艦船通信中心控制管理設(shè)備的冗余設(shè)計(jì)

張興龍， 徐一凡

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135)

艦船通信中心控制管理設(shè)備的冗余設(shè)計(jì)

張興龍， 徐一凡

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135)

介紹了艦船無線電通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備——通信中心控制管理設(shè)備冗余設(shè)計(jì)的原理、依據(jù)及過程。詳細(xì)分析了艦船通信中心控制管理設(shè)備應(yīng)急通信的設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)方案及其重點(diǎn)，并給出實(shí)際應(yīng)用時(shí)的處理方法。目前，設(shè)備已批量應(yīng)用于各類艦船，效果良好。

通信中心控制管理設(shè)備；冗余設(shè)計(jì)；可靠度；應(yīng)急系統(tǒng)

0 引 言

通信中心控制管理設(shè)備是當(dāng)前艦船無線電通信系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備之一，承擔(dān)著對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)進(jìn)行控制、檢測(cè)、轉(zhuǎn)換和協(xié)調(diào)等任務(wù)，具有對(duì)語音系統(tǒng)、報(bào)務(wù)、傳真、數(shù)據(jù)、信號(hào)及保密單元進(jìn)行綜合指揮調(diào)度的功能。因此，從某種意義上來看，通信中心控制管理設(shè)備的工作穩(wěn)定性和可靠性將直接影響艦船無線電通信的安全，關(guān)系到岸艦、艦艦之間的信息暢通和完整，在戰(zhàn)時(shí)將決定著協(xié)同作戰(zhàn)的成效。因此，在設(shè)計(jì)該設(shè)備時(shí)，除了必須確立其技術(shù)指標(biāo)的先進(jìn)性之外，還須重點(diǎn)考慮其可靠性和安全性，尤其是在當(dāng)前國產(chǎn)元器件的質(zhì)量及可靠性還不盡如人意的情況下，冗余設(shè)計(jì)凸顯出其重要的意義。通過冗余設(shè)計(jì)，可有效地提升設(shè)備的可靠性，使其滿足通信中心控制管理設(shè)備預(yù)期的可靠性要求。因此，從設(shè)計(jì)的整體角度看，冗余設(shè)計(jì)直接決定著通信中心控制管理設(shè)備電路設(shè)計(jì)是否成功及其設(shè)備在艦船上工作的穩(wěn)定性與可靠性。

1 通信中心控制管理設(shè)備的冗余設(shè)計(jì)工作原理

通信中心控制管理設(shè)備的原理見圖1。由圖1可知，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式部分為單項(xiàng)模塊化統(tǒng)一結(jié)構(gòu)電路，這部分為對(duì)各種不同類型通信設(shè)備的語音接口，其形式具有一致性。在當(dāng)前的艦船通信系統(tǒng)中，為確保通信系統(tǒng)安全可靠，通常會(huì)對(duì)各類通信電臺(tái)和數(shù)據(jù)設(shè)備進(jìn)行備份，所以在通信中心控制管理設(shè)備中，各模塊化單元的電路即使某一通道出現(xiàn)故障也不會(huì)造成整個(gè)通信系統(tǒng)癱瘓。但這部分的控制與時(shí)分復(fù)用單元的時(shí)序排列來自于原理框圖中指控交換部分，這一部分是整個(gè)通信中心控制管理設(shè)備的核心，與ST-BUS(數(shù)字通信中的一種時(shí)分復(fù)用總線結(jié)構(gòu)形式)相關(guān)的任何差錯(cuò)或時(shí)間邏輯錯(cuò)位都會(huì)造成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式部分時(shí)隙控制的紊亂，導(dǎo)致語音數(shù)字化傳輸出現(xiàn)失步，使通信系統(tǒng)的通信暢通受到嚴(yán)重威脅，因此在任何情況下都要避免。對(duì)通信中心控制管理設(shè)備指控交換部分，加以冗余設(shè)計(jì)，確保其正常工作。

1.1通信中心控制管理設(shè)備的冗余設(shè)計(jì)方案

冗余設(shè)計(jì)通常分為工作冗余和非工作冗余。

1) 工作冗余是指當(dāng)電子設(shè)備或電子系統(tǒng)中的某一部分或某一通路出現(xiàn)故障時(shí)，冗余單元能實(shí)時(shí)地自動(dòng)檢測(cè)出故障的發(fā)生，從而通過其轉(zhuǎn)換功能自動(dòng)轉(zhuǎn)換至冗余單元繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。然而在實(shí)際的冗余設(shè)計(jì)中，僅考慮某“部分”或某“通道”是不夠的，因?yàn)殡娐钒l(fā)生失效通常是某些關(guān)鍵元器件的預(yù)期壽命較短造成的，所以冗余設(shè)計(jì)時(shí)有必要對(duì)這些易失效的元器件進(jìn)行單獨(dú)的器件冗余，因此，在通信中心控制管理設(shè)備的工作冗余設(shè)計(jì)中加入對(duì)小單元及部分器件的冗余，即采用混合工作冗余方式。

