一種水下遙控通信網絡的製作方法
2023-06-21 04:06:16 2
一種水下遙控通信網絡的製作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種水下遙控通信網絡，包括水上網絡和水下網絡，水上的每個控制器與水上的兩個交換機形成若干獨立的第一環網，水下的每個控制器與水下的兩個交換機形成若干獨立的第一環網，水上、水下的交換機和水上、水下的光端機形成第二環網，整個網絡由第二環網和建立在第二環網上的若干並列的第一環網組成多網交叉的網絡結構，網絡中的所有控制設備、網絡鏈路均設有備份，網絡冗餘程度和容錯性很高，第二環網上可任意擴展第一環網，網絡可擴展性強，並有利於形成可靠性高的分布式控制系統，整個網絡結構清晰、設計合理、成本低廉，特別適用於水下遙控裝備信號傳輸。
【專利說明】—種水下遙控通信網絡
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種水下遙控通信網絡，特別涉及一種具有較高的冗餘性和可擴展性的水下遙控通信網絡，屬於通信【技術領域】。
【背景技術】
[0002]水下作業環境複雜，且作業設備的非線性、時變性和交叉耦合性非常嚴重，對於各控制部件的協同工作，尤其是對信息傳輸的實時性、穩定性、可靠性和冗餘性等提出了很高的要求，因此通信網絡的穩定可靠是水下作業的關鍵。水下通信網絡由於組網面積大、網絡鏈路長、水下環境惡劣，網絡結構更易發生損壞且維護難度大，因而相對於地上網絡結構，其對網絡系統的可靠性要求更高。
[0003]現有技術的水下通信網絡拓撲結構一般採用單總線型的網絡結構，這種結構簡單明了、易於實現，但總線一旦堵塞，系統的通信就面臨著崩潰的危險，系統可靠性較差；從軟體層面來看，水下作業的底層通信一般採用點對點的通信方式，總體控制形式多為集中控制型，即設計一個主控通信節點，在其他模塊上安裝通信子節點，由主控通信節點對整個系統的通信進行統一的調度。這種模式易造成主控通信節點工作量過大，一旦損壞，將會對整個系統帶來巨大的危害。顯然，現有技術的單總線、集中控制型通信網絡，無法滿足水下通信網絡對於穩定性、可靠性的要求。
[0004]【光通信技術】2013年第2期，論文「一種雙環自愈型水下光纖通信傳輸系統」，公開了一種高可靠性的雙環自愈型水下光纖數據傳輸系統，利用2芯光纖組成單纖雙向雙環網，每個節點的4個光口互為備份進行通信，從而形成兩條並行、可相互備用的通信網絡，使得節點間出現單纖故障、雙纖故障等情況時，都能保障信息傳輸通道的暢通，顯著提高水下通信系統的可靠性，可廣泛應用於水下傳感器信號大面積組網傳輸，包括用於港口、海上鑽井平臺和油碼頭等設施的安全防範及水下武器試驗信息採集。
[0005]但是，上述文獻公開的雙環型通信網絡仍然存在明顯的缺陷與不足:一是僅有網絡鏈路(光纖)的備份，所有的控制設備均未進行備份，而控制設備在環網中處於網絡節點位置，當任一控制節點出現故障即中斷整個網絡，嚴重降低了網絡的冗餘程度和容錯性；
[0006]二是通信網絡由兩條並列的環網組成，無論如何擴展都僅有兩個環網，網絡的可擴展性較差，且任意擴展都勢必改變原有的部分網絡，安裝維護不便；
[0007]三是環網結構各控制設備相互連接形成環網，各控制節點的運行相互影響、不能獨立，環網結構無法形成可靠性更高的分布式通信網絡；
[0008]四是水上水下的所有網絡鏈路均採用光纖，網絡硬體成本過高，且對於可以適用網絡電纜的水上網絡部分也採用光纖布網，存在結構浪費，整個網絡成本過高而不利於推廣應用。
實用新型內容
[0009]本實用新型的目的旨在克服現有技術的水下通信網絡存在的冗餘程度和容錯性低、可擴展性差、不便於形成可靠性高的分布控制網絡、硬體成本過高等缺陷，提供一種水下遙控通信網絡，網絡中的所有控制設備、網絡鏈路均設有備份，網絡冗餘程度和容錯性很高，整個網絡由第二環網和建立在第二環網上的若干並列的第一環網組成多網交叉的網絡結構，網絡可擴展性強，有利於形成可靠性高的分布式控制系統，整個網絡結構清晰、設計合理、成本低廉。
