王 勻 ，王蓓蓓 ，周祿華

（1.南京萊斯信息技術股份有限公司，江蘇 南京 210014；2.中國電子科技集團公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007）

0 引言

空管自動化系統(tǒng)屬于實時、安全和使命重大的系統(tǒng)，是空中交通管制部門進行日常工作、保障航空器安全有序飛行的管制指揮平臺，對保障飛行安全起關鍵作用。為了提升空管自動化系統(tǒng)保障能力，我國民航部門建立了應急保障機制，在建設空管自動化系統(tǒng)時，配置了主用自動化系統(tǒng)和備用自動化系統(tǒng)，以便當空管自動化主用系統(tǒng)故障時，空管自動化備用系統(tǒng)能擔負管制指揮工作[1-2]。

目前，新建空管自動化系統(tǒng)均具有主備工作模式，當主用自動化系統(tǒng)故障時，進行主備切換操作，備用自動化系統(tǒng)變?yōu)橹饔霉ぷ髂Ｊ?，從而可以進行管制指揮。在進行主備切換操作時，對于顯示屏、鍵盤、進程單打印機已實現(xiàn)了一鍵切換，但對于基于X.25 的AIDC 鏈路切換，需要通過人工拔插頭線纜的方式實現(xiàn)，該方式可能存在線纜頭故障，不能實現(xiàn)AIDC 互聯(lián)，增加了系統(tǒng)的運行風險[3]。

在我國空管自動化系統(tǒng)中，主要使用國際民航組織（ICAO）亞太地區(qū)使用的AIDC 協(xié)議實現(xiàn)管制中心之間的電子化移交，電子化移交降低了語音頻率的占用，減少了管制員的工作負荷，提高了管制工作效率[4-5]。隨著飛行流量的快速增加，對空管自動化系統(tǒng)的自動化、智能化提出了更高的要求，開始研究基于AIDC 鏈路的多模式串口切換系統(tǒng)技術，該切換技術采用DTR 檢測、人工、命令3 種鏈路切換模式以及中間狀態(tài)自動復位等技術，實現(xiàn)了一鍵切換主備自動化系統(tǒng)AIDC 鏈路的功能，避免因人工拔插線纜引發(fā)故障的風險，保障空管自動化系統(tǒng)主備切換過程中AIDC 功能的成功互聯(lián)[6-7]。

1 空管自動化系統(tǒng)AIDC 鏈路切換場景

管制中心A 的自動化系統(tǒng)A1 和A2 通過1 條X.25專線鏈路與管中心B 的自動化系統(tǒng)B1 和B2 互聯(lián)。同一時刻，只有處于主用系統(tǒng)狀態(tài)的自動化系統(tǒng)使用專線鏈路，如圖1 所示。

圖1 自動化系統(tǒng)AIDC 鏈路切換場景

通過物理鏈路切換的方式，每個管制中心只有主用狀態(tài)的自動化系統(tǒng)可以與傳輸設備連接，從而與相鄰管制中心的主用自動化系統(tǒng)建立X.25 傳輸鏈路，進行AIDC移交報文的傳輸。

目前，大部分管制中心還在采用人工插拔線纜的方式進行物理鏈路切換，這種方式需要較長的操作時間，并且容易造成設備端口或線纜的損壞，影響自動化系統(tǒng)的AIDC 移交功能。因此，迫切需要為自動化系統(tǒng)AIDC鏈路切換設計一種滿足上述使用場景的串口切換系統(tǒng)。

2 多模式串口切換系統(tǒng)的設計

2.1 串口切換系統(tǒng)需求設計

2.1.1 需求分析

（1）串口切換設備用于X.25 傳輸鏈路，因此需要采用同步串口，接口符合ITU-T V.24 建議。同時，為了最大程度兼容各類X.25 設備，切換器必須提供完整的串口引腳信號（地、控制、時鐘和數據）的傳輸和切換；

