蔡曄敏，周亞蘭，朱 蕊

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心，上海 201620；2.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240）

0 前 言

船舶的自動(dòng)化水平是衡量船舶先進(jìn)程度的一個(gè)重要標(biāo)志, 通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)駕駛、輪機(jī)、貨物裝卸等內(nèi)容的綜合集成監(jiān)控將使船舶自動(dòng)化水平達(dá)到一個(gè)新的高度, 并已成為當(dāng)今世界上船舶自動(dòng)化的最前沿研究課題[1]。船舶監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了單項(xiàng)自動(dòng)調(diào)節(jié)監(jiān)控、電動(dòng)和(或)氣動(dòng)及中小規(guī)模集成電子模塊組合邏輯監(jiān)控、以現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)為基礎(chǔ)的監(jiān)控、以以太網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的局域網(wǎng)監(jiān)控等幾個(gè)發(fā)展階段。隨著現(xiàn)代船舶向大型化、高速化發(fā)展，對(duì)船舶的自動(dòng)化要求也越來越高，船員對(duì)船艙運(yùn)行信息量的需求越來越大，對(duì)信息傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性的要求也越來越高，實(shí)現(xiàn)船舶網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化控制已成為必然趨勢(shì)[2]。

1 液貨船基本技術(shù)狀態(tài)

以某公司為丹麥船東設(shè)計(jì)的6500dwt化學(xué)品船為例，其自動(dòng)化設(shè)備要求按照一人橋樓配置，自動(dòng)化系統(tǒng)入德國GL周期性無人值班機(jī)艙級(jí)。

該船主推進(jìn)裝置，是用1臺(tái)非逆轉(zhuǎn)中速柴油機(jī)作為主機(jī)，經(jīng)齒輪箱變速后，分別驅(qū)動(dòng)CPP主推進(jìn)器和PTO軸帶發(fā)電機(jī)運(yùn)行。軸帶發(fā)電機(jī)又兼作PTI用，即在應(yīng)急工況下，用作驅(qū)動(dòng)主推進(jìn)器的電動(dòng)機(jī)。以取代主柴油機(jī)；電站由 3臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)組、1臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)組和1臺(tái)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組組成，應(yīng)急發(fā)電機(jī)又兼作停泊發(fā)電機(jī)用。在正常航行時(shí)由軸帶發(fā)電機(jī)對(duì)全船供電；進(jìn)出港時(shí)，由2臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行對(duì)全船供電；在卸貨時(shí)，用3臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行對(duì)全船供電。液貨泵和壓載水泵采用由液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的潛液泵，該液壓動(dòng)力泵站兼作艏側(cè)推器的液壓驅(qū)動(dòng)力。所有液貨艙、污油艙、壓載水艙、淡水艙的閥門均需遙控，且各艙配有相應(yīng)的液位、壓力、溫度測(cè)量系統(tǒng)；液貨艙、污油艙配有高液位及高高液位報(bào)警系統(tǒng)，并配有制氮裝置。船內(nèi)通信采用多媒體綜合通信系統(tǒng)，船外通信，除配有常規(guī)的無線電臺(tái)、海事衛(wèi)通C站外，尚配有衛(wèi)通F站和高速寬帶的衛(wèi)通SEVSAT站。在駕駛室，除配有常規(guī)的導(dǎo)航設(shè)備外，尚配有雙套電子海圖儀等。船舶管理局域網(wǎng)在每個(gè)船員房間、及各主要控制站均設(shè)有通信終端，以便對(duì)船內(nèi)、外通信。

2 液貨船自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

2.1 船舶監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

船舶監(jiān)控系統(tǒng)是以微機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)（LAN）、控制系統(tǒng)局域網(wǎng)（CAN）及串行通信組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)采取的數(shù)據(jù)通訊方式主要有三種：一是通過CAN卡接受機(jī)艙數(shù)據(jù)，利用CAN總線協(xié)議進(jìn)行通訊；二是通過串行接口卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；三是微機(jī)局域網(wǎng)（LAN）中的網(wǎng)絡(luò)通訊[4]。船舶監(jiān)控系統(tǒng)由于涉及數(shù)據(jù)量龐大，要求更高, 包括網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用針對(duì)性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性要求高、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的局部故障不影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行。

