淺談船舶網(wǎng)絡(luò)通信中幾種關(guān)鍵技術(shù)

【摘 要】船舶網(wǎng)絡(luò)通信與普通網(wǎng)絡(luò)通信相比具有海洋業(yè)務(wù)的特殊性，船舶機(jī)艙環(huán)境的復(fù)雜、惡劣，要求船舶設(shè)備之間的通信抗干擾、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。相比與傳統(tǒng)的船舶信息網(wǎng)絡(luò)中，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的串行口通信，現(xiàn)代船舶在保留原有通信方式的前提下，采用了實(shí)時(shí)性好、可靠性強(qiáng)、成本較低、開發(fā)難度較小的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)和兼容性、互操作性好、資源共享能力強(qiáng)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。船舶可以根據(jù)不同的通信環(huán)境與信息量需求，采用不同的通信方式進(jìn)行通信。

【關(guān)鍵詞】RS485通信；CAN總線通信

1.引言

自20世紀(jì)70年代起，船舶自動(dòng)化技術(shù)出現(xiàn)了蓬勃的發(fā)展趨勢(shì)，單個(gè)設(shè)備更加自動(dòng)化與智能化，各自動(dòng)化設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)了資源共享，各自動(dòng)化子系統(tǒng)也進(jìn)行了有機(jī)集成。這就迫切的需要真正實(shí)現(xiàn)對(duì)一全船各種設(shè)備的單點(diǎn)或多點(diǎn)集中監(jiān)控。隨著工控網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的成熟，特別是串行接口技術(shù)的日漸成熟及各種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的快速發(fā)展，其在工控領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，并被IEC（國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)）作為標(biāo)準(zhǔn)采納，也是大多數(shù)船舶自動(dòng)化設(shè)備公司采用的首選現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。而工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在工控信息管理領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)也非常適用于船舶。將上述三種網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)結(jié)合，可以有效地實(shí)現(xiàn)船舶自動(dòng)化設(shè)備之間的相互通信以及各自動(dòng)化子系統(tǒng)的集成。下面對(duì)串行通信接口技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以及以太網(wǎng)技術(shù)在船舶中的應(yīng)用做簡(jiǎn)單的介紹。

2.三種關(guān)鍵技術(shù)在船舶通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1RS485通信接口技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，串口通信接口技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。相比并行通信，串行通信因其所用的傳輸線少，傳送成本低等特點(diǎn)，特別適用于遠(yuǎn)距離通信。同時(shí)，由于其接口簡(jiǎn)單可靠，即使是近距離傳輸?shù)耐鈬O(shè)備也普遍使用串行接口與其它計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)行通信。按照接口的物理電器特性劃分，最被人們熟悉的串行接口有：RS232電平接口、RS422電平接口、RS485差分平衡電平接口和光隔離電流環(huán)接口。串行通信接口技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中，船舶行業(yè)也不例外。在船舶中，串行通信接口技術(shù)主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程的信IV、交換。下而通過(guò)具體的例子說(shuō)明串行通信接口技術(shù)如何應(yīng)用于船舶通信系統(tǒng)中。

其中，RS485總線通信模式由于其工作方式簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、傳輸距離較遠(yuǎn)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工控領(lǐng)域中。但一旦通信所依從的環(huán)境條件較為惡劣，或者RS485網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不當(dāng)，就會(huì)極大地影響RS485通信的可靠性，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

2.2CAN總線技術(shù)

現(xiàn)代社會(huì)對(duì)汽車性能的需求越來(lái)越高，智能化控制在不斷地推進(jìn)。智能化控制需要交換大量的數(shù)據(jù)，如果只從硬件的方面進(jìn)行改進(jìn)，成本會(huì)提升，而且過(guò)程比較繁瑣。CAN總線的實(shí)現(xiàn)方式就很好的解決了這一問(wèn)題。1986年，在SAE（汽車工程人員協(xié)會(huì)）大會(huì)上Bosch首次提出了CAN的概念。緊接著在下一年，第一塊CAN控制芯片在INTEL被推出；隨后Philips半導(dǎo)體推出了8X200 。 1993年，CAN的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IS011898公布后，CAN總線在工控方面的到廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。它具有分散性、開放性、互用性等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制的場(chǎng)合?，F(xiàn)場(chǎng)總線的種類很多，比較流行的有：基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF、CAN總線、Lon Works總線、ProfiBus總線、Hart總線、Device Net總線、Control Net總線、Wor1dF1P以及總線以及P-NET等。不同的現(xiàn)場(chǎng)總線各具有特色，適用于不同的應(yīng)川場(chǎng)合。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)開始應(yīng)用于船舶機(jī)艙的監(jiān)視報(bào)警和主機(jī)遙控?zé)粝到y(tǒng)。日前，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)逐步成為船舶自動(dòng)化發(fā)展的標(biāo)志。

