海军舰船电子装备维修保障系统网络化研究*

杨 武 张朝亮

(1.海军92823部队 三亚 5720211)(2.海军工程大学电气工程学院 武汉 430033)



海军舰船电子装备维修保障系统网络化研究*

杨 武1,2张朝亮2

(1.海军92823部队 三亚 5720211)(2.海军工程大学电气工程学院 武汉 430033)

随着当前网络技术的发展和舰船电子装备维修保障的需求,网络化已经成为海军舰船电子装备维修保障系统的发展趋势和特征。论文就实现海军舰船电子装备维修保障系统的网络体系结构及其所涉及的关键技术进行了详细阐述。

海军舰船电子装备; 维修保障系统; 网络化

Class Number TP393

1 引言

海军舰艇电子装备种类繁多,技术各异,特别是随着大量新技术装备的配发,维修保障相当困难。而技术士官、技术军官作为目前主要的维修保障力量,其知识更新较慢,在演习乃至战时等重要活动中的维修保障能力较弱。在这种情况下,大多会调用许多设备生产厂、专业维修厂和专业院校的技术人员到现场维修保障。一方面,部队对技术人员的后勤保障牵扯了大量的人力、物力,另一方面,也不利于军事行动的保密。因此,有必要建立一个高效、快速、安全的网络化装备维修保障系统,使得技术士官、技术军官这些主要保障力量足以能够完成维修保障任务,有些维修保障问题甚至可以由装备的责任班长通过保障网络得以解决,从而省去一系列的麻烦。

随着网络技术的迅猛发展,我们的装备维修保障网络可以从单舰扩展到编队、舰队,甚至整个海军,而这整个装备维修保障系统的网络化进程可以由现在已经发展得比较成熟的一些关键技术来支撑。利用这些技术,可以根据具体需求对装备维修保障系统进行灵活拓展,从而使我们海军的装备维修保障方式更加丰富,这对于加强海军舰艇武器装备维修保障能力建设,提高信息化保障水平和测试诊断效率具有重要的现实意义。

2 网络体系结构

由于我国海军不同时代、不同类型的舰艇数量庞大,为了使装备维修保障系统网络具有兼容性,提高整个海军舰艇的装备使用水平,可以设计一种开放式的系统网络,根据各自不同的需求来配置不同的内部网络,只要符合规定的层级即可。这里,具体的层级初步定为单舰和编队两级,当然还可以进一步向上延伸至舰队和总部两级,鉴于篇幅限制,在此就不赘述了。

2.1 单舰系统

对于不同的舰艇类型,其内部的装备维修保障系统网络体系结构大体如图1所示。

图1 单舰系统网络体系结构

其中,单舰内部的网络就是一个局域网。在该局域网的主干环网部分,采用EIP协议,即Ethernet/IP以太网工业协议,它由IEEE802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组和控制与信息协议CIP(Control Information Protocol)等三个部分组成,具体一点说,就是该协议在TCP/UDP/IP之上附加控制和信息协议(CIP),提供一个公共的应用层。CIP的控制部分用于实时I/O报文,其信息部分用于报文交换。ControlNet和Ethernet/IP都使用该协议通信,分享相同的对象库、对象和设备行规,使得多个供应商的设备能在上述整个网络中实现即插即用。对象的定义是严格的,在同一种网络上支持实时报文、组态和诊断。Ethernet/IP的协议一般采用商业以太网通信芯片、物理介质和星形拓扑结构,利用以太网交换机实现各设备间的点对点连接,能同时支持10Mbps和100Mbps以太网商用产品。它的一个数据包最多可达1500字节,数据传输率可达10Mbps或100Mbps,因而采用Ethernet/IP便于实现大量数据的高速传输[1]。Ethernet/IP现场总线系统体系结构如图2所示。

