基于網絡通信的設備互操和數據熱備份的設計方法

楊晨，鄧茹鳳，張宏，石邦凱

(中國船舶集團有限公司第七一三研究所 鄭州市特種場所火災防護技術重點實驗室，鄭州 450015)

該安全系統采用典型的樹狀架構，即“中心-區域-現場”3層式架構，見圖1。

圖1 某型安全系統網絡結構示意

從圖1中可以看出，區域監控箱是底層信息采集設備上傳監測數據的唯一通路，一旦發生故障或網絡中斷，則對應的整個區域很可能就形成了監控盲區。各個區域監控箱的任務基本相同，因此區域監控箱的軟件和硬件是具有較大程度的通用性和互換性，考慮充分利用這一特性解決復雜系統關鍵設備互操互備與數據熱備份的問題。

1 現狀和需求分析

該系統具有監控區域多、區域間設備及監測數據相互隔離等特點，在系統架構上限制了實現系統重構的功能。由圖1可見，各區域監控箱及相應區域內的信息采集設備、消防處置設備擁有獨立的CAN網絡通信子網和控制信號電纜，各區域的功能相近，但工作互不交叉，且數據無法互通。雖然可以通過頂層網絡互相監測工作狀態，但這樣的網絡結構的缺陷是顯而易見的，一旦區域層中任意一臺區域監控箱發生故障或通信網絡中斷，則該區域所有設備的信息均無法獲悉，導致陷入監控盲區，發生較為嚴重的故障時無維修保障手段，需長時間等待直至設備修復，區域監控箱成為了本區域所有數據的“獨木橋”。這種工況極其危險且不應發生。

解決該問題的最簡單且有效的方法就是采用雙機系統，即為每個區域配置兩臺區域監控箱，從而實現熱備份。但這種方法存在弊端。

為了在不增加資源消耗的前提下提高系統的任務可靠性，需要依靠現有的系統配置，通過優化改進設計系統的通信網絡架構和關鍵設備的軟硬件來實現區域層設備互操互備。

結合系統實際需求，總結出區域監控箱應具備以下功能。

根據Lakoff（1987）、Lakoff&Turner（1989）、Radden&K?vecses（1999）等人的觀點，ICM 是指我們組織百科知識所依托的結構，它是我們通過自然、社會和文化活動從其一個特定領域的各種體驗中抽象出來的心理表征。Radden&K?vecses（1999：21）認為，一切事物經過概念化后都有ICM，從這個意義上說，ICM涉及現實、概念和語言這三個不同的維度；而且，只要有ICM就會出現轉喻，因此，轉喻可謂無處不在。

1)各區域監控箱在正常工作時，本機的狀態能夠被頂層監控設備和其他區域監控箱實時監測到，若其中任一區域監控箱(稱為主機)發生故障或網絡中斷時，即失去了本區域信息的采集、處理、上傳能力和消防處置措施的控制能力，此時應能夠通過相臨近區域監控箱(稱為備機)的切換開關將主機的監測及控制權限全權接管，且不影響備機繼續對本區域的監控和執行設備的遙控操作功能。

2)發生故障的主機經修復恢復正常后，能夠立即執行對本區域防護對象的監測信息的采集、顯示和上傳，但為了避免發生控制權限或信息沖突，應當在備機的互操互備切換開關復位后，控制權限才切換回主機。

3)用于互操互備切換開關應采用強制切換設計，并相應地設置在備機上，在備機能夠正常工作時，任何狀態下操作備機上的切換開關都能夠將主機的監測及控制權限切換至備機或取消切換，包括主機未發生故障狀態也同樣可以切換，即主機始終為被動切換。

2 改進設計方法

以圖1所示的安全系統為對象，按照上述功能需求為目標開展系統升級和軟硬件設計，在不增加系統配置的前提下，給出一種能夠實現3個區域監控箱的互操和數據熱備份的設計方法。

2.1 控制策略

區域監控箱的主要功能是在發生險情時能夠及時準確的發送控制信號來投入對應區域的防護對象的消防處置，而增加互操互備功能，可能會因控制權限不確定導致控制邏輯上混亂或沖突。因此，需要通過設置合理可行的控制策略解決上述問題。以控制權限唯一性為原則，設置下列控制策略。

1)在任意時刻，控制輸出的有效權限有且僅有一個。

2)當控制權限不在區域監控箱(在頂層監控設備)上時，無法完成互備互操切換功能。

3)當某一區域監控箱發生故障時，需要人工確認后，在備機上手動操作，互操互備切換無法自動切換。

4)為了使系統網絡最優及備份全覆蓋，采用2#區域監控箱可備份1#和3#區域監控箱，3#區域監控可備份2#區域監控箱的方式。

2.2 網絡通信架構

改進設計中繼續采用3層通信網絡架構，區域監控箱位于第二層監控網絡，對上位機采用以太網進行通信，對底層信息采集設備通過CAN總線進行通信。

通過網絡通信實現互操互備，關鍵要解決以下問題：①需備份區域的數據采集問題；②需備份區域的控制信號輸出問題。

通過對專用內部通信網絡改進設計能夠很好的解決問題①。每個區域監控箱與本區域內信息采集設備形成一個獨立的環形CAN通信網絡，包括區域監控箱在內的所有設備均可看作網絡上的通信節點。將用于備份的區域監控箱作為一個通信節點加入到對應備份區域的CAN通信網絡中，則可以實現主機和備機同步接收信息采集設備上傳的數據，即使主機工作正常，備機也實時處于監聽狀態。這是一種簡單而有效的網絡拓撲結構，達到了數據熱備份的目的。

