基于现场总线技术的无人船舶自动控制系统分析

韩子龙 马壮壮

（1.青岛农业大学 山东省青岛市 266109 2.青岛虚拟现实研究院有限公司 山东省青岛市 266000）

随着“海洋经济”的崛起，中国在大力发展海洋产业的同时，在加快研制新型船舶方面投入了大量精力，多功能船舶虽然满足了我国海上生产、作业的基本要求，但载人船舶的续航、适应性等问题却普遍存在。无人船舶的出现，实现了连续航行下对复杂环境的适应性，并依托现场总线技术为自动控制系统完成相关作业任务提供保障，从而满足更加多元化的应用场景。

1 船舶自动控制系统概述

近年来，计算机信息技术在船舶领域得到了广泛应用，船舶自动化、数字化、智能化水平显著提升，其中，船舶自动控制系统作为船舶动力、通信、安全等管理的“大脑”，有效降低了船员的工作压力。船舶自动控制系统组成较为复杂，根据系统功能的差异性，其组成架构如图1所示。

图1：船舶自动控制系统组成框图

船舶自动控制系统主要包括驾控系统、通信系统、安全预警系统三个部分，驾控系统主要负责对船舶动力、电力等进行管理，保证船舶航行过程中的能源需求；通信系统为船舶自动化设备、单元之间提供了稳定的数据传输网络；安全预警系统由大量传感器组成，主要采集关键设备、位置的理化数据，并对相关数据的动态变化进行监管，当某一数值存在异常时将进行安全预警。

2 现场总线特点

自第二次工业革命以来，自动化技术的发展成为社会生产力提升的关键，通过构建数据传输网络，可实现不同设备之间的通信，从而保证生产过程中相关设备之间的高效协同。现场总线技术是工业自动化化生产所依赖的一种通信网络，是独立于互联网之外的专用局域网络，并成为自动控制系统设计中较为常见的通信解决方案。

2.1 现场总线结构特点

早期自动控制系统之间的数据传输多通过点对点的方式实现，而现场总线技术以其特有的结构可实现“点—线—点”的传输，并根据现场总线基于与结构形态，其结构特点主要包括以下几个方面。

（1）开放性。对于任何一种现场总线来说，其主要功能是提供更加便捷的数据传输服务，因此，早期现场总线结构能够满足绝大多数工业设备的接入需求，并实现稳定、可靠的物理连接。基于现场总线的开放性，使其在工业、建筑等多个领域得到了快速的推广应用，并进一步提升了现场总线在结构上的开放性。

（2）适配性。所谓适配性，是指现场总线在结构设计方面与设备之间并未采用“唯一身份”识别机制，在现场总线架构中可实现对所接入设备组态的统一化管理，并采取标准管理策略。同时，较高的适配性可实现“即插即用”功能，所以，这也赋予了现场总线结构较高的稳定性。

（3）稳定性。现场总线结构较为灵活，设计人员可根据系统组成与功能需求选择与之相适应的现场总线结构，如链式结构、星型结构、拓扑结构、分布式结构等，从而保证现场总线能够处于最佳的工作状态。

2.2 现场总线技术特点

（1）自我修复。现场总线结构复杂，相关节点众多，在此情况下，单一节点或节点数据传输链路出现故障时，现场总线技术可对受损后的结构进行修复，选择最佳的数据传输链路，保证现场总线功能的完整性。

（2）均衡算力。自动控制系统中包括大量传感器，传感器所获取数据需要经过数据传输链路发送至核心计算单元进行处理，这影响了数据处理的效率。现场总线技术能够充分利用不同节点设备的算力资源，在最短时间内完成包括传感器数据在内的数据处理、备份等，并将处理结果向对应节点进行反馈，使现场总线技术的数据综合处理能力显著提升。

现场总线技术改变了自动控制系统中信息链路形态，实现了多元异构信息链路在场景中的广泛应用，并依托其技术特点满足差异化自动控制系统的复杂功能要求。在全面信息化、智能化发展的背景下，现场总线的结构和技术优势将更加明显。

3 现场总线技术在无人船舶自动控制系统中的应用

在海洋经济快速发展的过程中，船舶自动化水平成为一个国家海洋综合经济实力的标志，而现场总线技术在船舶自动控制系统中的应用，使船舶自动化、智能化水平得到了明显提升，其中就包括无人船舶。作为无人船舶的核心技术构成，现场总线技术在无人船舶自动控制系统中的应用主要包括以下几个方面。

3.1 基于现场总线技术的动力控制系统设计

动力是船舶航行安全的重要保障，无人船舶在航行过程中需要根据实际情况对其动力进行集中管理，且无人船舶动力系统组成较为复杂，相关自动控制设备之间存在信息上的强相关，现场总线技术的应用则满足了不同设备、单元之间的信息交互需求。并且，为保证船舶动力系统的高可靠性，该设计采用了双总线方案互为备份（如图2所示），即广域现场总线和局域现场总线。双总线设计方案不仅能够提高总线节点或链路故障下的数据传输功能，且增加了动力控制系统的扩容能力，以便于后期系统升级改造。

