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船舶信息系统概述和研究趋势
Sheng Liu, Bowen Xing, Bing Li and Mingming Gu
自动化学院，哈尔滨工程大学，哈尔滨，黑龙江，中国
摘要：船舶信息系统（SISs）一直是船舶设计的主要研究重点之一，且成为一个多学科领域。随着这些研究趋势的不断增长，巩固最新的知识和信息至关重要跟上研究需求。 本文介绍并讨论了SIS及其不同形式。本文开始讨论SIS的历史和演变。 本文的下一部分着重于不同的领域和研究领域，如网络技术，信息融合，信息决策，信息显示，船舶控制在实时SISs。 为SIS研究和运行设计的半物理仿真平台（SPSIM）然后介绍一种新的Fuzzy-PID融合算法。 一个简短的文献调查和可能包括的每个主题的未来方向。
关键词：船舶信息系统; 船舶联网技术; 船舶运动协同控制;半实物仿真平台。
介绍
随着船舶技术的发展，船舶系统趋于集成化和分散化。 尽管不同的船舶具有不同的功能，但船舶信息系统（SIS）的文献中的所有定义都有一个共同特征。这个定义的特征是SIS由几个独立的子网（传感器网络，显示网络等）和可以交换子网和系统之间的信息（参考输入，工厂输出，控制输入等）的全船通信网络组成。 （图。1）
图1 SIS的典型结构。
通讯作者：Bing Li, e-mail: xbwheu@hotmail.com
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诠释。 J. Nav。 Archit。海洋工程（2014）6：670〜684 671
历史上，船上的电子通信使用点对点布线来交换信息。由于最近船载电子设备的数量和类型迅速增加，为船舶接线已成为物流的噩梦。在这种情况下，船用电子设备的造船商和供应商用现代局域网取代旧式布线。 Martin等总结和分析了一些早期的海军数据处理系统，如舰载数据多路复用系统（SDMS）和分布式交换系统“SITACS”，这些系统可以被视为SIS的转换（Martin和Richard，1984）。后来罗伯特等人。开发了一种用于令牌环网（SHIPNET）的实时消息传送系统，该系统目前在船载环境中运行（Simoncic等，1988）。该系统符合IEEE802.2 LLC和802.5令牌环标准以及新兴的SAFENET（Andersen等，1990）规范。 SAFENET代表“Survivable Adaptable Fiber Optical Embedded NETwork”。它是由工业界和美国海军联合开发的实时信息传输系统。 SAFENET是一个连接性和灵活性系统，可以完美演进到完全分布式的系统架构。后来，随着网络技术的出现，监督员控制器系统被引入船舶系统。 C3I（命令，控制，通信与智能）系统是监督控制系统中最重要的成就之一。和Thomsett（1993）总结了一些常见的C3I系统，如MHS和OSIS。
随着SIS的进一步发展，它主要分为三部分。每个部分都有不同的重点。第一个重点是
通信系统，它提供了所需的船舶系统设施。 RICE 10是英国皇家海军的第一个数字内部通信
系统（Lister和Rosie，1995）。在RICE 10中，主要广播和船舶报警完全集成到主系统中。它使用节点进行路由，也用于后系统，如Ship System 2000（Kauml;llberg和Straring;hle，2001）。第二个是显示网络，它作为翻译信息到显示器的子网。 Gold和Suggs（1998）介绍了一种用于海军战术显示通信系统的局域网。该系统采用中央数据缓冲区和光纤分布式数据接口交换雷达视频信号。最后一部分是传感器网络。监测系统（Staroswiecki等人，2004年）和导航系统（Murphy，2004年）是船上具有代表性的传感器网络。
随后，随着船舶智能化的发展，网络规模得到进一步的延伸。船舶控制/监测系统（综合桥梁系统，标准机械控制系统和综合状态评估系统等）能够通过船舶广域网和光纤骨干链接在一起，作为智能船Young和Gubbins（1997）。这种技术进步使得可以实现对船舶的实时控制（Geer，1998）。最近，雷神公司的全面船舶计算环境（TSCE）是最新型SIS之一，旨在通过创建集成所有车载系统的船载企业网络连接所有Zumwalt（DDG 1000）系统。