針對問題②，區域監控箱發送的控制信號，是通過獨立的控制線發送到控制信號轉接箱，然后再對應送到相應的執行設備。將作為備機的區域監控箱和主機的I/O輸出接口同時并入主機區域的控制信號轉接箱，在設定的第1條控制策略的限定下，即可實現互操作的目的。控制信號輸出應由區域監控箱操作面板上的按鈕動作來實現，為了不增加或不占用區域監控箱硬件資源，備機在監控軟件上設置軟按鍵用于發送主機對應區域的控制信號。

綜合上述兩種設計方法，規劃出3個區域監控箱的通信網絡與控制網絡連接示意于圖2。

在圖2中，區域監控箱的CAN1和CAN2接口用于接收本區域數據，2#區域監控箱的CAN3接口接入1#區域的CAN總線，實時接收1#區域的數據，CAN4接口接入3#區域CAN總線，實時接收3#區域的數據。同時，2#區域監控箱的IO輸出接口分與1#和3#區域監控箱的IO輸出接口并入控制信號轉接箱。

圖2 區域監控箱通信網絡與控制網絡連接示意

區域監控箱互操互備工作流程見圖3。

圖3 區域監控箱互操互備工作流程

3 工程化應用實例

區域監控箱采用壁掛式高性能一體機，主要由箱體、一體化計算機、觸摸顯示屏和操控面板等組成。

一體化計算機采用CPCI總線形式，具備良好的機械特性及散熱性能，模塊化設計，互換性、兼容性較好，設計時充分考慮了環境適應性和電磁兼容性。內部功能模塊包括雙核CPU模塊、CAN通訊模塊、繼電器模塊、以太網通訊模塊和存儲模塊等，全部采用模塊化設計，具有良好的維修性、互換性和擴展性。

操控面板是人機交互的主要部分之一，由指示燈、按鈕、旋鈕開關、蜂鳴器等組成，按照功能區域進行劃分為綜合報警功能區域(主要為指示燈)、遙控操作功能區域(主要為按鈕或旋鈕開關)和綜合控制功能區域。互備互操的切換開關安裝于操控面板的綜合控制區域上。對于2#區域監控箱，因需要完成1#和3#區域監控箱的備份功能，增加備份區域的選擇按鈕，配合互備互操切換開關完成區域，見圖4。

圖4 2#區域監控箱互備互操切換開關和區域選擇按鈕

監控軟件作為硬件的補充，是區域監控箱的重要組成部分。監控軟件也采用模塊化設計，主要包括網路通信模塊、控制輸出模塊、顯示模塊和互操互備模塊。監控軟件組成見圖5。

圖5 區域監控箱監控軟件組成

區域監控箱互操作和數據熱備份就是由互操互備模塊來完成，其主要功能是在互操互備狀態下完全替代被備份區域監控箱的監控、報警和控制輸出功能。軟件界面設計上保持與主機界面一致，并增加了軟控制按鈕界面。備機對本區域的監控功能完全不受影響。

在監控軟件設計中，需要著重考慮安全性問題，系統的控制策略通過監控軟件實現。為了有效避免主備機控制權限沖突的問題，僅當監控軟件采集到互操互備切換開關信號時，才能將互操作界面使能。此時，備機通過通信網絡將切換狀態發送至主機，如果主機發生故障無法正常工作，則不會有控制信號的輸出；如果主機未發生故障，在接收到備份信號后，可以繼續接收本區域的監測信息，但需要主動斷開控制信號的輸出，直至備機上互備狀態取消。互操互備狀態下控制權限設置流程圖如圖所示。

4 結論

1)系統通信網絡架構進行優化設計，采用區域互聯，可從根本上消除數據“孤島”和通信“獨木橋”的問題，僅需在區域監控層設備上增加一路通信接口和通信電纜為代價，可簡單而有效地實現區域監控數據熱備份。

2)結合系統設計經驗，在綜合信息監控軟件中增加控制策略加以限制，可有效規避互操作過程中主備機在執行同一對象的控制信號輸出的沖突問題，實現系統關鍵設備的互操作。

3)可實現全域覆蓋的系統智能重構，能夠在區域監控層的部分設備發生較為嚴重故障或短時間內不具備維修條件的時候，在不影響任務執行效率的情況下，充分保障任務的繼續執行，大幅提升系統任務可靠性。

4)摒棄了采用雙機系統實現備份的設計方法，方法突出以不增加硬件設備和系統資源消耗等特點，具有較高的效費比，可有效降低系統制造成本。

所述設計方法已實現工程化應用并實裝，應用效果和用戶反饋均達到了預期目標，該設計方法充分解決了對象艦船系泊或航行時檢修手段不完備而導致的系統任務可靠性不足的問題，該設計方法對于可采用分區域控制的大型復雜系統的設計具有參考意義。