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綜合性演習(xí)多級(jí)指揮系統(tǒng)

更新時(shí)間：2011-9-8 10:26:52 　（編輯：孟子默）【大中小】

　　【音響網(wǎng)資訊】在某部隊(duì)院校進(jìn)行實(shí)踐性教學(xué)的綜合性演習(xí)系統(tǒng)的建設(shè)中，我們參與的多級(jí)指揮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建設(shè)。

　　一、系統(tǒng)概述
　　綜合性演習(xí)系統(tǒng)涉及有導(dǎo)演大廳、各級(jí)指揮大廳、作業(yè)室等20多個(gè)教學(xué)場(chǎng)地。在進(jìn)行實(shí)踐性教學(xué)活動(dòng)時(shí)，每個(gè)教學(xué)場(chǎng)所都有不同的實(shí)踐性教學(xué)活動(dòng)。總控室是教學(xué)活動(dòng)及其功能相關(guān)的保障場(chǎng)所。為了滿足這些場(chǎng)所進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)對(duì)音頻系統(tǒng)的需求，音頻系統(tǒng)要充分做到的簡(jiǎn)單劃一，便于控制管理。采取既能集中化管理又能分散化控制的兩相結(jié)合的系統(tǒng)模式。

　　二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念
　　科技不斷進(jìn)步與發(fā)展，新技術(shù)層出不窮。但無(wú)論趨勢(shì)發(fā)展到何種方向，“精確”、“簡(jiǎn)單”、“人性化”操作以及自動(dòng)化運(yùn)行監(jiān)測(cè)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必要前提。

　　以人為本，堅(jiān)持人性化設(shè)計(jì)

　　以往的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，往往使用了很多先進(jìn)的設(shè)備，但往往把最后的一環(huán)，用戶的“使用”忽略了。用戶往往面對(duì)的是一片復(fù)雜的設(shè)備按鍵，看不懂的旋鈕，一大排閃爍的指示燈，出了問題則不知所措，而且往往很多專業(yè)的工程師都不能解釋所有的按鍵和旋鈕和燈的作用，更不用說(shuō)用戶了，所以最終的優(yōu)秀設(shè)計(jì)應(yīng)該是讓用戶用簡(jiǎn)單的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，在出現(xiàn)問題時(shí)候還能夠一鍵恢復(fù)，這是一個(gè)優(yōu)秀系統(tǒng)的標(biāo)志，用戶不是系統(tǒng)研發(fā)人員，交給他的系統(tǒng)應(yīng)該是一套智能先進(jìn)，使用穩(wěn)定，同時(shí)和環(huán)境裝潢嚴(yán)密配合的系統(tǒng)。

　　三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

　　通過上述分析以及根據(jù)實(shí)際需求，要建設(shè)的系統(tǒng)要充分做到的簡(jiǎn)單劃一，便于控制管理。所以，我們提出既能集中化管理又能分散化控制的兩相結(jié)合的系統(tǒng)模式，通過國(guó)際成熟的CobraNet網(wǎng)絡(luò)傳輸處理架構(gòu)，應(yīng)用并且在多項(xiàng)大型成功案例中得到證實(shí)的穩(wěn)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下所示：

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　
　　如上圖所示，整個(gè)系統(tǒng)分為三級(jí)網(wǎng)絡(luò)體系，第一級(jí)為“核心級(jí)”即總控制室以及導(dǎo)播大廳所在區(qū)域；第二級(jí)為“戰(zhàn)略大廳”所在分控室和“紅軍指揮室”所在控制室以及中型指揮室、藍(lán)軍指揮室、第三方指揮室、新聞發(fā)布；三級(jí)網(wǎng)絡(luò)由“戰(zhàn)略大廳”所屬7間“各方演習(xí)室”和“紅軍指揮室”所屬8間“三級(jí)指揮所”組成；三級(jí)系統(tǒng)與所屬二級(jí)系統(tǒng)建立溝通聯(lián)絡(luò)。