[0010]為了實現上述目的，本實用新型通過以下技術方案實現:一種水下遙控通信網絡，所述水下遙控通信網絡包括水上網絡和水下網絡，所述水上網絡包括η個位於水上的控制器，以及位於水上的第一交換機和第二交換機，所述每個位於水上的控制器具有兩個相連的CPU，所述兩個CPU的網口分別與第一交換機、第二交換機連接，所述第一交換機和第二交換機之間通過網線連接，所述每個位於水上的控制器與第一交換機、第二交換機形成一個獨立的第一環網；所述水下網絡包括η個位於水下的控制器，以及位於水下的第三交換機和第四交換機，所述每個位於水下的控制器具有兩個相連的CPU，所述兩個CPU的網口分別與第三交換機、第四交換機連接，所述第三交換機和第四交換機之間通過網線相連，所述每個位於水下的控制器與第三交換機、第四交換機形成一個獨立的第一環網；所述水上網絡還包括水上光端機，所述水下網絡還包括水下光端機，所述第一交換機、第二交換機分別與水上光端機相連，所述第三交換機、第四交換機分別與水下光端機相連，所述水上光端機和水下光端機通過光纖相連接，所述第一交換機、第二交換機、第三交換機、第四交換機、水上光端機、水下光端機組成第二環網。
[0011]一種水下遙控通信網絡，所述每個控制器的兩個CPU通過信號線相連，所述水上的控制器與第一交換機、第二交換機通過網線相連，所述水下的控制器與第三交換機、第四交換機通過網線相連，所述第一交換機、第二交換機與水上光端機通過網線相連，所述第三交換機、第四交換機與水下光端機通過網線相連，所述水上光端機和水下光端機通過單向雙向傳輸的光纖相連。
[0012]一種水下遙控通信網絡，所述水上光端機、水下光端機包括使用光通道和備用光通道。
[0013]與現有技術相比，本實用新型具有的有益效果在於:
[0014]1、所有硬體設備包括控制設備和網絡鏈路均進行冗餘設計，大大提高了網絡的冗餘度和容錯性，通信網絡可容許三條線路同時發生故障的情形，顯著高於現有技術的水下通信網絡的容錯度。
[0015]2、整個通信網絡由第二環網和建立在第二環網上的若干並列的第一環網組成的多重、交叉的網絡結構，網絡結構清晰合理，並且只要通信網絡中交換機的網口足夠多，就可以無限制地擴展第二環網，網絡的可擴展性非常強。
[0016]3、每個控制器與交換機之間形成若干獨立的第一環網，控制器之間有互連的通信通道，可形成分布式通信系統，單個控制器的故障僅影響該控制器所在的第一環網的運轉，不影響其它控制器的正常運行，網絡可靠性顯著增強，同時有利於減輕主節點的通信負擔，有效地避免網絡堵塞。
[0017]4、各控制器之間、控制器與交換機之間、交換機與光端機之間，由於距離較短而採用網線或者信號線連接，僅在水上光端機、水下光端機之間採用光纖連接，適應距離較遠、可靠性要求較高的特點，整個網絡的通信介質選擇綜合考慮了控制器自身的特點以及實際的通信需求，網絡性價比非常高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本實用新型的水下遙控通信網絡結構圖；
[0019]圖2為本實用新型的水下遙控通信網絡接線圖；
[0020]圖3為本實用新型的水下遙控通信網絡信號傳輸圖。
【具體實施方式】
:
[0021]以下結合附圖，對本實用新型做進一步的闡述。
