船載電子信息網(wǎng)絡(luò)建模仿真初探論文
摘要：:船載電子信息網(wǎng)絡(luò)是連接各種船載設(shè)備、控制中心、傳感器等的信息傳輸與交互網(wǎng)絡(luò)，其負(fù)責(zé)船舶各個(gè)部分和各種設(shè)備之間的正常交互和協(xié)調(diào)運(yùn)作，對(duì)船舶的安全航行具有重要的意義，相當(dāng)整艘船舶的神經(jīng)中樞。因此，船載電子信息網(wǎng)絡(luò)的性能表現(xiàn)，將直接關(guān)系到船舶各個(gè)部分的系統(tǒng)運(yùn)作水平，以及船舶控制的靈敏程度。本文針對(duì)船載電子信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，并對(duì)該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模型分析，驗(yàn)證該網(wǎng)絡(luò)的需求和性能指標(biāo)，并通過(guò)仿真研究船載電子信息網(wǎng)絡(luò)在不同條件下的性能表現(xiàn)，為今后船載電子信息網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和發(fā)展，提供有益的數(shù)據(jù)和借鑒。
關(guān)鍵詞：:船載電子信息網(wǎng)絡(luò);船舶控制;模型分析;仿真研究
引言
船載電子信息網(wǎng)絡(luò)是整艘船舶的神經(jīng)中樞，一方面其負(fù)責(zé)將控制中心的指令，下達(dá)到船舶的各種設(shè)備;另一方面其負(fù)責(zé)各種機(jī)械設(shè)備、計(jì)算機(jī)之間的消息傳遞與交互。船載電子信息網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，關(guān)系到船員是否能夠及時(shí)了解船舶的當(dāng)前狀態(tài)，以及能夠?qū)Υ斑M(jìn)行有效的控制和管理，是整個(gè)船舶中最為關(guān)鍵的系統(tǒng)之一［1－2］。
1船載電子信息網(wǎng)絡(luò)
船載電子信息網(wǎng)絡(luò)主要的功能為監(jiān)測(cè)與控制［3］。其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，一方面其連接了各種設(shè)備和船舶各個(gè)位置的傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)采集船舶的各種數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。另一方面其連接了控制中心與通信設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備等功能模塊，實(shí)現(xiàn)控制指令的可靠傳遞。與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)不同之處在于，船載電子信息網(wǎng)絡(luò)不僅承載了船員之間的通信消息，同時(shí)需要傳遞機(jī)器與機(jī)器(M2M)、人與機(jī)器(P2M)之間的通信，因此，船載電子信息網(wǎng)絡(luò)中存在著多種不同類(lèi)型的信息流，并且各種信息流有著不同的通信需求。在以往的研究中，學(xué)者們通常關(guān)注的是船載電子信息網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、優(yōu)化等問(wèn)題［4－5］，然而，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)性能的'分析與測(cè)試較少。針對(duì)這一問(wèn)題，本文對(duì)船載電子信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模分析，并在多種應(yīng)用場(chǎng)景中對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行仿真研究，獲得多種數(shù)據(jù)，為今后船載電子信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供基礎(chǔ)和有益的借鑒。
2船載電子信息網(wǎng)絡(luò)模型
船載電子信息網(wǎng)絡(luò)主要工作在MAC層，是1艘船舶內(nèi)的局域網(wǎng)絡(luò)。因此將船載電子信息網(wǎng)絡(luò)建模為多個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)組成的模型，而每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以描述為一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型，如圖2所示�；ㄐ艑�(duì)象、模塊或設(shè)備;2)idle狀態(tài):空閑狀態(tài)，等待消息的到達(dá)。當(dāng)接收到物理層發(fā)送的消息(low_arrival)，那么節(jié)點(diǎn)進(jìn)入rx狀態(tài)，當(dāng)收到更高層的消息，則將消息加入優(yōu)先級(jí)隊(duì)列進(jìn)行發(fā)送;3)frm_out狀態(tài):將隊(duì)列中的第1個(gè)數(shù)據(jù)包或報(bào)文，通過(guò)正確的端口發(fā)送，然后進(jìn)入tx_prepare狀態(tài)：4)tx_prepare狀態(tài):檢查當(dāng)前通信信道是否繁忙，是否能夠發(fā)送消息。若信道空閑，那么進(jìn)入tx_send狀態(tài);5)tx_send狀態(tài):發(fā)送當(dāng)前的數(shù)據(jù)包;6)tx_wait狀態(tài):發(fā)送數(shù)據(jù)包后，對(duì)信道進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，當(dāng)發(fā)送完畢且無(wú)沖突發(fā)生時(shí)，回到idle狀態(tài);7)rx狀態(tài):接收并處理消息狀態(tài)，根據(jù)收到消息的不同類(lèi)型，將其傳遞給不同的設(shè)備;8)data_send狀態(tài):等待消息發(fā)送完畢，刪除消息，并回到idle狀態(tài);
