基于光端機的指揮調度通信系統的設計與實現

聶巖峰，戴 健，徐先超

(總后勤部油料研究所 自動化室，北京 102300)

無論是在軍事領域中的野戰條件下，還是和平時期應急響應的狀況中，指揮調度都顯得尤為重要。在日常生活中，處理大型公共的突發事件時，往往需要多個部門之間相互配合，跨地區、跨省市的協調工作，需要指揮調度發揮很好的作用。在信息化高速發展的今天，就需要利用現代化的通信手段，充分發揮各種通信工具的優勢，靈活組合、高效暢通地完成調度指揮。當前的固定電話網絡已經很成熟，網絡覆蓋區域也很廣，在應急條件下很好地利用固定電話網絡及時提取和傳輸實時的音、視頻信息，是一個不錯的選擇。同時，考慮到移動性的特點，使通信人員可以機動地隨時隨地進行組網通信，必須研制一種能夠方便接入各種傳輸媒介，并能接入固定電話網絡的、具有信息傳輸功能的終端設備去配合調度指揮人員組網，如此靈活、高效、智能的指揮調度通信系統可以平行地應用在突發大型公共事件、軍事等領域中。這種類型的指揮調度通信系統的設計與實現將有很好的應用前景。

1 系統設計思想及應用背景

為了使指揮調度通信系統的設計更具有針對性，系統的設計考慮了野戰條件下管線輸油對通信系統的要求。下面以野戰管線輸油調度指揮為應用背景，說明系統的設計思想及設計依據。

野戰輸油管線系統是后勤油料輸送裝備，具有機動、高效、輸送量大等優點，在軍事后勤領域發揮著重要作用。如何發揮野戰條件下使用管線輸油的優點，使其更好地為戰事服務，指揮調度通信系統的實時、高效、安全、便攜，控制管理的準確可靠成為整個管線輸油的關鍵。

野戰條件下輸油管線鋪設完畢，正式輸油過程中需要對運行參數進行實時監控和調整，以便及時判斷和排除故障。戰時的野外條件惡劣，調度指揮命令的上傳下達，始終是一個瓶頸，軍內外通常使用現場鋪設的野戰軸油管線作為通信的主要載體。由于管線站間距離的實際應用長度變化較大，人工鋪設線路在實際應用中會出現各種問題，也消耗大量人力物力。地方和部隊的光纜通信干線資源豐富，通信質量好，線路維護力量強大，能夠應用光纜網絡進行可視調度、電話互通、微機數據上傳。因此，研制一種以光纖通信為基礎，能夠保留多種傳輸媒介接口，接入民用通信網絡(包括固話和無線網絡)的終端便攜設備，進行多種方案的高效、機動組網，形成調度指揮通信系統基礎平臺，成為設計的主要思路[1]。

2 系統整體架構設計

2.1 系統組成及網絡拓撲

指揮調度通信系統主要由現場通信設備、光端機設備、機動組網方案、指揮調度通信軟件四大部分組成，系統組成及網絡拓撲如圖1所示。本系統使用光纜作為主要信息傳輸媒介，由XTYL120光傳輸及轉換設備構成具有寬帶接入能力及其他多種功能的高速信息傳輸網絡。每個站點間的傳輸距離不小于40 km。

圖 指揮調度通信系統組成及網絡拓撲示意圖

現場通信設備指有線電話，在調度指揮通信系統的設計中，只要具備民用有線電話就可以進行臨時組網，根據野戰輸油管線鋪設運行的整體要求，整個系統涉及到N個泵站值班室、1個輸油調度指揮中心和機動的上級作戰指揮部。光端機設備設計為多種型號，包括局端機(調度中心使用)、遠端機(泵站用)、迷你端機(指揮首長使用)等設備。光端機設備具有網絡管理系統，通過RS232口與網管PC連接。在幾種型號的光端機設備的研制開發基礎上設計機動組網方案，野戰輸油管線的鋪設運行要根據現場情況臨時開設，多種型號的光端機設備為靈活組網提供了可靠保證。

以圖1的組網方案為例：開設XX輸油調度指揮中心1個，使用局端機型號可以進行最多18路專線電話信號的全時雙工傳輸，可接入光纜。開設泵站值班室N個(N＜16)，根據值班室通信需求使用遠端機，支持 2路電話MODEM接口。前方指揮部可以使用迷你便攜式光端機，通過有線電話設備接入輸油調度指揮專用網絡，隨時隨地處理監控整個系統的運行[2]。