（2）2 套自動化系統(tǒng)通過切換器共享1 條傳輸鏈路，因此切換器提供1 個上行接口和傳輸設備連接；

（3）切換器需要提供2 個切換單元，分別對應2 套自動化系統(tǒng)，并能夠通過物理按鍵選擇其中一個單元與上行接口連通；

（4）每個切換單元提供2 個下行接口，連接同一套自動化系統(tǒng)的2 臺X.25 處理設備；

（5）切換單元可通過3 種模式進行切換選擇，使其中一個下行接口與上行通道連通，從而實現(xiàn)X.25 處理設備與傳輸設備的連接。

2.1.2 人工切換模式

最基本的切換模式為“人工切換模式”，運維人員可通過物理按鍵選擇切換單元內某個下行接口與切換器的上行接口連通。

2.1.3 命令切換模式

操作人員可通過物理按鍵設置切換單元處于“命令切換模式”，此時切換器可通過console 接口接收外部的指令，選擇切換單元內某個下行接口與切換器的上行接口連通。

同時，切換器也可通過console 接口將設備工作狀態(tài)和接口選擇狀態(tài)輸出給外部監(jiān)控設備。

2.1.4 DTR 自動檢測模式

同一切換單元的2 個接口對應連接了自動化系統(tǒng)的2 個串口。當其中1 個串口所對應的X.25 處理設備失效或線纜故障時，自動化系統(tǒng)的監(jiān)控模塊需要一定的時間發(fā)現(xiàn)和確認故障，再通過console 接口進行命令切換，或通知運維人員人工切換。對此，切換器可實時監(jiān)測下行接口的DTR 引腳的狀態(tài)，當發(fā)現(xiàn)接口狀態(tài)異常時自動進行切換，從而極大地縮短故障切換時間。

2.2 串口切換設備硬件設計

2.2.1 切換器工作場景

根據前述需求，串口切換設備需提供1 個上行接口和2 個切換單元。上行接口用于AIDC 專線鏈路傳輸設備的連接。每個切換單元提供A、B 通道兩個下行接口，連接自動化系統(tǒng)的X.25 處理設備。另外，每個切換單元需提供獨立的console 接口。切換器的工作場景如圖2所示。

圖2 切換器工作場景

2.2.2 切換器硬件架構

切換器硬件架構上，1 個上行接口（主通道）通過“單元二選一”模塊與2 個切換單元在內部連接，2 個切換單元各自對外提供2 個下行接口（A、B 通道），如圖3 所示。

圖3 切換器硬件架構示意圖

MCU（微控制單元）通過選通信號控制“單元二選一”模塊和“通道二選一”模塊的切換。MCU 通過面板按鍵接收設置指令，并通過狀態(tài)指示燈顯示設備工作狀態(tài)和單元、通道選擇狀態(tài)。同時，MCU 通過控制串口與外部監(jiān)控主機交互。

主通道和A、B 通道串口采用DB-25 連接器，信號地、數據、時鐘和控制信號引腳全部引出，并在內部根據切換邏輯連通。這樣，主通道接口和選中的下行通道接口之間，各數據、時鐘、控制信號是直接連通的。因此，切換器提供的串口從外部看來是完全透明的，不需要在輸入、輸出端做額外的引腳轉換電纜。

2.2.3 X.25 鏈路復位機制

AIDC 鏈路兩端的X.25 處理設備通過X.25 虛電路來建立邏輯傳輸鏈路，進行分組數據交換。X.25 協(xié)議可通過下述兩種方式檢測到鏈路失效：

（1）物理層故障；

（2）在數據鏈路層通過RR 幀周期性輪詢對端，如果無響應且一定重試次數后仍沒有響應，則復位并斷開鏈路。

然而，不同的X.25 處理設備輪詢周期各有長短。因此，當切換器切換物理通道后，X.25 處理設備可能需要經過較長時間才能夠檢測到鏈路故障，或者在發(fā)送AIDC報文時才能檢測到鏈路故障。

普通的串口切換設備由于物理通路的切換時間非常短，當A、B 通道切換發(fā)生時，由于控制引腳狀態(tài)未發(fā)生變化，直連的X.25 處理設備不能檢測到物理層故障，因此也不能及時地復位并斷開X.25 鏈路。

切換器在硬件設計上，當切換單元或A、B 通道時，會先將相關上、下行接口的控制引腳置于DOWN 狀態(tài)，經過一個可設定時間（默認500 ms）后再與選定的通道連接。這樣，外部X.25 處理設備有足夠的時間檢測到物理層故障，并斷開對應的X.25 鏈路，進而觸發(fā)X.25 應用重新建立連接。這樣，在切換器的切換動作完成后，涉及的X.25 邏輯鏈路會快速恢復至可用狀態(tài)。

2.3 串口切換設備軟件設計

2.3.1 3 種通道切換模式

切換器提供1 個主通道（上行接口）和2 組單元A、B通道（下行接口），并可通過按鍵選擇當前工作單元。主端口為DTE 模式，與X.25 專線傳輸設備連接；A、B 通道為DCE 模式，與自動化系統(tǒng)X.25 處理設備連接。

