多種傳感器實時采集訓(xùn)練現(xiàn)場的環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)，集控中心根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行人為或自動控制。

3）信息處理層。這一層次包括數(shù)據(jù)處理器組、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、人機(jī)界面、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和系統(tǒng)軟件等，它是整個仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的核心體系，擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)處理、通信實現(xiàn)、人機(jī)交互、訓(xùn)練控制與管理等任務(wù)。

3 損管仿真綜合訓(xùn)練平臺監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

有別于實船損管監(jiān)控體系，損管仿真綜合訓(xùn)練平臺中的監(jiān)控系統(tǒng)既要監(jiān)測模擬艙室的狀態(tài)和控制模擬設(shè)備運(yùn)行，還要對營造訓(xùn)練仿真環(huán)境的設(shè)備，如破口蝶閥、電火箱、煙霧發(fā)生器、水泵等進(jìn)行實時地監(jiān)測和控制，并在人機(jī)界面的虛擬設(shè)備中對受訓(xùn)人員的實裝操作生成相應(yīng)的事件動作響應(yīng)。

結(jié)合損管指揮和技能訓(xùn)練的層次設(shè)置，監(jiān)控體系采取導(dǎo)演中心、艦指揮所、損管站與虛擬操演戰(zhàn)位的三級監(jiān)管結(jié)構(gòu)，它由多臺不同監(jiān)控任務(wù)和訓(xùn)練層次的節(jié)點(diǎn)計算機(jī)以及實裝操作平臺組成，分別模擬損管導(dǎo)演臺、艦指揮戰(zhàn)位、損管中心站、損管虛擬操作戰(zhàn)位和實裝操演中心，其設(shè)置如圖2所示。其中，導(dǎo)演臺既有監(jiān)控管理計算機(jī)又有任務(wù)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，既可通過人機(jī)界面的虛擬設(shè)備與實裝聯(lián)動響應(yīng)來下達(dá)訓(xùn)練科目，又能通過操作事件聯(lián)動響應(yīng)和實時視頻對損管訓(xùn)練進(jìn)行綜合評分；損管中心包括艦指揮戰(zhàn)位、損管中心站和損管虛擬操作戰(zhàn)位三個節(jié)點(diǎn)計算機(jī)，既可完成兩級損管指揮，又可完成損管技能虛擬操作。

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計思路

3.1.1 需求分析及特點(diǎn)

1）監(jiān)控的元素和信號類別、數(shù)量多，輸入、輸出體系龐大。為實現(xiàn)破損模擬、化學(xué)和水滅火模擬、潛水脫險等多種訓(xùn)練環(huán)境并全面監(jiān)控，系統(tǒng)大量采用電磁蝶閥、模擬電火機(jī)構(gòu)、煙氣發(fā)生器及多種傳感器等電氣類設(shè)備和器材；

2）為保證信號的穩(wěn)定性和精度，要求監(jiān)控體系具有良好的抗干擾性。除壓力傳感器、智能蝶閥、液位檢測計等直流低壓電器的信號線路外（以下稱“弱電”），還有交流220 V或380 V供電的攝像機(jī)、水泵、異步電機(jī)等設(shè)備控制及照明線路（以下稱“強(qiáng)電”），線路中信號交叉干擾性大；

3）要求具備較高的通信速率以保證信號流暢和系統(tǒng)的工作效率。對應(yīng)于大量的電氣設(shè)備和器材，需要設(shè)置的監(jiān)控點(diǎn)相對較多，且實時性要求較高；

4）設(shè)備和線路要求達(dá)到一定強(qiáng)度和耐受度。損管訓(xùn)練的多種災(zāi)害環(huán)境使得監(jiān)控環(huán)境對比于工業(yè)環(huán)境具有其特殊性，即水浸泡、高溫、腐蝕液劑等多重?fù)p耗。

