基于RS－485總線的艦船損管訓練平臺監控系統研究

常 壯 邱金水 劉伯運

1海軍裝備指揮學院實驗指揮系,北京 101416

2海軍工程大學 船舶與動力學院，湖北 武漢 430033

基于RS－485總線的艦船損管訓練平臺監控系統研究

常 壯1邱金水2劉伯運2

1海軍裝備指揮學院實驗指揮系,北京 101416

2海軍工程大學 船舶與動力學院，湖北 武漢 430033

通過構建監控網元的特殊數據結構，將基于RS－485現場總線、嵌入式技術和以太網技術的艦船損管仿真綜合訓練自動化監測與控制系統中的軟、硬件設計融為一體，使系統具備良好的電氣特性、高效的傳輸速率和穩定的工作性能，較好地實現了模擬災害設置、訓練實時監控和訓練動態管理等功能。

損管訓練；監測與控制；RS－485總線；嵌入式技術

1 引言

艦船損管訓練，有助于提高艦員在海損事故中正確、及時、有效地開展損管行動的能力，具有極大的現實意義［1］。為貼近實戰，各國都建有仿真度和現代化程度較高的損管訓練設施。美國、英國、荷蘭等國海軍設有專門的損管訓練中心和損管學校，配備有比較先進的模擬訓練系統，美國和葡萄牙甚至還設有實船嵌入式的虛擬損管訓練系統［2-3］。在國內，隨著技術的進步，一些航海院校及海警也建立了相應的損管訓練模擬設施并得到逐步完善。在一些大型的船舶研究機構和海軍系統，甚至已經開始對虛擬損管訓練開展相關研究且成效顯著［4］。

艦船損管仿真綜合訓練平臺運用工業自動化控制技術、計算機軟件和網絡技術，較為真實地模擬了多種損害環境，能實時控制和監測訓練仿真環境及訓練全過程、記錄和分析訓練數據并進行訓練評價，其多種訓練效果的實現很大程度上依賴于自動化監控系統的設計。

2 損管仿真綜合訓練平臺的功能與架構

2.1 損管仿真綜合訓練平臺功能

艦船損管仿真綜合訓練平臺具有以下基本功能：

1）損管基本理論的學習。幫助艦員熟悉艦艇艙室、相關規章制度、損管設施分布和使用、不沉性文件等。

2）損管指揮流程的訓練。培養指揮員根據現場災害狀況組織損管作戰、損管指揮決策和組織指揮能力。

3）損管基本技能訓練。使艦員掌握損管設施的操作使用技能，提高損管和心理適應能力。

4）損管指揮與技能的協同訓練。訓練各級人員在多種災害環境下指揮、實裝操作的協同，提高指揮員決策指揮和損管隊員技能操作的協同作戰能力。

5）學科研究和實驗論證。作為研究和論證與艦船損管有關課題的平臺，可以研究各類災害發生和蔓延的規律、研發新型損管器材和損管監控系統、嘗試和論證新的損管作戰方案及輔助決策等的可行性。

2.2 損管仿真綜合訓練平臺架構

系統采用通常的三層結構，即設備層、監測層和信息處理層［5］，其網絡構架如圖1所示。

1）現場設備層。該層是執行控制命令，完成模擬損管環境的設置。根據不同模擬訓練艙室的功能，分別配置有電火裝置、碟閥控制的破損模擬、通風裝置、發熱裝置、發煙裝置、喇叭、聲光報警器等，通過現場手動操作控制面板或中央控制計算機遠程控制，營造煙、熱、聲、火、破損進水等模擬災害環境。

2）監控層。包括現場總線和嵌入式系統在內的監控體系，用以控制現場設備和監測訓練現場的實時狀態數據。溫度、煙霧、流量、壓力等多種傳感器實時采集訓練現場的環境、設備狀態等數據，集控中心根據監測數據對現場設備的運行狀態進行人為或自動控制。

3）信息處理層。這一層次包括數據處理器組、數據庫服務器、人機界面、網絡設備和系統軟件等，它是整個仿真訓練系統的核心體系，擔負著數據處理、通信實現、人機交互、訓練控制與管理等任務。

