張俊雄，丁賢根

(1. 中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715；2. 深圳艾迪寶智能系統(tǒng)有限公司，廣東 深圳 518183)

智能船舶中環(huán)境對(duì)WSN影響分析與優(yōu)化對(duì)策

張俊雄1，丁賢根2

(1. 中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715；2. 深圳艾迪寶智能系統(tǒng)有限公司，廣東 深圳 518183)

根據(jù)CCS《智能船舶規(guī)范》，分析了智能船舶WSN的應(yīng)用特征及現(xiàn)狀。根據(jù)電磁波傳輸理論，建立了“白盒”、“黑盒”、“窗口”、“反射”、“衍射”、“地面”6種靜態(tài)組網(wǎng)模型；根據(jù)WSN應(yīng)用，建立了“微微網(wǎng)”、“散射網(wǎng)”和“混合網(wǎng)”3種動(dòng)態(tài)組網(wǎng)模型，系統(tǒng)地將整個(gè)船舶歸納為8種典型環(huán)境，并對(duì)此環(huán)境下智能船舶WSN節(jié)點(diǎn)的布局給予了優(yōu)化方案。

智能船舶；無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)；船舶環(huán)境；節(jié)點(diǎn)布局

在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Networks）又是一個(gè)幾乎滲透到智能船舶各個(gè)角落的、無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò)。隨著IT技術(shù)的發(fā)展，在智能船舶這種短距離網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，WSN幾乎成為了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)這一上位概念的代名詞。而船舶又是一個(gè)金屬世界，金屬環(huán)境對(duì)于無(wú)線電的影響眾所周知。發(fā)源、發(fā)展于陸地上非金屬環(huán)境的WSN，如何很好地應(yīng)用于智能船舶，是一個(gè)值得探討的重要課題。

1 智能船舶定義及環(huán)境對(duì)WSN影響的研究現(xiàn)狀

中國(guó)船級(jí)社CCS的《智能船舶規(guī)范》[1]定義智能船舶是指利用傳感器、通信、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，自動(dòng)感知和獲得船舶自身、海洋環(huán)境、物流、港口等方面的信息和數(shù)據(jù)，并基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及大數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)，在船舶航行、管理、維護(hù)保養(yǎng)、貨物運(yùn)輸?shù)确矫鎸?shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行的船舶，以使船舶更加安全、更加環(huán)保、更加經(jīng)濟(jì)和更加可靠。智能船舶的功能包括智能航行、智能船體、智能機(jī)艙、智能能效管理、智能貨物管理、智能集成平臺(tái)等6部分。

文獻(xiàn)[2]給出了船舶電氣智能化設(shè)計(jì)模型，文獻(xiàn)[3]討論了用現(xiàn)場(chǎng)總線接入船舶無(wú)線網(wǎng)，表明智能船舶開始引起有關(guān)研究人員的注意。文獻(xiàn)[4 – 5]雖然涉及到了WSN在船舶安全遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和船舶駕駛臺(tái)火災(zāi)監(jiān)控中的應(yīng)用，并沒(méi)有涉及WSN本身在船舶這一金屬環(huán)境中的特殊性研究。文獻(xiàn)[6]研究了WSN的ZigBee無(wú)線定位算法，采用8×8個(gè)2.4 GHz IEEE802.15.4無(wú)線傳感器的組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，該方案減少了29%～37%的由于無(wú)線傳感器本身發(fā)射功率不穩(wěn)定而造成的影響。此外，該文獻(xiàn)還提出無(wú)線傳感器的喚醒新方法。文獻(xiàn)[7]提出了信號(hào)衰減方程與線性回歸理論結(jié)合的方法獲取準(zhǔn)確的環(huán)境參數(shù)，修正RSSI測(cè)距模型，實(shí)驗(yàn)證明該方法能夠有效地抑制干擾對(duì)測(cè)距結(jié)果的影響。文獻(xiàn)[8]提出通過(guò)利用獨(dú)立成分分析WLAN對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度RSS信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)降維和去相關(guān)處理，使得傳統(tǒng)定位算法WKNN、SVM算法通過(guò)運(yùn)用ICA與KCCA特征提取后再進(jìn)行定位，其室內(nèi)定位精度得到了提高。文獻(xiàn)[9]討論了多徑反射對(duì)于WSN測(cè)距的影響。文獻(xiàn)[10] 提出了基于Pareto的PGA算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算，建立載人潛水器艙室布局優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[15]詳細(xì)討論了EMC/EMI的測(cè)量技術(shù)。文獻(xiàn)[16]主要討論了船舶在復(fù)雜電磁環(huán)境中雷達(dá)無(wú)線電通信的EMC測(cè)試和傳導(dǎo)安全裕值測(cè)試測(cè)試問(wèn)題。文獻(xiàn)[17]討論了船體在EMC的外特性分析。實(shí)際上，作者無(wú)論是在專利文獻(xiàn)方面還是從論文及研究報(bào)告方面，均未發(fā)現(xiàn)船舶自身及內(nèi)部環(huán)境對(duì)于WSN影響的分析和研究。

