基于RS－485总线的舰船损管训练平台监控系统研究

常 壮 邱金水 刘伯运

1海军装备指挥学院实验指挥系,北京 101416

2海军工程大学 船舶与动力学院，湖北 武汉 430033

基于RS－485总线的舰船损管训练平台监控系统研究

常 壮1邱金水2刘伯运2

1海军装备指挥学院实验指挥系,北京 101416

2海军工程大学 船舶与动力学院，湖北 武汉 430033

通过构建监控网元的特殊数据结构，将基于RS－485现场总线、嵌入式技术和以太网技术的舰船损管仿真综合训练自动化监测与控制系统中的软、硬件设计融为一体，使系统具备良好的电气特性、高效的传输速率和稳定的工作性能，较好地实现了模拟灾害设置、训练实时监控和训练动态管理等功能。

损管训练；监测与控制；RS－485总线；嵌入式技术

1 引言

舰船损管训练，有助于提高舰员在海损事故中正确、及时、有效地开展损管行动的能力，具有极大的现实意义［1］。为贴近实战，各国都建有仿真度和现代化程度较高的损管训练设施。美国、英国、荷兰等国海军设有专门的损管训练中心和损管学校，配备有比较先进的模拟训练系统，美国和葡萄牙甚至还设有实船嵌入式的虚拟损管训练系统［2-3］。在国内，随着技术的进步，一些航海院校及海警也建立了相应的损管训练模拟设施并得到逐步完善。在一些大型的船舶研究机构和海军系统，甚至已经开始对虚拟损管训练开展相关研究且成效显著［4］。

舰船损管仿真综合训练平台运用工业自动化控制技术、计算机软件和网络技术，较为真实地模拟了多种损害环境，能实时控制和监测训练仿真环境及训练全过程、记录和分析训练数据并进行训练评价，其多种训练效果的实现很大程度上依赖于自动化监控系统的设计。

2 损管仿真综合训练平台的功能与架构

2.1 损管仿真综合训练平台功能

舰船损管仿真综合训练平台具有以下基本功能：

1）损管基本理论的学习。帮助舰员熟悉舰艇舱室、相关规章制度、损管设施分布和使用、不沉性文件等。

2）损管指挥流程的训练。培养指挥员根据现场灾害状况组织损管作战、损管指挥决策和组织指挥能力。

3）损管基本技能训练。使舰员掌握损管设施的操作使用技能，提高损管和心理适应能力。

4）损管指挥与技能的协同训练。训练各级人员在多种灾害环境下指挥、实装操作的协同，提高指挥员决策指挥和损管队员技能操作的协同作战能力。

5）学科研究和实验论证。作为研究和论证与舰船损管有关课题的平台，可以研究各类灾害发生和蔓延的规律、研发新型损管器材和损管监控系统、尝试和论证新的损管作战方案及辅助决策等的可行性。

2.2 损管仿真综合训练平台架构

系统采用通常的三层结构，即设备层、监测层和信息处理层［5］，其网络构架如图1所示。

1）现场设备层。该层是执行控制命令，完成模拟损管环境的设置。根据不同模拟训练舱室的功能，分别配置有电火装置、碟阀控制的破损模拟、通风装置、发热装置、发烟装置、喇叭、声光报警器等，通过现场手动操作控制面板或中央控制计算机远程控制，营造烟、热、声、火、破损进水等模拟灾害环境。

2）监控层。包括现场总线和嵌入式系统在内的监控体系，用以控制现场设备和监测训练现场的实时状态数据。温度、烟雾、流量、压力等多种传感器实时采集训练现场的环境、设备状态等数据，集控中心根据监测数据对现场设备的运行状态进行人为或自动控制。

3）信息处理层。这一层次包括数据处理器组、数据库服务器、人机界面、网络设备和系统软件等，它是整个仿真训练系统的核心体系，担负着数据处理、通信实现、人机交互、训练控制与管理等任务。

3 损管仿真综合训练平台监控系统设计

有别于实船损管监控体系，损管仿真综合训练平台中的监控系统既要监测模拟舱室的状态和控制模拟设备运行，还要对营造训练仿真环境的设备，如破口蝶阀、电火箱、烟雾发生器、水泵等进行实时地监测和控制，并在人机界面的虚拟设备中对受训人员的实装操作生成相应的事件动作响应。

结合损管指挥和技能训练的层次设置，监控体系采取导演中心、舰指挥所、损管站与虚拟操演战位的三级监管结构，它由多台不同监控任务和训练层次的节点计算机以及实装操作平台组成，分别模拟损管导演台、舰指挥战位、损管中心站、损管虚拟操作战位和实装操演中心，其设置如图2所示。其中，导演台既有监控管理计算机又有任务数据库服务器，既可通过人机界面的虚拟设备与实装联动响应来下达训练科目，又能通过操作事件联动响应和实时视频对损管训练进行综合评分；损管中心包括舰指挥战位、损管中心站和损管虚拟操作战位三个节点计算机，既可完成两级损管指挥，又可完成损管技能虚拟操作。