因此，通常被檢測(cè)點(diǎn)超過10000點(diǎn)的大型艦艇和船舶，其監(jiān)控系統(tǒng)復(fù)雜，要求控制性能高、數(shù)據(jù)容量大、傳送速率高，一般應(yīng)選用高速大容量的數(shù)字化信息平臺(tái)綜合監(jiān)控系統(tǒng)。對(duì)于中小型船舶，盡管自動(dòng)化程度也很高，其監(jiān)控系統(tǒng)也異常復(fù)雜，由于其被測(cè)點(diǎn)較少，考慮其系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和適用性等因素，一般選用傳統(tǒng)式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為宜。現(xiàn)就船舶監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及組成進(jìn)行分析和討論, 研究船舶監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)。

目前常見的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有總線型、星型、環(huán)型等。由于總線型網(wǎng)絡(luò)自身特點(diǎn)的限制，不適合于在船舶監(jiān)控系統(tǒng)這樣對(duì)于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用要求嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使用,所以本文對(duì)其不作分析。對(duì)于應(yīng)用較為廣泛的星型和環(huán)型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行詳細(xì)分析并進(jìn)行擴(kuò)展,同時(shí)結(jié)合有、無主結(jié)構(gòu)分析其應(yīng)用性質(zhì)。

2.1.1 船舶數(shù)字化信息平臺(tái)綜合監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)型網(wǎng)絡(luò)

船舶數(shù)字化信息平臺(tái)綜合監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，一般由主局域網(wǎng)和子局域網(wǎng)組成，即依據(jù)實(shí)際需要，把全船計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分為若干個(gè)子局域網(wǎng)，如主機(jī)遙控、機(jī)艙報(bào)警、電站管理、貨艙液位測(cè)量、閥門遙控、船舶通信導(dǎo)航、視頻監(jiān)視和船舶管理等子局域網(wǎng)。在各局域網(wǎng)內(nèi)，均配有雙套交換機(jī)、服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫，并采用光纜或通信網(wǎng)絡(luò)電纜，連接成雙環(huán)型結(jié)構(gòu)（也有連接成星型或環(huán)型－星型混合結(jié)構(gòu)）。通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，由主局域網(wǎng)把全船各子局域網(wǎng)連接在一起，組成一個(gè)統(tǒng)一的船舶信息數(shù)字化監(jiān)控平臺(tái)。各子局域網(wǎng)為下級(jí)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，子局域網(wǎng)下屬各被監(jiān)控設(shè)備的計(jì)算機(jī)監(jiān)控單元，為最基本的應(yīng)急數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，通過區(qū)域權(quán)限管理和虛擬網(wǎng)VLAN技術(shù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)控制。根據(jù)實(shí)際需要，由主局域網(wǎng)、子局域網(wǎng)或應(yīng)急數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)每臺(tái)設(shè)備實(shí)施有效的3級(jí)數(shù)字化實(shí)時(shí)監(jiān)控，即在正常航行時(shí)，通過主局域網(wǎng)數(shù)字化平臺(tái)，直接對(duì)全船被監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行有效實(shí)時(shí)監(jiān)控。若主網(wǎng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障，可方便地轉(zhuǎn)換至各子局域網(wǎng)，通過其相應(yīng)的數(shù)字化平臺(tái)，對(duì)各子系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行有效的常規(guī)集中監(jiān)控。萬一某些子局域控制系統(tǒng)失靈，可及時(shí)轉(zhuǎn)至就地控制單元，通過就地計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫及PLC邏輯控制系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)急控制，且各監(jiān)控系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，互不影響。其數(shù)字化信息平臺(tái)綜合監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 船舶數(shù)字化信息監(jiān)控平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

為保證全船數(shù)字化信息綜合監(jiān)控系統(tǒng)高速安全運(yùn)行，根據(jù)實(shí)際需要對(duì)主網(wǎng)、子網(wǎng)和應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳送速率進(jìn)行分級(jí)合理配置，一般在主網(wǎng)內(nèi)部以及在主網(wǎng)和子網(wǎng)之間，其數(shù)據(jù)傳送速率為1000Mbps（即千兆網(wǎng)）或更高的速率，采用光纜連接；在子局域網(wǎng)內(nèi)部以及子網(wǎng)和其所屬設(shè)備之間，其數(shù)據(jù)傳送速率為100Mbps[3]（即百兆網(wǎng)），采用通信網(wǎng)絡(luò)電纜連接；在用于設(shè)備就地控制的應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，其數(shù)據(jù)傳送速率不大于 10Mbps，采用六類屏蔽通訊電纜連接。