SIS BASIC
任何SIS的基本功能是信息采集（用户/决策系统/传感器），命令（控制器/用户），显示器（监视器/ HCI），网络和控制（执行器）。从更广泛的角度来看，SIS研究分为以下两部分。
1）信息传输。学习和研究网络和通信，使它们适合交换
信息，通讯类型，冗余等
2）信息处理。这些更多地涉及SIS上的船舶系统设计，以优化数据收集和发布
信息融合，信息决策，信息显示和船舶控制等信息（Martins and Lobo，2011）。
SIS研究课题和趋势
SIS通信类型和方法
信息网络是SIS的骨干。主要问题是可靠性，易用性，安全性和可用性
同时选择通信类型。
世界上第一个运营分组交换网络是由Advanced Research Projects开发的ARPANET
1969年美国国防部署。它也可以被视为互联网的前身。早期的SIS
总是使用一些类似的网络，如SHIPNET。后来的现场总线技术在SIS中引入。这是一个通用术语，它描述了一个旨在取代现有4-20mA（或0-5V）模拟信号标准的现代工业数字通信网络。控制器区域网络总线（CAN总线）是最常见的现场总线之一，它是一种串行异步多主机通信协议，专为需要高级数据完整性和数据速率高达1 Mb / s（小于40米）的应用而设计，其传输距离可达10KM / 5Kbps / s。 Andrzej和Maciej（2009年）介绍了使用CAN总线交换小型帆船和机动船信息的SIS-NMEA 2000。在SIS中还有许多其他类型的现场总线，例如Profibus DP（铜线），以太网工业协议（以太网IP），控制网络，Modbus和Lon Works。其中，由于其低成本和高兼容性，以太网已经发展成为SIS中应用最广泛的物理层和链路层协议。李（2012）设计了一个基于实时以太网的综合电力网络控制系统（IPNCS）。 SIS中目前常见的通信形式包括有线网络（如金属电缆和光纤）和无线网络。不同的情况需要不同的形式来交换信号。
由于光纤网络不存在电磁干扰（EMI）和干扰，因此它被广泛用于确保高数据
特别是在SIS的顶级通信网络中。
bull;SIS中使用光纤网络的优势：
- 消除昂贵的数据通信交换机的需求，简化电缆线束;
- 单根光纤取代电缆束;
- EMI / RFI（射频干扰）免疫，光纤中无波长串扰;
- 双向传输的数据信号，点对多点;
- 光域信号分布 - 无电光转换延迟;
- 使用波分复用（WDM）在不同的波长上承载多种协议;
- 光放大，无损光网络;
简化并将平台数据管理系统（DMS）从集中式控制系统改为分布式控制系统。
Goff和Million（2010）介绍了一种在两栖攻击舰船局域网中使用的Blown Optical Fiber网络技术（光纤原理和连接器）。该两栖攻击舰的机械控制系统利用光纤网络作为骨干通过吹制光纤连接局域网（LAN）交换机，并提到了光纤连接器。和Jurdana等人。 （2011）提出了一种具有保护策略的船舶发动机控制系统中的光通信网络，该系统可以获得故障率和平均修复时间。
而在infranet（监控系统，工程控制系统等底层网络）中则更多地使用有线信号网络和无线网络。例如，传感器网络由多个传感器（如电化学传感器，商用温度和湿度传感器等）和传感器节点组成。传感器节点收集信息并将其从传感器交换到顶层网络，以监测和控制船舶。永久性传感器安装的工程要求与试验安装的要求明显不同。其中一些问题是：（1）网络布线必须符合海事标准。对于试验工作，允许运行暂时的可见接线，而永久安装需要隐蔽的不显眼的接线; （2）传感器节点必须足够健壮以承受环境侵害; （3）节点还必须承受维护工作，并且通过舱壁进行布线需要防水。基于上述考虑，Vincent et al。 （2008）在RAN阿米代尔级巡逻艇上引入了有线传感器网络。在这个网络中，传感器使用RS232和RS485线路与传感器节点进行通信。它们是构建网络的常用方式，但是
信号衰减和接线困难等问题依然存在。另一种方法是使用现有的船上主电源
通信电源线。这被称为电力线通信（PLC），并且这种技术正在被a
半导体制造商的数量。它可能比其他有线通信技术容易设置并且便宜。