　　三級(jí)網(wǎng)絡(luò)可以由一個(gè)操作平臺(tái)集中進(jìn)行管理、分配、調(diào)度控制，同時(shí)總控制室所在的一級(jí)核心可以向二級(jí)發(fā)送、傳輸信息、以及監(jiān)控、調(diào)用二級(jí)網(wǎng)絡(luò)各個(gè)系統(tǒng)。同時(shí)二級(jí)網(wǎng)絡(luò)中的“戰(zhàn)略大廳”、“紅軍指揮室”進(jìn)行有選擇傳輸?shù)剿犎?jí)系統(tǒng)內(nèi)，整個(gè)結(jié)構(gòu)控制按照梯形結(jié)構(gòu)有序進(jìn)行組織調(diào)配。只所以采取梯形組織架構(gòu)，是因?yàn)楫?dāng)某一項(xiàng)梯形分支出現(xiàn)問題時(shí)，不會(huì)影響其他分支且其他控制室能夠正常進(jìn)行工作，充分考慮了整個(gè)系統(tǒng)的冗余性。

　　為了滿足綜合性演習(xí)活動(dòng)對(duì)音頻系統(tǒng)的需求，音頻系統(tǒng)要充分做到的簡(jiǎn)單劃一，便于控制管理。所以，我們提出既能集中化管理又能分散化控制的兩相結(jié)合的系統(tǒng)模式，通過國(guó)際成熟的品牌美國(guó)Peavey的基于CobraNet以太網(wǎng)音頻傳輸技術(shù)的數(shù)字音頻網(wǎng)絡(luò)處理和傳輸架構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下所示：

采用星型結(jié)構(gòu)的數(shù)字音頻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

　　
　　采用7臺(tái)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)主機(jī)放于總控制室，其中1臺(tái)用作備份主機(jī)，每臺(tái)主機(jī)CobraNet端口提供的另外64個(gè)音頻通道，那么6臺(tái)總共提供384個(gè)音頻通道及192路輸入通道和192路輸出通道，輸入通道音頻可以任意切換到192路輸出通道，滿足現(xiàn)有需求音頻系統(tǒng)拾音信息點(diǎn)的需求（191路拾音）。

　　四、系統(tǒng)應(yīng)用功能

　　整個(gè)系統(tǒng)所轄指揮室的數(shù)量多，所涉及的區(qū)域廣。設(shè)計(jì)要求在今后運(yùn)營(yíng)中內(nèi)部管理人員能夠集中管理又能進(jìn)行遠(yuǎn)程管理整個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)各個(gè)二級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及所屬三級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)又能獨(dú)立進(jìn)行工作，擁有最高權(quán)限管理人員可以在重要的地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)施的控制（如，可在導(dǎo)演大廳調(diào)用屬下多個(gè)指揮室的操控程序，利用操作權(quán)限從上置下接管指揮室的控制權(quán)），也可以通過權(quán)限許可瀏覽上一級(jí)系統(tǒng)的控制界面。

　　從上傳下達(dá)命令的功能角度，要求總控制室可以對(duì)所有或任意指定的一個(gè)、幾個(gè)控制室進(jìn)行獨(dú)立和編組的發(fā)布指令，由于整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)架構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)下，完成上述基本功能全部由系統(tǒng)自行完成，所有的控制模式均可通過全中文化操作界面控制，操作人員只需要面對(duì)設(shè)定好的操控界面進(jìn)行“一鍵”式操控。

　　所有控制界面可根據(jù)項(xiàng)目使用要求設(shè)定編制，它可以減輕煩雜的多指揮室管理的工作量，可以把幫助操作人員對(duì)多設(shè)備進(jìn)行調(diào)控工作，同時(shí)對(duì)于可以建立實(shí)時(shí)的設(shè)備巡查機(jī)制，任何設(shè)備出現(xiàn)問題就能在操作界面上顯示，通過恰當(dāng)?shù)牟僮鲝氐装巡僮魅藛T的從煩雜的工作量中解脫出來(lái)。
下圖為音頻監(jiān)控界面：

　　從圖中我們可以很容易的看出每臺(tái)設(shè)備在在線情況，工作狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)等相關(guān)信息，也因此我們無(wú)需為設(shè)備是否正常工作而去每個(gè)房間巡查設(shè)備狀態(tài)。也因此我們可以節(jié)省大量的人力及其時(shí)間。
在整個(gè)系統(tǒng)組成中，我們?cè)诟鱾€(gè)房間各個(gè)區(qū)域內(nèi)都設(shè)置有拾音話筒。這樣我們就可以輕松的監(jiān)聽到當(dāng)前區(qū)域的聲音是否正常，而不用我們?cè)陂_始之前每個(gè)房間都巡查一遍來(lái)檢查音箱是否正常工作。同時(shí)在檢查工作的時(shí)候，也沒有必要每個(gè)房間都去，而是坐在總控室，輕點(diǎn)下鼠標(biāo)即可聽到各個(gè)會(huì)場(chǎng)的實(shí)時(shí)音頻了。
　如下圖：