串口切換單元提供3 種通道切換模式：DTR 檢測模式、人工模式和命令模式。

當通過按鍵啟用“DTR 檢測”時，設備根據A、B 通道串口上的DTR 引腳電平狀態(tài)自動進行通道切換。

當通過按鍵關閉“DTR 檢測”時，可再通過按鍵選擇“人工”或“命令”切換模式。人工切換模式時，通道選擇按鍵置于A 就選擇A 通道與主通道連通，通道選擇按鍵置于B 就選擇B 通道與主通道連通。命令切換模式時，A/B 通道的選擇由控制口接收到的指令設置。

2.3.2 軟件處理流程

圖4 為單個切換單元A、B 通道切換處理的流程圖，微控制器的處理流程包括初始化、按鍵及控制口處理、通道切換處理三部分。

圖4 微控制器軟件處理流程示意圖

初始化階段，微控制器讀取撥碼開關狀態(tài)，獲取延時設置時長；同時，微控制器控制二選一選通模塊，使主通道與A 通道連接，初始的通道選擇模式為命令模式，初始的通道選擇狀態(tài)為A 通道。

運行過程中，面板按鍵通過中斷方式通知微控制器并觸發(fā)按鍵狀態(tài)讀取，同時，微控制器通過控制串口接收控制命令。當人工/命令按鍵被觸發(fā)時，新的通道選擇模式被設置；當通道選擇按鍵被觸發(fā)時，若當前通道選擇模式為人工模式，則新的A、B 通道選擇結果被設置；當從控制串口讀取到通道選擇指令且當前通道選擇模式為命令模式，則新的A、B 通道選擇結果被設置；若新的通道選擇結果與當前狀態(tài)不一致，則微控制器進行通道切換處理；微控制器發(fā)送選通信號，使二選一選通模塊將主通道各引腳與信號地連接，等待預設時間后，微控制器再次發(fā)送選通信號，使二選一選通模塊將主通道各引腳與選定的A 或B 通道對應引腳連通；通道切換完成后，微控制器根據新的通道選擇結果設置狀態(tài)指示燈。

2.3.3 自動化系統(tǒng)監(jiān)控處理

自動化系統(tǒng)內的監(jiān)控主機可通過串口線連接切換器的控制口，以“命令”方式對切換器單元進行狀態(tài)監(jiān)視和A、B 通道切換控制。

2 個單元的控制口均實時輸出設備工作狀態(tài)及通道切換狀態(tài)。但是，僅當切換單元處于“選中”狀態(tài)時，才接收并處理來自控制口的指令，非“選中”狀態(tài)的切換單元不能進行“命令”方式的切換控制。這樣，主用狀態(tài)自動化系統(tǒng)能夠監(jiān)視并控制切換單元，備用狀態(tài)自動化系統(tǒng)只能監(jiān)視切換單元狀態(tài)。

3 測試驗證

3.1 測試環(huán)境搭建

完成切換器的設計和開發(fā)后，項目組在北京區(qū)管中心的測試平臺上對其進行了功能測試。測試環(huán)境包含主用自動化系統(tǒng)和備用自動化系統(tǒng)各一套，并申請了一條至上海區(qū)管中心測試平臺的X.25 專線鏈路，按照圖5搭建測試環(huán)境，即北京區(qū)管中心使用泰雷茲（Thales）系統(tǒng)SSF 平臺和萊斯（LES）自動化系統(tǒng)測試平臺與上海泰雷茲測試平臺進行AIDC 專線測試。北京泰雷茲SSF 平臺、萊斯測試平臺均連接至切換器，通過切換器的切換功能選擇不同系統(tǒng)建鏈。