与其他有线通信技术不同，PLC可以直接进行测试，因为电力线已经存在于由Paik等人引入的船上。 （2010年）。
目前，PLC中的信号通常被假定为在船上的配电网络中传播。的干扰
PLC中的这些服务发生在2至30MHz的频率上，与频带内指定给船舶的频率一致
高频。
bull;PLC在SIS中的优势：
- 减少电线的长度和重量;
- 简化船上数据传输网络;
- 简化这些网络的维护和实施;
- 减少内部通信和数据传输网络的成本安装;
降低成本生产和船舶开采。
bull;在SIS中使用PLC的缺点：
- 电磁噪音;
- 短波带污染;
- 对已有服务的干扰：业余无线电和船舶电台;
- 公共服务中的干扰被定义在PLC频率相同的频带上，从2MHz到30MHz都是如此
紧急情况和安全;
- 通信隐私方面的安全性较差，因为数据传输的线路使用不足;
来自定义的无线电频谱部分的更大的污染。
在Bakkali等人中可以找到更多的PLC效果。 （2007）。
无线传感器网络背后的动机源于完全的移动操作，灵活的安装和快速开发
在SIS。目前的无线通信方法包括RFID（射频识别），Zigbee，蓝牙，
家庭RF（家庭设备共享数据的无线网络规范），IEEE 801.11和UWB（超宽带）。
在这些通信技术中，2.4 GHz Zigbee更多地被用于船舶无线网络设计（Paik等，
2009）。 Kdouh等人（2012）在渡轮上部署了一个可自配置的自修复多跳Zigbee无线传感器网络，
并展示了不同甲板和房间之间的良好连接。 Xu（2012）在船上设计了一个无线传感器网络
采用三维空间定位技术监测船舱情况。 Kang等人（2011）为钢结构船舶的船员位置和角色跟踪设计了Zigbee传感器网络。这些测量大部分是在船舶停泊在港口时进行的。 Kdouh等人（2011）在现实条件下研究了船上无线传感器网络的可行性。结果表明，金属舱壁，水密门和多路径效应会限制车载无线通信。另一方面，该测试还表明，基于链路的路由协议可能是未来船载无线传感器网络的可靠解决方案。
由于无线传感器网络无法在厚厚的钢墙包围的环境中传输传感器数据，因此无法传输数据
船舶在特定区域需要一些合适的有线网络以避免船舶固有性质造成的任何障碍。 Paik等人（2010）引入了一个实时监控系统，将PLC和Zigbee技术结合在一个全面的船舶上。在该系统中，无线传感器网络分布在多个区域，采集到的数据通过PLC传输到中间件。
而Talukdar等人。（2006）引入了一种无线传感器系统，该系统采用船体作为无线介质用于空间分布式传感器之间的数据传输。对于50英尺距离的所有调制方案获得测试结果。这种通过船体声学通信技术，为SIS中通信类型和方法的研究提供了一个新的方向。
SIS冗余结构
由于生存性是SIS设计中最重要的指标，因此需要冗余网络结构。 SIS有很多不同的冗余结构。美国海运局（ABS）为不同船舶制定了钢船规则（SVR）和海军船舶规则（NVR）（Roa，2007）。对于SVR网络而言，冗余应该满足在没有单个故障点的情况下，在同一数据链路用于两个或多个基本功能的情况下所需的冗余数据链路。并且在SVR网络冗余设计中，对于N个开关，N小于5，每个开关应连接到N-1个开关。对于N大于或等于5，每个开关应连接到三个独立的开关。这里引用了几个实际的船舶信息网络冗余结构（图2）：
双归位配置
Dual Homing方法使用连接器总线来互连每个外壳中的卡以形成FDDI环
网络。它规定要求B端口优先于A端口。由于光纤或端口故障导致卡上B端口的任何故障都会导致自动切换并将数据从B端口传输到该卡上的A端口。船用网络中有多种Dual-Homing交换机，例如由GarrettCom公司设计的Magnumtrade;ESD42交换机。这些非管理型交换机在物理上很小的封装中提供了方便的即插即用双连接，并且它们被硬化，
坚固耐用，适用于船舶环境。
星形配置
星形配置通过策略性布局的局域网交换机组成了局域网的骨干。这种配置允许最大限度的冗余以确保各种系统之间的可靠通信。常规光纤电缆（4芯光纤导线和8芯光纤导线）用于将LAN连接到其他设备或最终用户。这种配置已经用于
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