研究了CCS《智能船舶規(guī)范》[1]認(rèn)為，從電磁學(xué)角度看，船舶的特點(diǎn)是：

1）船舶是由結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬構(gòu)成，這些金屬連成一體，可視作一個(gè)整體的金屬導(dǎo)體。

2）船舶是漂浮在水面上，所以整體船舶接地。

3）船舶的內(nèi)部，可視作法拉第籠。

4）船舶內(nèi)部的艙室隔墻，無(wú)線電無(wú)法穿透。

根據(jù)這些現(xiàn)狀，本文對(duì)于船舶特征歸結(jié)為6種靜態(tài)組網(wǎng)模型和3種動(dòng)態(tài)組網(wǎng)模型，并針對(duì)8種船舶典型環(huán)境給出了優(yōu)化的組網(wǎng)方案，以便于智能船舶的設(shè)計(jì)實(shí)施。

2 WSN特征分析

2.1 無(wú)線電特征

標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)于無(wú)線電頻段的劃分是：特高頻UHF，0.3～3 GHz；超高頻SHF，3～30 GHz；其中波段劃分是：L波段：1～2 GHz；S波段：2～4 GHz；C波段：4～8 GHz；X波段：8～12 GHz，Ku波段：12～18 GHz，K 波段：18～27 GHz。

常用的WSN的通信模式包含：Wifi，2.4 GHz，5 GHz；Bluetooth，2.4 GHz；ZigBee，2.4 GHz，915 MHz，868 MHz；RFID/NFC，13.56 MHz；UWB，3.1～10.6 GHz。其他模式還有：ANT，2.4 GHz；ZWave：908.42～868.42 MHz；WHDI：4.9～5.875 GHz；WiHD：60 GHz；WiGig：60 GHz；EnOcean：868 MHz、902 MHz、928 MHz、315 MHz；WiMAX：IEEE 802.16，2～66 GHz；手機(jī)，0.88～2.655 GHz。

可見(jiàn)，WSN的無(wú)線電主要分布在UHF和SHF中的L，S波段，波長(zhǎng)屬于厘米波。

2.2 靜態(tài)組網(wǎng)模型建立

WSN包含傳感器、感知對(duì)象和觀察者這三大要素，以數(shù)據(jù)及其傳輸為中心。WSN的通信，全部采用低功耗的數(shù)字化編碼調(diào)制模式，除RFID外，均為雙向通信。WSN設(shè)備其物理結(jié)構(gòu)屬于微型化，其天線可以看做是點(diǎn)輻射源，全向天線。以Wifi和Bluetooth方式為例，其頻率是2.4 GHz（Wifi還有5 GHz頻段），波長(zhǎng)為 λ=12.5 cm，作為近距離（1～200 m）通信，可以看成是遠(yuǎn)場(chǎng)通信。

作為點(diǎn)輻射源的遠(yuǎn)場(chǎng)通信，根據(jù)電磁學(xué)原理，將其使用環(huán)境歸納為白盒、黑盒、窗口、反射（干涉）、衍射和地面等6種單元模型。在以下的敘述中，BRn為WSN的主模式設(shè)備，Rn為從模式設(shè)備，它們均可以發(fā)射和接收彼此的無(wú)線電信號(hào)，盒子的尺寸以及BRn和Rn之間的距離，遠(yuǎn)大于波長(zhǎng) λ，設(shè)每個(gè)BR的無(wú)線電輻射功率均為P0。

2.2.1 白盒模型

如圖1所示，在一個(gè)空曠的環(huán)境中，BR1和R1均為點(diǎn)輻射源，對(duì)于環(huán)境的輻射，是全向球狀輻射，在R1處，接收到BR1的輻射功率是：