　　從圖中我們可以看出，每個(gè)拾音話筒。我們都可以任意的切選到指定的監(jiān)聽體，上實(shí)現(xiàn)一鍵式的簡(jiǎn)單監(jiān)聽功能呢。

　　每個(gè)指揮室可以獨(dú)立進(jìn)行演練應(yīng)用，同時(shí)不影響其他指揮室正常的工作，同時(shí)采用分級(jí)應(yīng)用模式，總控制室可以監(jiān)控每個(gè)獨(dú)立應(yīng)用演練的狀態(tài)，做到監(jiān)控細(xì)節(jié)，保持導(dǎo)演大廳的總觀覽權(quán)。每個(gè)指揮室，可以進(jìn)行單獨(dú)的指揮控制，也可以進(jìn)行多房間里的聯(lián)合控制。

　　如圖所示，我們可以看出，當(dāng)我們需要進(jìn)行房間聯(lián)合演練的時(shí)候，我們只需輕輕點(diǎn)擊下鼠標(biāo)，我們就可以實(shí)現(xiàn)房間的聯(lián)合狀態(tài)，測(cè)試硬件上的設(shè)備是一點(diǎn)都不用改變的。

　　通過以上的幾個(gè)方面我們可以看出，在本系統(tǒng)構(gòu)成中，我們完全脫離開了以前模擬系統(tǒng)的繁瑣的構(gòu)成，及繁瑣的操作，在本套系統(tǒng)中我們實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的系統(tǒng)構(gòu)成和一鍵式的靈活操作。充分滿足客戶需求，符合當(dāng)前的時(shí)代背景。

　　五、系統(tǒng)備份

　　綜合性演習(xí)系統(tǒng)的可靠性是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性指標(biāo)。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有實(shí)時(shí)備份結(jié)構(gòu)，保障數(shù)據(jù)傳輸以及控制數(shù)據(jù)，以及同時(shí)感知同時(shí)檢測(cè)進(jìn)行倒備。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)或是系統(tǒng)傳輸故障，備份系統(tǒng)自動(dòng)切換備用主機(jī)，無(wú)需人為干預(yù)，如此多級(jí)別的備份方式看似復(fù)雜，實(shí)際為全自動(dòng)進(jìn)行，體現(xiàn)人工智能化設(shè)計(jì)要求。
任何電子設(shè)備都不是絕對(duì)穩(wěn)定的，電子元件的故障不是可預(yù)測(cè)的。那么備份的重要性主要體現(xiàn)在，能夠加強(qiáng)系統(tǒng)的安全等級(jí)。

　　無(wú)縫實(shí)時(shí)熱備份

　　本系統(tǒng)的重點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)核心工作主機(jī)的無(wú)縫實(shí)時(shí)熱備份，以下重點(diǎn)說(shuō)明此備份功能和原理。
備份啟動(dòng)可以使用預(yù)先設(shè)定好的判斷條件自動(dòng)完成，也可以是人為手動(dòng)強(qiáng)制切換，不會(huì)依賴第三方設(shè)備。
當(dāng)一旦出現(xiàn)問題，需要使用手動(dòng)備份時(shí)，用戶可以通過裝置在主機(jī)軟件界面上的倒備開關(guān)，進(jìn)行一鍵切換，切換動(dòng)作會(huì)在瞬間完成，做到時(shí)間短，速度快，保證系統(tǒng)的正常的運(yùn)行而不產(chǎn)生間斷；而使用自動(dòng)備份，是在預(yù)先設(shè)定好的條件下，譬如：主機(jī)異常、主機(jī)電源出現(xiàn)故障、主機(jī)網(wǎng)絡(luò)故障等情況下，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到備機(jī)，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