3.1.2 設(shè)計方案

鑒于上述分析，采用基于RS－485總線的開放式系統(tǒng)，并利用嵌入式接口將現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)接入以太網(wǎng)，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程多級監(jiān)控，滿足總體設(shè)計要求。考慮到工況環(huán)境特殊，在監(jiān)測、控制和傳感設(shè)備選型上，盡量采用嵌入式智能儀器，將測控任務(wù)分散在各個現(xiàn)場設(shè)備中，避免原始測控信號因往返傳輸中的干擾和損耗而影響其可信度、精度和穩(wěn)定性。除用線選型（屏蔽雙絞線）外，在線路敷設(shè)上，強(qiáng)、弱電按類分離走線，并安裝防護(hù)管具、遠(yuǎn)離腐損區(qū)域布設(shè)，既降低信號互擾，又增強(qiáng)線路安全系數(shù)。

由于監(jiān)控系統(tǒng)中很多設(shè)備或元素既要受控又要受測，且人機(jī)界面事件要與實裝操作生成一一對應(yīng)的實時響應(yīng)并同時涉及多個監(jiān)測和控制設(shè)備，因此，此時的監(jiān)控數(shù)據(jù)是一個包含了某監(jiān)控事件多重信息的數(shù)據(jù)包，本系統(tǒng)中將其定義為監(jiān)控網(wǎng)元 （MCNM），它是一個類似于結(jié)構(gòu)體的數(shù)據(jù)組，其中每條數(shù)據(jù)成員定義為數(shù)據(jù)項（DI），用以描述網(wǎng)元的每個信息細(xì)節(jié)，如網(wǎng)元名稱、控制指令內(nèi)容、監(jiān)控結(jié)果數(shù)據(jù)、操作權(quán)限標(biāo)志及界面熱區(qū)有效性標(biāo)志等。

按照訓(xùn)練進(jìn)程，通過人機(jī)界面的鼠標(biāo)熱區(qū)點(diǎn)擊實現(xiàn)某個災(zāi)害狀況或訓(xùn)練背景的設(shè)置，只要符合權(quán)限標(biāo)志和設(shè)備有效性檢驗，就產(chǎn)生一個有效的監(jiān)控事件，并與之對應(yīng)地引發(fā)一個監(jiān)控網(wǎng)元的生成，數(shù)據(jù)元的信息數(shù)據(jù)中所涵蓋的是對所指設(shè)備或環(huán)境的控制和監(jiān)測信息的反饋，是人機(jī)界面生成生動、形象場景的后臺依據(jù)。監(jiān)控網(wǎng)元能否在場景中直觀展現(xiàn)是通過驗證函數(shù)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)元參數(shù)實現(xiàn)的。

有效的網(wǎng)元生成后，網(wǎng)元監(jiān)測設(shè)備將受控設(shè)備和環(huán)境的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)不斷反饋至三級監(jiān)控計算機(jī)，生成可視畫面，并為導(dǎo)演臺的管理計算機(jī)提供評估要素。

3.2 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

根據(jù)設(shè)計方案，將該三級監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計為以以太網(wǎng)為中心的星形網(wǎng)絡(luò)——RS－485總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。以太網(wǎng)層網(wǎng)絡(luò)采用TCP／IP協(xié)議，RS－485總線網(wǎng)層采用DCON通信協(xié)議。系統(tǒng)以工控機(jī)作為連接RS－485總線網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的樞紐，既解決了兩層網(wǎng)絡(luò)在通信協(xié)議上的沖突，又滿足了損管導(dǎo)演臺作為管理計算機(jī)的設(shè)置需要。主從計算機(jī)組的訓(xùn)練軟件也即監(jiān)控軟件，如上文所述，軟件界面中動態(tài)場景細(xì)節(jié)與動作響應(yīng)，對應(yīng)于監(jiān)控事件生成的網(wǎng)元數(shù)據(jù)。為了更細(xì)致、直觀地描述RS－485總線網(wǎng)中的各種現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備，圖1將其按照功能和用途分為監(jiān)測、控制和通信三類分系統(tǒng)。

