船載電子信息網絡建模仿真初探論文

船載電子信息網絡建模仿真初探論文

　　摘要：:船載電子信息網絡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絡，其負責船舶各個部分和各種設備之間的正常交互和協調運作，對船舶的安全航行具有重要的意義，相當整艘船舶的神經中樞。因此，船載電子信息網絡的性能表現，將直接關系到船舶各個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絡進行研究，并對該網絡進行模型分析，驗證該網絡的需求和性能指標，并通過仿真研究船載電子信息網絡在不同條件下的性能表現，為今后船載電子信息網絡的構建和發展，提供有益的數據和借鑒。

　　關鍵詞：:船載電子信息網絡;船舶控制;模型分析;仿真研究

　　引言

　　船載電子信息網絡是整艘船舶的神經中樞，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。船載電子信息網絡的正常運轉，關系到船員是否能夠及時了解船舶的當前狀態，以及能夠對船舶進行有效的控制和管理，是整個船舶中最為關鍵的系統之一［1－2］。

　　1船載電子信息網絡

　　船載電子信息網絡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位置的傳感器網絡，實時采集船舶的各種數據，對設備的工作狀態進行監測。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，實現控制指令的可靠傳遞。與傳統通信網絡不同之處在于，船載電子信息網絡不僅承載了船員之間的通信消息，同時需要傳遞機器與機器(M2M)、人與機器(P2M)之間的通信，因此，船載電子信息網絡中存在著多種不同類型的信息流，并且各種信息流有著不同的通信需求。在以往的研究中，學者們通常關注的是船載電子信息網絡的規劃、優化等問題［4－5］，然而，對于網絡性能的分析與測試較少。針對這一問題，本文對船載電子信息網絡進行建模分析，并在多種應用場景中對網絡性能進行仿真研究，獲得多種數據，為今后船載電子信息網絡的發展提供基礎和有益的借鑒。

　　2船載電子信息網絡模型

　　船載電子信息網絡主要工作在MAC層，是1艘船舶內的局域網絡。因此將船載電子信息網絡建模為多個獨立節點組成的模型，而每個節點可以描述為一個狀態轉移模型，如圖2所示。化通信對象、模塊或設備;2)idle狀態:空閑狀態，等待消息的到達。當接收到物理層發送的消息(low_arrival)，那么節點進入rx狀態，當收到更高層的消息，則將消息加入優先級隊列進行發送;3)frm_out狀態:將隊列中的第1個數據包或報文，通過正確的端口發送，然后進入tx_prepare狀態：4)tx_prepare狀態:檢查當前通信信道是否繁忙，是否能夠發送消息。若信道空閑，那么進入tx_send狀態;5)tx_send狀態:發送當前的數據包;6)tx_wait狀態:發送數據包后，對信道進行監聽，當發送完畢且無沖突發生時，回到idle狀態;7)rx狀態:接收并處理消息狀態，根據收到消息的不同類型，將其傳遞給不同的設備;8)data_send狀態:等待消息發送完畢，刪除消息，并回到idle狀態;

　　3船載電子信息網絡仿真環境與平臺

　　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絡在不同種類流量下的性能表現。本文搭建了相應的仿真環境和平臺。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，具有以下優勢:一是多種通信模塊能夠有效減少仿真平臺在構建過程中的工作量，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發者能夠根據自己的需要，設計全新的協議、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個部分組成:1)流量產生模塊(bursty_gen)。采用3種不同的流量模式，分別產生突發流量、隨機流量和周期流量，分別模擬不同船載設備，以及遂行不同任務時產生的數據流，如告警信息、監視數據信息、視頻信息等;2)網絡接口(am_mac_intf)。該網絡接口能夠靈活地選擇不同的MAC層協議和高層協議，從而模擬不同的消息來源，以及消息使用的不同通信協議;3)通信網絡(mac_can)。通信網絡模塊中，能夠選擇不同的網絡拓撲和網絡類型，為了進行性能分析，本文采用以太網和總線網2種網絡類型。通過設置mac_can模塊中的參數，實現2種不同網絡類型之間的切換，從而模擬不同網絡類型和技術對船載電子信息網絡的性能影響;4)發送者(transmitter)和接收者(receiver)。這2個模塊是第2節中提出模型的具體實現，作為2個獨立的節點，嚴格按照第2節中提出的模型進行消息處理和消息傳遞，用來驗證本文提出模型的正確性和有效性。

　　4仿真結果分析

　　消息時延是船載電子信息網絡最為重要的性能指標之一，其關系到控制中心能否及時了解到船舶的當前狀態，以及能否對船舶進行及時的控制。首先測試以太網環境下船載電子信息網絡，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，測試以太網消息的平均時延，測試的結果如圖4所示。由圖4可知，由于以太網能夠提供較大的帶寬，因此各種類型的數據包，其時延均較小，能夠滿足船舶控制的需要。其次測試總線型網絡的性能表現，測試結果如圖5所示。由圖5可知，由于總線型無法提供如以太網一樣的帶寬，因此時延性能有所下降，然而仍然能夠滿足船載設備的通信需求。同時，采用總線型網絡，由于不像以太網那樣采用共享通信模式，因此，每個數據包的時延變化較少，時延性能更加平穩。

　　5結語

　　本文對船載電子信息網絡進行了深入的研究和細致的介紹，分析了該網絡的通信需求和特點，并據此建立了船載電子信息網絡的模型，介紹了該網絡中消息的處理過程和傳遞過程。并根據這一模型，在仿真平臺上，對船載電子信息網絡中不同流量、不同網絡類型的數據時延進行了測量，最后對仿真結果進行了分析，為今后船載電子信息網絡的發展提供了數據支持和有益的借鑒。

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