船舶通信利用CAN總線的良好性能，組成船舶通信控制網(wǎng)絡(luò)。CAN總線減少了船舶網(wǎng)絡(luò)的線束數(shù)目，是控制結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，提高了系統(tǒng)的可靠勝。CAN2.0技術(shù)規(guī)范與OSI（Open System Interconnection）模型中協(xié)議層的規(guī)范一致，CAN2.0協(xié)議規(guī)定了OSI模型中的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。數(shù)據(jù)鏈路層又包含邏輯鏈路控制層和媒體訪問(wèn)控制層兩個(gè)子層。邏輯鏈路控制層有三個(gè)功能：幀接收濾波、超載通告和恢復(fù)管理，媒體訪問(wèn)控制層是數(shù)據(jù)鏈路層的關(guān)鍵，包括發(fā)送數(shù)據(jù)封裝、發(fā)送媒體訪問(wèn)、接受媒體訪問(wèn)管理、接受數(shù)據(jù)卸載幾個(gè)部分。物理層定義了位編碼/解碼、位定時(shí)、同步等功能。一般使用的物理媒介是雙絞線，采用差分電壓信號(hào)傳輸，一條信號(hào)線是CAN_H，另外一條是CAN_L。

在眾多現(xiàn)場(chǎng)總線中，目前在船上應(yīng)用的則以CAN總線和ProfiBus總線為主，不同的設(shè)備廠商所采用的總線類型各不同。例如，西門子PLC構(gòu)建的系統(tǒng)一般采用ProfiBus，而KONGSBERG Maritime等公司的產(chǎn)品則采用CAN總線，如KONGSBERG Maritime生產(chǎn)的AutoChief C20型主機(jī)遙控系統(tǒng)，該系統(tǒng)各模塊之間通過(guò)雙兀余CAN總線進(jìn)行通信來(lái)實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)、控制和報(bào)警等功能。該公司生產(chǎn)的船舶發(fā)送機(jī)軸承磨損監(jiān)控系統(tǒng)（BWM）也是通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)與AutoChief C20連接而成。此外還有一些廠商采用自己研制的現(xiàn)場(chǎng)總線，如德國(guó)的SAM公司等。中國(guó)目前也開發(fā)了許多基于總線技術(shù)的STI-VC2 船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)；三進(jìn)科技發(fā)展有限公司已成功開發(fā)的基于CAN總線技術(shù)的CJBW系列全數(shù)字式船舶監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，已在多艘軍民船舶上使用。

2.3以太網(wǎng)技術(shù)

伴隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，以太網(wǎng)成為目前局域網(wǎng)中采用的最多最廣的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。這種通信標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于船舶控制網(wǎng)絡(luò)尤其重要。1981年，IEEEprojeetsoZ小組委員會(huì)成立，使10Mbit以太網(wǎng)成為一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。1995年，IEEE批準(zhǔn)了IOOMbit/s的以太網(wǎng)，這種以太網(wǎng)被稱為快速以太網(wǎng)。endprint

船舶規(guī)模的大型化和設(shè)備的復(fù)雜化使得船舶通信網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載越來(lái)越大，通信速率的要求越來(lái)越高，采用一般的總線型網(wǎng)絡(luò)己經(jīng)不能滿足其發(fā)展需求，而以太網(wǎng)因其傳輸速度高、易于安裝、兼容性好、軟硬件產(chǎn)品豐富和支持技術(shù)成熟等特點(diǎn)，能夠滿足船舶自動(dòng)化控制領(lǐng)域的應(yīng)用需求而受到青睞。目前船舶局域網(wǎng)主要采用以太網(wǎng)，主要應(yīng)用于監(jiān)視與報(bào)警系統(tǒng)的上層網(wǎng)絡(luò)。例如，將與現(xiàn)場(chǎng)總線連接的集控室計(jì)算機(jī)通過(guò)局域網(wǎng)連接到駕駛臺(tái)和輪機(jī)員艙室等，實(shí)現(xiàn)全船數(shù)據(jù)共享。