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)工作流程

監(jiān)控的過程就是監(jiān)控網(wǎng)元不斷產(chǎn)生和工作的過程，它是與訓(xùn)練進(jìn)程相結(jié)合的，其工作流程見圖3所示。訓(xùn)練開始后，設(shè)備就進(jìn)入運(yùn)轉(zhuǎn)控制并隨同訓(xùn)練環(huán)境一起被實時監(jiān)測，其狀態(tài)數(shù)據(jù)被不斷采集。訓(xùn)練背景的變更或災(zāi)害狀況的設(shè)置通過設(shè)備工況的轉(zhuǎn)變實現(xiàn)。隨著訓(xùn)練結(jié)束或災(zāi)害處置完成，對應(yīng)的監(jiān)控網(wǎng)元生命結(jié)束，監(jiān)控事件完成。

4 監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 硬件部分技術(shù)措施

4.1.1 現(xiàn)場總線控制技術(shù)

現(xiàn)場總線技術(shù)以現(xiàn)場分散的測量點(diǎn)、控制儀表等具備數(shù)字計算與數(shù)字通信能力的現(xiàn)場設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以總線作為節(jié)點(diǎn)間實現(xiàn)數(shù)字通信的紐帶，構(gòu)成開放式、數(shù)字化的底層控制網(wǎng)絡(luò)，是網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)相比，總線控制系統(tǒng)減少了布線、調(diào)試及安裝成本，具有更高的可靠性。

系統(tǒng)采用RS-485總線作為數(shù)據(jù)傳輸鏈路，實現(xiàn)半雙工異步通信。RS-485標(biāo)準(zhǔn)通信接口應(yīng)答在一對屏蔽雙絞線上進(jìn)行多點(diǎn)、雙向通信，每個終端只需通過接口掛在總線上就可實現(xiàn)多點(diǎn)總線結(jié)構(gòu)，且該標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定接口的電氣特性，不涉及接插件、電纜或協(xié)議，用戶可建立自己的高層通信協(xié)議。由于RS-485差動輸出狀態(tài)與差分輸入狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)換都需要一定時間，為提高穩(wěn)定性和可靠性，在軟件編程中加入了幾十個毫秒的延時。另外，為增強(qiáng)抗干擾性能，采用獨(dú)立電源供電，并在總線始末端各接入終端匹配電阻，抑制噪聲和回波反射［6］。實踐表明，RS-485總線系統(tǒng)抗干擾性好、布線方便、傳輸距離遠(yuǎn)，滿足監(jiān)控需要。

4.1.2 嵌入式模塊技術(shù)

嵌入式系統(tǒng)軟硬件可裁剪、可靠性高，能適應(yīng)冷熱、振動、腐蝕等各種變化，可在惡劣環(huán)境下實現(xiàn)工控網(wǎng)絡(luò)和上層信息網(wǎng)絡(luò)的無縫連接。系統(tǒng)除運(yùn)用嵌入式智能設(shè)備如電磁流量計、智能磁閥和傳感器等外，還采用了嵌入式現(xiàn)場模塊 （如ICP DAS系列）。該類模塊的內(nèi)置微處理器、雙看門狗安全設(shè)計、過高壓隔離保護(hù)等，使其具有可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)、組合靈活等特點(diǎn)，非常適用于計算機(jī)數(shù)據(jù)采集和控制。

嵌入式現(xiàn)場模塊接入系統(tǒng)前設(shè)置唯一地址、相同的通信速率，直接掛接在RS-485通信總線上。模塊內(nèi)置的“自適應(yīng)”ASIC芯片，能自動調(diào)節(jié)整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)格式和通信速率，使不同速率、數(shù)據(jù)格式的設(shè)備工作在同一總線網(wǎng)絡(luò)中。

4.2 軟件部分關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1DCON 通信協(xié)議

DCON協(xié)議是一種基于RS-485網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用協(xié)議，它是用于I／O模塊的一種命令／應(yīng)答式（C／R）通信協(xié)議。它的定義為可打印的ASCII碼格式，如￥AAN、￥AAS6等。DCON協(xié)議因具有易于使用、兼容性好等特點(diǎn)而被廣泛采用。

對于主從應(yīng)答方式的RS-485網(wǎng)絡(luò)而言，DCON的這種C／R式協(xié)議簡單可靠、實用性好，兩者在通信需求上是相互匹配的。

4.2.2MSComm 與 Socket技術(shù)