3 損管仿真綜合訓練平臺監控系統設計

有別于實船損管監控體系，損管仿真綜合訓練平臺中的監控系統既要監測模擬艙室的狀態和控制模擬設備運行，還要對營造訓練仿真環境的設備，如破口蝶閥、電火箱、煙霧發生器、水泵等進行實時地監測和控制，并在人機界面的虛擬設備中對受訓人員的實裝操作生成相應的事件動作響應。

結合損管指揮和技能訓練的層次設置，監控體系采取導演中心、艦指揮所、損管站與虛擬操演戰位的三級監管結構，它由多臺不同監控任務和訓練層次的節點計算機以及實裝操作平臺組成，分別模擬損管導演臺、艦指揮戰位、損管中心站、損管虛擬操作戰位和實裝操演中心，其設置如圖2所示。其中，導演臺既有監控管理計算機又有任務數據庫服務器，既可通過人機界面的虛擬設備與實裝聯動響應來下達訓練科目，又能通過操作事件聯動響應和實時視頻對損管訓練進行綜合評分；損管中心包括艦指揮戰位、損管中心站和損管虛擬操作戰位三個節點計算機，既可完成兩級損管指揮，又可完成損管技能虛擬操作。

3.1 監控系統設計思路

3.1.1 需求分析及特點

1）監控的元素和信號類別、數量多，輸入、輸出體系龐大。為實現破損模擬、化學和水滅火模擬、潛水脫險等多種訓練環境并全面監控，系統大量采用電磁蝶閥、模擬電火機構、煙氣發生器及多種傳感器等電氣類設備和器材；

2）為保證信號的穩定性和精度，要求監控體系具有良好的抗干擾性。除壓力傳感器、智能蝶閥、液位檢測計等直流低壓電器的信號線路外（以下稱“弱電”），還有交流220 V或380 V供電的攝像機、水泵、異步電機等設備控制及照明線路（以下稱“強電”），線路中信號交叉干擾性大；

3）要求具備較高的通信速率以保證信號流暢和系統的工作效率。對應于大量的電氣設備和器材，需要設置的監控點相對較多，且實時性要求較高；

4）設備和線路要求達到一定強度和耐受度。損管訓練的多種災害環境使得監控環境對比于工業環境具有其特殊性，即水浸泡、高溫、腐蝕液劑等多重損耗。

3.1.2 設計方案

鑒于上述分析，采用基于RS－485總線的開放式系統，并利用嵌入式接口將現場網絡接入以太網，可以實現遠程多級監控，滿足總體設計要求。考慮到工況環境特殊，在監測、控制和傳感設備選型上，盡量采用嵌入式智能儀器，將測控任務分散在各個現場設備中，避免原始測控信號因往返傳輸中的干擾和損耗而影響其可信度、精度和穩定性。除用線選型（屏蔽雙絞線）外，在線路敷設上，強、弱電按類分離走線，并安裝防護管具、遠離腐損區域布設，既降低信號互擾，又增強線路安全系數。

由于監控系統中很多設備或元素既要受控又要受測，且人機界面事件要與實裝操作生成一一對應的實時響應并同時涉及多個監測和控制設備，因此，此時的監控數據是一個包含了某監控事件多重信息的數據包，本系統中將其定義為監控網元 （MCNM），它是一個類似于結構體的數據組，其中每條數據成員定義為數據項（DI），用以描述網元的每個信息細節，如網元名稱、控制指令內容、監控結果數據、操作權限標志及界面熱區有效性標志等。

按照訓練進程，通過人機界面的鼠標熱區點擊實現某個災害狀況或訓練背景的設置，只要符合權限標志和設備有效性檢驗，就產生一個有效的監控事件，并與之對應地引發一個監控網元的生成，數據元的信息數據中所涵蓋的是對所指設備或環境的控制和監測信息的反饋，是人機界面生成生動、形象場景的后臺依據。監控網元能否在場景中直觀展現是通過驗證函數的關鍵數據元參數實現的。

