基于船舶网络的信息采集性能分析与系统优化

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1、基于船舶网络的信息采集性能分析与系统优化中国船舶重工集团公司第七〇一研究所计算中心武汉430064谭亮谭亮：男，1979年生，工程师，在职研究生。王荣成王荣成：男，1963年生，研究员，硕士生导师。摘要本文以“大洋一号”科学考察船网络信息集成系统建设项目为背景实例，介绍了基于该船网络的信息采集系统工作原理，并利用数学模型进行了网络信息采集的性能分析，针对分析结果重点开展了有关系统实时性、可靠性优化方案的研究和探索。关键词：船舶网络信息采集性能分析系统优化1前言“大洋一号”船是我国第一艘从事大洋资源考察与研究任务的科学考察船，为纪念600年前伟大航海家郑和

2、“七下西洋”，该船于2006年首次完成了其环绕全球的远航。701所于2002年在国内首次实现了“大洋一号”船舶网络系统，并以船舶网络平台为基础，在二期信息化建设中将船舶导航通信、网络信息采集、船舶信息管理等集成为一个综合的船舶计算机网络信息集成系统，该系统成功经受这次全球航次的试验和检测。2信息采集系统性能分析作为“大洋一号”计算机网络信息集成系统核心的信息采集系统，是将全船导航、指控、测量设备输出信息实时采集和处理，根据不同应用需求发送采集数据到船舶网络联接设备接口上。“大洋一号”船的科学考察设备数量种类众多，信息采集系统需管理的设备主要有：1)GPS

3、系统（含差分DGPS）2)罗经3)气象仪4)重力仪5)磁力仪6)多波束系统7)超短基线8)浅层剖面9)ADCP系统10)水文CTD系统11)水下机器人ROV系统“大洋一号”信息采集系统使用RS-232和RS-422的串行接口标准，并通过联接到信息采集计算机管理126的多串口采集设备，对船上各测量设备输出的数据进行采集，利用采集系统接口软件实时分离和规格化，并将处理完成的数据传输到需要输入数据的其他设备相应端口上，最后完成测量设备信号采集及传输任务。信息采集系统示意图见图1所示。图1信息采集系统示意图根据工程中的实际需求，信息采集系统十分迫切要求提高系统运

4、行效率、保障实时性和减少延时处理。特别是随着日益增多的高科技含量测量设备逐步走上船舶，一些精密测量设备需要船舶网络能够提供其强实时性高效采集数据输入，其实时性的要求有的甚至超过军用领域要求。这就给信息采集系统提出了相当高的性能要求，如何提高系统处理速度、优化时延处理将是提升信息采集系统整体质量和技术层次的关键。下面本节将对信息采集系统的延时过程作一个简单的分析。我们以“大洋一号”信息采集系统为例来说明，其信息采集过程可以简化为下面的形式(如下图2所示)：图2信息采集过程示意图首先由DGPS设备输出原始数据DATA到多串口采集设备，经过该采集设备转发数据至

5、信息采集计算机（主机），主机再发送处理后的数据ACK至多串口设备，再由其转发输入到另一设备――重力仪，完成整个简化的信息采集过程。下面我们将对简化的模型进行系统延时的定量分析。如下图3所示，三个横坐标线A、B、C分别代表的是测量设备、多串口采集设备、主机，其中数据流DATA和ACK为1个单位量的数据帧，横向为时间TIME。126图3信息采集实时性能分析由上图所示，DATA数据帧的发送时间为tf，即测量设备发送一个数据帧的时间；由A传到B的传播时延为tp,到达B后多串口采集设备处理时间为ty,DATA数据帧再由B传到C的传送时间为tg,传播时延为tq；主机

6、C的处理时间为tz，完成了单向的输出过程。主机C向外输出数据帧ACK的传送时间为th,由C至B的传播时延应等于tq,B的处理时间为tw,ACK数据帧由B再到A的传送时间为te,传播时延应该等于tp,完成输入数据的过程。那么，单位数据帧总处理时间为tT＝tp＋tf＋ty＋tq＋tg＋tz＋th＋tq＋tw＋te＋tp=2(tp＋tq)+tf＋ty＋tg＋tz＋th＋tw＋te可以看到，测量设备传送一帧数据时间tf只与该设备本身相关，系统的优化并不能影响tf的改变。多串口采集设备传送一帧数据时间tg、te也只与本身设备性能相关；此外其处理时间ty和tw的差值

7、是很小的，可以考虑它们为近似相等，且它们的变化受该设备的传输性能影响。上式中的传播时延tp和tq只与各设备的布线距离相关,tz和th都是与主机相关的处理时间。因此，为研究问题的方便，上式可以近似写成：tT＝2(tp＋tq)＋tf(定值)＋(2ty＋tg＋te)+(tz＋th)进一步考虑到系统可能出现差错（数据帧丢失错误）的概率为p，可以将系统完成一个数据帧采集全过程的平均时间tAV为tAV＝tT＋(1－p)∑ipitT＝tT/(1－p)i€(1,∞)不难看出，差错概率p越小，平均时间tAV也就越小，因而p值也是与系统优化相关的一个量。综上所述，基于上面分

8、析的结果，信息采集系统的延时与下列时间量值有关，因而它们也将是系统延时处理与优化