船载电子信息网络建模仿真初探论文
摘要：:船载电子信息网络是连接各种船载设备、控制中心、传感器等的信息传输与交互网络，其负责船舶各个部分和各种设备之间的正常交互和协调运作，对船舶的安全航行具有重要的意义，相当整艘船舶的神经中枢。因此，船载电子信息网络的性能表现，将直接关系到船舶各个部分的系统运作水平，以及船舶控制的灵敏程度。本文针对船载电子信息网络进行研究，并对该网络进行模型分析，验证该网络的需求和性能指标，并通过仿真研究船载电子信息网络在不同条件下的性能表现，为今后船载电子信息网络的构建和发展，提供有益的数据和借鉴。
关键词：:船载电子信息网络;船舶控制;模型分析;仿真研究
引言
船载电子信息网络是整艘船舶的神经中枢，一方面其负责将控制中心的指令，下达到船舶的各种设备;另一方面其负责各种机械设备、计算机之间的消息传递与交互。船载电子信息网络的正常运转，关系到船员是否能够及时了解船舶的当前状态，以及能够对船舶进行有效的控制和管理，是整个船舶中最为关键的系统之一［1－2］。
1船载电子信息网络
船载电子信息网络主要的功能为监测与控制［3］。其主要结构如图1所示，一方面其连接了各种设备和船舶各个位置的传感器网络，实时采集船舶的各种数据，对设备的工作状态进行监测。另一方面其连接了控制中心与通信设备、导航设备等功能模块，实现控制指令的可靠传递。与传统通信网络不同之处在于，船载电子信息网络不仅承载了船员之间的通信消息，同时需要传递机器与机器(M2M)、人与机器(P2M)之间的通信，因此，船载电子信息网络中存在着多种不同类型的信息流，并且各种信息流有着不同的通信需求。在以往的研究中，学者们通常关注的是船载电子信息网络的规划、优化等问题［4－5］，然而，对于网络性能的'分析与测试较少。针对这一问题，本文对船载电子信息网络进行建模分析，并在多种应用场景中对网络性能进行仿真研究，获得多种数据，为今后船载电子信息网络的发展提供基础和有益的借鉴。
2船载电子信息网络模型
船载电子信息网络主要工作在MAC层，是1艘船舶内的局域网络。因此将船载电子信息网络建模为多个独立节点组成的模型，而每个节点可以描述为一个状态转移模型，如图2所示。化通信对象、模块或设备;2)idle状态:空闲状态，等待消息的到达。当接收到物理层发送的消息(low_arrival)，那么节点进入rx状态，当收到更高层的消息，则将消息加入优先级队列进行发送;3)frm_out状态:将队列中的第1个数据包或报文，通过正确的端口发送，然后进入tx_prepare状态：4)tx_prepare状态:检查当前通信信道是否繁忙，是否能够发送消息。若信道空闲，那么进入tx_send状态;5)tx_send状态:发送当前的数据包;6)tx_wait状态:发送数据包后，对信道进行监听，当发送完毕且无冲突发生时，回到idle状态;7)rx状态:接收并处理消息状态，根据收到消息的不同类型，将其传递给不同的设备;8)data_send状态:等待消息发送完毕，删除消息，并回到idle状态;
3船载电子信息网络仿真环境与平台
为了验证第2节中建立模型的正确性，以及测试船载电子信息网络在不同种类流量下的性能表现。本文搭建了相应的仿真环境和平台。本文采用的仿真平台为OPNET。OPNET是当前广泛使用的离散事件仿真平台之一，其与其他仿真平台相比，具有以下优势:一是多种通信模块能够有效减少仿真平台在构建过程中的工作量，并采用模块化的构建方式，减少了仿真建立的复杂性;二是灵活的底层编程能力使得开发者能够根据自己的需要，设计全新的协议、队列、算法等，具有较好的灵活性和扩展性;三是灵活的数据采集和处理功能使得仿真数据的获取和分析变得极为简便，因此为本文的性能仿真提供了较大方便。本文采用的仿真拓扑如图3所示。如图3所示，本文仿真模型主要以下4个部分组成:1)流量产生模块(bursty_gen)。采用3种不同的流量模式，分别产生突发流量、随机流量和周期流量，分别模拟不同船载设备，以及遂行不同任务时产生的数据流，如告警信息、监视数据信息、视频信息等;2)网络接口(am_mac_intf)。该网络接口能够灵活地选择不同的MAC层协议和高层协议，从而模拟不同的消息来源，以及消息使用的不同通信协议;3)通信网络(mac_can)。通信网络模块中，能够选择不同的网络拓扑和网络类型，为了进行性能分析，本文采用以太网和总线网2种网络类型。通过设置mac_can模块中的参数，实现2种不同网络类型之间的切换，从而模拟不同网络类型和技术对船载电子信息网络的性能影响;4)发送者(transmitter)和接收者(receiver)。这2个模块是第2节中提出模型的具体实现，作为2个独立的节点，严格按照第2节中提出的模型进行消息处理和消息传递，用来验证本文提出模型的正确性和有效性。
4仿真结果分析
消息时延是船载电子信息网络最为重要的性能指标之一，其关系到控制中心能否及时了解到船舶的当前状态，以及能否对船舶进行及时的控制。首先测试以太网环境下船载电子信息网络，分别采用3种不同的流量模式，在轻载和重载2种负载情况下，测试以太网消息的平均时延，测试的结果如图4所示。由图4可知，由于以太网能够提供较大的带宽，因此各种类型的数据包，其时延均较小，能够满足船舶控制的需要。其次测试总线型网络的性能表现，测试结果如图5所示。由图5可知，由于总线型无法提供如以太网一样的带宽，因此时延性能有所下降，然而仍然能够满足船载设备的通信需求。同时，采用总线型网络，由于不像以太网那样采用共享通信模式，因此，每个数据包的时延变化较少，时延性能更加平稳。
5结语
本文对船载电子信息网络进行了深入的研究和细致的介绍，分析了该网络的通信需求和特点，并据此建立了船载电子信息网络的模型，介绍了该网络中消息的处理过程和传递过程。并根据这一模型，在仿真平台上，对船载电子信息网络中不同流量、不同网络类型的数据时延进行了测量，最后对仿真结果进行了分析，为今后船载电子信息网络的发展提供了数据支持和有益的借鉴。
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