　　這里重點(diǎn)闡述一下網(wǎng)絡(luò)故障備份架構(gòu)，所有控制數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)全部基于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架,所以在備份上同時(shí)要保障數(shù)據(jù)傳輸備份以及控制數(shù)據(jù)備份，即：CobraNet端口備份、以太網(wǎng)口TCP/IP備份以及同時(shí)感知同時(shí)檢測(cè)進(jìn)行倒備。當(dāng)主機(jī)CobraNet網(wǎng)絡(luò)數(shù)字音頻信號(hào)接口出現(xiàn)故障時(shí)或是系統(tǒng)傳輸故障，備份機(jī)會(huì)認(rèn)為CobraNet端口出現(xiàn)異常，自動(dòng)切換備用主機(jī)，無(wú)需人為干預(yù)。以太網(wǎng)管理端口為控制數(shù)據(jù)端口，當(dāng)控制端口出現(xiàn)異常，控制信號(hào)無(wú)法被主機(jī)接收時(shí)，備機(jī)將自動(dòng)代替主機(jī)工作，完成主備切換。

備份流程圖

　　　　如此多級(jí)別的備份方式看似復(fù)雜，實(shí)際為全自動(dòng)進(jìn)行，體現(xiàn)人工智能化設(shè)計(jì)要求。

　　信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，會(huì)將信號(hào)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，此時(shí)主機(jī)NION系統(tǒng)以及備機(jī)NION系統(tǒng)會(huì)同時(shí)接收到音頻網(wǎng)絡(luò)音頻信號(hào)，主、備機(jī)會(huì)分別在各自的DSP上對(duì)信號(hào)進(jìn)行完全相同的信號(hào)處理和路由，經(jīng)處理后的信號(hào)，在正常工作的狀態(tài)下，會(huì)由主機(jī)向輸出接口機(jī)終端用戶發(fā)送信號(hào)，信號(hào)通過輸出接口機(jī)的數(shù)模轉(zhuǎn)換后，變成模擬音頻信號(hào)，在經(jīng)由功放放大后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。當(dāng)主機(jī)NION系統(tǒng)出現(xiàn)TCP/IP控制網(wǎng)絡(luò)中斷、CobraNet數(shù)字音頻網(wǎng)絡(luò)中斷、風(fēng)扇停止運(yùn)行或轉(zhuǎn)速降低、以及工作溫度超出穩(wěn)定狀態(tài)、斷電等等情況后，備份機(jī)器會(huì)自動(dòng)強(qiáng)制搶斷主機(jī)向輸出接口機(jī)發(fā)送信號(hào)的權(quán)利，信號(hào)會(huì)由備份機(jī)器自動(dòng)向數(shù)字接口機(jī)發(fā)送信號(hào)。

　　信號(hào)的切換是通過改變備份NION系統(tǒng)數(shù)據(jù)包接收通道來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體的講也就是在主機(jī)NION系統(tǒng)工作時(shí)，備機(jī)Nion系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)接口機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包設(shè)定為關(guān)閉狀態(tài)，但是要事先在軟件上將備份NION系統(tǒng)的發(fā)送數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)提高到高于主機(jī)Nion能夠，此時(shí)雖然備份NION系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包發(fā)送優(yōu)先級(jí)別較高，但是由于數(shù)據(jù)包是處于關(guān)閉狀態(tài)，實(shí)際上信號(hào)依然是由主機(jī)NION系統(tǒng)來(lái)向網(wǎng)絡(luò)數(shù)字接口機(jī)發(fā)送信號(hào)。一旦判斷條件成立，軟件會(huì)自動(dòng)將備份NION系統(tǒng)的發(fā)送數(shù)據(jù)包通道開啟，由于備份NION系統(tǒng)的發(fā)送數(shù)據(jù)包具有較高的優(yōu)先級(jí)別，因此信號(hào)會(huì)自動(dòng)被備份NION系統(tǒng)強(qiáng)制搶斷。實(shí)現(xiàn)主機(jī)/備機(jī)工作狀態(tài)的自動(dòng)切換。同時(shí)發(fā)出報(bào)警信息在軟件界面或者通知操作人員

　　　六、網(wǎng)絡(luò)傳輸

　　系統(tǒng)采用CobraNet音頻網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行音頻的傳輸。CobraNet是綜合硬件、軟件和通信協(xié)議為一體的網(wǎng)絡(luò)音頻實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)。通過該協(xié)議可以使音頻信號(hào)和控制信號(hào)在以太網(wǎng)上傳輸，為保證聲音的質(zhì)量，音頻信號(hào)的采樣頻率支持48KHz/96 KHz，量化為20bit或24bit的數(shù)據(jù)。它通過普通的網(wǎng)線就能雙向傳輸128路的音頻信號(hào)，數(shù)字信號(hào)的抗干擾性要比模擬信號(hào)的抗干擾性高，減少在傳輸過程中噪音對(duì)音頻信號(hào)的影響；在采用網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)傳輸音頻時(shí)，可減少線路上的復(fù)雜性連接，使系統(tǒng)非常容易維護(hù)。

