CN104125009A - 一种水下遥控通信网络 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水下遥控通信网络，包括水上网络和水下网络，水上的每个控制器与水上的两个交换机形成若干独立的第一环网，水下的每个控制器与水下的两个交换机形成若干独立的第一环网，水上、水下的交换机和水上、水下的光端机形成第二环网，整个网络由第二环网和建立在第二环网上的若干并列的第一环网组成多网交叉的网络结构，网络中的所有控制设备、网络链路均设有备份，网络冗余程度和容错性很高，第二环网上可任意扩展第一环网，网络可扩展性强，并有利于形成可靠性高的分布式控制系统，整个网络结构清晰、设计合理、成本低廉，特别适用于水下遥控装备信号传输。

Description

一种水下遥控通信网络

技术领域

本发明涉及一种水下遥控通信网络，特别涉及一种具有较高的冗余性和可扩展性的水下遥控通信网络，属于通信技术领域。

背景技术

水下作业环境复杂，且作业设备的非线性、时变性和交叉耦合性非常严重，对于各控制部件的协同工作，尤其是对信息传输的实时性、稳定性、可靠性和冗余性等提出了很高的要求，因此通信网络的稳定可靠是水下作业的关键。水下通信网络由于组网面积大、网络链路长、水下环境恶劣，网络结构更易发生损坏且维护难度大，因而相对于地上网络结构，其对网络系统的可靠性要求更高。

现有技术的水下通信网络拓扑结构一般采用单总线型的网络结构，这种结构简单明了、易于实现，但总线一旦堵塞，系统的通信就面临着崩溃的危险，系统可靠性较差；从软件层面来看，水下作业的底层通信一般采用点对点的通信方式，总体控制形式多为集中控制型，即设计一个主控通信节点，在其他模块上安装通信子节点，由主控通信节点对整个系统的通信进行统一的调度。这种模式易造成主控通信节点工作量过大，一旦损坏，将会对整个系统带来巨大的危害。显然，现有技术的单总线、集中控制型通信网络，无法满足水下通信网络对于稳定性、可靠性的要求。

【光通信技术】2013年第2期，论文“一种双环自愈型水下光纤通信传输系统”，公开了一种高可靠性的双环自愈型水下光纤数据传输系统，利用2芯光纤组成单纤双向双环网，每个节点的4个光口互为备份进行通信，从而形成两条并行、可相互备用的通信网络，使得节点间出现单纤故障、双纤故障等情况时，都能保障信息传输通道的畅通，显著提高水下通信系统的可靠性，可广泛应用于水下传感器信号大面积组网传输，包括用于港口、海上钻井平台和油码头等设施的安全防范及水下武器试验信息采集。

但是，上述文献公开的双环型通信网络仍然存在明显的缺陷与不足：一是仅有网络链路(光纤)的备份，所有的控制设备均未进行备份，而控制设备在环网中处于网络节点位置，当任一控制节点出现故障即中断整个网络，严重降低了网络的冗余程度和容错性；

二是通信网络由两条并列的环网组成，无论如何扩展都仅有两个环网，网络的可扩展性较差，且任意扩展都势必改变原有的部分网络，安装维护不便；

三是环网结构各控制设备相互连接形成环网，各控制节点的运行相互影响、不能独立，环网结构无法形成可靠性更高的分布式通信网络；

四是水上水下的所有网络链路均采用光纤，网络硬件成本过高，且对于可以适用网络电缆的水上网络部分也采用光纤布网，存在结构浪费，整个网络成本过高而不利于推广应用。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术的水下通信网络存在的冗余程度和容错性低、可扩展性差、不便于形成可靠性高的分布控制网络、硬件成本过高等缺陷，提供一种水下遥控通信网络，网络中的所有控制设备、网络链路均设有备份，网络冗余程度和容错性很高，整个网络由第二环网和建立在第二环网上的若干并列的第一环网组成多网交叉的网络结构，网络可扩展性强，有利于形成可靠性高的分布式控制系统，整个网络结构清晰、设计合理、成本低廉。

为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种水下遥控通信网络，所述水下遥控通信网络包括水上网络和水下网络，所述水上网络包括n个位于水上的控制器，以及位于水上的第一交换机和第二交换机，所述每个位于水上的控制器具有两个相连的CPU，所述两个CPU的网口分别与第一交换机、第二交换机连接，所述第一交换机和第二交换机之间通过网线连接，所述每个位于水上的控制器与第一交换机、第二交换机形成一个独立的第一环网；所述水下网络包括n个位于水下的控制器，以及位于水下的第三交换机和第四交换机，所述每个位于水下的控制器具有两个相连的CPU，所述两个CPU的网口分别与第三交换机、第四交换机连接，所述第三交换机和第四交换机之间通过网线相连，所述每个位于水下的控制器与第三交换机、第四交换机形成一个独立的第一环网；所述水上网络还包括水上光端机，所述水下网络还包括水下光端机，所述第一交换机、第二交换机分别与水上光端机相连，所述第三交换机、第四交换机分别与水下光端机相连，所述水上光端机和水下光端机通过光纤相连接，所述第一交换机、第二交换机、第三交换机、第四交换机、水上光端机、水下光端机组成第二环网。