式中：r為BR1到R1的距離，PR1為R1處的功率密度，它與2點(diǎn)之間距離的平方成反比。

白盒情況對(duì)于船舶而言，可以理解為甲板上垂直或懸空設(shè)置的WSN節(jié)點(diǎn)。

圖1 白盒模型Fig. 1 No-box model

2.2.2 黑盒模型

如圖2所示，此時(shí)BR2處在一個(gè)密閉的金屬盒子中，并且這個(gè)金屬盒子接地，盒子內(nèi)部有R2。根據(jù)法拉第籠原理，盒子對(duì)內(nèi)外的電磁場(chǎng)完全處于屏蔽狀態(tài)，對(duì)內(nèi)，由于盒子金屬壁接地，所以它將吸收BR2發(fā)射到盒壁的無(wú)線電波，不會(huì)產(chǎn)生反射折射。因此，在盒子內(nèi)部，BR2和R2之間的通信屬于白盒模型；而對(duì)于盒子外部（例如R1），把由于盒子的完全屏蔽而隔離BR2對(duì)外的通信的模式定義為黑盒模型。即

黑盒情況類似于設(shè)置在密閉的船舶機(jī)艙內(nèi)WSN節(jié)點(diǎn)。

2.2.3 窗口模型

圖2 黑盒模型Fig. 2 Closed-box model

如圖3所示，BR3處在一個(gè)開有窗口的金屬盒子中，金屬盒子接地，并且窗口尺寸δλ，此時(shí)對(duì)于BR3和R3之間的通信，服從白盒模型。BR3和R5之間的通信，分別產(chǎn)生角度為 α，β 的三角形輻射，服從白盒模型；但是BR3和R4之間，由于受到盒子壁的阻擋，則符合黑盒模型。即

窗口模型在船舶上類似于帶有舷窗或者開門的艙室內(nèi)設(shè)置的WSN節(jié)點(diǎn)。

2.2.4 反射模型

如圖4所示，BR4的左邊有一塊金屬板，其尺寸遠(yuǎn)大于λ，這個(gè)金屬板與地之間有一個(gè)等效電容C，當(dāng)這個(gè)電容C的容量很小時(shí)，金屬板將反射BR4的無(wú)線電信號(hào)，R7點(diǎn)處是多徑無(wú)線電傳輸。設(shè)a，b，c為各自路徑的長(zhǎng)度，此時(shí)，對(duì)于R6，符合白盒模型。R6處輻射功率為：

圖3 窗口模型Fig. 3 Open-box model

圖4 反射模型Fig. 4 Reflection-interference model

而對(duì)于R7，無(wú)線電波有2個(gè)路徑，即直射波Pc和反射波Pa+b，由于電波是交變信號(hào)，發(fā)生在R7處的兩路電波，由于頻率相同，而路徑長(zhǎng)度不同，于是發(fā)生波的相位疊加，產(chǎn)生類似波的干涉效應(yīng)，而不是簡(jiǎn)單的功率密度疊加，實(shí)際是電場(chǎng)強(qiáng)度的矢量疊加。設(shè)直射波和反射波在R7處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)分別是：由于是反射，所以反射波和直射波的相位差包含一個(gè)180°其他按照路徑計(jì)算，則總場(chǎng)強(qiáng)為：

由此可見(jiàn)，由于反射的存在，造成R7處的場(chǎng)強(qiáng)改變了原來(lái)單純直射波的函數(shù)，這會(huì)在測(cè)距類的計(jì)算中帶來(lái)極大的不確定性，在實(shí)際應(yīng)用中，必須盡可能避免反射的發(fā)生。解決方案是將這塊金屬反射板接地或者加大對(duì)地旁路電容C的電容量，此時(shí)它將失去反射功能，從而避免了反射波對(duì)于直射波的干擾。

反射模型可以理解為船舶不接地的金屬板作為反射板附近對(duì)于WSN的反射，例如艙壁上懸掛的一幅畫，雷達(dá)天線等。

2.2.5 衍射模型

如圖5所示，BR5在一個(gè)接地的金屬盒子中，但是盒子有一個(gè)小孔或者縫隙，其尺寸與λ相當(dāng)，即孔的直徑或者縫隙的寬度小于λ，此時(shí)將發(fā)生衍射。設(shè)BR5到小孔的距離為r1，小孔到R8的距離為r2，則R8處的輻射功率為：

