海上通信网络接口研究范文

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摘要:

船域网是局域网通信网络技术在船舶上的一种重要应用，其能够提供船舶内多种设备、通信装置、人员的信息交互能力。然而，由于造船能力和船载设备的制约，构建完备和多功能的船域网较难实现，为解决这一问题，采用实用的船域网构建方案是必须的，这种方案在不更改原有船载设备的同时，通过建立和标准化各种设备的通信接口作为通信网关，构建一种能够满足多种通信需求，功能丰富的船域网络。本文针对如何设计和实现多种通信接口进行研究，并提出具体的实现方案，经过实验验证，本文提出的海上通信网络接口设计与实现方法能够应用于多种船舶和设备，具有较好的可用性。

关键词:

船域网;通信接口;通信网络

引言

随着造船业和ICT技术的不断发展，当前船舶的自动化和集成化程度越来越高，为船舶的建造、航行和维护提供了诸多便利。当前的商用船舶和民用船舶使用了多种自动化设备，然而每个设备的控制、通信等功能通常是独立的，需要专门的线路、设备和控制台进行监控和操作，一方面使得控制各项设备的工作量较大，另一方面使得各个系统的信息无法共享。最近提出的船域网概念，是成熟的局域网技术在船舶中的应用，其目的在于将船载所有设备的信息交互，融合在一张网络中，实现多种设备的互通互联和集中控制，能够大大提高船舶的自动化水平和船舶各种信息数据的分析和利用，同时，船域网不仅提供了船舶内部的通信能力，同时还能够利用无线通信、卫星通信等手段，支持“岸舰”通信和“舰舰”通信的扩展，提供多种高附加值的服务和功能，是未来船舶通信技术的重要发展方向［1］。船舶区域网络是一个融合网络，依据IEC61162－450标准向多种设备提供统一的接口，实现船舶内部设备人员的互通互联和岸舰通信。然而，当前大多数供应商并没有提供基于IEC61162－450接口。因此，为了在现有技术能力和船舶条件下实现船域网［2－3］，网关系统必要，也是可以被各个供应商所接受的方法之一。为了解决以上问题，部分学者提出了一种实用的船域网构建方案，该方案在不更改原有船载设备的同时，通过建立和标准化各种设备的通信接口作为通信网关，从而构建一种能够满足多种通信需求，功能丰富的船域网络。本文对多种通信网络接口的结构、框架、功能和实现进行了研究，并利用实验检验了接口的通信性能，证明了本文提出的海上通信网络接口具有较好的可行性和有效性，作为现有船舶通信系统向下一代船域网演进的渐进方法，具有重要的实用意义。

1船域网模型

1.1模型框架船域网由以下4层体系结构组成:

1)岸舰网络:顶层网络包含船舶局域网，卫星调制解调器和天线，卫星空间段和用户段，和网络连接的远程维护服务器和客户端。船舶公司和制造商可以通过卫星链路访问船域网，从而提供了远程维护服务的能力。2)船舶局域网:该网络是一个包含了网关和本地基于以太网控制网络的融合网络。船舶区域网络中的通信依据IEC61162－450标准协议，采用UDP(用户数据报协议)传输，提供可靠/不可靠组播传输模式。3)本地控制网络:该网络是一个连接了各种控制器、I/O模块和各种设备的本地网络，能够独立实现多种控制目标，如报警监控系统、船舶机动操纵系统、航行数据记录器及舰桥信息集成系统等。网络内部通信可使用以太网或现场总线技术，如PROFIBUS或CANopen等。需要注意的是，本地控制网络可以作为其他不支持IEC61162－450标准网络或设备的网关;4)传感器/执行器网络:该网络是一个现场网络集成了船舶的所有传感器和执行器，同时连接了单元控制器和本地控制网络。与控制网络相比，传感器/执行器网络，可采用硬连接方式或简单的现场总线技术连接。

1.2实用模型

在传统的船舶网络中，需要为每个控制系统单独建立通信连接。那么该网络的复杂度为其中n为本地网络的数量。另一方面，船域网作为本地控制网络的骨干网，能够有效减少连接的复杂性。然而在机械层面，多数供应商并不愿意提供IEC61162－450接口:有些供应商无法在控制器中集成以太网等接口，而另一些供应商则出于安全或其他原因，并不愿意将其本地控制网络接入融合网络。

2构建通信接口

本文主要使用2种通信协议来构建船域网中的网关系统和本地系统。一种协议为IMO承认的NMEA［4］标准化协议，另一种为广泛使用的，但是并未被IMO承认的非标准化协议Modbus［5］。

2.1NMEA

自20世纪80年代起，NMEA协议就成为了海上导航和无线通信设备的数字接口标准。NMEA－0183标准已经被IEC认可，其谐波标准为IEC61162－1。NMEA－0183的告诉谐波标准为IEC61162－2。采用CAN技术的NMEA－2000标准为IEC61162－3，采用以太网技术的由于其实现的复杂性而被撤销。只有轻量级的以太网互联标准IEC61162－450被保留在IEC61162－4系列中。NMEA协议具有悠久的历史，且曾经是最早和唯一的船舶通信标准化接口。正因如此，多数供应商在设计和制造设备或系统的通信接口时，都依照该标准，因此在船舶中实施该接口时较为简单和方便。

2.2Modbus

ModbusRTU因为其应用的简便性，是当前在船舶机械层面被广泛接受和应用的协议。该协议具备主/从通信模式，并且使用RS－232/422/485作为物理接口。RS－485是船舶中主要使用的物理接口，其通信过程由简单的请求和应答组成。

3基于Modbus协议的通信接口优化

ModubsRTU数据包仅关注于发送和接收数据值本身，而并没有能力传输各种参数，如描述、分辨率、单位、范围等。然而在机械层面，各种设备采用的通信参数均不相同，因此，为了建立有效的通信接口，在建立数据通信过程之前，通信双方需要确定通信中携带的参数。在通信过程中，通信参数通常需要根据具体的应用场景进行修改，而对于参数的修改需要在通信的双方和多方设备上同时进行，考虑到船域网中包含的接口数量，将引入很大的工作量。为了解决之一问题，对Modbus进行优化，使得在通信建立之前，首先使用一个附加的会话过程收集相关的参数信息。

4实验验证

实验结果如图4所示，可看出随着通信节点的个数增加，时间消耗的变化规律。会话时间表示在附加会话过程中的时间消耗，扫描时间表示所有数据节点至少被询问1次的时间消耗。总扫描时间为会话时间和扫描时间的和。当通信节点数量达到1000时，总扫描时间为62.8s，同时，采用传统网络方法，该用时为11384.2s，将近3h，因此可以看出通过对通信接口的优化，较大地提高了基于Modbus协议通信接口的工作效率。

5结语

本文深入研究了船域网的发展现状和实际应用过程中的主要困难，针对当前广泛采用的船域网实用方案，提出了构建船域网通信网络接口的设计和实现方法，利用Modbus协议构建了通信接口，并给出了优化算法，通过实验证明了本文提出的方法具有较好的可行性和高效性。

参考文献:

［3］万军，陈凯华．船舶导航信息系统接口设计［J］．舰船科学技术，2015，37(1):89－96．

［5］宋辉，戚艳玲．一种CAN总线伺服控制模块设计［J］．舰船科学技术，2013，35(12):221－226．

作者：陈良维 单位：成都航空职业技术学院