船舶综合监控网络可靠性设计

马玉丽，张冬梅

（青岛远洋船员职业学院，山东 青岛 266071）

船舶综合监控网络可靠性设计

马玉丽，张冬梅

（青岛远洋船员职业学院，山东 青岛 266071）

由于船舶工作环境特殊，空间狭小，有电磁干扰、振动、水浸、盐雾等不利因素，只有对其可靠性进行研究，才能保证整个船舶监控网络系统正常运行。本文从拓扑、冗余和抗电磁干扰3个方面进行设计，全方位有效提高船舶综合监控网络的可靠性。

可靠性；拓扑；冗余；电磁干扰

0 引 言

随着计算机网络技术的发展，船舶监控系统也逐步向网络化、自动化方向发展。从最初的由单板机控制的集散型控制系统发展到分布控制系统，不同的系统中由不同的计算机控制，如主机遥控系统、集中监视系统等。整个监控网络中不同系统之间没有过多数据的传送，只是报警数据的传递，缺乏集中的管理和控制。如今对自动化的要求越来越高，自动化程度直接影响着船舶的安全性和经济性能，所以把船舶不同系统集合成一个综合的监控网络是发展趋势［1］。结合国内外现状，目前综合监控网络比较成型的方案为 2层网络 3 层设备的结构，如图 1 所示。

管理层为满足 TCP/IP 协议的以太网，局域网用户可以依照权限对整个系统进行监视和控制，并可通过服务器对系统数据进行备份；控制层为控制台或操作站形式，分别对不同的系统来进行监视和控制，控制层设备采取就近控制，节约通信电缆，传输速度快；设备层位于整个网络的底层，在测控现场，一般采用现场总线网络。现场总线网络最大的优点是可靠性能极高，信息传输的实时性、确定性能够得到保证。CAN 总线作为船舶上主要应用的总线格式，目前的应用场合越来越多。

船舶网络相对于一般工业网络来说，地理位置比较近，网络规模较小，另外船舶振动较大，噪声大、湿度大、温度高，所以船舶综合监控网络抗干扰性能要好；船舶作为一个独立的个体在海上航行，综合监控网络对船舶的安全航行起着至关重要的作用，所以必须保障船舶综合监控网络通信的可靠性。为了保障网络通信的可靠，本文主要从拓扑结构、冗余设计、抗干扰设计几方面来进行研究。

1 拓扑设计

网络的拓扑结构表明网络中各个节点的位置关系，拓扑设计是网络设计的第一步，良好的拓扑结构是可靠性的保障。在进行系统设计之初，必须对系统需求进行详细分析，才能设计出安全可靠满足船舶需求的系统。针对 2 层网络 3 层设备的网络系统来说，上层管理网络主要是在局域网中进行数据的传递、并进行不同系统之间的集成，数据在各个舱室之间传递相对距离较远，为了完成这样的功能，要求此网络具有较高的数据传输速率较高的带宽，适应大容量数据传输，需要具有全开放性，对实时性要求并不是很高；下层的现场总线网络主要面向现场参数的采集和控制，主要传输状态和控制指令，对实时性和确定性要求很高［2］。

图 1 船舶综合监控网络示意图Fig. 1 Schematic diagram of ship integrated monitoring network

传统网络的拓扑结构有总线型、星型、环型几种基本形式。结合前面的需求分析，上层的管理网络要求较高的数据传输速率，可以采用核心交换机组建两层星型的层次拓扑结构，核心交换机到局域网计算机之间采用千兆光纤，满足高速传输的需求，核心层采用 3 层交换机，网络数据都通过它的光纤端口进行高速交换。通过核心交换机创建和维护网络路由表，实现不同功能单元或虚拟局域网之间的路由，实施访问控制机制。2 层交换机以下采用超五类屏蔽双绞线。这种双星型的层次拓扑结构采用以太网交换机将网络划分为更小的网段，每 1 个端口就是一个冲突域，各个冲突域通过交换机进行隔离，交换机可对网络数据进行过滤，使每个网段内节点间数据只限在本地网段内进行传输，而不需要经过主干网，从而减轻了主干网的数据负荷［3］；实现多网段的并行运行，传输速率明显提高；某个网段出现问题时，其他网段还能正常使用，有利于限制故障影响和故障排除，鲁棒性较好［4］。双星型的层次拓扑结构如图 2 所示。

下层的现场总线网络属于总线型拓扑结构，所有的现场测控节点挂在 CAN 总线上，最远传输距离可达10 km，节点设备最多可达 110 个，可实现多种工作方式。网络中的各节点都可根据总线访问优先权采用逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据。CAN 总线在信息量不大的情况下可以保障总线上数据传输的可靠性和实时性

图 2 双星型网络拓扑结构Fig. 2 Double star network topology

2 冗余设计

冗余技术是通过配置并联运行的同等功能的部件，并通过一定的冗余逻辑使它们协调地同步运行，系统的可靠性得到多重保证。本文主要讨论工业以太网冗余和 CAN 总线网络冗余的方案。