由此可見(jiàn)，衍射發(fā)生時(shí)，PR8處接收到的信號(hào)非常微弱。在實(shí)際使用中，這種模式不能穩(wěn)定地通信，只是當(dāng)做干擾因素考慮。解決方案是信號(hào)源BR5的安裝盡可能避開直接對(duì)著小孔和窄縫，以避免衍射情況的發(fā)生。

圖5 衍射模型Fig. 5 Diffraction-interference model

衍射情況出現(xiàn)的場(chǎng)景例如設(shè)置有WSN的艙室內(nèi)艙門沒(méi)有關(guān)好，或者改艙室的艙壁具有通向外界的小孔。

2.2.6 地面模型

如圖6所示，在一個(gè)地平面上，有BR6，R9，R10，除了地面之外，四周空無(wú)一物。此時(shí)由于地面本身在電磁學(xué)角度看，就是“接地”，所以，對(duì)于BR6，R9，R10之間的無(wú)線電傳輸，任然屬于白盒模塊，只是對(duì)于地面以下，才屬于黑盒模型。

地面模型例如在船舶甲板上或者直升機(jī)平臺(tái)上設(shè)置的WSN節(jié)點(diǎn)。

2.3 動(dòng)態(tài)組網(wǎng)模型建立

圖6 地面模型Fig. 6 Ground-interference model

動(dòng)態(tài)組網(wǎng)是WSN的最大亮點(diǎn)。雖然在實(shí)際應(yīng)用中，所謂構(gòu)成WSN的核心之一的很多傳感器，都是固定位置安裝的。但是，隨著技術(shù)的發(fā)展，帶有WSN設(shè)備的“人”作為WSN的另外一個(gè)重要核心，在WSN中的應(yīng)用也越來(lái)越凸顯出來(lái)，現(xiàn)在所強(qiáng)調(diào)的“人聯(lián)網(wǎng)”就是這個(gè)概念。例如船舶上的人戴上一個(gè)智能手環(huán)[13]，人移動(dòng)，人走到哪里，網(wǎng)絡(luò)必須連到哪里。因此帶來(lái)了動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的問(wèn)題，其模型建立如下：

以藍(lán)牙Bluetooth通信技術(shù)為例，建立動(dòng)態(tài)組網(wǎng)模型。實(shí)際上，在WSN中，Bluetooth網(wǎng)絡(luò)是極其重要的組網(wǎng)方式。藍(lán)牙技術(shù)的組網(wǎng)，包含微微網(wǎng)、散射網(wǎng)和混合網(wǎng)，如圖7所示。

圖7 混合網(wǎng)絡(luò)Fig. 7 Hybrid network

2.3.1 微微網(wǎng)

微微網(wǎng)（Piconet）是藍(lán)牙最基本的組網(wǎng)模式，它由主節(jié)點(diǎn)（Master）和從節(jié)點(diǎn)（Slave）組成，主從節(jié)點(diǎn)設(shè)備采用跳頻通信，并且每個(gè)微微網(wǎng)都有著自己獨(dú)立的跳頻序列和狀態(tài)。雖然同一個(gè)微微網(wǎng)中，可以有256（28）個(gè)設(shè)備，但是只能有1個(gè)主節(jié)點(diǎn)（Master）設(shè)備和7個(gè)活躍的從節(jié)點(diǎn)（Acitve slave）設(shè)備，其他的從節(jié)點(diǎn)設(shè)備只能處于與主節(jié)點(diǎn)設(shè)備保持同步，但是只能是處于休眠狀態(tài)的從節(jié)點(diǎn)（Parked slave）設(shè)備。一個(gè)主節(jié)點(diǎn)設(shè)備只能工作在一個(gè)微微網(wǎng)中，但是一個(gè)從節(jié)點(diǎn)設(shè)備就可以憑借“分時(shí)復(fù)用”機(jī)制，連接到多個(gè)微微網(wǎng)中。船舶較小的艙室或者甲板的小區(qū)域用到的就是微微網(wǎng)。

2.3.2 散射網(wǎng)

散射網(wǎng)（Scatternet）[11]，也稱為微微互聯(lián)網(wǎng)，是多個(gè)微微網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)模式。一個(gè)微微網(wǎng)中的主節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以在另外一個(gè)微微網(wǎng)中充當(dāng)從節(jié)點(diǎn)設(shè)備。如圖7中的B1，它在微微網(wǎng)P1中設(shè)置為主節(jié)點(diǎn)（即M模式），可是在微微網(wǎng)P2中又可以設(shè)置為從節(jié)點(diǎn)（即S模式），一個(gè)微微網(wǎng)中的從節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以同時(shí)存在于多個(gè)無(wú)線覆蓋的微微網(wǎng)中。微微網(wǎng)之間可以通過(guò)M/S模式和S/S模式橋接連通。船舶較大的艙室或者大甲板需要用到散射網(wǎng)。