在船舶自動(dòng)化中，現(xiàn)場(chǎng)總線一般應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與監(jiān)控級(jí)中?，F(xiàn)場(chǎng)級(jí)主要完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與處理，并將數(shù)據(jù)提供給同級(jí)或者上級(jí)設(shè)備，同時(shí)接收上級(jí)指令，并將指令傳送給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)外圍的執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。監(jiān)控級(jí)可以采用與現(xiàn)場(chǎng)級(jí)相同的總線協(xié)議，它主要完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的監(jiān)控、向管理級(jí)與現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備提供通訊接口、擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，并完成相應(yīng)的通信等功能。相比現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和監(jiān)控級(jí)，管理級(jí)是船舶監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，它主要完成系統(tǒng)管理、主機(jī)參數(shù)綜合顯示、與外圍其它網(wǎng)絡(luò)互連、人機(jī)交互等功能。由于這級(jí)數(shù)據(jù)量大，管理級(jí)的網(wǎng)絡(luò)一般采用高速以太網(wǎng)。

3.船舶通信中網(wǎng)絡(luò)通信可靠性的重要性

網(wǎng)絡(luò)通信可靠性有其特殊性，所以對(duì)它的定義也不盡相同。其中有人定義網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性為網(wǎng)路信息系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中滿足用戶的通信需求的能力。影響網(wǎng)絡(luò)通信可靠性的因素主要有：網(wǎng)絡(luò)通信的構(gòu)成設(shè)備的可靠性、網(wǎng)絡(luò)通信的管理和維護(hù)、網(wǎng)絡(luò)通信的運(yùn)行環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)通信的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)通信的故障診斷與自我恢復(fù)能力、網(wǎng)絡(luò)通信的傳輸質(zhì)量以及其它影響網(wǎng)絡(luò)通信可靠性的因素。因此，只有對(duì)船舶網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性進(jìn)行研究，我們才能避免網(wǎng)絡(luò)通信運(yùn)行過(guò)程中設(shè)備故障、信道擁塞、鏈路失效、通信中斷等問(wèn)題對(duì)整個(gè)船舶網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的造成的嚴(yán)重影響。

4.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，船舶網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)主要包括串行通信、現(xiàn)場(chǎng)總線通信以及以太網(wǎng)通信，其中，RS485通信、CAN總線通信與以太網(wǎng)通信最具有代表性同時(shí)應(yīng)用最廣泛。目前，將這三種方式有效集成，增加冗余設(shè)計(jì)，使得船舶自動(dòng)化系統(tǒng)具有很好的可靠性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、功能性和拓展性。船舶通信網(wǎng)絡(luò)涉及到傳輸、終端設(shè)施協(xié)議以及相應(yīng)的運(yùn)行支撐系統(tǒng)，影響其可靠性的因素很多，如通信設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)所依存的環(huán)境條件、人為故障等。船舶環(huán)境較為復(fù)雜，大部分的控制系統(tǒng)都沒有達(dá)到完全自動(dòng)化，需要人為的操作，即使發(fā)生故障，也可能影響整個(gè)船舶的正常運(yùn)行，同時(shí)，船舶通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)設(shè)備間信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求嚴(yán)格。因此，RS485、CAN總線和以太網(wǎng)這三種通信的關(guān)鍵技術(shù)的可靠性研究，對(duì)提高船舶通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、安全性起著至關(guān)重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣建文， 林勇， 韓江洪. CAN總線通信協(xié)議的分析和實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)工程， 2002， 28（2）：219-220.

[2]呂振肅， 劉忠學(xué)， 王連勝，等. 現(xiàn)代通信與信息技術(shù)在海事通信中的應(yīng)用展望[J]. 電訊技術(shù)， 2011， 51（4）：126-130.

[3]王廷堯. 以太網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用[M]. 人民郵電出版社， 2005.

[4] 曾焱， 王愛莉， 黃藏青. 全國(guó)水利信息化發(fā)展“十三五”規(guī)劃關(guān)鍵問(wèn)題的研究與思考[J]. 水利信息化， 2015（1）：14-19.

作者簡(jiǎn)介：

邵天橋（1969_），男，重慶萬(wàn)州區(qū)人，重慶海事局長(zhǎng)江瀘州通信管理處副主任，本科，從事通信信息管理與維護(hù)。endprint