图2 Ethernet/IP现场总线系统体系结构

Ethernet/IP采用生产者/消费者(Producer/Consumer)的通信模式,允许网络上的不同节点同时存取同一个源的数据。网络的媒体送取,通过限制时间存取算法来控制,即采用并行时间域多路存取(CTDMA)方法,在每个网络刷新间隔(NUI)内调节节点的传送信息机会。Ethernet/IP协议将信息分为显式和隐式两种,采用TCP/IP发送显式消息,采用UDP/IP发送隐式信息。显式信息的数据段既包括协议信息又包括行为指令,主要用于设备配置和诊断;隐式信息的数据段没有协议信息,仅包括实时UO数据,适用于规则地重复传递数据的场合,如I/O模块和PLC之间的数据传递。

其实,这种网络完全可以实现监控一体化。

2.2 编队系统

由几条舰艇所组成的一个编队,其装备维修保障系统网络体系结构大致如图3所示。

图3 编队级装备维修保障系统网络体系结构

其中,编队内部采用定制的数据链进行通信组网,一般情况下的装备维修保障在编队内部协调完成即可。如果需要,由旗舰通过卫星中继或其他方式与岸基装备维修保障单元通信联络。在战时等特殊情况下,单舰也可以经上级允许后直接联系岸基单元。岸基装备维修保障单元依托宽带IP网络,利用VPN技术[2～4]构建强大的通信装备维修保障网络。

组网的关键是要设计一个VPN安全网关。这里的VPN安全网关位于宽带IP网络和维修保障子网的结合部,可以采用IPSec协议[5]来进行设计。它主要完成两方面的功能,一方面作为过滤器,阻止未授权的闯入者进入私有网络;另一方面作为代理设备,为私有网络中的节点提供安全服务。

验证机构CA作为获得公众广泛信任的机构,接受个人或实体提供的可以证明其身份的文件或资料,经过检验后,向他们发放“证书”,证书用来将一个用户身份和一个公共密钥对应起来。

安全策略服务器的功能是:IPSec客户软件和安全网关在协商之前,要通过一条安全的通道向某个中央策略服务器进行查询。这使得对安全联盟协商中某些问题的集中管理成为可能。

在装备维修保障网络中,各个专业维修厂家、设备生产厂家和专业院所等的维修局域网作为一个维修保障子网通过安全VPN网关接入,而个别移动终端可以通过就近的服务接入点接入。所有的维修保障子网、维修现场子网和移动终端通过IP宽带网络互联起来,构成一个完整的通信装备维修保障网。

3 实现网络化所需的关键技术

3.1 信号数据数字化

为了使装备工作状态能够得到更加全面、方便、及时的监控,装备内部的各个模块应该尽量产生数字信号,以便于网络传输。譬如可以根据已发表的标准IEEE Std 1451来开发传感器模块,为系统提供数字化的传感器或变换器的数据;也可以利用已有众多的信号处理的标准化方法,如滤波、频谱分析、多分辨分析等,对来自于传感器、变换器或其它信号处理器的数据进行信号变换和特征提取,输出包括已数字滤波的传感器数据、频谱、可视化的传感器信号等。另外,还可以利用数字式无线数据传输电台,它采用数字信号处理、数字调制解调、纠错编码、软件无线电(SDR)和表面贴片工艺(SMT)一体化设计等技术,具有高可靠性、实时数据传输、抗干扰能力强、适用范围广、成本低等特点,能够较好地适应舰艇舱内及海上恶劣工作环境的使用要求。并且,可利用RS-232串行数据通信接口与计算机连接,传输速率可达19.2Kbps,误码率低于10E-6(接收电平-110dBm时)。如果能够将雷达、声纳等输出数据数字化,通过网线传输到中心控制室进行分析,出现异常情况时结合专家库实现智能预警,那么这些电子装备的探测效率无疑会前进一大步。转化成数字信号之后,采用DSSS等安全机制进行传输,抗干扰能力就会一定程度上增强,也可以发给远程辅助终端进行辅助决策。同时,数字信号所占带宽比较小。

3.2 Web技术

民用网络技术的发展为我们提供了很好的借鉴,特别是Web技术[6]的出现和发展,更让广大用户能够方便快速地访问资源。Web技术以其快速、方便、友好的巨大优势,在网络中得到了广泛的应用。短短几年时间,Web技术也获得了长足的发展。从最初只能浏览静态文档,到实现动态交互,再到在Web上实现可伸缩的实时的事务处理。我们也可以在军用网络平台上应用Web技术,为我们提供便利的信息获取和处理方式。

