Интерфейсы передачи данных, применяемые для построения АСУ судна
На сегодняшний день сложное техническое средство, которым является судно, оснащается множеством различного электронного оборудования, которое призвано повысить безопасность плавания и снизить нагрузку на экипаж. Для решения этих двух задач бортовые устройства должны иметь высокую степень интеграции и предоставлять экипажу целый комплекс функций будучи собранными в единую систему.
Современные электронные средства корабля (датчики, приемные модули антенн, управляющие контроллеры силовых агрегатов, средства связи) имеют цифровой выход, что позволяет использовать их в рамках цифрового вычислительного комплекса. Первичными ячейками являются измерительные приборы — лаги, эхолоты, приемники GPS и пр., способные выполнять свои функции самостоятельно, но при этом, имеющие в своем составе устройства ввода-вывода информации, позволяющие осуществлять прием и передачу данных. Включение в состав устройств ввода-вывода навигационных приборов портов COM, USB для организации связи с ПК не способствует информационной интеграции, используется крайне редко и только для решения специальных задач.
Первым международным стандартом для подключения средств морской навигации стал NMEA-0183, в котором определяется физический уровень типа «точка-точка» RS-485 с побайтовой передачей и формат передачи данных. Этот стандарт хотя и позволяет интегрировать в систему оборудование различного назначения и разных производителей, однако не предоставляет возможности построения сети передачи данных. Системы на основе NMEA-0183 предполагают использование концентратора, который принимает данные ото всех устройств, подключенных напрямую, и выдаёт информацию на экран картплоттера. На экране производится наложение на карту картинок и сообщений/данных различных устройств.
Рис. 3.5. Различные способы интеграции оборудования
Дальнейшее развитие данной технологии было возможно только в сторону использования устройств в режиме транссиверов (рис.3.5а). Каждая система (модуль) является репитером. На выход подается вся входная информация дополненная данными,сформированными включенной в цепочку системой (модулем). Такая конфигурация широко используется при построении систем управления малых судов. Схема позволяет получить на экране последней в цепочке системы данные со всех подключенных систем. Этот подход совершенствуется на пути «интеллектуализации» репитеров: за счет совместной обработки информации от нескольких измерителей, получают качественно новые результаты — VMG, абсолютные значения скоростей и направлений и пр. (корпорация Raymarine (Великобритания)).
К несомненным достоинствам систем на основе протокола NMEA-0183 можно отнести простоту и низкую стоимость организации взаимодействия систем (двухпроводная линия связи RS-485/RS-422/RS-232 для балансных и небалансных сигналов соответственно), а также возможность легко наращивать АСУ судна.
Однако функциональные возможности такой структуры весьма ограничены. Существенным недостатком является то, что при выходе из строя одной из систем или связей обмен данными будет нарушен, то есть при наличии отказов не гарантируется передача судоводителю данных, в том числе и предупреждений об опасностях, что ограничивает надежность представленной схемы соединений. В данной схеме резервирование на аппаратном уровне приведет только к уменьшению итоговых показателей надежности. Живучесть судна поддерживается за счет автономного использования приборов при отказе одного из них. Так по цифровому значению координаты на индикаторе приемника GPS можно оценить местоположение судна на карте, выведенной на экран картплоттера, но комплексного обеспечения судовождения в случае отказа не обеспечивается.
Указанные недостатки принципиально устраняются в сетевой архитектуре (см. рис.3.5б), где отказ или подключение любого устройства к шине не нарушает взаимодействия других устройств.
Табл. 3.1. Протоколы обмена продукции ведущих зарубежных производителей
| Протокол обмена/фирма производитель | Страна | NMEA0183 | USB | Garmin Marine Network | Sea Talk | LowranceNET
| NAVnet |
| Garmin International Inc. | США | да | нек.модели | нек.модели | нет | нет | нет |
| Lowrance (также под маркой Eagle) | США | да | нет | нет | нет | LowranceNET | нет |
| Raymarine | Вел-бр. | да | нет | нет | Sea Talk/NMEA2000 | нет | нет |
| Interphase Technologies | США | да | да | нет | нет | нет | нет |
| Furuno | Япония | да | нет | нет | нет | нет | NAVnet |
| SEIWA | Япония | да | нет | нет | нет | нет | нет |
| Standard Horizon торговая марка Vertex Standard | Япония | да | нет | нет | нет | нет | нет |
| SAMYUNG ENC | Корея | да | нет | нет | нет | нет | NAVnet |
Протокол NMEA-0183 ограничивает объединение систем и ряд компаний создали свои собственные сетевые протоколы (см. Табл.3.1): SeaTalk, NavNet, Garmin Marine Network,LowranceNET, Dataline 2000, SmartCraft, которые обеспечивают организацию сети из набора оборудования данной фирмы. Эти протоколы имеют проприетарный характер, что затрудняет их использование для построения сетей, включающих оборудование различных поставщиков. С некоторым запозданием был согласован и утвержден международный стандарт NMEA2000.