2.3.3 混合網(wǎng)

混合網(wǎng)（Hybrid network）是將微微網(wǎng)、散射網(wǎng)連通的網(wǎng)絡(luò)，圖7中，微微網(wǎng)P2和微微網(wǎng)P3通過(guò)交換機(jī)（Switch），用有線方式連通，然后再上連到船舶的數(shù)據(jù)中心，從而構(gòu)成智能船舶的WSN網(wǎng)絡(luò)。

引入模糊集F，首先，用T檢驗(yàn)對(duì)于U中每列數(shù)據(jù)（即每個(gè)手環(huán)R在若干個(gè)基站B種檢測(cè)到的隸屬度）進(jìn)行有效性檢驗(yàn)，以剔除異常值[14]；其次，依據(jù)貝葉斯算法[12]進(jìn)行遍歷、優(yōu)化和迭代，最終求解出最優(yōu)結(jié)果的置信水平 λ 及其 λ 截集：得布爾矩陣：

上述布爾矩陣中，每行是1的，屬于同一個(gè)微微網(wǎng)，這就是B和R之間的微微網(wǎng)建網(wǎng)歸屬關(guān)系。

混合網(wǎng)通常是用于整個(gè)智能船舶的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

3 船舶WSN組網(wǎng)優(yōu)化對(duì)策

智能船舶的實(shí)際狀況要遠(yuǎn)比上述6種基本模型復(fù)雜，但是可以結(jié)合上述組網(wǎng)模型對(duì)其進(jìn)行分解，以便設(shè)計(jì)出最優(yōu)的WSN節(jié)點(diǎn)配置和安裝位置。其有以下幾條原則：

1）WSN固定節(jié)點(diǎn)安裝位置不影響船舶功能的使用，例如不能影響人員活動(dòng)；

2）WSN固定節(jié)點(diǎn)安裝充分考慮無(wú)線電傳輸效能和覆蓋面；

3）WSN固定節(jié)點(diǎn)本身防護(hù)，例如最高支持IP66防護(hù)、防雷、防盜、防拆解；

4）WSN移動(dòng)節(jié)點(diǎn)本身防護(hù)，例如最高支持IP67防護(hù)、支持無(wú)線充電[13]。

以下以通信距離10 m的藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)為例，對(duì)一艘智能海工船為例進(jìn)行優(yōu)化，以找出最優(yōu)布置WSN節(jié)點(diǎn)的位置。

3.1 首尾甲板

特點(diǎn)是水平為一塊區(qū)域較大的金屬平板，周邊有欄桿，一側(cè)是垂直的墻體。參照窗口模型，其夾角為α=90°，在甲板一面，它又類似于地面模型，而側(cè)墻是一個(gè)大的接地金屬板。此時(shí)WSN節(jié)點(diǎn)的最佳安裝處是在靠墻離甲板2.5 m高的位置，以便不影響人的活動(dòng)，離墻約30 cm左右，以2倍的波長(zhǎng)避開金屬墻壁對(duì)于天線的干擾。業(yè)內(nèi)由于最短輻射的WSN節(jié)點(diǎn)輻射半徑為10 m，如果船體寬度超過(guò)20 m，需要設(shè)置2個(gè)WSN節(jié)點(diǎn)；小于20 m，可以使用1個(gè)WSN節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，WSN節(jié)點(diǎn)需要做防雷處理，IP66防護(hù)。

3.2 平臺(tái)甲板

特點(diǎn)是周邊沒(méi)有較大的船舶建筑，只是一個(gè)平臺(tái)，最多周邊有欄桿。如直升機(jī)平臺(tái)、游樂(lè)平臺(tái)。它符合地面模型。對(duì)于有欄桿的平臺(tái)，WSN節(jié)點(diǎn)可以安裝在欄桿上，如果區(qū)域尺寸超過(guò)20 m，需要設(shè)置2個(gè)WSN節(jié)點(diǎn)，沿著船體中軸線安裝；小于20 m，可以使用1個(gè)WSN節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，WSN節(jié)點(diǎn)需要做防雷處理，IP66防護(hù)。

