陈 力 孙剑峰

（上海船用柴油机研究所，上海 201108）

近年来，船舶智能化快速发展。在船端，现有最典型的对数据进行采集的系统综合船桥系统（IBS），该系统采用的是令牌环形局域网，将有关导航、驾控、避碰和监视等传感信息进行融合，并从人机工程的角度进行集成，以提高系统的自动化程度。[1]在这种传统的数据采集方式中，平台各系统设备之间采用点对点的方式进行通讯，耦合大，可扩展性不强，而且作为数据源的各系统之间缺乏联系，数据封闭无法共享，难以建立统一的数据平台。

中国船级社提出的《智能船舶规范》中，智能集成平台作为规范中规定的智能船舶七个重要组成部分之一，能够集成智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效管理以及智能货物管理等系统的数据，可实现数据的采集和统一存储，被整合的数据可有效解决数据孤岛的问题，为智能船舶的发展提供数据基础。其总体结构分为七大部分：数据采集、数据存储、数据整合、信息应用、信息展现、标准规范体系、信息安全体系。[2]

1 传统船舶信息平台网络

目前，船舶系统普遍采用的是控制层、信息层分离的双网结构，由于控制层对响应时间、同步时间要求较高，普遍采用现场CAN 总线，而信息层对响应时间、同步时间要求不高，普遍采用兼容性更好的以太网。

CAN 协议本身在OSI 七层协议中只包含物理层和链路层，这使协议本身具备较强的灵活性，但是CAN 总线的两层协议自身也存在一些瓶颈：

（1）物理层阻抗匹配设计复杂；

（2）链路层仲裁机制的局限；

（3）链路层位定时要求严格；

（4）链路层传输速率较低。

针对传统动力推进与信息平台网络的不足，本文结合智能船舶规范的要求，提出了一种基于混合网络拓扑架构的智能集成平台网络架构，其中，控制层采用基于分布式网络拓扑架构的EPA 实时工业以太网络，信息层采用基于星型网络拓扑架构的光纤以太网，通过软硬件的模块化、结构化和服务化，解决了各分系统独立运行、互操作困难、资源无法共享等问题，提高船舶的智能化和自动化，最终达到跨平台、跨领域的协同作战能力。

2 船舶智能集成平台网络协议

本文控制层采用的是EPA 实时工业以太网，EPA 是基于UDP/IP 协议通信调度策略的确定性，以及以太网高效、稳定、标准的特点，构建一种适应现场设备实时工作状态的全新标准。目前，国内浙大中控等公司已经开发出了基于EPA 的多种产品，包括基于EPA 的执行器、变送器、远程分散控制站、数据采集器、现场控制器、无纸记录仪等。[3]基于EPA 的分布式网络控制系统在工业化生产中已有实际运用案例。

参考OSI 通信模型，EPA 通信模包含了物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，其模型如图1 所示。

图1 EPA 通信模型

其特点在于，通过在数据链路层上添加了一个EPA CSME(EPA 通信调度管理实体)，采用分时调度与优先级调度相结合的方式控制EPA 报文的发送；在应用层添加了EPA 系统管理实体(作为EPA 管理设备)、EPA 应用访问实体(作为EPA 应用访问服务)和EPA 应用套接字映射实体(作为系统管理实体、应用访问实体与UDP/IP 之间的映射)。EPA 管理信息库则包含了通信调度管理实体、系统管理实体和应用访问实体操作所需的信息。除此之外，它还在应用层中增添了一个用户层，包括EPA 功能块应用进程和其他非实时应用进程两部分。[4]

3 船舶智能集成平台网络架构

3.1 控制层-分布式网络拓扑架构

控制层打破以往各系统独自实现数据采集与控制的方式，基于分布式网络拓扑架构，采用通用化统一化的控制单元模块对船舶智能集成平台各舱室进行数据采集与控制。其网络架构如图2 所示。

图2 底层控制层结构图

控制层采用分布式的采集控制方式，每个舱室配置两个控制单元，两者之间互为冗余，通过舱室内冗余配置的网关接到双冗余光纤以太网，实现底层控制层与上层信息层的互联。

3.2 信息层-星型网络拓扑架构

信息层是对数据信息进行传输与服务的部分，是以双冗余光纤以太网的骨架，是构成船舶智能集成平台网络的主要组成部分。各舱室经控制单元汇聚控制层信息，经网关、交换机传输到服务器进行处理与储存。其网络架构如图3 所示。

图3 信息层结构图

系统信息传输层采用星型网络拓扑结构，各个层面采用冗余链路或设备备份，充分考虑了链路中断、设备故障等可能性的意外情况，有效提高网络的可靠性。

基于上，本文提出一种基于混合式网络拓扑架构的船舶智能集成平台网络，其基本结构如图4 所示。

图4 智能集成平台硬件公共服务架构

其中，在控制层某些特殊位置，传统传感器布线难度大、功耗高、数据采集处理成本高，加装无线传感网络设备，比较成熟的像WIA-PA 网络，可以提供无线传感器（无线转速采集传感器、无线压力采集传感器、无线PT100 温度传感器、无线PT1000温度传感器、无线热电偶温度传感器）、无线适配器（无线模拟量输入适配器、无线模拟量输出适配器、无线模拟量输入输出适配器）和无线网关，这样可以增强平台感知能力，提高船舶的智能性。

4 结论

本文提出的基于混合式网络拓扑架构的智能集成平台网络架构，是智能船舶发展的一个重要方向，下层采控层面划分为实时域可以直接通过实时网交互数据，上层信息层划分为非实时域交互非实时的数据，并通过网关隔离实时域与非实时域，使全舰网络扁平化的同时，使得各个分系统之间的数据进行了最大限度的共享，提高船舶的智能化和自动化，最终达到跨平台、跨领域的协同作战能力。