Стандарт NMEA2000 регламентирует как физический уровень сети (5-ти проводная линия, включая питание), так и формат передачи данных. Типовой пример разводки сети показан на Рис.3.6. Сеть NMEA2000 опирается на протокол DeviceNet, который описывает формат передачи данных для сетей, построенных по принципу CAN (Controller Area Network).
Шина CAN — синхронная шина, с типом доступа Collision Resolution (CR), который в отличие от Collision Detect (CD) сетей (например Ethernet) детерминировано (приоритетно) обеспечивает доступ на передачу сообщения. Передача ведётся кадрами. Полезная информация в кадре состоит из идентификатора и поля данных длиной от 0 до 8 байт. Идентификатор говорит о содержимом пакета и служит для определения приоритета при попытке одновременной передачи несколькими сетевыми узлами.
Шина CAN обеспечивает гарантированную доставку сообщений, однако передаваемая информация крайне ограничена по объему (кадр 8 байт) и скорость передачи зависит от длины линии, то есть от размеров судна. Для судов класса «река-море» скорость передачи информации не превышает 250 кбит/с в режиме жёсткого реального времени с учётом приоритета сообщений.
Сетевая архитектура обеспечивает заданный уровень надежности сети путем подключения резервных модулей. Так фирма FURUNO (Япония) дополнительно обеспечила подключение нескольких (до 4-х) многофункциональных дисплеев МФД, которые могут работать в режиме ведущего ("мастер") или ведомого ("репитер"). Система позволяет подключать датчики к любому из МФД - все получаемые от них данные будут отображаться на остальных дисплеях.
Рисунок 3.6. Типовая схема сети NMEA2000Для обеспечения обратной совместимости с устройствами, поддерживающими протокол NMEA0183, можно применять существующие адаптеры.
Расширение функциональных возможностей (в первую очередь картографического сервиса) обеспечивается подключением к сети высокопроизводительного вычислителя, например персонального компьютера. Для этого разработаны сетевые коммутаторы обеспечивающие взаимодействие компьютера с сетью NMEA2000 и сетями ведущих фирм.
Характерный пример - навигационное оборудование Raymarine's E-Series с использованием специального сетевого протокола Raymarine's SeaTalkhs. Стандартное Ethernet-соединение между компьютером и сетевым коммутатором Raymarine's SeaTalkhs Network switch позволяет организовать беспрепятственный обмен данными между персональным компьютером и приборами Raymarine's E-Series., включая картографическую и навигационную информацию, показания радара и цифрового рыболокатора.
Хотя NMEA2000 и является достаточно современным стандартом для построения бортовой сети, его возможностей не хватает для покрытия всех актуальных требований по информационному обеспечению на судне. Для информационной поддержки принятия решений в командном контуре необходимо оперировать большими потоками данных (картография, предварительные прокладки, извещения мореплавателям, ледовая обстановка, всевозможная справочная информация), а, следовательно, предусмотреть высокоскоростную транспортную систему, обеспечивающую передачу объемного трафика. В настоящее время единственный технически рациональный путь — применение протоколов с IP адресацией для соединения разнородных систем как на уровне транспортных подсистем, так и на уровне прикладных сервисов. На физическом уровне сеть целесообразно строить на основе Fast ETHERNET или ETHERNET gigabite, поверх которых накладываются IP протоколы.
В основу будет положен TCP или UDP, которые зарекомендовали себя как протоколы надежной передачи сообщений. Названные протоколы — адресные. Путь каждого сообщения регламентирован. Тем не менее, в случае так называемой коллизии - если 2 отправителя одновременно отправляют сообщение по одному адресу, оба сообщения могут быть недоставлены. Отказы такого рода обычно компенсируются повторами, но и в этом случае гарантировать передачу IP технология не может. Этот единственный существенный недостаток учитывался при разработке NMEA2000 и, разумеется, будет учтен при разработке архитектуры АСУ-С.
Предлагаемая архитектура
Нами предлагается структура бортовой АСУ-С, объединяющей разнородные системы: системы жесткого реального времени, системы мягкого реального времени и системы не связанные с временными параметрами конкретного объекта. Анализ систем управления судов «река-море» позволил приступить к созданию технологии их объединения на информационном уровне посредством интеграции стандартных технологий обмена, хорошо себя зарекомендовавших в практическом использовании.
Общая структура комплекса отражена на Рис.3.7. Сетевая инфраструктура комплекса опирается на три независимых канала, один стандарта NMEA2000 и два стандарта Ethernet. Прием и передачу данных осуществляет сеть NMEA2000, которая гарантирует real-time работу и поддерживается навигационными устройствами. Параллельно ей подключается Ethernet, который берёт на себя роль дублирующего канала и по которому возможен доступ для конфигурирования и, например, загрузки карт. Для введения в оборот и обработки накопленной ранее и получаемой из-вне информации, а также автоматизации деятельности экипажа необходим второй канал Ethernet, на котором реализуется ЛВС. Этот высший уровень АСУ-С обеспечивает работу с группами данных, структурно объединенных в основные (картографический, навигационный, обзорный, общесудовой, моделирования) и вспомогательные (справочный, архивный, сервисный) блоки.