2) 非工作冗余方式是當(dāng)電子設(shè)備的某一部分失效時(shí)，需外部進(jìn)行檢測(cè)、判斷并手動(dòng)切換至冗余單元繼續(xù)工作。雖然這種方式的實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，但在關(guān)鍵設(shè)備或系統(tǒng)中的作用通常較為有效，在關(guān)鍵時(shí)刻甚至起著決定性作用，如應(yīng)急系統(tǒng)。在通信中心控制管理設(shè)備中，應(yīng)急系統(tǒng)必須保證能在無條件的情況下使通信系統(tǒng)正常工作，甚至在最高級(jí)別的應(yīng)急通信時(shí)，該部分應(yīng)急冗余電路不能使用任何有源器件，只有如此才能確保即使在斷電的情況下，通信中心控制管理設(shè)備也能使通信系統(tǒng)最基本的操作功能得以正常實(shí)現(xiàn)。

1.2單元冗余設(shè)計(jì)的選擇

綜上可知，通信中心控制管理設(shè)備的冗余主要是對(duì)ST-BUS和PC-BUS(標(biāo)準(zhǔn)微處理機(jī)的總線結(jié)構(gòu)形式)的組合體進(jìn)行并聯(lián)冗余設(shè)計(jì)及在該組合體內(nèi)對(duì)重要部件進(jìn)行局部冗余。其完整的冗余方式見圖2。

在ST-BUS與PC-BUS組合體單元內(nèi)，對(duì)控制單元、ST時(shí)隙信號(hào)發(fā)生及部分器件采用局部并聯(lián)冗余的工作方式。并聯(lián)冗余主要用于為連續(xù)工作的電路提供不可逆的失效保護(hù)，其數(shù)學(xué)模型為

(1)

式(1)中：n為并聯(lián)單元數(shù)；R為可靠度；λ=1/M為失效率。

并聯(lián)冗余的可靠度函數(shù)見圖3。圖3中M為1/λ。顯然，當(dāng)n增大時(shí)，可靠度R將明顯提高，但隨著n的增大會(huì)使得電路的復(fù)雜度升高，且n越大，增加的元器件數(shù)越多，電路越復(fù)雜，反而使平均無故障工作時(shí)間(Mean Time Between Failure，MTBF)值下降。

工作冗余單元模塊數(shù)增加時(shí)對(duì)MTBF的影響見圖4。當(dāng)冗余模塊數(shù)增加時(shí)，雖然可靠性有所提高，但增加至>2時(shí)，系統(tǒng)MTBF值的提高速率開始下降。當(dāng)n=2時(shí)，系統(tǒng)MTBF值的達(dá)到最大化，為50%，可靠度的提升最為顯著，且額外增加的元器件相對(duì)最少，也更經(jīng)濟(jì)。在通信中心控制管理設(shè)備中，對(duì)于ST-BUS和PC-BUS的組合體及在組合體內(nèi)對(duì)重要部件進(jìn)行局部冗余，都采用一倍的冗余量，此時(shí)其性價(jià)比最高。根據(jù)式(1)，該組合體單元的可靠度為

R=1-(λt)2=1-(t/M)2

(2)

1.3組合體混合冗余的數(shù)學(xué)模型

ST-BUS和PC-BUS的組合單元是通信中心控制管理設(shè)備的核心，在設(shè)計(jì)上對(duì)該組合體進(jìn)行整體冗余，在組合體內(nèi)部對(duì)ST信號(hào)發(fā)生、控制單元及部分繼電器等進(jìn)行再冗余，即混合冗余。雙總線組合體的復(fù)合式冗余框圖見圖5。

對(duì)于組合體的混合冗余，其可靠度數(shù)學(xué)模型為

(3)