環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是：

1)在結(jié)構(gòu)上分層應(yīng)用明顯；

2)各節(jié)點(diǎn)功能清楚；

3)系統(tǒng)安全性能高；

4)兩個(gè)不同協(xié)議網(wǎng)段間的故障互相不受影響,網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性好。

缺點(diǎn)是：

1)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜；

2)網(wǎng)絡(luò)投入較大；

3)開發(fā)應(yīng)用程序時(shí), 需考慮到兩個(gè)網(wǎng)段的不同協(xié)議。

2.2.2 傳統(tǒng)式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

圖2為傳統(tǒng)式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，是星型結(jié)構(gòu)——現(xiàn)地控制單元實(shí)時(shí)采集各種信號(hào)并對(duì)故障信號(hào)作相應(yīng)處理。主站作為數(shù)據(jù)服務(wù)器，定時(shí)向各現(xiàn)地控制單元節(jié)點(diǎn)要數(shù)據(jù)并記錄，操作員站通過交換機(jī)直接與現(xiàn)地控制單元通訊,傳送數(shù)據(jù)與命令。它通過船舶局域網(wǎng)交換機(jī)，把機(jī)艙主輔機(jī)監(jiān)控局域網(wǎng)、閥門遙控和各種油艙、水艙的液位監(jiān)控局域網(wǎng)、船舶管理局域網(wǎng)、多媒體綜合內(nèi)通、衛(wèi)星通訊站和船舶導(dǎo)航系統(tǒng)，聯(lián)結(jié)成一個(gè)傳統(tǒng)式全船局域網(wǎng)絡(luò)，其全船網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享，在各個(gè)子網(wǎng)之間，通過互連不同網(wǎng)絡(luò)段的網(wǎng)橋（Bridge）或路由器（Router）[4]進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并使各子網(wǎng)相對(duì)獨(dú)立，保護(hù)其子網(wǎng)工作安全可靠。

圖2 傳統(tǒng)式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化信息監(jiān)視平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

星形網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，由于普遍通訊協(xié)議為 TCP/ IP，開發(fā)額外的系統(tǒng)應(yīng)用程序比較簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是系統(tǒng)安全性能不高，若交換機(jī)壞，那么網(wǎng)絡(luò)就面臨崩潰，對(duì)主站依賴性強(qiáng)。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的選擇

盡管船舶數(shù)字化信息平臺(tái)綜合監(jiān)控系統(tǒng)比傳統(tǒng)的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)有其無比的優(yōu)越性，但在船舶自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)船舶的實(shí)際情況、用戶的需求和所選用設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)，進(jìn)行具體分析論證，選取技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、經(jīng)濟(jì)適用的最佳方案。

由于該船噸位不大，但設(shè)備齊全，技術(shù)先進(jìn)，功能完善，為確保船舶航行安全、滿足周期性無人值班機(jī)艙與一人橋樓駕駛的要求，并充分考慮經(jīng)濟(jì)適用性和“減排”等要求，其自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系根據(jù)各系統(tǒng)對(duì)保證船舶安全航行的重要程度，而分級(jí)區(qū)別配置相應(yīng)的監(jiān)控設(shè)備。對(duì)有助于船舶“節(jié)能”和“減排”的因素，要合理安排，充分利用。同時(shí)，盡量簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，充分利用網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)的資源，盡量擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)服務(wù)范圍，提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力，最大限度地滿足用戶需求。圖2中已體現(xiàn)了該船計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本功能和設(shè)計(jì)理念，因此，該船選擇了傳統(tǒng)式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)為：

1)與圖 1所示的數(shù)字化信息平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D相比，無論從網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或網(wǎng)絡(luò)性能諸方面，均有很大差異。圖1所示的是大容量、高速雙環(huán)型局域網(wǎng)，通過虛擬網(wǎng)VLAN技術(shù)，各網(wǎng)絡(luò)段之間可直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，無需借助于網(wǎng)橋或路由器轉(zhuǎn)換，可進(jìn)行三級(jí)實(shí)時(shí)監(jiān)控。而圖2所示的系統(tǒng)，僅能在部分子局域網(wǎng)中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在其余局域網(wǎng)內(nèi)僅能實(shí)時(shí)監(jiān)視。

