舰船通信中心控制管理设备的冗余设计

张兴龙， 徐一凡

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

舰船通信中心控制管理设备的冗余设计

张兴龙， 徐一凡

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

介绍了舰船无线电通信系统中的关键设备——通信中心控制管理设备冗余设计的原理、依据及过程。详细分析了舰船通信中心控制管理设备应急通信的设计原则、设计方案及其重点，并给出实际应用时的处理方法。目前，设备已批量应用于各类舰船，效果良好。

通信中心控制管理设备；冗余设计；可靠度；应急系统

0 引 言

通信中心控制管理设备是当前舰船无线电通信系统中最关键的设备之一，承担着对整个通信系统进行控制、检测、转换和协调等任务，具有对语音系统、报务、传真、数据、信号及保密单元进行综合指挥调度的功能。因此，从某种意义上来看，通信中心控制管理设备的工作稳定性和可靠性将直接影响舰船无线电通信的安全，关系到岸舰、舰舰之间的信息畅通和完整，在战时将决定着协同作战的成效。因此，在设计该设备时，除了必须确立其技术指标的先进性之外，还须重点考虑其可靠性和安全性，尤其是在当前国产元器件的质量及可靠性还不尽如人意的情况下，冗余设计凸显出其重要的意义。通过冗余设计，可有效地提升设备的可靠性，使其满足通信中心控制管理设备预期的可靠性要求。因此，从设计的整体角度看，冗余设计直接决定着通信中心控制管理设备电路设计是否成功及其设备在舰船上工作的稳定性与可靠性。

1 通信中心控制管理设备的冗余设计工作原理

通信中心控制管理设备的原理见图1。由图1可知，数据转换格式部分为单项模块化统一结构电路，这部分为对各种不同类型通信设备的语音接口，其形式具有一致性。在当前的舰船通信系统中，为确保通信系统安全可靠，通常会对各类通信电台和数据设备进行备份，所以在通信中心控制管理设备中，各模块化单元的电路即使某一通道出现故障也不会造成整个通信系统瘫痪。但这部分的控制与时分复用单元的时序排列来自于原理框图中指控交换部分，这一部分是整个通信中心控制管理设备的核心，与ST-BUS(数字通信中的一种时分复用总线结构形式)相关的任何差错或时间逻辑错位都会造成数据转换格式部分时隙控制的紊乱，导致语音数字化传输出现失步，使通信系统的通信畅通受到严重威胁，因此在任何情况下都要避免。对通信中心控制管理设备指控交换部分，加以冗余设计，确保其正常工作。

1.1通信中心控制管理设备的冗余设计方案

冗余设计通常分为工作冗余和非工作冗余。

1) 工作冗余是指当电子设备或电子系统中的某一部分或某一通路出现故障时，冗余单元能实时地自动检测出故障的发生，从而通过其转换功能自动转换至冗余单元继续执行任务。然而在实际的冗余设计中，仅考虑某“部分”或某“通道”是不够的，因为电路发生失效通常是某些关键元器件的预期寿命较短造成的，所以冗余设计时有必要对这些易失效的元器件进行单独的器件冗余，因此，在通信中心控制管理设备的工作冗余设计中加入对小单元及部分器件的冗余，即采用混合工作冗余方式。

2) 非工作冗余方式是当电子设备的某一部分失效时，需外部进行检测、判断并手动切换至冗余单元继续工作。虽然这种方式的实时性不强，但在关键设备或系统中的作用通常较为有效，在关键时刻甚至起着决定性作用，如应急系统。在通信中心控制管理设备中，应急系统必须保证能在无条件的情况下使通信系统正常工作，甚至在最高级别的应急通信时，该部分应急冗余电路不能使用任何有源器件，只有如此才能确保即使在断电的情况下，通信中心控制管理设备也能使通信系统最基本的操作功能得以正常实现。