3船載電子信息網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境與平臺(tái)
為了驗(yàn)證第2節(jié)中建立模型的正確性，以及測(cè)試船載電子信息網(wǎng)絡(luò)在不同種類(lèi)流量下的性能表現(xiàn)。本文搭建了相應(yīng)的仿真環(huán)境和平臺(tái)。本文采用的仿真平臺(tái)為OPNET。OPNET是當(dāng)前廣泛使用的離散事件仿真平臺(tái)之一，其與其他仿真平臺(tái)相比，具有以下優(yōu)勢(shì):一是多種通信模塊能夠有效減少仿真平臺(tái)在構(gòu)建過(guò)程中的工作量，并采用模塊化的構(gòu)建方式，減少了仿真建立的復(fù)雜性;二是靈活的底層編程能力使得開(kāi)發(fā)者能夠根據(jù)自己的需要，設(shè)計(jì)全新的協(xié)議、隊(duì)列、算法等，具有較好的靈活性和擴(kuò)展性;三是靈活的數(shù)據(jù)采集和處理功能使得仿真數(shù)據(jù)的獲取和分析變得極為簡(jiǎn)便，因此為本文的性能仿真提供了較大方便。本文采用的仿真拓?fù)淙鐖D3所示。如圖3所示，本文仿真模型主要以下4個(gè)部分組成:1)流量產(chǎn)生模塊(bursty_gen)。采用3種不同的流量模式，分別產(chǎn)生突發(fā)流量、隨機(jī)流量和周期流量，分別模擬不同船載設(shè)備，以及遂行不同任務(wù)時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流，如告警信息、監(jiān)視數(shù)據(jù)信息、視頻信息等;2)網(wǎng)絡(luò)接口(am_mac_intf)。該網(wǎng)絡(luò)接口能夠靈活地選擇不同的MAC層協(xié)議和高層協(xié)議，從而模擬不同的消息來(lái)源，以及消息使用的不同通信協(xié)議;3)通信網(wǎng)絡(luò)(mac_can)。通信網(wǎng)絡(luò)模塊中，能夠選擇不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)類(lèi)型，為了進(jìn)行性能分析，本文采用以太網(wǎng)和總線網(wǎng)2種網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型。通過(guò)設(shè)置mac_can模塊中的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)2種不同網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型之間的切換，從而模擬不同網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型和技術(shù)對(duì)船載電子信息網(wǎng)絡(luò)的性能影響;4)發(fā)送者(transmitter)和接收者(receiver)。這2個(gè)模塊是第2節(jié)中提出模型的具體實(shí)現(xiàn)，作為2個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)，嚴(yán)格按照第2節(jié)中提出的模型進(jìn)行消息處理和消息傳遞，用來(lái)驗(yàn)證本文提出模型的正確性和有效性。
4仿真結(jié)果分析
消息時(shí)延是船載電子信息網(wǎng)絡(luò)最為重要的性能指標(biāo)之一，其關(guān)系到控制中心能否及時(shí)了解到船舶的當(dāng)前狀態(tài)，以及能否對(duì)船舶進(jìn)行及時(shí)的控制。首先測(cè)試以太網(wǎng)環(huán)境下船載電子信息網(wǎng)絡(luò)，分別采用3種不同的流量模式，在輕載和重載2種負(fù)載情況下，測(cè)試以太網(wǎng)消息的平均時(shí)延，測(cè)試的結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，由于以太網(wǎng)能夠提供較大的帶寬，因此各種類(lèi)型的數(shù)據(jù)包，其時(shí)延均較小，能夠滿(mǎn)足船舶控制的需要。其次測(cè)試總線型網(wǎng)絡(luò)的性能表現(xiàn)，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，由于總線型無(wú)法提供如以太網(wǎng)一樣的帶寬，因此時(shí)延性能有所下降，然而仍然能夠滿(mǎn)足船載設(shè)備的通信需求。同時(shí)，采用總線型網(wǎng)絡(luò)，由于不像以太網(wǎng)那樣采用共享通信模式，因此，每個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)延變化較少，時(shí)延性能更加平穩(wěn)。
5結(jié)語(yǔ)
本文對(duì)船載電子信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了深入的研究和細(xì)致的介紹，分析了該網(wǎng)絡(luò)的通信需求和特點(diǎn)，并據(jù)此建立了船載電子信息網(wǎng)絡(luò)的模型，介紹了該網(wǎng)絡(luò)中消息的處理過(guò)程和傳遞過(guò)程。并根據(jù)這一模型，在仿真平臺(tái)上，對(duì)船載電子信息網(wǎng)絡(luò)中不同流量、不同網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型的數(shù)據(jù)時(shí)延進(jìn)行了測(cè)量，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，為今后船載電子信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了數(shù)據(jù)支持和有益的借鑒。
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