分布式处理技术和客户端程序处理技术是推动Web技术发展的两个重要的基础技术,基于这两种技术的多种框架得到了最新应用。通过分布式处理技术,用户计算机可以作为一个终端设备通过IP网络连接到具有更多资源和更强处理能力的计算机上。COM/DCOM技术和COBRA技术为分布式处理提供了有力手段,特别是COBRA技术表现得更成熟和更普及。客户端程序处理技术是一项出现不久的新技术,解决了客户端实施操作的问题,为实现异地协同诊断提供了技术保障。

3.3 LXI技术

LXI(LAN extension for instrument)是LAN局域网技术在仪器领域的扩展,LXI仪器是严格基于IEEE802.3、TCP/IP、网络总线、网络浏览器、IVI-COM驱动程序、时钟同步协议(IEEE 1588)和标准模块尺寸的新型仪器[7]。LXI模块借助于标准网络浏览器实现信息浏览与程序控制,并以IVI-COM格式进行通信,便于系统集成和同类型仪器的互换。

与传统的卡式仪器相比,LXI模块化仪器具备了许多优势: 1) 可以保证仪器的全部性能; 2) 集成更为方便,不需要专用的机箱和0槽计算机; 3) 可以利用网络界面操作,无需编程和其他虚拟面板; 4) 连接和使用更为方便,可以利用通用的软件进行系统编程; 5) 非常容易实现校准计量和故障诊断; 6) 灵活性强,可以作为系统仪器,也可以单独使用。另外,由于LXI模块本身配备由处理器、LAN连接、电源供应器和触发输入,因此它不像模块式卡槽必须使用昂贵的电源供应器、背板、控制器及MXI插卡和接线。

3.4 多总线集成技术

为将PCI、EIP等不同总线模块集成到LXI测试系统中,有两种技术方案可供选择:一是开发桥转接器和接口适配器这样的硬件网关技术,二是利用软件技术OPC DX来实现。

桥转接器由LXI接口和特定总线接口组成。LXI接口端实现LXI接口的所有要求,包括:网络协议支持,Web页浏览与仪器控制,LAN配置初始化和IVI驱动器。在桥转接器的特定总线接口端,实现特定的硬件和软件接口要求。例如,如果LXI桥转接器连接GPIB仪器,桥转接器不仅要支持LXI接口和GPIB接口,还需具备将软件命令从LXI端映射到GPIB端的能力。接口适配器将非LXI总线接口完全转化为LXI接口。和桥转接器不同,通过接口适配器,主机可以利用仪器驱动器和Web页直接访问和控制非LXI仪器,在接口适配器和非LXI仪器之间不需要控制与通信机制的映射和VISA资源的映射。

但在不同现场总线网段上的设备之间需要进行信息交流时,一般要借助于中间件来完成[8～9]。这种桥接技术中,中间件实际上就是一个OPC客户端,从一个服务器(源服务器)读取数据,再写入另一服务器(目标服务器)。采用这样的访问手段,一方面难以保证系统的实时性;另一方面,它为通信系统增加了额外的故障点,错误发生时,需要终端用户对其进行故障诊断和维护;此外,终端用户还必须依赖中间件不同开发商提供的繁多组态接口,这恰好有悖于OPC的接口标准化的初衷。OPC DX正是由此而提出的解决方案。

OPC DX是相对于OPC DA的客户端-服务器通信模式推出的服务器-服务器模式,提供了在以太网上服务器到服务器可互操作的数据通信方法,使系统间可用相同的标准实时交换数据,其实质就是基于高速以太网的软件网关技术。由于不需要数据存储和发送的中间环节,而不必担心不同协议间的转换问题,这样一个OPC服务器就能直接与另一个OPC服务器直接相连,使驻留在不同体系的现场总线控制器上的服务器数据可以直接交换。