1.2单元冗余设计的选择

综上可知，通信中心控制管理设备的冗余主要是对ST-BUS和PC-BUS(标准微处理机的总线结构形式)的组合体进行并联冗余设计及在该组合体内对重要部件进行局部冗余。其完整的冗余方式见图2。

在ST-BUS与PC-BUS组合体单元内，对控制单元、ST时隙信号发生及部分器件采用局部并联冗余的工作方式。并联冗余主要用于为连续工作的电路提供不可逆的失效保护，其数学模型为

(1)

式(1)中：n为并联单元数；R为可靠度；λ=1/M为失效率。

并联冗余的可靠度函数见图3。图3中M为1/λ。显然，当n增大时，可靠度R将明显提高，但随着n的增大会使得电路的复杂度升高，且n越大，增加的元器件数越多，电路越复杂，反而使平均无故障工作时间(Mean Time Between Failure，MTBF)值下降。

工作冗余单元模块数增加时对MTBF的影响见图4。当冗余模块数增加时，虽然可靠性有所提高，但增加至>2时，系统MTBF值的提高速率开始下降。当n=2时，系统MTBF值的达到最大化，为50%，可靠度的提升最为显著，且额外增加的元器件相对最少，也更经济。在通信中心控制管理设备中，对于ST-BUS和PC-BUS的组合体及在组合体内对重要部件进行局部冗余，都采用一倍的冗余量，此时其性价比最高。根据式(1)，该组合体单元的可靠度为

R=1-(λt)2=1-(t/M)2

(2)

1.3组合体混合冗余的数学模型

ST-BUS和PC-BUS的组合单元是通信中心控制管理设备的核心，在设计上对该组合体进行整体冗余，在组合体内部对ST信号发生、控制单元及部分继电器等进行再冗余，即混合冗余。双总线组合体的复合式冗余框图见图5。

对于组合体的混合冗余，其可靠度数学模型为

(3)

式(3)中：当m=2，n= 2时，R=4e-2λt-4e-3λt+e-4λt

组合体的这种混合冗余对提高可靠度有着积极作用，但由于组合体本身的电路比较复杂，有着众多的输入/输出接口，且信号格式各异，因此对双总线组合体的复合式冗余在电路的设计技巧上有较高要求，需建立在高水平的电路设计理念上。同时，对接口、热插拔、信号延迟控制及高频电路的离散性等诸多电路内涵特性有精准的领会和把握，并考虑产品的电磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility, EMC)特性和语音传输中的音频质量等。

2 通信中心控制管理设备的应急设计

通信中心控制管理设备在舰船无线电通信系统中有着特殊的作用，因此对其应急能力有着较高的要求。应急设计其实也是另一种形式的冗余设计，所以有必要对通信中心控制管理设备的应急设计加以重视并制订相应的应急规则。排除受到强制外力使得设备的线缆出现大面积损坏等极端情况，在其他任何条件下通信中心控制管理设备的应急单元都必须确保舰船对外最基本的无线电通信畅通，这是对通信中心控制管理设备的要求，也是设计上必须满足的条件。

2.1应急冗余的设计原则

对于通信中心控制管理设备而言，应急单元实质上也是一种冗余设计，由于通信中心控制管理设备在舰船通信系统中处于特殊位置，设计中除了要考虑电路及部分电子器元件的失效外，还应考虑软件死机及外部电源出现断电故障等情况。因此，应急单元的设计思想应体现在以下几个方面：

1) 当处于冗余状态下的PC-BUS和ST-BUS全部失效时，能保证至少3组通信链路完整畅通；

2) 通信链路的完整畅通是完全意义上的，并不附带其余条件，要确保在这3组通信链路模式下的无线电通信设备能实现全部通信功能；

3) 当通信中心控制管理设备处于应急状态时，内设程序停止运行，即通信应急的实现不依赖任何软件，而是以全硬件连接来保证通信链路畅通；

4) 应急状态电路的设计原则是尽量少地使用有源器件，当必须使用有源器件时，该电源须具4组备份；

5) 应急冗余分为自动检测转换和手动转换2种；

6) 除了上述3组通信应急链路之外，还需设计1个最高级的冗余备份。对其定义是，当通信中心控制管理设备出现完全断电故障时，仍能保证舰船通信系统中最重要和最基本的无线电通信设备与保密机之间的信息交换正常。