式(3)中：當(dāng)m=2，n= 2時(shí)，R=4e-2λt-4e-3λt+e-4λt

組合體的這種混合冗余對(duì)提高可靠度有著積極作用，但由于組合體本身的電路比較復(fù)雜，有著眾多的輸入/輸出接口，且信號(hào)格式各異，因此對(duì)雙總線組合體的復(fù)合式冗余在電路的設(shè)計(jì)技巧上有較高要求，需建立在高水平的電路設(shè)計(jì)理念上。同時(shí)，對(duì)接口、熱插拔、信號(hào)延遲控制及高頻電路的離散性等諸多電路內(nèi)涵特性有精準(zhǔn)的領(lǐng)會(huì)和把握，并考慮產(chǎn)品的電磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility, EMC)特性和語音傳輸中的音頻質(zhì)量等。

2 通信中心控制管理設(shè)備的應(yīng)急設(shè)計(jì)

通信中心控制管理設(shè)備在艦船無線電通信系統(tǒng)中有著特殊的作用，因此對(duì)其應(yīng)急能力有著較高的要求。應(yīng)急設(shè)計(jì)其實(shí)也是另一種形式的冗余設(shè)計(jì)，所以有必要對(duì)通信中心控制管理設(shè)備的應(yīng)急設(shè)計(jì)加以重視并制訂相應(yīng)的應(yīng)急規(guī)則。排除受到強(qiáng)制外力使得設(shè)備的線纜出現(xiàn)大面積損壞等極端情況，在其他任何條件下通信中心控制管理設(shè)備的應(yīng)急單元都必須確保艦船對(duì)外最基本的無線電通信暢通，這是對(duì)通信中心控制管理設(shè)備的要求，也是設(shè)計(jì)上必須滿足的條件。

2.1應(yīng)急冗余的設(shè)計(jì)原則

對(duì)于通信中心控制管理設(shè)備而言，應(yīng)急單元實(shí)質(zhì)上也是一種冗余設(shè)計(jì)，由于通信中心控制管理設(shè)備在艦船通信系統(tǒng)中處于特殊位置，設(shè)計(jì)中除了要考慮電路及部分電子器元件的失效外，還應(yīng)考慮軟件死機(jī)及外部電源出現(xiàn)斷電故障等情況。因此，應(yīng)急單元的設(shè)計(jì)思想應(yīng)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1) 當(dāng)處于冗余狀態(tài)下的PC-BUS和ST-BUS全部失效時(shí)，能保證至少3組通信鏈路完整暢通；

2) 通信鏈路的完整暢通是完全意義上的，并不附帶其余條件，要確保在這3組通信鏈路模式下的無線電通信設(shè)備能實(shí)現(xiàn)全部通信功能；

3) 當(dāng)通信中心控制管理設(shè)備處于應(yīng)急狀態(tài)時(shí)，內(nèi)設(shè)程序停止運(yùn)行，即通信應(yīng)急的實(shí)現(xiàn)不依賴任何軟件，而是以全硬件連接來保證通信鏈路暢通；

4) 應(yīng)急狀態(tài)電路的設(shè)計(jì)原則是盡量少地使用有源器件，當(dāng)必須使用有源器件時(shí)，該電源須具4組備份；

5) 應(yīng)急冗余分為自動(dòng)檢測(cè)轉(zhuǎn)換和手動(dòng)轉(zhuǎn)換2種；

6) 除了上述3組通信應(yīng)急鏈路之外，還需設(shè)計(jì)1個(gè)最高級(jí)的冗余備份。對(duì)其定義是，當(dāng)通信中心控制管理設(shè)備出現(xiàn)完全斷電故障時(shí)，仍能保證艦船通信系統(tǒng)中最重要和最基本的無線電通信設(shè)備與保密機(jī)之間的信息交換正常。

2.2應(yīng)急單元的設(shè)計(jì)分析

應(yīng)急單元是最小的工作通信模塊，須不依賴于任何工作軟件而獨(dú)立工作。由于軟件死機(jī)、編寫漏洞等軟件故障不可避免，因此軟件也是造成設(shè)備失效的主要原因之一。若應(yīng)急單元也依賴軟件工作，則本身就存在不可靠因素。因此，應(yīng)急單元一定是單獨(dú)依靠硬件來實(shí)現(xiàn)最小化的通信功能，即全硬件電路。同時(shí)，該電路的設(shè)計(jì)還要盡量實(shí)現(xiàn)用最少的元器件、最少的有源器件、最簡(jiǎn)潔的電路和最可靠的接插件。然而，在通信中心控制管理設(shè)備的外圍，所需傳輸信號(hào)的無線電通信設(shè)備有許多外部有源控制信號(hào)(如加密信號(hào)、去密信號(hào)、PTT信號(hào)和備妥信號(hào)等)，因此要實(shí)現(xiàn)有源控制信號(hào)的輸出，通信中心控制管理設(shè)備要對(duì)與此相關(guān)的控制信號(hào)設(shè)計(jì)相關(guān)電路，需引入電源，這對(duì)應(yīng)急電路電源的可靠性提出了較高的要求。在應(yīng)急單元啟動(dòng)之后，必須保證電源的正常。為可靠實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，在已設(shè)計(jì)定型的通信中心控制管理設(shè)備中，需采取以下措施確保電源系統(tǒng)的正常工作。