一种水下遥控通信网络，所述每个控制器的两个CPU通过信号线相连，所述水上的控制器与第一交换机、第二交换机通过网线相连，所述水下的控制器与第三交换机、第四交换机通过网线相连，所述第一交换机、第二交换机与水上光端机通过网线相连，所述第三交换机、第四交换机与水下光端机通过网线相连，所述水上光端机和水下光端机通过单向双向传输的光纤相连。

一种水下遥控通信网络，所述水上光端机、水下光端机包括使用光通道和备用光通道。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：

1、所有硬件设备包括控制设备和网络链路均进行冗余设计，大大提高了网络的冗余度和容错性，通信网络可容许三条线路同时发生故障的情形，显著高于现有技术的水下通信网络的容错度。

2、整个通信网络由第二环网和建立在第二环网上的若干并列的第一环网组成的多重、交叉的网络结构，网络结构清晰合理，并且只要通信网络中交换机的网口足够多，就可以无限制地扩展第二环网，网络的可扩展性非常强。

3、每个控制器与交换机之间形成若干独立的第一环网，控制器之间有互连的通信通道，可形成分布式通信系统，单个控制器的故障仅影响该控制器所在的第一环网的运转，不影响其它控制器的正常运行，网络可靠性显著增强，同时有利于减轻主节点的通信负担，有效地避免网络堵塞。

4、各控制器之间、控制器与交换机之间、交换机与光端机之间，由于距离较短而采用网线或者信号线连接，仅在水上光端机、水下光端机之间采用光纤连接，适应距离较远、可靠性要求较高的特点，整个网络的通信介质选择综合考虑了控制器自身的特点以及实际的通信需求，网络性价比非常高。

附图说明

图1为本发明的水下遥控通信网络结构图；

图2为本发明的水下遥控通信网络接线图；

图3为本发明的水下遥控通信网络信号传输图。

具体实施方式：

以下结合附图，对本发明做进一步的阐述。

本发明提供的水下遥控通信网络，应用于一种对通信传输实时性及准确性要求比较高的水下作业领域。由于对通信传输的实时性要求非常高，如果将控制器均设置在水上，水下仅有传感器进行信息采集，则存在两方面弊端：一是状态信息由传感器传至水上，控制器进行解算后再将控制指令传至水下必定需要一定的传输时间，这个时间的延时对实际应用是不允许的；二是传感器的信息需远距离传输至水上，这样难免会有信号干扰，控制器采集数据的准确性就无法保证，会直接影响到控制器下达准确的控制指令。因此，本发明的水下遥控通信网络采用在水上、水下分别设置控制器，由水下控制器直接采集传感器数据并进行相关控制，可以有效克服通信时延和信号干扰等问题。

本发明提供的水下遥控网络的网络结构如图1和图2所示。图中，粗虚线代表光纤，粗实线代表网线，细虚线代表信号线。水上网络部分以水上的控制器k为例，水上的控制器k的CPU1和CPU2之间通过信号线⑦相连，CPU1通过网线①接至交换机1，CPU2通过网线②接至交换机2，交换机1与交换机2之间通过网线⑤相连，于是水上的控制器k、交换机1、交换机2形成一个独立的第一环网。水下网络部分与水上的相同，以水下的控制器k为例，水下的控制器k的CPU1和CPU2之间通过信号线相连，CPU1通过网线接至交换机3，CPU2通过网线接至交换机4，交换机3与交换机4之间通过网线相连，于是，水下的控制器k、交换机3、交换机4形成一个独立的第一环网。水下遥控通信网络还包括水上光端机和水下光端机，其中，交换机1和交换机2分别通过网线③和④接至水上光端机，交换机3和交换机4分别通过网线③和④接至水下光端机，水上光端机和水下光端机通过单根、双向传输光纤⑥相连，于是，交换机1、交换机2、交换机3、交换机4、水上光端机和水下光端机组成第二环网。

本发明提供的水下遥控通信网络，包括第二环网，以及建立在第二环网基础上的若干位于水上、水下的第一环网，其中，第一环网与第二环网是交叉的，一个完整的通信链路的组成必须同时包括第一环网和第二环网，与现有技术的并列的双环网相比，组网方式及原理均不相同。本发明的水下遥控通信网络，第一环网是建立在第二环网之上的，只要通信网络中交换机的网口足够多，就可以无限制地扩展第一环网，这样就形成了一个大环上有无数个小环的多重环状网络，因而网络可扩展性很强，而现有技术的并列的双环网无论如何扩展，都仅有两个环网，可扩展性较差。本发明的通信网络，水上、水下的每个控制器分别与交换机组成独立的第一环网，任意一个第一环网的故障并不影响其它第一环网的正常运转，因而网络容错性非常高，并有利于形成分布式通信控制。而现有技术的控制器相互连接成环网，任一控制器的故障都将导致整个网络的中断，容错性较低。