2)圖2所示的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)質(zhì)上是由單回路子局域網(wǎng)、雙回路子局域網(wǎng)以及單項(xiàng)控制系統(tǒng)組成的一個(gè)混合網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方法靈活。首先，對(duì)能保證船舶安全航行的主推進(jìn)裝置、電站管理單元、重要輔機(jī)監(jiān)控設(shè)備，配置了5臺(tái)計(jì)算機(jī)和2臺(tái)打印機(jī)，采用雙回路冗余子局域網(wǎng)，它是該船一級(jí)重要網(wǎng)絡(luò)；其次，對(duì)閥門遙控、液位測(cè)量和配載系統(tǒng)也同樣配置了5臺(tái)計(jì)算機(jī)和2臺(tái)打印機(jī)，而選用了單回路子局域網(wǎng)，是該船二級(jí)重要網(wǎng)絡(luò)；再者，對(duì)船舶管理、通信及娛樂系統(tǒng)配置1臺(tái)交換機(jī)和 30個(gè)終端，分布于各船員住所和控制站，通過其交換機(jī)，把多媒體綜合內(nèi)通、衛(wèi)星通信站和導(dǎo)航系統(tǒng)連接在一起，構(gòu)成一個(gè)非重要網(wǎng)絡(luò)。再看其網(wǎng)絡(luò)通信方式，該網(wǎng)絡(luò)既保留了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的特征，即各個(gè)子網(wǎng)之間是通過網(wǎng)橋或路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并沒有使用虛擬網(wǎng)VLAN技術(shù)等；同時(shí)，該網(wǎng)也具有數(shù)字化信息監(jiān)視平臺(tái)的功能，盡管在數(shù)據(jù)傳送速率和容量遠(yuǎn)不及圖1所示的網(wǎng)絡(luò)，但該網(wǎng)是在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的基礎(chǔ)上，使船舶數(shù)據(jù)資源達(dá)到最大限度的共享和使用，使計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)資源充分利用，這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)所追求的。

3)從圖2所示的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D可看出，該網(wǎng)絡(luò)為開放型，通過船舶局域網(wǎng)交換機(jī)、各子局域網(wǎng)或監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集線器，根據(jù)用戶需要，可隨時(shí)增加子網(wǎng)或子監(jiān)控系統(tǒng)。例如：在多媒體綜合內(nèi)通系統(tǒng)可增設(shè)視頻監(jiān)視設(shè)備，對(duì)機(jī)艙主輔機(jī)、上甲板裝卸貨工作區(qū)，艉排卸貨區(qū)的工作狀態(tài)進(jìn)行有效視頻監(jiān)視；在導(dǎo)航系統(tǒng)，充分利用2套電子海圖的技術(shù)條件，增配有導(dǎo)航軟件，并與自動(dòng)（自適應(yīng)）操舵儀相協(xié)調(diào)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航功能，實(shí)施一人橋樓駕駛；在衛(wèi)星通信系統(tǒng)，增配些管理軟件，充分利用SEVSAT的通信優(yōu)勢(shì)，最大限度地滿足船岸通信、視頻傳輸和船員的娛樂活動(dòng)等。

3 結(jié) 語

船舶自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)科技發(fā)展、對(duì)船型改進(jìn)都有著積極的影響。因此，在設(shè)計(jì)過程中需注意以下幾點(diǎn)：

1)設(shè)計(jì)理念要不斷更新。隨著數(shù)字化信息平臺(tái)綜合監(jiān)控系統(tǒng)在國內(nèi)外大型軍艦和豪華游輪上的應(yīng)用，為船舶自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)造了良好條件。

2)設(shè)計(jì)要有超前意識(shí)。要在開發(fā)“高附加值”船型上作文章，以新船型引導(dǎo)市場(chǎng)。

3)縱觀全局，著眼細(xì)節(jié)。船舶自動(dòng)化系統(tǒng)包括全船綜合監(jiān)控系統(tǒng)、各區(qū)域設(shè)備的集中監(jiān)控系統(tǒng)、各設(shè)備自身的監(jiān)控系統(tǒng)等。要根據(jù)船型、用戶要求和所選用設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)等，確定適用于該船的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)總方案，制定主控局域網(wǎng)、各區(qū)域的子局域網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D及其通訊速率等。在總的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯_定基礎(chǔ)上，必須針對(duì)各區(qū)域所隸屬的具體監(jiān)控子系統(tǒng)，進(jìn)行科學(xué)配置和精心設(shè)計(jì)，使各子監(jiān)控系統(tǒng)更加科學(xué)化、人性化，以促使該船的節(jié)能和減排。

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