3.3 船舷走廊

特點(diǎn)是U字形金屬結(jié)構(gòu)，開口一邊是船外，寬度通常較?。ú怀^(guò)WSN節(jié)點(diǎn)輻射半徑10 m），主要覆蓋區(qū)域是船舷走廊。參照窗口模型，此時(shí)WSN節(jié)點(diǎn)需要安裝在欄桿處，盡可能在走廊的中間位置，如果走廊長(zhǎng)度超過(guò)20 m，或者走廊彎曲，則每10 m或者視線的盡頭安裝一個(gè)WSN節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，WSN節(jié)點(diǎn)需要做防雷處理，IP66防護(hù)。

3.4 內(nèi)部走廊

該處的特點(diǎn)是管道結(jié)構(gòu)，寬度通常較小，主要覆蓋區(qū)域是內(nèi)部走廊。此時(shí)，對(duì)外參考黑盒模型，對(duì)內(nèi)參考白盒模型。 WSN節(jié)點(diǎn)需要安裝在走廊的頂部，盡可能在走廊的中間位置，如果走廊長(zhǎng)度超過(guò)10 m，或者走廊彎曲，則每10 m或者視線的盡頭安裝一個(gè)WSN節(jié)點(diǎn)。此處WSN節(jié)點(diǎn)無(wú)需要做防雷處理，IP22以上防護(hù)。

3.5 辦公生活艙室

此處對(duì)外符合黑盒模型，對(duì)內(nèi)符合白盒模型。如果面積大，則選擇頂部中間安裝WSN節(jié)點(diǎn)，否則選進(jìn)門的頂部安裝，以避免產(chǎn)生窗口模型效應(yīng)，對(duì)外產(chǎn)生電磁干擾。需要注意的是，如果考慮保密需要，則WSN節(jié)點(diǎn)就必須安裝在舷窗靠室內(nèi)的周邊位置，以避免窗口效應(yīng)使得信號(hào)透過(guò)舷窗傳到窗口外，這在船舶靠碼頭期間較為重要。此處WSN節(jié)點(diǎn)無(wú)需要做防雷處理，IP22以上防護(hù)。

3.6 機(jī)艙

機(jī)艙相較于辦公生活艙室，環(huán)境較差，其模型對(duì)外是黑盒，對(duì)內(nèi)是白盒。此外，還必須考慮機(jī)艙內(nèi)各個(gè)WSM節(jié)點(diǎn)之間視線方向上是否有金屬物體，例如機(jī)器設(shè)備、走廊懸梯、管道等，這些都需要避開。在防護(hù)等級(jí)上，需要做到IP66。

3.7 高頻設(shè)備間

高頻設(shè)備間是指包含那些產(chǎn)生高頻電磁波信號(hào)的設(shè)備間。雖然這些設(shè)備本身已經(jīng)考慮了EMC/EMI問(wèn)題，但是為了穩(wěn)妥起見(jiàn)，這里設(shè)置WSN節(jié)點(diǎn)必須慎重，以防這些設(shè)備不僅干擾了該室內(nèi)布置的WSN節(jié)點(diǎn)本身的通信，還有可能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散影響。此外，還需要考慮WSN本身對(duì)于設(shè)備間設(shè)備的干擾問(wèn)題。建議盡可能不在這里布置WSN節(jié)點(diǎn)，而是通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)解決。如果必須使用無(wú)線節(jié)點(diǎn)，需要分析這些設(shè)備對(duì)于WSM節(jié)點(diǎn)的EMI問(wèn)題。此處WSN節(jié)點(diǎn)需要IP22以上防護(hù)。