1) 交流轉(zhuǎn)直流24 V的雙備份冗余；

2) 各檔低壓直流的雙備份冗余；

3) 應(yīng)急單元單獨(dú)供電，且雙備份冗余；

4) 對(duì)外部通信設(shè)備有源信號(hào)產(chǎn)生部分的電源單獨(dú)供電，并雙備份冗余。

2.3應(yīng)急待機(jī)冗余的設(shè)計(jì)分析

應(yīng)急狀態(tài)手動(dòng)轉(zhuǎn)換是一個(gè)待機(jī)的非工作冗余設(shè)計(jì)，一旦自動(dòng)檢測(cè)檔的工作冗余出現(xiàn)故障，可啟動(dòng)手動(dòng)轉(zhuǎn)換進(jìn)入非工作冗余狀態(tài)或根據(jù)工況狀態(tài)的實(shí)際需求直接人工干預(yù)進(jìn)入非工作冗余模式。這部分的冗余采用冷儲(chǔ)備設(shè)計(jì)，是一種工作冗余和待機(jī)非工作冗余的二重工作模式。

無論是工作冗余還是非工作冗余，都能大幅提高設(shè)備的可靠性，但前提是非工作冗余的故障檢測(cè)裝置和轉(zhuǎn)換裝置本身的不可靠度小于通信中心控制管理設(shè)備的50%，只有如此才能使非工作冗余的可靠度大于或等于工作冗余的可靠度。若未達(dá)到這一要求，工作冗余的可靠度無法保證。故障檢測(cè)裝置和轉(zhuǎn)換裝置的可靠度達(dá)標(biāo)方法較多，但在通信中心控制管理設(shè)備中，由于通信裝備本身非常復(fù)雜，在綜合考慮通信中心控制管理設(shè)備可靠性指標(biāo)的整體利益和該部分電路的設(shè)計(jì)成本后，通信中心控制管理設(shè)備取消了故障檢測(cè)裝置和轉(zhuǎn)換裝置，采用故障顯示和人工轉(zhuǎn)換的方式，用手動(dòng)系統(tǒng)的非工作冗余方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，相當(dāng)于當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)失效后通過人工操作進(jìn)入另一個(gè)備份內(nèi)繼續(xù)工作。這種方式雖然實(shí)時(shí)性欠強(qiáng)，但省去了故障檢測(cè)裝置和轉(zhuǎn)換裝置，可靠性非常高，可完全滿足通信中心控制管理設(shè)備的實(shí)際需求及單元和整體可靠性的要求。

3 結(jié) 語

艦船通信中心控制管理設(shè)備的冗余設(shè)計(jì)水平或?qū)⒅苯佑绊懙綗o線電通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。該設(shè)備研發(fā)后已應(yīng)用到多艘不同類型的艦船上，實(shí)際使用結(jié)果表明，該冗余設(shè)計(jì)后的通信中心控制管理設(shè)備可很好地滿足艦船無線電通信系統(tǒng)對(duì)通信中心控制管理設(shè)備的可靠性指標(biāo)要求，實(shí)船使用效果良好，其MTBF的實(shí)際值遠(yuǎn)超委托方要求的技術(shù)指標(biāo)，確保了艦船無線電通信系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠，確保了航行期間的通信安全。

[1] 劉明治. 可靠性試驗(yàn)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社,2004.

[2] 盧昆祥，等. 電子設(shè)備系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)與試驗(yàn)技術(shù)指南[M].天津：天津大學(xué)出版社,2011.

RedundancyDesignofShipCommunicationControlCenterManagementEquipment

ZHANGXinglong,XUYifan
(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology， Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

This paper introduces the principle, design basis and design process of redundancy design in communication control center management equipment，the key equipment of ship radio communication system. The emergency communication part is emphasized, elaborating its design principle and the practical implementation.

communication control center; redundancy design; reliability; emergency system

2017-03-06

張興龍(1976—)，男，河北唐山人，高級(jí)工程師，主要從事艦船自動(dòng)化項(xiàng)目的研究和管理。

1674-5949(2017)02-0047-04

U675.7

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