无冗余网络存在众多的单点故障，核心交换机数据压力大［5］，因为船舶网络规模较一般工业网络较小，可采用核心交换机双机热备份的核心层冗余方案，如图 3 所示，实线表示正常的通信链路，虚线表示冗余链路，核心交换机 L1和 L2互为热备用，通过 2 台交换机之间的 Ethernet Channel，实现 3 层交换机之间的高速互通。这种冗余方案在核心层和接入层之间形成了物理环路，广播帧在转发时会形成广播风暴，通过在数据链路层使用生成树协议STP使冗余端口处于阻塞状态，消除网络中可能存在的路径。当正常链路失效故障时，冗余链路迅速启动，使船舶网络能够顺利完成数据的传输任务。

图 3 核心交换机冗余方案Fig. 3 Redundancy scheme of core switch

虽然 CAN 总线协议本身具有较强的检纠错能力，传输数据完整有效，抗干扰能力强，但在船上的控制现场，插头连接不牢固、传输介质损坏或总线驱动器的损坏等都会破坏 CAN 总线的可靠通信。为使 CAN总线网络具有更高的可靠性，有效的途径就是进行冗余设计［6］。

典型的 CAN 电路（例如图 1 中的智能测控节点）可分为单片机、总线控制器、CAN 总线驱动器及总线4个环节。冗余技术就是针对这4个部分进行相应的备份，通过不同方法来实现各个部分之间的切换。

CAN 总线冗余大多采用硬件冗余的方式，根据冗余方式不同可分为热备份和冷备份；根据冗余等级不同可分为 CAN 驱动器极冗余、CAN 控制器级冗余及CPU 级冗余等。

热备份的自动化程度高，管理方便，故障后系统重新恢复正常工作的时间间隔比较短。

CAN 总线驱动器级、控制器级，及CPU 级三者的冗余为等级递增，相应的可靠性也越来越高，电路和软件的复杂程度及成本也会有所增加［7］，综合考虑船舶工作环境和网络的重要性，CAN 总线网络采用 CPU级系统冗余网络最合适，如图 4 所示。系统冗余中，CPU、控制器、驱动器和总线均为2套，1套系统运行，另外1套作为热备份，发生故障时，另外1套马上工作维持系统的正常运行。

图 4 CAN 总线系统冗余Fig. 4 CAN Bus system redundancy

3 抗电磁干扰设计

船舶机舱空间狭小，设备布置紧凑，各种电磁干扰对正常工作都有严重的影响。为保证网络系统正常工作，可采取如下措施：

1）电气隔离：通信电缆是网络系统中受干扰最大的部分，而且各种干扰也极容易通过通信电缆进入系统，为了切断干扰途径，可在线路中增加光电隔离器件进行隔离。

2）防电网串扰：电网干扰传入控制网络主要是通过系统不同部分的供电电源耦合进入的，所以需要采用隔离性能较好的电源。

3）防电磁干扰：网络电缆采用光缆和屏蔽电缆，采用独立的布线通道，并注意加大该通道与其他电缆的布线间距。网络的接插件全部采用屏蔽产品，屏蔽层可靠接地，整个网络链路形成一个完整、封闭的屏蔽层［8］。

4）防撞击、水浸、高温和盐雾腐蚀措施：网络线缆加铠装层加强强度和线缆的密封性。

4 结 语

为了提高船舶的自动化水平，当前船舶监控网络向着不同系统综合的方向发展。综合监控网络的可靠运行关系着船舶的生命力。本文所设计的拓扑结构、冗余结构和抗干扰策略大大地提高了综合监控网络的可靠性，适用于现代舰船的发展需要，有利于提高舰船的生命力。

［1］杨春英， 左艳军， 李敏茹. 舰船网络技术现状和发展趋势［J］.舰船科学技术， 2011， 33（3）: 3–6， 11.

［2］武飞. 船舶信息系统的网络研究与设计［D］. 武汉: 武汉理工大学， 2008.

［3］赵海， 白宗振， 林恺， 等. 工业以太网中层次拓扑结构对网络性能的影响［J］. 东北大学学报（自然科学版）， 2008， 29（10）: 1418–1421.

［4］宰守刚. 工业以太网的实时调度及系统设计［D］. 杭州: 浙江大学， 2003.

［5］黄文君， 谢东凯， 卢山， 等. 一种高可用性的冗余工业实时以太网设计［J］. 仪器仪表学报， 2010， 31（3）: 704–708.

［6］杨家龙. 基于网络环境的舰船机舱动力装置监控系统技术研究［D］. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学， 2006.

［7］马建彬. CAN总线实验系统及其双线冗余的研究［D］. 天津:天津大学， 2009.

［8］程岚. “大洋一号”科学考察船计算机网络系统总体方案设计［J］. 船海工程， 2003（5）: 10–12.

Reliability design for ship integrated monitoring network

MA Yu-li， ZHANG Dong-mei
（Qingdao Ocean Shipping Mariners College， Qingdao 266071， China）

Because of the special working environment of ship， the space is small， there are some disadvantages， such as electromagnetic interference， vibration， water immersion， salt spray and so on. In this paper， three aspects of topology，redundancy and anti electromagnetic interference are analyzed and designed， which can improve the reliability of integrated monitoring network.

reliability；topology；redundancy；electromagnetic interference

TP393

A

1672 – 7619（2016）04 – 0128 – 03

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.04.026

2015 – 12 – 23；

2016 – 01 – 30

马玉丽（1978 – ），女，讲师，主要从事电子电气、计算机网络方面的教学研究。