2.2 指揮調度通信軟件設計

本軟件應該具有通信調度指揮的功能，用于泵站與泵站之間、泵站與調度中心之間、調度中心與指揮部之間進行實時互通信息、收發命令、調度指揮、提示報警、數據存儲等功能。選用星型網絡拓撲結構非常有利于發揮系統的優勢，因此軟件設計基本可以分為調度中心指揮控制軟件和泵站實時監控軟件兩部分，軟件的界面設計如圖2所示。調度中心軟件基本功能包括：(1)接收來自各個泵站的數據(最多接收17個站)，包括各種輸油工況的參數，例如：總輸油量、累計流量、瞬時流量、油品等，每泵站只發給相鄰的泵站，事故發給全線泵站，文字命令發給全線泵站。(2)向上級指揮部發送基本信息，與各個泵站、指揮部之間進行通信，包括發送指令、上報情況。(3)數據存儲功能、查詢功能、打印報表功能。(4)報警功能。

圖2 指揮調度通信軟件的主界面設計

3 關鍵技術研究

3.1 光端機設計

研制的便攜設備能為用戶提供多路指揮調度全時雙工熱線電話通道和多路運行參數數據轉送通道。使作業各單位與各單位之間，各單位與指揮部之間不再僅僅只是原來傳統的簡單專線低速數據傳遞和話音聯絡，而是將整個作業現場各單位的實時運行參數、話音聯絡、以及文字調度指令、實時控制參數等經過計算機處理的大量信息通過光纖網絡進行高速傳遞相互交換。

由于研制的光端機設備必須具有多種傳輸媒介接入輸出的功能，調度指揮通信需要使用各種通信設備，將各種通信接口連接到終端集成設備上，如圖3所示。根據接入接出各種傳輸媒介的要求，光端機終端集成設備的芯片為YLXT系列專用通信系統芯片，數據、話音的接入、傳輸和交換都集成在芯片中。系統由單色單模雙芯光纜和XTYL120光傳輸(光端機)、接口轉換設備及其他附屬設備構成，形成25 MHz光傳輸多通道數據網絡硬件。選用了專用4芯光電轉換卡、電話線電路板卡、網口板卡等器件支持終端設備開發[3]。

圖3 調度終端集成設備接入接出多種媒介示意圖

XTYL120光端機是整個系統的核心設備，它完成了從光電變換到信令收發、多通道數據傳輸及信道分/復接等全部工作。它可以為系統提供2條專用熱線話音，8對2 MHz高速數據傳送，8對64 kHz低速數據傳送的系統數據通道鏈路。根據需求由XTYL120光端機配接相應的接口變換電路模塊，即可組成所需的光網終端設備。指揮調度通信系統設計了3種機型：遠端機(光網端機 XTYL120A)、中繼機(光網端機 XTYL120B)、局端機(光網端機XTYL120C)，其中局端機是指揮調度中心使用的調度機，具有很強的設備資源擴展能力。局端機的內部模塊設計結構如圖4所示。

XTYL120A和XTYL120B適用于沿途聯絡站點，它最終為各站點提供：2個熱線電話接口(可接通4條話音通道)、2個以太網接口(用于視頻語音圖像傳輸或計算機寬帶接入)、1個 RS232接口，XTYL120B具有跨站轉接能力。XTYL120A遠端機內部模塊設計結構圖如圖5所示[4]。

光端機設計特點如下：

(1)集數據、話音業務于一體，集接入、傳輸、交換(叉)于一體。可自組成專網也可以利用公網組成虛擬專網。

(2)數據、話音的接入、傳輸、交換(叉)集成在芯片內，體積小、重量輕、功耗低。一些外圍的電路以及一些交換功能等全部集成在芯片，既降低了成本又縮小了體積，避免了軟件的占用時間長及開發周期長的缺點。