圖5 切換環(huán)境測試連接示意圖

3.2 測試驗證方式

3.2.1 選擇第一單元為主通道進行測試

測試條件設置：硬件連接完成后，兩組單元均選擇DTR 檢測燈啟用，人工/命令指示燈為滅。

（1）選擇一單元A 通道進行測試

測試方式：通過“單元選擇”按鍵選擇一單元，通過通道A 輸出，單元選擇指示燈一單元橙色常亮，一單元通道A 指示燈橙色常亮。一單元數據顯示區(qū)A 通道的輸入、輸出數據燈均綠色常亮，主通道的數據輸入輸出燈綠色常亮。二單元的所有指示燈均為滅。AIDC 專線主通道通過一單元的A 通道輸出給泰雷茲SSF 平臺FDP A 服務器，即實現(xiàn)AIDC 專線連接至泰雷茲SSF 平臺FDP A，通過平臺查看至上海AIDC 狀態(tài)，F(xiàn)DP A 為主用，顯示OK，AIDC 收發(fā)報文正常，F(xiàn)DP B 為備用，鏈路狀態(tài)顯示Unknown。通過萊斯測試平臺DCP1、DCP2 查看至上海AIDC 狀態(tài)均Unconnected，鏈路中斷。

（2）進行泰雷茲自動化系統(tǒng)做FDP 服務器主備切換條件下的測試

測試方式：一單元通道B 輸出，單元選擇指示燈一單元橙色常亮，一單元數據顯示區(qū)B 通道的輸入、輸出數據燈均綠色常亮，主通道的數據輸入輸出燈綠色常亮。二單元的所有指示燈均為滅。AIDC 專線主通道自動跳轉至一單元的B 通道輸出給泰雷茲SSF 平臺，即實現(xiàn)AIDC 專線連接至泰雷茲SSF 平臺，通過平臺查看至上海AIDC 狀態(tài)，F(xiàn)DP B 為主用，顯示OK，AIDC 收發(fā)報文正常，F(xiàn)DP A 為備用，鏈路狀態(tài)顯示Unknown。通過萊斯測試平臺DCP1、DCP2 查看至上海AIDC 狀態(tài)均Unconnected，鏈路中斷。

3.2.2 選擇第二單元為主通道進行測試

測試條件設置：硬件連接完成后，兩組單元均選擇DTR 檢測燈啟用，人工/命令指示燈為滅。

（1）選擇二單元A 通道進行測試

測試方式：通過“單元選擇”按鍵選擇二單元，通過通道A 輸出，單元選擇指示燈一單元橙色常亮，二單元通道A 指示燈橙色常亮。二單元數據顯示區(qū)A 通道的輸入、輸出數據燈均綠色常亮，主通道的數據輸入輸出燈綠色常亮。一單元的所有指示燈均為滅。AIDC 專線主通道通過二單元的A 通道輸出給萊斯平臺DCP1 服務器，即實現(xiàn)AIDC 專線連接至萊斯平臺DCP1，通過平臺查看至上海AIDC 狀態(tài)，DCP1 為主用，顯示OK，AIDC 收發(fā)報文正常，DCP2 為備用，鏈路狀態(tài)顯示Unknown。通過泰雷茲測試平臺FDPA、FDPB 查看至上海AIDC 狀態(tài)均Unconnected，鏈路中斷。

（2）進行萊斯自動化系統(tǒng)做DCP 服務器主備切換條件下的測試

測試方式：二單元通道B 輸出，單元選擇指示燈二單元橙色常亮，二單元數據顯示區(qū)B 通道的輸入、輸出數據燈均綠色常亮，主通道的數據輸入輸出燈綠色常亮。一單元的所有指示燈均為滅。AIDC 專線主通道自動跳轉至二單元的B 通道輸出給萊斯測試平臺，即實現(xiàn)AIDC 專線連接至萊斯測試平臺，通過平臺查看至上海AIDC 狀態(tài)，DCP2 為主用，顯示OK，AIDC 收發(fā)報文正常，DCP1 備用，鏈路狀態(tài)顯示Unknown。通過泰雷茲測試平臺FDPA、FDPB 查看至上海AIDC 狀態(tài)均Unconnected，鏈路中斷。

3.3 測試結論

依據以上兩類4 種測試方式，選取了全天不同時段、不同航班量的情況下進行切換系統(tǒng)的測試，測試結果滿足系統(tǒng)切換的要求，AIDC 鏈路都能正常進行切換，具體測試數據如表1 所示。

表1 測試驗證數據表

4 結論

本文根據空管自動化系統(tǒng)AIDC 鏈路切換場景提出了多模式串口切換設備的設計與實現(xiàn)方案，并在北京區(qū)管測試平臺進行了樣機功能測試和可靠性測試。與當前的人工切換物理線纜方式相比，本切換器可極大減少鏈路切換時間，保證AIDC 移交功能的可用性。并且，切換器完全國產化，生產成本低，使用方便且穩(wěn)定可靠，在民航空管行業(yè)具有很好的應用推廣價值。