3.1 监控系统设计思路

3.1.1 需求分析及特点

1）监控的元素和信号类别、数量多，输入、输出体系庞大。为实现破损模拟、化学和水灭火模拟、潜水脱险等多种训练环境并全面监控，系统大量采用电磁蝶阀、模拟电火机构、烟气发生器及多种传感器等电气类设备和器材；

2）为保证信号的稳定性和精度，要求监控体系具有良好的抗干扰性。除压力传感器、智能蝶阀、液位检测计等直流低压电器的信号线路外（以下称“弱电”），还有交流220 V或380 V供电的摄像机、水泵、异步电机等设备控制及照明线路（以下称“强电”），线路中信号交叉干扰性大；

3）要求具备较高的通信速率以保证信号流畅和系统的工作效率。对应于大量的电气设备和器材，需要设置的监控点相对较多，且实时性要求较高；

4）设备和线路要求达到一定强度和耐受度。损管训练的多种灾害环境使得监控环境对比于工业环境具有其特殊性，即水浸泡、高温、腐蚀液剂等多重损耗。

3.1.2 设计方案

鉴于上述分析，采用基于RS－485总线的开放式系统，并利用嵌入式接口将现场网络接入以太网，可以实现远程多级监控，满足总体设计要求。考虑到工况环境特殊，在监测、控制和传感设备选型上，尽量采用嵌入式智能仪器，将测控任务分散在各个现场设备中，避免原始测控信号因往返传输中的干扰和损耗而影响其可信度、精度和稳定性。除用线选型（屏蔽双绞线）外，在线路敷设上，强、弱电按类分离走线，并安装防护管具、远离腐损区域布设，既降低信号互扰，又增强线路安全系数。

由于监控系统中很多设备或元素既要受控又要受测，且人机界面事件要与实装操作生成一一对应的实时响应并同时涉及多个监测和控制设备，因此，此时的监控数据是一个包含了某监控事件多重信息的数据包，本系统中将其定义为监控网元 （MCNM），它是一个类似于结构体的数据组，其中每条数据成员定义为数据项（DI），用以描述网元的每个信息细节，如网元名称、控制指令内容、监控结果数据、操作权限标志及界面热区有效性标志等。

按照训练进程，通过人机界面的鼠标热区点击实现某个灾害状况或训练背景的设置，只要符合权限标志和设备有效性检验，就产生一个有效的监控事件，并与之对应地引发一个监控网元的生成，数据元的信息数据中所涵盖的是对所指设备或环境的控制和监测信息的反馈，是人机界面生成生动、形象场景的后台依据。监控网元能否在场景中直观展现是通过验证函数的关键数据元参数实现的。

有效的网元生成后，网元监测设备将受控设备和环境的实时状态数据不断反馈至三级监控计算机，生成可视画面，并为导演台的管理计算机提供评估要素。

3.2 监控网络设计

根据设计方案，将该三级监控系统设计为以以太网为中心的星形网络——RS－485总线拓扑结构。以太网层网络采用TCP／IP协议，RS－485总线网层采用DCON通信协议。系统以工控机作为连接RS－485总线网络与以太网网络的枢纽，既解决了两层网络在通信协议上的冲突，又满足了损管导演台作为管理计算机的设置需要。主从计算机组的训练软件也即监控软件，如上文所述，软件界面中动态场景细节与动作响应，对应于监控事件生成的网元数据。为了更细致、直观地描述RS－485总线网中的各种现场监控设备，图1将其按照功能和用途分为监测、控制和通信三类分系统。

3.3 监控系统工作流程

监控的过程就是监控网元不断产生和工作的过程，它是与训练进程相结合的，其工作流程见图3所示。训练开始后，设备就进入运转控制并随同训练环境一起被实时监测，其状态数据被不断采集。训练背景的变更或灾害状况的设置通过设备工况的转变实现。随着训练结束或灾害处置完成，对应的监控网元生命结束，监控事件完成。

4 监控系统实现

4.1 硬件部分技术措施

4.1.1 现场总线控制技术

现场总线技术以现场分散的测量点、控制仪表等具备数字计算与数字通信能力的现场设备作为网络节点，以总线作为节点间实现数字通信的纽带，构成开放式、数字化的底层控制网络，是网络集成式全分布控制系统。与传统监控系统相比，总线控制系统减少了布线、调试及安装成本，具有更高的可靠性。

系统采用RS-485总线作为数据传输链路，实现半双工异步通信。RS-485标准通信接口应答在一对屏蔽双绞线上进行多点、双向通信，每个终端只需通过接口挂在总线上就可实现多点总线结构，且该标准只规定接口的电气特性，不涉及接插件、电缆或协议，用户可建立自己的高层通信协议。由于RS-485差动输出状态与差分输入状态的相互转换都需要一定时间，为提高稳定性和可靠性，在软件编程中加入了几十个毫秒的延时。另外，为增强抗干扰性能，采用独立电源供电，并在总线始末端各接入终端匹配电阻，抑制噪声和回波反射［6］。实践表明，RS-485总线系统抗干扰性好、布线方便、传输距离远，满足监控需要。