圖4 局端機內部模塊設計結構圖

圖5 遠端機內部模塊設計結構圖

(3)傳輸線路具有可備份自動保護功能，當一處設備被毀壞自動轉換到其他路徑傳輸，不同傳輸媒介之間自動切換，保證信息傳輸的有效可靠。

3.2 Indy開發阻塞模式通信軟件

指揮調度通信軟件的開發建立在硬件條件的基礎上，由于光端機的研制，既降低了軟件開發的成本，又減少了開發周期。設備提供的以太網接口和光纖通道，為通信監控軟件的開發提供了便利。選用合適的關鍵技術，就能開發出高效、安全、可靠的網絡通信軟件。

在網絡數據實時采集功能的開發中，本系統采用了Indy(Internet Direct)技術。根據通信設備組網系統的拓撲結構(如圖1所示)，采用 TCP/IP的網絡協議設計通信鏈路。由于采用了星型網絡結構，突出了網絡中心設備的重要性，因此很自然地選擇了C/S模式進行Client端(泵站)與 Sever端(調度中心)之間的信息互通，這就要求用多線程技術解決幾個泵站同時與調度中心請求連接的問題，基于此，采用了Indy控件配合編寫多線程代碼[5]。

Indy是一套開放源代碼的Internet控件集，是完全基于SOCKET阻塞工作模式的開發庫，涵蓋了幾乎所有流行的Internet協議。Indy是阻塞式(Blocking)的，與通常的Winsock編程方法不同，Indy使用了阻塞式Socket調用方式。阻塞式訪問更像是文件存取，當讀取數據或是寫入數據時，讀取和寫入函數將一直等到相應的操作完成后才返回。例如，發起網絡連接只需調用Connect方法并等待它返回，如果該方法執行成功，在結束時就直接返回，如果未能成功執行，則會拋出相應的異常。同文件訪問不同的是，Socket調用可能會需要更長的時間，因為要讀寫的數據可能不會立即就能準備好，這在很大程度上依賴于網絡帶寬[6]。

阻塞式Socekt通常都采用線程技術，Indy也是如此。從最底層開始，Indy的設計都是線程化的。因此利用Indy創建服務器和客戶程序與在Unix下十分相似，并且Delphi的快速開發環境和Indy對WinSock的良好封裝使得應用程序創建更加容易。

以野戰輸油調度指揮通信系統為例，假設一套完整的輸油管線最多包括15個泵站，1個供油泵站。為了保證傳輸數據的可靠性、通信鏈路的穩定性以及數據采集的實時性，采用了阻塞模式下Indy的多線程技術。即調度中心Server端啟動后始終處于監聽狀態，等待泵站Client端發出連接請求，采用“實時上線實時通知”的方式，當Server端接收到請求后立即為客戶開辟一個新的線程。這樣，每個泵站都與調度中心建立有固定的連接通道，直至泵站請求斷開連接或者線程異常終斷。在每個線程存續期間都用來處理專門的客戶事件。

圖6為Indy服務器的工作原理。Indy服務器組件創建一個同應用程序主線程分離的監聽線程來監聽客戶連接請求，對于接受的每一個客戶，都創建一個新的線程來為該客戶提供服務，所有與這一客戶相關的事務都由該線程來處理。

本文設計的指揮調度通信系統在前端設計研制了網絡配套的光傳輸硬件設備，包括3種型號的光端機，能夠為野戰條件下管線輸油調度指揮的通信網絡提供多種配套解決方案。同時，這種移動靈活的組網方式還可以平行地應用于大型突發公共事件的應急指揮調度組網中。利用阻塞模式開發的調度指揮通信軟件具有很強的針對性，雖然對于不同的應用需求需要一定程度的調整與完善，但是Indy網絡控件技術的使用大大縮短了開發周期，使光端機設備靈活組網的優勢得到進一步鞏固。該調度指揮通信系統方便實用，具有較高的經濟效益和廣泛的應用前景。

圖6 Indy服務器工作原理

[1]LARMAN C.Applying UML and patterns[M].3th ed，Pearson Education，2005.

[2]謝希仁.計算機網絡(第二版)[M].北京：電子工業出版社，1999.

[3]趙勇.光纖光柵及其傳感技術[M].北京：國防工業出版社，2007.

[4]石東海，周旭升.單片機數據通信技術從入門到精通[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002.

[5]余志勇，劉光斌.分布式測控系統的多線程應用程序設計[J].計算機工程與應用，2009，35(5).

[6]張立科.Delphi7程序設計與開發技術大全[M].北京：人民郵電出版社，2004.