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图2：无人船舶动力控制系统双总线设计框图

无人船舶动力控制系统的核心由综合控制单元、综合显示模块组成，综合控制单元通过接收来自于温度、速度、湿度、振动等传感器的数据，从而建立动力系统的实时工作状态模型，并对发动机、发电机、储能单元等进行控制，保证动力输出稳定，以及主动力系统故障时备用动力单元能够及时介入，避免无人船舶因失去动力而发生碰撞、偏航等危险。

基于双总线的设计，无人船舶动力控制系统的扩展能力也得到了显著提升，例如，为保证大型无人船舶的横向移动能力，船舶设计人员通过增加侧推动力系统为其提供横向动力支持，在接入船舶自动控制现场总线后，综合控制单元则通过现场总线进行动力分配，使无人船舶在航行过程中的动力控制更加精准。

3.2 基于现场总线技术的导航系统分析

海上航行缺少必要的参照物，因此，严格按照电子海图上所标注的航线航行至关重要，并且，在航线日益繁忙的情况下，船舶之间需要保持安全距离，并按照导航设备所提供的航行数据及时修正船舶航向、航速，以避免发生航行安全事故。无人船舶的航行状态管理是通过现场总线完成，在将罗经、GPS、计程仪、导航雷达、AIS等设备信息实时汇总至综合导航管理平台（如图3所示），以判定无人船舶航行状态是否安全，并通过现场总线对动力控制系统的工作状态进行干预。

图3：无人船舶导航系统星型总线拓扑图（扩展总线）

相比较无人船舶其它现场总线设计，导航系统中各节点设备之间的信息依赖性较强，因此，图3中选择了较为典型的星型总线型拓扑结构，该现场总线结构稳定性、可靠性较好，并能够适应船舶导航系统节点的分布式结构。相比较传统自动控制系统来说，无人船舶导航现场总线需要保证信息的实时传输，在最短时间内完成对船舶航行状态的反馈控制，因此，该现场总线设计能够保证所有节点到综合导航管理平台的距离最短。

基于现场总线技术的无人船舶导航系统还增加了分布式计算中心，导航雷达可以在综合导航管理平台故障的情况下承担船舶航行安全监管职能，在汇总其它导航信息的同时，导航雷达软件中集成的航路规划、会遇时间计算等功能可以为航行安全提供基础保障，岁不能完全意义上取代综合导航管理平台，却可以在现场总线数据吞吐量较大的情况下分担综合导航管理平台的数据结算压力。

3.3 基于现场总线技术的通信系统分析

船舶航行过程中的信息交互多依托通信系统实现，根据信息交互对象的载体差异可区分为有线通信和无线通信两种类型（如图4所示），在现场总线设计中，需要综合考虑不同通信机制的特点，从而满足通信系统正常工作状态下的信息交互需求。由于无人船舶在前期建造、测试等过程中需要人的参与，因此，有线通信系统被保留，同时，为保证无人船舶交付后的航行安全，相关航行数据、控制指令的传输需要通过无线通信系统实现，这也就要求通信系统的现场总线设计应满足可靠性、灵活性和差异性三大要求。

图4：船舶通信系统组成框图

3.3.1 可靠性

无人船舶需要依托通信系统向指挥控制中心反馈船舶工作状态和环境信息，相关数据类型趋于多元化，且反馈周期不同，这不仅对无人船舶通信系统的智能化水平提出了较高要求，同时也要更加可靠的现场总线技术作为支撑。在无人船舶现场总线设计中，为适应无线通信系统差异化频谱、带宽等相关参数需求，无线通信系统将对经由现场总线传输的信息进行差异化编码，现场总线在识别信息编码后，选择与之相匹配的传输链路，提高通信质量，减少因现场总线技术导致的丢包等现象发生几率。

以FF现场总线和EPA现场总线为例，在无人船舶相同应急避障信号传输过程中，FF现场总线的数据传输完成率为99.75%，而EPA现场总线的数据传输完成率约为99.13%，且以上两种现场总线数据丢失问题所造成的影响较小，无人船舶自动控制系统能够根据其接收到的信号及时作出规避动作。而基于数模转换的传统数据传输模式不仅存在严重的时间延时问题，且丢包率高达6%，在关键字段缺失的情况下，无人船舶自动控制系统因无法及时执行规定避障动作而发生安全事故。