3.8 窗戶和窄縫

根據(jù)窗戶模型和衍射模型，對(duì)于窗戶和窄縫必須重點(diǎn)考慮。這里的窗戶是指艙室對(duì)內(nèi)和對(duì)外的窗戶，窄縫的情況主要產(chǎn)生于門縫（門沒(méi)有關(guān)嚴(yán)）。作為保守的做法，建議把在有這種可能性發(fā)生的艙室，WSN節(jié)點(diǎn)均安裝與窗戶內(nèi)測(cè)的周邊以及門頂?shù)膬?nèi)側(cè)，以盡可能避免窗戶模型和衍射模型將信號(hào)泄露出去。只有一個(gè)地方例外，駕駛室對(duì)甲板的窗戶，在這里，為了考慮WSN節(jié)點(diǎn)對(duì)于外面甲板的無(wú)線覆蓋，在不影響視線的情況下，是可以把WSN節(jié)點(diǎn)安裝在窗戶位置上的。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了WSN的無(wú)線電特征和研究現(xiàn)狀，根據(jù)CCS《智能船舶規(guī)范》WSN在智能船舶應(yīng)用上，首次建立了“白盒”、“黑盒”、“窗口”、“反射”、“衍射”、“地面”等6種靜態(tài)組網(wǎng)模型和“微微網(wǎng)”、“散射網(wǎng)”和“混合網(wǎng)”等3種動(dòng)態(tài)組網(wǎng)模型，系統(tǒng)地將整個(gè)船舶歸納為8種典型環(huán)境，并對(duì)這8種環(huán)境下WSN節(jié)點(diǎn)的布局給予了最優(yōu)化方案。這些模型的建立和優(yōu)化方案的研究，對(duì)于智能船舶的WSN設(shè)計(jì)工作具有拋磚引玉的普遍意義，對(duì)于具體的WSN節(jié)點(diǎn)布置設(shè)計(jì)，提供了參考。

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Analysis of the influence of intelligent ship environment on WSN and optimization countermeasures

ZHANG Jun-xiong1, DING Xian-gen2
(1. CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Company Limited, Guangzhou 510715 China;2. Shenzhen Ideabank Intelligent System Co., Ltd, Shenzhen 518183, China)

According to China Classification Society Rules for Intelligent Ships, in this paper we first analyzed the current application characters of Wireless Sensor Network (WSN) for intelligent ship. Then we established six types of static network model based on the theory of electromagnetic wave transmission, which are no-box model, closed-box model, openbox model, reflection-interference model, diffraction-interference model and ground-interference model. Furthermore, we designed three types of dynamic network model based on the application of WSN, which are piconet, scatternet and hybrid network. Finally we showed that a whole ship can be systematically classified into 8 typical environments and suggestions for the optimization layout of intelligent ship WSN nodes were given.

intelligent ship；WSN；ship environment；node layout

U665.261；TN923

A

1672 – 7649(2017)10 – 0137 – 07

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.10.027

0 引 言

據(jù)英國(guó)克拉克森2016年4月統(tǒng)計(jì)，在國(guó)際造船市場(chǎng)中，中國(guó)以49.3%的份額穩(wěn)居世界第一造船大國(guó)，可是目前還不是造船強(qiáng)國(guó)。以CCS在2016年3月1日生效的《智能船舶規(guī)范》[1]以及2015年12月1日發(fā)布的中國(guó)第1艘智能示范船舶“i-DOLPHIN 3.88萬(wàn)噸散貨船”為標(biāo)志，中國(guó)已經(jīng)吹響了進(jìn)軍智能船舶的號(hào)角。而在智能船舶中，網(wǎng)絡(luò)是其最重要的基礎(chǔ)。如果把智能船舶比喻成一個(gè)人，那么，這個(gè)人是否聰明能干，他的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就是最重要的權(quán)重。所謂網(wǎng)絡(luò)，就是各個(gè)信息節(jié)點(diǎn)之間的通信連接，包括有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。雖然有線網(wǎng)絡(luò)具有速度快、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但是在復(fù)雜的船舶環(huán)境中，布設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)，不僅有成本高昂、可靠性低（例如觸點(diǎn)接觸不良、老鼠咬斷線纜等）的缺點(diǎn)，更在于它的使用不夠靈活。因?yàn)?，通常的有線網(wǎng)絡(luò)在船舶設(shè)計(jì)制造時(shí)就布設(shè)，可是船舶的整個(gè)全生命周期通常為10～30年，而IT技術(shù)的發(fā)展日新月異，誰(shuí)也無(wú)法預(yù)料在船舶全生命周期內(nèi)IT的發(fā)展和應(yīng)用需要什么樣的網(wǎng)絡(luò)布線。而無(wú)線網(wǎng)絡(luò)卻有著布設(shè)靈活、組網(wǎng)方便、更換升級(jí)方便、成本低廉的巨大優(yōu)勢(shì)。所以，在智能船舶中，無(wú)論是新船設(shè)計(jì)還是舊船改造，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)必然是重點(diǎn)考慮的應(yīng)用技術(shù)。

2017 – 01 – 06

張俊雄(1964 – )，男，高級(jí)工程師，主要從事船舶制造管理。