　　CobraNet音頻網(wǎng)絡(luò)雖然是建立在以太網(wǎng)的基礎(chǔ)之上的，但是又不同于以太網(wǎng)：

　　1．以太網(wǎng)可以通過路由器在不同的網(wǎng)段之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，CobraNet是OSI模型的第二層協(xié)議不能通過路由器在不同的網(wǎng)段之間進(jìn)行傳輸。

　　2．以太網(wǎng)可以使用HUB(集線器)，CobraNet不能使用HUB。

　　系統(tǒng)重點(diǎn)說(shuō)明：

　　1、獨(dú)立建網(wǎng)

　　每個(gè)CobraNet 的音頻通道的數(shù)據(jù)量是48KHz×20Bit=0.96MBit/s，再加上通道的控制數(shù)據(jù)和其它公共數(shù)據(jù)一個(gè)通道音頻數(shù)據(jù)量大約是1.1 MBit/s，使得每個(gè)Bundle（包含8個(gè)音頻通道）的實(shí)際數(shù)據(jù)流接近9 MBit/s左右，而我們使用100M快速以太網(wǎng)交換機(jī)時(shí)，每個(gè)端口最大吞吐量為單向8個(gè)Bundle，也就是占用100M以太網(wǎng)帶寬的72M的帶寬，再加上考慮到CobraNet 音頻傳輸?shù)姆€(wěn)定性，我們使用至少100M以太網(wǎng)才可以進(jìn)行CobraNet音頻數(shù)據(jù)的傳輸了。此外網(wǎng)絡(luò)中不能存在其它非CobraNet設(shè)備，這就意味著不能在這種網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行其它數(shù)據(jù)交換，如果在網(wǎng)絡(luò)中加入其它類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，則網(wǎng)絡(luò)上的非CobraNet數(shù)據(jù)就會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中與CobraNet數(shù)據(jù)包發(fā)生沖突，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或連接中斷。

　　2、使用支持VLAN劃分的交換機(jī)

由于CobraNet音頻網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男盘?hào)是實(shí)時(shí)無(wú)壓縮的音頻數(shù)據(jù)流，所以音頻信號(hào)所占得帶寬比較大，每路音頻信號(hào)所占帶寬大約1.1M。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中還存在TCP/IP的控制信號(hào)，當(dāng)CobraNet信號(hào)和TCP/IP信號(hào)共同存在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，就需要將兩種信號(hào)區(qū)分開防止在系統(tǒng)中出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)堵塞就會(huì)影響音頻信號(hào)的傳輸。當(dāng)使用支持VLAN的交換機(jī)時(shí)，通過對(duì)交換機(jī)的操作把以上兩種信號(hào)劃分開，從而使兩種信號(hào)同時(shí)在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳輸而不互相影響，使整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

　　　七、應(yīng)用效果

　　整體系統(tǒng)在安裝調(diào)試完成后先后經(jīng)過了一下幾個(gè)大型活動(dòng)。應(yīng)用效果獲得了客戶的好評(píng)。
　　1)2010年12月國(guó)家軍委領(lǐng)導(dǎo)到項(xiàng)目上檢驗(yàn)整體系統(tǒng)的運(yùn)行情況,并且在導(dǎo)演大廳、各級(jí)指揮大廳進(jìn)行了講話。
　　2）2011年1月甲方人員組織了大型聯(lián)合作戰(zhàn)演習(xí)，參與單位有：三個(gè)軍區(qū)、某空軍集團(tuán)軍、某陸軍集團(tuán)軍、某海軍集團(tuán)軍共計(jì)400人參加了演習(xí)。
　　3）2011年6月甲方還組織了兩個(gè)軍區(qū)的聯(lián)合軍事演習(xí)。
　　4）2011年6月甲方在組織了本季度在此學(xué)校畢業(yè)的學(xué)員，畢業(yè)課程的演練參加此次演習(xí)的共計(jì)200人。
　　以上幾次大型活動(dòng)的應(yīng)用甲方及參加演習(xí)的單位人員給出了好評(píng)。


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