2.2应急单元的设计分析

应急单元是最小的工作通信模块，须不依赖于任何工作软件而独立工作。由于软件死机、编写漏洞等软件故障不可避免，因此软件也是造成设备失效的主要原因之一。若应急单元也依赖软件工作，则本身就存在不可靠因素。因此，应急单元一定是单独依靠硬件来实现最小化的通信功能，即全硬件电路。同时，该电路的设计还要尽量实现用最少的元器件、最少的有源器件、最简洁的电路和最可靠的接插件。然而，在通信中心控制管理设备的外围，所需传输信号的无线电通信设备有许多外部有源控制信号(如加密信号、去密信号、PTT信号和备妥信号等)，因此要实现有源控制信号的输出，通信中心控制管理设备要对与此相关的控制信号设计相关电路，需引入电源，这对应急电路电源的可靠性提出了较高的要求。在应急单元启动之后，必须保证电源的正常。为可靠实现该目标，在已设计定型的通信中心控制管理设备中，需采取以下措施确保电源系统的正常工作。

1) 交流转直流24 V的双备份冗余；

2) 各档低压直流的双备份冗余；

3) 应急单元单独供电，且双备份冗余；

4) 对外部通信设备有源信号产生部分的电源单独供电，并双备份冗余。

2.3应急待机冗余的设计分析

应急状态手动转换是一个待机的非工作冗余设计，一旦自动检测档的工作冗余出现故障，可启动手动转换进入非工作冗余状态或根据工况状态的实际需求直接人工干预进入非工作冗余模式。这部分的冗余采用冷储备设计，是一种工作冗余和待机非工作冗余的二重工作模式。

无论是工作冗余还是非工作冗余，都能大幅提高设备的可靠性，但前提是非工作冗余的故障检测装置和转换装置本身的不可靠度小于通信中心控制管理设备的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。若未达到这一要求，工作冗余的可靠度无法保证。故障检测装置和转换装置的可靠度达标方法较多，但在通信中心控制管理设备中，由于通信装备本身非常复杂，在综合考虑通信中心控制管理设备可靠性指标的整体利益和该部分电路的设计成本后，通信中心控制管理设备取消了故障检测装置和转换装置，采用故障显示和人工转换的方式，用手动系统的非工作冗余方法进行转换，相当于当一个系统失效后通过人工操作进入另一个备份内继续工作。这种方式虽然实时性欠强，但省去了故障检测装置和转换装置，可靠性非常高，可完全满足通信中心控制管理设备的实际需求及单元和整体可靠性的要求。

3 结 语

舰船通信中心控制管理设备的冗余设计水平或将直接影响到无线电通信系统的稳定性和可靠性。该设备研发后已应用到多艘不同类型的舰船上，实际使用结果表明，该冗余设计后的通信中心控制管理设备可很好地满足舰船无线电通信系统对通信中心控制管理设备的可靠性指标要求，实船使用效果良好，其MTBF的实际值远超委托方要求的技术指标，确保了舰船无线电通信系统的稳定、可靠，确保了航行期间的通信安全。

[1] 刘明治. 可靠性试验[M]. 北京：电子工业出版社,2004.

[2] 卢昆祥，等. 电子设备系统可靠性设计与试验技术指南[M].天津：天津大学出版社,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

张兴龙(1976—)，男，河北唐山人，高级工程师，主要从事舰船自动化项目的研究和管理。

1674-5949(2017)02-0047-04

U675.7

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