3.5 分布式数据库技术

分布式数据库结构是基于网络的故障诊断及维修系统的信息发布模式。关键特征为音频、视频等各种不同形式的信号,可以嵌入总线以便传送到综合处理台位,与专家数据库的相应数据进行比对分析,有异常情况则立即报警并自动将发生异常情况的部位、时间和关键信号记录下来。目前的机内专家库存储在小容量ROM中,成本高,容量小,信息量狭窄。专家知识库的更新和完善要求数据库具有开放性、远程可操作性。异构网络环境中的异构数据库操作得到了广泛的研究,早期提出并使用了数据库中间件。最新应用JDBC(java database connectivity,JAVA数据库互联)在多平台、异构数据库操作方面所具有的优点为网络化异地故障诊断所使用的诊断数据库、专家知识库的建立、维护和操作提供了强大的支持[10]。

当舰载信息中心启动监控方式时,嵌入式采集器采集的装备状态信息用来与装备信息数据库内的该装备的状态信息作实时比较,实时状态信息记录与装备状态信息样本不相符时发出警报,同时,舰载信息中心则进一步检索该型装备的故障装备状态信息库,并将故障状态信息与实时状态信息记录逐一比较以确定故障板件,提供维修指导。如未能在故障状态信息库内检索到相符的故障状态信息时,可申请远程保障信息中心支援。舰载信息中心使用分析软件将实时状态信息记录与状态信息波形信息的差异部分通过数字电台传输给岸基接收基站,并接收远程保障信息中心的维修指导,或从远程保障信息中心下载最新的该型装备的故障样本库。

4 系统网络化过程的难题

在舰艇装备维修保障系统网络化的过程中,从装备乃至具体设备的组网到具体维修保障工作的各个环节还存在一些难题有待解决。譬如PAC与其下控制器的组网兼容性。目前TS控制器PAC及主干网交换机是符合罗克韦尔CIP规范的产品,使用了实时以太网协议EthernetIP,而逆变控制器、电机控制器、段开关监测器、位置传感器等控制网络上的其它设备只有普通CAN、RS232、RS485口,尚无规范的组网能力,使PAC的实时以太网的优越性无法发挥。

[1] 邵小强.基于Ethernet构架的变电站信息流量控制与OPNET仿真研究[D].西安:西安科技大学,2005.

[2] 李娜,王梅.基于MPLS的二层VPN技术[J].电力系统通信,2005,02:10-12.

[3] 刘永锋.用IPSec实现VPN[J].微机发展,2003,13(1):70-73.

[4] 朱元忠,余镇危,杨民峰.基于IPSec与基于MPLS的VPN的比较与分析[J].北京工业职业技术学院学报,2008,1:80-83.

[5] 左伟民,徐红云.基于IPSec的虚拟专用网络实现及其安全性分析[J].湘潭师范学院学报,2003,25(1):35-38.

[6] 申瑞民,戴欣.基于Web的智能远程学习环境的构建[J].计算机应用与软件,2004,21(2):36-38.

[7] 尹洪涛,黄灿杰,付平.LXI标准概述[J].国外电子测量技术,2007,05:16-18.

[8] 阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,2008:10,119-120.

[9] 张广渊.工业以太网与现场总线的融合[J].机械设计与制造,2003,3:28-29.

[10] 于宏毅.无线移动自组织网[M].北京:人民邮电出版社,2005:4-8.

Networking of the Maintaining System of Electronic Equipments in Naval Ships

YANG Wu1,2ZHANG Chaoliang2

(1. No. 92823 Troops of Navy, Sanya 572021) (2. College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

With the development of current network technology and the need of maintaining the electronic equipments in naval ships, networking has become the developing trend and key characteristic of the maintaining system of the electronic equipments in naval ships. Network architecture on actualizing the maintaining system of the electronic equipments in naval ships is put forward, and some key technologies involved are elaborated.

electronic equipments in naval ships, maintaining system, networking

2014年7月9日,

2014年8月23日

杨武,男,博士,工程师,研究方向:舰船电子装备维修保障、网络化测控。张朝亮,男,博士,讲师,研究方向:智能控制、网络化测控。

TP393

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.036