有效的網元生成后，網元監測設備將受控設備和環境的實時狀態數據不斷反饋至三級監控計算機，生成可視畫面，并為導演臺的管理計算機提供評估要素。

3.2 監控網絡設計

根據設計方案，將該三級監控系統設計為以以太網為中心的星形網絡——RS－485總線拓撲結構。以太網層網絡采用TCP／IP協議，RS－485總線網層采用DCON通信協議。系統以工控機作為連接RS－485總線網絡與以太網網絡的樞紐，既解決了兩層網絡在通信協議上的沖突，又滿足了損管導演臺作為管理計算機的設置需要。主從計算機組的訓練軟件也即監控軟件，如上文所述，軟件界面中動態場景細節與動作響應，對應于監控事件生成的網元數據。為了更細致、直觀地描述RS－485總線網中的各種現場監控設備，圖1將其按照功能和用途分為監測、控制和通信三類分系統。

3.3 監控系統工作流程

監控的過程就是監控網元不斷產生和工作的過程，它是與訓練進程相結合的，其工作流程見圖3所示。訓練開始后，設備就進入運轉控制并隨同訓練環境一起被實時監測，其狀態數據被不斷采集。訓練背景的變更或災害狀況的設置通過設備工況的轉變實現。隨著訓練結束或災害處置完成，對應的監控網元生命結束，監控事件完成。

4 監控系統實現

4.1 硬件部分技術措施

4.1.1 現場總線控制技術

現場總線技術以現場分散的測量點、控制儀表等具備數字計算與數字通信能力的現場設備作為網絡節點，以總線作為節點間實現數字通信的紐帶，構成開放式、數字化的底層控制網絡，是網絡集成式全分布控制系統。與傳統監控系統相比，總線控制系統減少了布線、調試及安裝成本，具有更高的可靠性。

系統采用RS-485總線作為數據傳輸鏈路，實現半雙工異步通信。RS-485標準通信接口應答在一對屏蔽雙絞線上進行多點、雙向通信，每個終端只需通過接口掛在總線上就可實現多點總線結構，且該標準只規定接口的電氣特性，不涉及接插件、電纜或協議，用戶可建立自己的高層通信協議。由于RS-485差動輸出狀態與差分輸入狀態的相互轉換都需要一定時間，為提高穩定性和可靠性，在軟件編程中加入了幾十個毫秒的延時。另外，為增強抗干擾性能，采用獨立電源供電，并在總線始末端各接入終端匹配電阻，抑制噪聲和回波反射［6］。實踐表明，RS-485總線系統抗干擾性好、布線方便、傳輸距離遠，滿足監控需要。

4.1.2 嵌入式模塊技術

嵌入式系統軟硬件可裁剪、可靠性高，能適應冷熱、振動、腐蝕等各種變化，可在惡劣環境下實現工控網絡和上層信息網絡的無縫連接。系統除運用嵌入式智能設備如電磁流量計、智能磁閥和傳感器等外，還采用了嵌入式現場模塊 （如ICP DAS系列）。該類模塊的內置微處理器、雙看門狗安全設計、過高壓隔離保護等，使其具有可靠性好、抗干擾能力強、組合靈活等特點，非常適用于計算機數據采集和控制。

嵌入式現場模塊接入系統前設置唯一地址、相同的通信速率，直接掛接在RS-485通信總線上。模塊內置的“自適應”ASIC芯片，能自動調節整個網絡的數據格式和通信速率，使不同速率、數據格式的設備工作在同一總線網絡中。

4.2 軟件部分關鍵技術

4.2.1DCON 通信協議

DCON協議是一種基于RS-485網絡的應用協議，它是用于I／O模塊的一種命令／應答式（C／R）通信協議。它的定義為可打印的ASCII碼格式，如￥AAN、￥AAS6等。DCON協議因具有易于使用、兼容性好等特點而被廣泛采用。

對于主從應答方式的RS-485網絡而言，DCON的這種C／R式協議簡單可靠、實用性好，兩者在通信需求上是相互匹配的。

4.2.2MSComm 與 Socket技術

訓練（監控）程序采用VB編程語言實現，它包含的串行通信控件MSComm和網絡控件Winsock使得現場監控網絡與遠程網絡融為一體，是兩層網絡內部及網間實現通信互聯和數據交互的關鍵部件［7］：