[0022]本實用新型提供的水下遙控通信網絡，應用於一種對通信傳輸實時性及準確性要求比較高的水下作業領域。由於對通信傳輸的實時性要求非常高，如果將控制器均設置在水上，水下僅有傳感器進行信息採集，則存在兩方面弊端:一是狀態信息由傳感器傳至水上，控制器進行解算後再將控制指令傳至水下必定需要一定的傳輸時間，這個時間的延時對實際應用是不允許的；二是傳感器的信息需遠距離傳輸至水上，這樣難免會有信號幹擾，控制器採集數據的準確性就無法保證，會直接影響到控制器下達準確的控制指令。因此，本實用新型的水下遙控通信網絡採用在水上、水下分別設置控制器，由水下控制器直接採集傳感器數據並進行相關控制，可以有效克服通信時延和信號幹擾等問題。
[0023]本實用新型提供的水下遙控網絡的網絡結構如圖1和圖2所示。圖中，粗虛線代表光纖，粗實線代表網線，細虛線代表信號線。水上網絡部分以水上的控制器k為例，水上的控制器k的CPUl和CPU2之間通過信號線⑦相連，CPUl通過網線①接至交換機1，CPU2通過網線②接至交換機2，交換機I與交換機2之間通過網線⑤相連，於是水上的控制器k、交換機1、交換機2形成一個獨立的第一環網。水下網絡部分與水上的相同，以水下的控制器k為例，水下的控制器k的CPUl和CPU2之間通過信號線相連，CPUl通過網線接至交換機3，CPU2通過網線接至交換機4，交換機3與交換機4之間通過網線相連，於是，水下的控制器k、交換機3、交換機4形成一個獨立的第一環網。水下遙控通信網絡還包括水上光端機和水下光端機，其中，交換機I和交換機2分別通過網線③和④接至水上光端機，交換機3和交換機4分別通過網線③和④接至水下光端機，水上光端機和水下光端機通過單根、雙向傳輸光纖⑥相連，於是，交換機1、交換機2、交換機3、交換機4、水上光端機和水下光端機組成第二環網。
[0024]本實用新型提供的水下遙控通信網絡，包括第二環網，以及建立在第二環網基礎上的若干位於水上、水下的第一環網，其中，第一環網與第二環網是交叉的，一個完整的通信鏈路的組成必須同時包括第一環網和第二環網，與現有技術的並列的雙環網相比，組網方式及原理均不相同。本實用新型的水下遙控通信網絡，第一環網是建立在第二環網之上的，只要通信網絡中交換機的網口足夠多，就可以無限制地擴展第一環網，這樣就形成了一個大環上有無數個小環的多重環狀網絡，因而網絡可擴展性很強，而現有技術的並列的雙環網無論如何擴展，都僅有兩個環網，可擴展性較差。本實用新型的通信網絡，水上、水下的每個控制器分別與交換機組成獨立的第一環網，任意一個第一環網的故障並不影響其它第一環網的正常運轉，因而網絡容錯性非常高，並有利於形成分布式通信控制。而現有技術的控制器相互連接成環網，任一控制器的故障都將導致整個網絡的中斷，容錯性較低。
[0025]本實用新型的水下遙控通信網絡的傳輸介質選用包括:每個控制器的兩個CPU之間選用信號線連接，控制器與交換機、控制器之間、交換機之間、交換機與光端機之間採用網線連接，水上、水下光端機之間採用單根雙向傳輸光纖連接。本實用新型的通信網絡中，控制器之間實際上形成了一個工業乙太網的通信網絡，各控制節點之間的通信協議為乙太網，由於各控制器之間距離較短，網線傳輸即可滿足其可靠性要求，同時各控制器之間的接口為RJ45(即乙太網口)，因此不採用光纖傳輸。而水上、水下光端機之間通信傳輸距離較遠，採用網線的可靠性不如光纖，因此水上水下光傳輸設備通過光纖傳輸。這樣區別設計綜合考慮了控制器自身的特點以及網絡傳輸的實際需求，大大降低網絡傳輸的成本，性價比非常高。
[0026]本實用新型提供的水下遙控通信網絡的信號傳輸方向如圖3所示，圖中的黑色粗線代表系統實際連線，帶箭頭的實線和虛線分別代表兩個方向的傳輸信號。以水上至水下信號的傳輸為例，交換機I和交換機2的電信號分別進入水上光端機的光模塊I和光模塊
2,轉換為波長為1310nm和1550nm的光信號,經光端機進行合波後，由光纜傳輸至水下光端機中進行解波，之後波長為1310nm的信號進入水下光模塊1，波長為1550nm的信號進入水下光模塊2，經轉換後變為電信號I和電信號2進入水下的交換機3、交換機4。水下至水上信號的傳輸過程與水上至水下信號的傳輸過程完全一致，方向相反。