本发明的水下遥控通信网络的传输介质选用包括：每个控制器的两个CPU之间选用信号线连接，控制器与交换机、控制器之间、交换机之间、交换机与光端机之间采用网线连接，水上、水下光端机之间采用单根双向传输光纤连接。本发明的通信网络中，控制器之间实际上形成了一个工业以太网的通信网络，各控制节点之间的通信协议为以太网，由于各控制器之间距离较短，网线传输即可满足其可靠性要求，同时各控制器之间的接口为RJ45(即以太网口)，因此不采用光纤传输。而水上、水下光端机之间通信传输距离较远，采用网线的可靠性不如光纤，因此水上水下光传输设备通过光纤传输。这样区别设计综合考虑了控制器自身的特点以及网络传输的实际需求，大大降低网络传输的成本，性价比非常高。

本发明提供的水下遥控通信网络的信号传输方向如图3所示，图中的黑色粗线代表系统实际连线，带箭头的实线和虚线分别代表两个方向的传输信号。以水上至水下信号的传输为例，交换机1和交换机2的电信号分别进入水上光端机的光模块1和光模块2，转换为波长为1310nm和1550nm的光信号，经光端机进行合波后，由光缆传输至水下光端机中进行解波，之后波长为1310nm的信号进入水下光模块1，波长为1550nm的信号进入水下光模块2，经转换后变为电信号1和电信号2进入水下的交换机3、交换机4。水下至水上信号的传输过程与水上至水下信号的传输过程完全一致，方向相反。

本发明提供的水下遥控通信网络的冗余性、容错性进行分析如下：

通信系统故障的原因包括通信设备故障和通信线路故障，本发明提供的水下遥控通信网络对于通信设备(网络节点)和通信线路均进行了冗余设计，因而容错性大大高于常用的通信网络。水上、水下的所有控制器均选用具备双CPU并行处理功能的控制器，CPU1和CPU2同步工作，互为备用，一台CPU故障不会影响控制器的性能；水上水下各设计两台交换机，且两台交换机之间通过网线相连，一台交换机故障同样不会影响整个通信网络的运行；水上、水下光端机均设计了两个光通道，其中一个为备用光通道，两个传输通路完全一致，一旦出现光传输通路不通，可切换至另一条通路，继续工作。

本发明提供的水下遥控通信网络，由于通信设备的冗余机制，使得通信网络可容许更多的通信线路故障。仅考虑各通信设备之间的网线，以水上部分的通信线路为例，在①、②、③、④、⑤中，通信网络可容许的通信线路故障包括：

1、一条线路故障，包括：①/②/③/④/⑤；

2、两条线路同时故障，包括：①③/①④/②③/②④/①⑤/②⑤/③⑤/④⑤；

3、三条线路同时故障，包括：①③⑤/②④⑤；

综上所述，本发明网络结构清晰，可扩展性强，实施方便，且容错性强，能够在通信设备和通信网络出现故障的情况下继续正常工作，大大提高了系统的可靠性。

Claims (3)

1.一种水下遥控通信网络，其特征在于：所述水下遥控通信网络包括水上网络和水下网络，所述水上网络包括n个位于水上的控制器，以及位于水上的第一交换机(1)和第二交换机(2)，所述每个位于水上的控制器具有两个相连的CPU，所述两个CPU的网口分别与第一交换机(1)、第二交换机(2)连接，所述第一交换机(1)和交换机第二(2)之间通过网线连接，所述每个位于水上的控制器与第一交换机(1)、第二交换机(2)形成一个独立的第一环网；

所述水下网络包括n个位于水下的控制器，以及位于水下的第三交换机(3)和第四交换机(4)，所述每个位于水下的控制器具有两个相连的CPU，所述两个CPU的网口分别与第三交换机(3)、第四交换机(4)连接，所述第三交换机(3)和第四交换机(4)之间通过网线相连，所述每个位于水下的控制器与第三交换机(3)、第四交换机(4)形成一个独立的第一环网；

所述水上网络还包括水上光端机，所述水下网络还包括水下光端机，所述第一交换机(1)、第二交换机(2)分别与水上光端机相连，所述第三交换机(3)、第四交换机(4)分别与水下光端机相连，所述水上光端机和水下光端机通过光纤相连接，所述第一交换机(1)、第二交换机(2)、第三交换机(3)、第四交换机(4)、水上光端机、水下光端机组成第二环网。

2.根据权利要求1所述的一种水下遥控通信网络，其特征在于：所述每个控制器的两个CPU通过信号线相连，所述水上的控制器与第一交换机(1)、第二交换机(2)通过网线相连，所述水下的控制器与第三交换机(3)、第四交换机(4)通过网线相连，所述第一交换机(1)、第二交换机(2)与水上光端机通过网线相连，所述第三交换机(3)、第四交换机(4)与水下光端机通过网线相连，所述水上光端机和水下光端机通过单向双向传输的光纤相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种水下遥控通信网络，其特征在于：所述水上光端机、水下光端机包括使用光通道和备用光通道。