Рассмотрим подробнее работу АСУ-С. На нижнем уровне АСУ-С находятся источники информации и органы управления, которые имеют цифровой выход, причем в изделиях морского приборостроения в обязательном порядке соответствующий протоколу NMEA0183. Для объединения в сеть каждая система/устройство подключается к шине через стандартные адаптеры NMEA0183 /NMEA2000, обеспечивающие потоки в обоих направлениях. В настоящее время многие модели имеют выход NMEA2000 (встроенный адаптер NMEA0183/NMEA2000) и подключаются к в сеть непосредственно.
Сеть NMEA2000 будучи разновидностью CANBus предоставляет возможность передачи информации со скоростью до 250кбит/с (при длине линии до 200м) в режиме жёсткого реального времени с учётом приоритета сообщений. При правильной организации она гарантирует , что сообщения о критических ситуациях не будут потеряны. К сети NMEA2000 подключаются первичные источники информации (приёмники GPS и ГЛОНАСС, БИНС; эхолот, лаги, приёмник стандарта NavTex) и комплексная система управления техническими средствами судна (КСУ). Также к этой сети подключаются шлюзы, транслирующие сообщения между ней и сетью Ethernet информационного контура.
Первая сеть Ethernet является дублирующей для сети NMEA2000 и используется в информационном контуре. По ней курсируют пакеты, являющиеся отображением информации, курсирующей в NMEA2000. Поскольку сеть Ethernet не гарантирует временных характеристик передачи сообщений, использовать её как единственную или основную сеть управляющего контура представляется нецелесообразным. К этой сети, кроме шлюзов, подключается регистратор, который записывает значимую информацию о движении и техническом состоянии судна. Регистратор имеет смысл строить на базе постоянной памяти формата SSD (Solid State Disk).
К этой же сети подключаются центральные пульты/пульт для отображения оперативной и исторической информации считанной из регистратора и восприятия управляющих действий от судоводителя. В зависимости от назначения судна и статуса АСУ-С (Ecdis, ECS) система включает несколько (обычно 2) пультов работающих в горячем резерве (мастер и ведомый) либо единственный центральный пульт.
Логика навигационного сопровождения реализуется отдельным модулем — вычислительной системой (ВС). Технически ВС строится на основе вычислительных средств общей архитектуры. Надёжность ВС обеспечивается применением высоконадёжных компонентов и программных средств и аппаратным резервированием (использованием кластера). Поскольку на ВС не возлагается задача работы в режиме жёсткого реального времени и современное развитие вычислительных и сетевых средств позволяет иметь большой запас по производительности и пропускной способности, целесообразно для повышения возможностей интеграции и снижения стоимости разработки комплекса и дополнительных модулей использовать открытые и кроссплатформенные технологии (например, Java, MessagingQueue). Использование OpenSource модулей также позволит снизить затраты и гарантировать возможность верификации программного обеспечения для обеспечения требуемого уровня надёжности. ВС решает комплекс задач по комплексированию данных от различных источников, прокладке и следованию по маршруту и т.д.
Вторая сеть Ethernet обеспечивает командный контур интегрированной системы. К ней подключается сервер приложений, обеспечивающий средствами ЛВС бортовые информационные сервисы, в том числе предоставление информации о маршруте движения. Для этой цели сервер приложений подключается к сети информационного контура через межсетевой экран в целях обеспечения безопасного обмена данными с точки зрения работоспособности сети информационного контура.
Сеть командного контура обеспечивает связь отдельных вычислительных устройств рабочих мест (АРМ) служб судна и дублирующих АРМов и может быть расширена беспроводными точками доступа (например, WiFi). Также эта сеть может быть использована как транспорт для средств связи посредством стандартов VoIP (например, SIP) — для этого к сети также подключается VoIP-шлюз, обеспечивающий взаимодействие с бортовой радиостанцией или спутниковым телефоном. Кроме вышеперечисленного, сеть через шлюз может быть подключена к сети Интернет, доступ к которой может быть обеспечен бортовым комплексом связи, например средствами Инморсат.
Таким образом предлагаемая технология формирует устойчивую масштабируемую межплатформенную среду для приложений клиент-сервер. ЛВС оперирует большими потоками данных сформированных при подготовке судна к выходу в море (предварительные прокладки, извещения мореплавателям, расписание вахт, ледовая обстановка...),всевозможной справочной информацией, а также медиаданными - например, телефония, интернет. ЛВС обеспечивает командный контур всей доступной информацией для автоматизированной подготовки обоснованных управленческих решений по повседневной деятельности судна при решении свойственных ему задач.
Структура АСУ-С является открытой и не регламентирует характеристик входящих в нее блоков: например количества входящих в кластер ВС вычислительных модулей (обычно 4), их суммарной производительности и даже используемую операционную систему (QNX, Windows или специальная).
Предложенная сетевая архитектура АСУ-С обеспечивает заданный уровень надежности средствами аппаратного резервирования и при этом не выдвигает каких-либо ограничений интегрируемых систем, и потому пригодна для широкого класса судов, каковым являются суда «река-море».