[0027]本實用新型提供的水下遙控通信網絡的冗餘性、容錯性進行分析如下:
[0028]通信系統故障的原因包括通信設備故障和通信線路故障，本實用新型提供的水下遙控通信網絡對於通信設備(網絡節點)和通信線路均進行了冗餘設計，因而容錯性大大高於常用的通信網絡。水上、水下的所有控制器均選用具備雙CPU並行處理功能的控制器，CPUl和CPU2同步工作，互為備用，一臺CPU故障不會影響控制器的性能；水上水下各設計兩臺交換機，且兩臺交換機之間通過網線相連，一臺交換機故障同樣不會影響整個通信網絡的運行；水上、水下光端機均設計了兩個光通道，其中一個為備用光通道，兩個傳輸通路完全一致，一旦出現光傳輸通路不通，可切換至另一條通路，繼續工作。
[0029]本實用新型提供的水下遙控通信網絡，由於通信設備的冗餘機制，使得通信網絡可容許更多的通信線路故障。僅考慮各通信設備之間的網線，以水上部分的通信線路為例，在①、②、③、④、⑤中，通信網絡可容許的通信線路故障包括:
[0030]1、一條線路故障，包括:①/②/③/④/⑤；
[0031]2、兩條線路同時故障，包括:①③/①④/②③/②④/①⑤/②⑤/③⑤/④⑤；
[0032]3、三條線路同時故障，包括:①③⑤/②④⑤；
[0033]綜上所述，本實用新型網絡結構清晰，可擴展性強，實施方便，且容錯性強，能夠在通信設備和通信網絡出現故障的情況下繼續正常工作，大大提高了系統的可靠性。
【權利要求】
1.一種水下遙控通信網絡，其特徵在於:所述水下遙控通信網絡包括水上網絡和水下網絡，所述水上網絡包括η個位於水上的控制器，以及位於水上的第一交換機(I)和第二交換機(2)，所述每個位於水上的控制器具有兩個相連的CPU，所述兩個CPU的網口分別與第一交換機(I)、第二交換機(2)連接，所述第一交換機(I)和第二交換機(2)之間通過網線連接，所述每個位於水上的控制器與第一交換機(I)、第二交換機(2)形成一個獨立的第一環網； 所述水下網絡包括η個位於水下的控制器，以及位於水下的第三交換機(3)和第四交換機(4)，所述每個位於水下的控制器具有兩個相連的CPU，所述兩個CPU的網口分別與第三交換機(3)、第四交換機(4)連接，所述第三交換機(3)和第四交換機(4)之間通過網線相連，所述每個位於水下的控制器與第三交換機(3)、第四交換機(4)形成一個獨立的第一環網； 所述水上網絡還包括水上光端機，所述水下網絡還包括水下光端機，所述第一交換機(I)、第二交換機(2)分別與水上光端機相連，所述第三交換機(3)、第四交換機(4)分別與水下光端機相連，所述水上光端機和水下光端機通過光纖相連接，所述第一交換機(I)、第二交換機(2)、第三交換機(3)、第四交換機(4)、水上光端機、水下光端機組成第二環網。
2.根據權利要求1所述的一種水下遙控通信網絡，其特徵在於:所述每個控制器的兩個CPU通過信號線相連，所述水上的控制器與第一交換機(I)、第二交換機(2)通過網線相連，所述水下的控制器與第三交換機(3)、第四交換機(4)通過網線相連，所述第一交換機(I)、第二交換機(2)與水上光端機通過網線相連，所述第三交換機(3)、第四交換機(4)與水下光端機通過網線相連，所述水上光端機和水下光端機通過單向雙向傳輸的光纖相連。
3.根據權利要求1或2所述的一種水下遙控通信網絡，其特徵在於:所述水上光端機、水下光端機包括使用光通道和備用光通道。
【文檔編號】H04B10/032GK204013539SQ201420411657
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月24日 優先權日:2014年7月24日
【發明者】徐國華, 夏英凱, 趙寅, 秦元慶, 向先波, 趙春城 申請人:華中科技大學