1）MSComm串行通信控件實現主監控計算機與底層總線網絡間的通信。它提供一系列標準通信命令接口，可發送命令、進行數據交換及監控和響應通信過程中發生的錯誤和事件，從而可建立事件驅動的高效實用的通信程序。

2）Winsock網絡控件使監控主機通過局域網與從機建立聯機，實現監控的網絡化拓展。WinSock是一個WOSA類型的部件，是應用程序與網絡之間的標準接口［8］。它通過UDP或TCP協議進行數據交換，工業控制應用一般都采用數據傳輸更加可靠的TCP協議。

4.2.3 監控系統的人機界面

人機交互監控界面將平面數據描述和三維立體展示相結合，界面狀態和現場操作實時響應，為損管訓練提供了很好的人機環境。監控系統界面實例如圖4所示。如前所述，監控網元的定義將監控數據封裝為對應于監控事件的數據包，它是界面動態交互的數據基礎和來源。通過為數據包建立合理的界面輸出對象，就可以拓展數據的展示方式，從而更好、更多渠道地滿足監控及損管訓練的需要。

5 評價與展望

本文綜合運用RS-485總線和嵌入式技術，為艦船損管綜合模擬訓練成功構建了一個總線式監控系統，將現場監控網絡上升到以太網的架構上來，實現了兩級網絡對損管仿真訓練的實時監控。該系統的調試及初步使用表明，由總線式現場監控網絡成本低、組網方便、性能優良且易于拓展。隨著現場總線和嵌入式技術的不斷發展，智能儀器的網絡可兼容性將會越來越強，通過總線組網實現監控也會越來越便捷。

［1］邱金水，浦金云，陳兆良.艦艇損管監控系統與損管訓練［M］.武漢：海軍工程大學出版社，2001.

［2］TATE D L，SIBERT L，KING T.Using VEs to train firefighters ［J］.IEEE Computer Graphics and Applications，1997，17（6）：23-29.

［3］JOSE M S，VARELA，GUEDES C.A virtual environment for decision support in ship damage control ［J］.IEEE Computer Graphics and Applications，2007，27（4）：58-69.

［4］肖維維.基于虛擬現實的艦船損管訓練系統研究與開發［D］.武漢：武漢理工大學，2007.

［5］雷寧，邱金水，吳曉輝.艦艇損管綜合訓練系統研究［J］.中國艦船研究，2008，3（3）：67-68.

［6］李煥哲，張有華.基于RS-485總線的數據采集系統通信協議的設計與實現［J］.冶金自動化，2004（增刊 1）：382-385.

［7］范逸之.Visual Basic與分布式監控系統［M］.北京：清華大學出版社，2002.

［8］艾光利，馬燕.基于Sockets的計算機遠程監控技術及實現［J］.重慶師范大學學報（自然科學版），2004，21（1）：33-37.

Monitoring and Controlling System for Integrated Warship Damage-Control Training Simulator Based on RS-485 Field Bus

Chang zhuang1Qiu Jin－shui2Liu Bo－yun2
1 Department of Experimental Command，Academy of Equipment Command and Technology，Beijing 101416，China
2 College of Naval Architecture and Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

By establishing a special data structure of MC Net－member， the designs of hardware and software were integrated into the automated monitoring and controlling system of warship damage－control training simulator， which was based on RS－485 field bus， embedded technology and Ethernet technologies.Consequently，the whole system was characterized with fine electrical behaviors， efficient transmitting speed and steady working performance.Based on that， the functions for setting simulated disasters，real－time monitoring and controlling， as well as dynamic training supervision were realized.

damage control training； monitoring and controlling； RS－485 fieldbus； embedded technology

U672.7

A

1673－3185（2011）01－86－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.01.017

2010-06-22

常 壯（1982－），男，碩士。研究方向：艦艇安全技術。E-mail：joanahwf@hotmail.com

邱金水（1963－），男，教授，碩士生導師。研究方向：艦艇生命力技術、防險救撈技術