3.3.2 灵活性

无人船舶通信系统在设计中需要综合考虑多种干扰因素，所以，为保证通信质量，则需要采取科学的抗干扰措施，如电磁屏蔽技术、电磁兼容技术、自适应跳频技术等，其中，电磁屏蔽技术属于硬防护的一种，而电磁兼容技术和自适应跳频技术就属于软防护机制，这就要求现场总线能够根据无线通信过程中的“开窗”时间和频谱变化情况灵活调整总线资源。在现场总线智能化水平不断提升的情况下，无人船舶通信系统在执行抗干扰策略时的通信质量并未发生明显变化。

以电磁兼容为例，作为无人船舶应对同频干扰的重要手段，当相同频率设备需要工作时，电磁兼容模块将根据优先级执行“开窗”命令，而“开窗”是分时处理技术的一种，现场总线技术可根据“开窗”时间优化节点资源配置方案。

除此之外，通信系统设计中现场总线技术的灵活性还在于扩展通信单元在满足相关协议的情况下，能够从其它现场总线中直接并入通信系统现场总线。如AIS是导航系统的关键节点，但AIS中的VHF天线具备甚高频通信功能，无人船舶通信系统可通过VHF天线发射和接受信号，将VHF接入通信系统现场总线可进一步完善通信系统的功能构成。

基于现场总线技术的通信系统设计解决了无人船舶在复杂电磁环境下内、外通信需求，针对有线通信和无线通信的特点，可在优化现场总线架构与技术体系的基础上，对相关协议进行完善，使其能够满足无人船舶通信系统在频谱、功率、带宽等方面的特点。

3.3.3 差异性

所谓差异性，是现场总线智能化的重要体现，其可以根据通信系统中不同节点单元的具体工作状态优化数据传输机制，提高通信质量和效率。其中，无人船舶有线通信主要实现的是内部各数据生成节点之间的数据传输，在现场总线设计中需要结合不同节点的通信机制，选择与之相适应的通信协议，并能够准确识别有线通信协议，为有线通信提供更加精准的服务。如图5所示，为提高内通平台有线通信效率，拨号软件将区分不同通话模式下的通信协议，点对点模式下的通信协议可以屏蔽现场总线的“广播”功能，选择最短路径与完成“握手”；会议模式下的通信则是通过“广播”模式完成现场总线中所有通信节点的呼叫，为保证统一延时效果，在通信协议中需要根据现场总线反馈对延时参数进行调整。

图5：基于现场总线技术的有线通信协议

如图5所示，该有线通信协议采用了多次校验机制，由于有线通信编码中包含双重地址（地址A为信源地址编码，地址B为目标地址编码），所以，图中虽预留标志位，但标志位内容为空。延时位的设计是为了保证“广播”模式下不同数据链路传输时延的一致性，这需要现场总线提前计算不同链路传输时延。复制位的设置为“00”和“01”，即禁止复制和允许复制，便于数据综合管理平台识别复制操作。

3.4 基于现场总线技术的数据综合管理平台

从资源合理化利用的角度出发，无人船舶在工作期间的数据并非完全发送给指挥控制中心，其中部分数据在无人船舶自动控制系统中进行留存，存储相关数据的单元被称为“黑匣子”。为保证无人船舶关键数据在“黑匣子”中完成备份，设计人员多采用复合型总线拓扑结构将相关节点企业数据综合管理平台，由其确定存入“黑匣子”的数据类型与存储方式，该现场总线技术的具体实现可分为以下两个步骤。

（1）基于现场总线的数据识别。现场总线为无人船舶自动控制系统提供了高速度、大带宽的稳定数据传输解决方案，所有数据均可以通过现场总线传输至指定位置，因此，如何辨别数据综合管理平台所需要的数据就显得尤为重要。通过增加标志位等方式，现场总线可以对关键数据进行识别，以减轻数据综合管理系统压力。

（2）基于现场总线的数据管理。在完成关键数据识别后，为保证数据在总线上的高效传输，在数据集散节点对关键数据进行复制后由专用链路传输至数据综合管理平台。由于不同数据在大小、周期等参数上存在差异，所以，基于现场总线的数据管理需要科学配置专用链路资源。

基于现场总线技术的无人船舶数据管理平台充分利用了现场总线的架构和技术优势，实现了对无人船舶自动控制系统数据的科学管理，解决了早期数据“无差别”管理对系统造成的压力。并且，现场总线技术实现了数据综合管理质量的提升，减少了因数据传输问题导致的数据丢失、乱码等现象，为无人船舶状态管理与数据分析提供了更加精准、全面的数据支持。

4 总结

现场总线技术在工业领域的率先应用推动了工业自动化快速发展，以无人船舶为代表的现代船舶行业转型需要更加高效、稳定的数据传输解决方案，现场总线技术在无人船舶自动控制系统中的应用，将从根本上解决载人船舶续航时间短、安全性低、环境适应性差等问题。除此之外，基于现场总线技术的船舶自动控制系统可实现数据和传输链路的多重智能管理，为无人船舶航行安全、远程状态监管、系统优化等提供全方位支撑。