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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 )是連接各種船載設備、控制中心、傳感器等的信息傳輸與交互網(wǎng)絡(luò )，其負責船舶各個(gè)部分和各種設備之間的正常交互和協(xié)調運作，對船舶的安全航行具有重要的意義，相當整艘船舶的神經(jīng)中樞。因此，船載電子信息網(wǎng)絡(luò )的性能表現，將直接關(guān)系到船舶各個(gè)部分的系統運作水平，以及船舶控制的靈敏程度。本文針對船載電子信息網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行研究，并對該網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行模型分析，驗證該網(wǎng)絡(luò )的需求和性能指標，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，為今后船載電子信息網(wǎng)絡(luò )的構建和發(fā)展，提供有益的數據和借鑒。
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，一方面其負責將控制中心的指令，下達到船舶的各種設備;另一方面其負責各種機械設備、計算機之間的消息傳遞與交互。船載電子信息網(wǎng)絡(luò )的正常運轉，關(guān)系到船員是否能夠及時(shí)了解船舶的當前狀態(tài)，以及能夠對船舶進(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 )主要的功能為監測與控制［3］。其主要結構如圖1所示，一方面其連接了各種設備和船舶各個(gè)位置的傳感器網(wǎng)絡(luò )，實(shí)時(shí)采集船舶的各種數據，對設備的工作狀態(tài)進(jìn)行監測。另一方面其連接了控制中心與通信設備、導航設備等功能模塊，實(shí)現控制指令的可靠傳遞。與傳統通信網(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)需要傳遞機器與機器(M2M)、人與機器(P2M)之間的通信，因此，船載電子信息網(wǎng)絡(luò )中存在著(zhù)多種不同類(lèi)型的信息流，并且各種信息流有著(zhù)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 )的規劃、優(yōu)化等問(wèn)題［4－5］，然而，對于網(wǎng)絡(luò )性能的分析與測試較少。針對這一問(wèn)題，本文對船載電子信息網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行建模分析，并在多種應用場(chǎng)景中對網(wǎng)絡(luò )性能進(jìn)行仿真研究，獲得多種數據，為今后船載電子信息網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展提供基礎和有益的借鑒。
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)獨立節點(diǎn)組成的模型，而每個(gè)節點(diǎn)可以描述為一個(gè)狀態(tài)轉移模型，如圖2所示�；ㄐ艑ο�、模塊或設備;2)idle狀態(tài):空閑狀態(tài)，等待消息的到達。當接收到物理層發(fā)送的消息(low_arrival)，那么節點(diǎn)進(jìn)入rx狀態(tài)，當收到更高層的消息，則將消息加入優(yōu)先級隊列進(jìn)行發(fā)送;3)frm_out狀態(tài):將隊列中的第1個(gè)數據包或報文，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)送當前的數據包;6)tx_wait狀態(tài):發(fā)送數據包后，對信道進(jìn)行監聽(tīng)，當發(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)，根據收到消息的不同類(lèi)型，將其傳遞給不同的設備;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
為了驗證第2節中建立模型的正確性，以及測試船載電子信息網(wǎng)絡(luò )在不同種類(lèi)流量下的性能表現。本文搭建了相應的仿真環(huán)境和平臺。本文采用的仿真平臺為OPNET。OPNET是當前廣泛使用的離散事件仿真平臺之一，其與其他仿真平臺相比，具有以下優(yōu)勢:一是多種通信模塊能夠有效減少仿真平臺在構建過(guò)程中的工作量，并采用模塊化的構建方式，減少了仿真建立的復雜性;二是靈活的底層編程能力使得開(kāi)發(fā)者能夠根據自己的需要，設計全新的協(xié)議、隊列、算法等，具有較好的靈活性和擴展性;三是靈活的數據采集和處理功能使得仿真數據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。本文采用的仿真拓撲如圖3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、隨機流量和周期流量，分別模擬不同船載設備，以及遂行不同任務(wù)時(shí)產(chǎn)生的數據流，如告警信息、監視數據信息、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 )拓撲和網(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(xiàn)網(wǎng)2種網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型。通過(guò)設置mac_can模塊中的參數，實(shí)現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節中提出模型的具體實(shí)現，作為2個(gè)獨立的節點(diǎn)，嚴格按照第2節中提出的模型進(jìn)行消息處理和消息傳遞，用來(lái)驗證本文提出模型的正確性和有效性。
4仿真結果分析
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之一，其關(guān)系到控制中心能否及時(shí)了解到船舶的當前狀態(tài)，以及能否對船舶進(jìn)行及時(shí)的控制。首先測試以太網(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種負載情況下，測試以太網(wǎng)消息的平均時(shí)延，測試的結果如圖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)型的數據包，其時(shí)延均較小，能夠滿(mǎn)足船舶控制的需要。其次測試總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò )的性能表現，測試結果如圖5所示。由圖5可知，由于總線(xiàn)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)足船載設備的通信需求。同時(shí)，采用總線(xiàn)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)數據包的時(shí)延變化較少，時(shí)延性能更加平穩。
5結語(yǔ)
本文對船載電子信息網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行了深入的研究和細致的介紹，分析了該網(wǎng)絡(luò )的通信需求和特點(diǎn)，并據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。并根據這一模型，在仿真平臺上，對船載電子信息網(wǎng)絡(luò )中不同流量、不同網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型的數據時(shí)延進(jìn)行了測量，最后對仿真結果進(jìn)行了分析，為今后船載電子信息網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展提供了數據支持和有益的借鑒。
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