訓(xùn)練（監(jiān)控）程序采用VB編程語言實現(xiàn)，它包含的串行通信控件MSComm和網(wǎng)絡(luò)控件Winsock使得現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)融為一體，是兩層網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部及網(wǎng)間實現(xiàn)通信互聯(lián)和數(shù)據(jù)交互的關(guān)鍵部件［7］：

1）MSComm串行通信控件實現(xiàn)主監(jiān)控計算機(jī)與底層總線網(wǎng)絡(luò)間的通信。它提供一系列標(biāo)準(zhǔn)通信命令接口，可發(fā)送命令、進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及監(jiān)控和響應(yīng)通信過程中發(fā)生的錯誤和事件，從而可建立事件驅(qū)動的高效實用的通信程序。

2）Winsock網(wǎng)絡(luò)控件使監(jiān)控主機(jī)通過局域網(wǎng)與從機(jī)建立聯(lián)機(jī)，實現(xiàn)監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)化拓展。WinSock是一個WOSA類型的部件，是應(yīng)用程序與網(wǎng)絡(luò)之間的標(biāo)準(zhǔn)接口［8］。它通過UDP或TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，工業(yè)控制應(yīng)用一般都采用數(shù)據(jù)傳輸更加可靠的TCP協(xié)議。

4.2.3 監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)界面

人機(jī)交互監(jiān)控界面將平面數(shù)據(jù)描述和三維立體展示相結(jié)合，界面狀態(tài)和現(xiàn)場操作實時響應(yīng)，為損管訓(xùn)練提供了很好的人機(jī)環(huán)境。監(jiān)控系統(tǒng)界面實例如圖4所示。如前所述，監(jiān)控網(wǎng)元的定義將監(jiān)控數(shù)據(jù)封裝為對應(yīng)于監(jiān)控事件的數(shù)據(jù)包，它是界面動態(tài)交互的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和來源。通過為數(shù)據(jù)包建立合理的界面輸出對象，就可以拓展數(shù)據(jù)的展示方式，從而更好、更多渠道地滿足監(jiān)控及損管訓(xùn)練的需要。

5 評價與展望

本文綜合運(yùn)用RS-485總線和嵌入式技術(shù)，為艦船損管綜合模擬訓(xùn)練成功構(gòu)建了一個總線式監(jiān)控系統(tǒng)，將現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)上升到以太網(wǎng)的架構(gòu)上來，實現(xiàn)了兩級網(wǎng)絡(luò)對損管仿真訓(xùn)練的實時監(jiān)控。該系統(tǒng)的調(diào)試及初步使用表明，由總線式現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)成本低、組網(wǎng)方便、性能優(yōu)良且易于拓展。隨著現(xiàn)場總線和嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，智能儀器的網(wǎng)絡(luò)可兼容性將會越來越強(qiáng)，通過總線組網(wǎng)實現(xiàn)監(jiān)控也會越來越便捷。

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Monitoring and Controlling System for Integrated Warship Damage-Control Training Simulator Based on RS-485 Field Bus

Chang zhuang1Qiu Jin－shui2Liu Bo－yun2
1 Department of Experimental Command，Academy of Equipment Command and Technology，Beijing 101416，China
2 College of Naval Architecture and Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

By establishing a special data structure of MC Net－member， the designs of hardware and software were integrated into the automated monitoring and controlling system of warship damage－control training simulator， which was based on RS－485 field bus， embedded technology and Ethernet technologies.Consequently，the whole system was characterized with fine electrical behaviors， efficient transmitting speed and steady working performance.Based on that， the functions for setting simulated disasters，real－time monitoring and controlling， as well as dynamic training supervision were realized.

damage control training； monitoring and controlling； RS－485 fieldbus； embedded technology

U672.7

A

1673－3185（2011）01－86－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.01.017

2010-06-22

常 壯（1982－），男，碩士。研究方向：艦艇安全技術(shù)。E-mail：joanahwf@hotmail.com

邱金水（1963－），男，教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：艦艇生命力技術(shù)、防險救撈技術(shù)