4.1.2 嵌入式模块技术

嵌入式系统软硬件可裁剪、可靠性高，能适应冷热、振动、腐蚀等各种变化，可在恶劣环境下实现工控网络和上层信息网络的无缝连接。系统除运用嵌入式智能设备如电磁流量计、智能磁阀和传感器等外，还采用了嵌入式现场模块 （如ICP DAS系列）。该类模块的内置微处理器、双看门狗安全设计、过高压隔离保护等，使其具有可靠性好、抗干扰能力强、组合灵活等特点，非常适用于计算机数据采集和控制。

嵌入式现场模块接入系统前设置唯一地址、相同的通信速率，直接挂接在RS-485通信总线上。模块内置的“自适应”ASIC芯片，能自动调节整个网络的数据格式和通信速率，使不同速率、数据格式的设备工作在同一总线网络中。

4.2 软件部分关键技术

4.2.1DCON 通信协议

DCON协议是一种基于RS-485网络的应用协议，它是用于I／O模块的一种命令／应答式（C／R）通信协议。它的定义为可打印的ASCII码格式，如¥AAN、¥AAS6等。DCON协议因具有易于使用、兼容性好等特点而被广泛采用。

对于主从应答方式的RS-485网络而言，DCON的这种C／R式协议简单可靠、实用性好，两者在通信需求上是相互匹配的。

4.2.2MSComm 与 Socket技术

训练（监控）程序采用VB编程语言实现，它包含的串行通信控件MSComm和网络控件Winsock使得现场监控网络与远程网络融为一体，是两层网络内部及网间实现通信互联和数据交互的关键部件［7］：

1）MSComm串行通信控件实现主监控计算机与底层总线网络间的通信。它提供一系列标准通信命令接口，可发送命令、进行数据交换及监控和响应通信过程中发生的错误和事件，从而可建立事件驱动的高效实用的通信程序。

2）Winsock网络控件使监控主机通过局域网与从机建立联机，实现监控的网络化拓展。WinSock是一个WOSA类型的部件，是应用程序与网络之间的标准接口［8］。它通过UDP或TCP协议进行数据交换，工业控制应用一般都采用数据传输更加可靠的TCP协议。

4.2.3 监控系统的人机界面

人机交互监控界面将平面数据描述和三维立体展示相结合，界面状态和现场操作实时响应，为损管训练提供了很好的人机环境。监控系统界面实例如图4所示。如前所述，监控网元的定义将监控数据封装为对应于监控事件的数据包，它是界面动态交互的数据基础和来源。通过为数据包建立合理的界面输出对象，就可以拓展数据的展示方式，从而更好、更多渠道地满足监控及损管训练的需要。

5 评价与展望

本文综合运用RS-485总线和嵌入式技术，为舰船损管综合模拟训练成功构建了一个总线式监控系统，将现场监控网络上升到以太网的架构上来，实现了两级网络对损管仿真训练的实时监控。该系统的调试及初步使用表明，由总线式现场监控网络成本低、组网方便、性能优良且易于拓展。随着现场总线和嵌入式技术的不断发展，智能仪器的网络可兼容性将会越来越强，通过总线组网实现监控也会越来越便捷。

［1］邱金水，浦金云，陈兆良.舰艇损管监控系统与损管训练［M］.武汉：海军工程大学出版社，2001.

［2］TATE D L，SIBERT L，KING T.Using VEs to train firefighters ［J］.IEEE Computer Graphics and Applications，1997，17（6）：23-29.

［3］JOSE M S，VARELA，GUEDES C.A virtual environment for decision support in ship damage control ［J］.IEEE Computer Graphics and Applications，2007，27（4）：58-69.

［4］肖维维.基于虚拟现实的舰船损管训练系统研究与开发［D］.武汉：武汉理工大学，2007.

［5］雷宁，邱金水，吴晓辉.舰艇损管综合训练系统研究［J］.中国舰船研究，2008，3（3）：67-68.

［6］李焕哲，张有华.基于RS-485总线的数据采集系统通信协议的设计与实现［J］.冶金自动化，2004（增刊 1）：382-385.

［7］范逸之.Visual Basic与分布式监控系统［M］.北京：清华大学出版社，2002.

［8］艾光利，马燕.基于Sockets的计算机远程监控技术及实现［J］.重庆师范大学学报（自然科学版），2004，21（1）：33-37.

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 壮（1982－），男，硕士。研究方向：舰艇安全技术。E-mail：joanahwf@hotmail.com

邱金水（1963－），男，教授，硕士生导师。研究方向：舰艇生命力技术、防险救捞技术