CN109639512A - 一种vts多传感器信息综合处理系统的热备份方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种VTS多传感器信息综合处理系统的热备份方法，包括步骤为：步骤1，时钟同步；步骤2，建立信息对应表；步骤3，建立链式拓扑列表；步骤4，工作机确定；步骤5，数据同步；步骤6，故障切换；步骤7，设备故障恢复后，重复步骤3至6，建立新的链式拓扑列表，如此反复循环执行，实现备份机的自动监测切换。本发明实现了多传感器信息综合服务器的热备份，并且在实现过程中，综合考虑了热备份对心跳链路的可靠性要求，以及工作机、备份机自动切换的灵活性和唯一性，同时根据VTS多传感器信息综合处理的数据完整性要求，设计闭环同步的机制，采用启动时间仲裁决策唯一工作机的方式，较好的保障了VTS系统的高可靠性和稳定性。

Description

一种VTS多传感器信息综合处理系统的热备份方法

技术领域

本发明涉及船舶交通管理系统，特别是一种VTS多传感器信息综合处理系统的热备份方法。

背景技术

在VTS系统（船舶交通管理系统）中，多传感器信息综合处理系统处于核心位置，其功能是将来自各雷达站、AIS、CCTV、数据库等子系统的数据进行综合处理，并将处理后的数据信息发送至交通显示处理子系统，VTS监督员可对船舶进行动态跟踪监管，掌握船舶航行态势，并可通过VHF无线电话与船舶交流、沟通，实施交通管理和组织。因此，实现VTS多传感器信息综合处理系统的热备份，保障VTS系统的高可靠性和数据完整性，在满足海事相关部门的业务需求等方面而显得尤为重要。

常见的双机或多机热备方法，即通过预先约定好的优先级、互联网协议地址等设备信息通过一定的选举机制，选举出主设备和从设备。当主机发生故障时，其中的一台备份机及时转换为工作机。这种切换机制虽对设备可靠性和稳定性有明显的提升，但也存在有以下缺陷：

1、会出现不必要的主备切换和双机隐患。如优先级高的工作机发生间歇性故障时，其中一个备份机切换为工作机，当原工作机故障排除恢复后，又再次切回到原工作状态，从而出现主备反复切换的情况，反复切换会导致数据状态的不统一，且影响系统的使用。

2、传统的工作机与备份机之间大多通过周期性传递心跳信息来获取其他设备的生存状态，当心跳线网卡松动、损坏等情况时，备份机会自动强制切换为工作机状态，但实际工作机并未宕机，从而出现双主的情况，即同时出现两台工作机的情况。

3、传统的热备方法，数据同步多采用周期性数据同步的方式，主备间很难保证时刻的同步，转换过程中会有一定的数据丢失，此种方法对于数据完整性要求非常高的VTS系统监管不再适用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种VTS多传感器信息综合处理系统的热备份方法，该VTS多传感器信息综合处理系统的热备份方法实现了多传感器信息综合服务器的热备份，并且在实现过程中，综合考虑了热备份对心跳链路的可靠性要求，以及工作机、备份机自动切换的灵活性和唯一性，同时根据VTS多传感器信息综合处理的数据完整性要求，设计闭环同步的机制，采用启动时间仲裁决策唯一工作机的方式，较好的保障了VTS系统的高可靠性和稳定性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种VTS多传感器信息综合处理系统的热备份方法，包括如下步骤。

步骤1，时钟同步：VTS多传感器信息综合处理系统包括至少两台热备份服务器，将所有热备份服务器上的时钟进行同步。

步骤2，建立信息对应表：将所有热备份服务器均进行编码、配置网络地址IP和端口号；其中，编码递增且不重复；另外，对每台热备份服务器均配置相同的信息对应表，信息对应表为待建立连接的VTS多传感器信息数据，包括各雷达站、AIS、CCTV和数据库信息。

步骤3，建立链式拓扑列表，包括如下步骤：

步骤31，心跳网络机制建立：每台热备份服务器均内置至少两块网卡，每块网卡均捆绑一个网口，使得每两台热备份服务器之间均能建立双心跳网络机制或多心跳网络机制。

步骤32，链式拓扑列表建立：所有热备份服务器均启动，每两台热备份服务器之间分别建立双向动态链接，形成双向链式架构，且每台热备份服务器与其他热备份服务器之间的链式信息依据自协商机制构建链式拓扑列表。

步骤4，工作机确定，包括如下步骤。

步骤41，仲裁决策设定：将热备份服务器的启动时间作为判定工作机唯一的仲裁决策；仲裁决策结果为：启动时间最早的热备份服务器作为准工作机。

步骤42，门限阈值设定：设定N个采集时间段和一个门限阈值S，则S≤N。

步骤43，热备份服务器初始设置：仲裁决策前，所有热备份服务器均默认为备份机。

步骤43，工作机确定：在每个采集时间段内进行一次仲裁决策，在N个采集时间段内，当某台热备份服务器的仲裁决策结果为准工作机的次数达到门限阈值S时，则将该台热备份服务器确定并跳转为工作机，其余热备份服务器仍为备份机。

步骤5，数据同步：采用闭环同步机制实现VTS多传感器信息数据状态同步；闭环同步机制为：步骤4确定的工作机接收并处理各雷达站、AIS、CCTV和数据库所发送的VTS多传感器信息数据，步骤3中建立的链式拓扑列表中，位于工作机下一级的备份机接收并保存工作机发送的VTS多传感器信息数据，接收完成后，一方面向下下一级备份机进行VTS多传感器信息数据发送，另一方面向工作机进行回馈确认；以此类推，实现所有备份机中VTS多传感器信息数据状态同步。

步骤6，故障切换：当步骤4确定的原工作机发生故障后，重复步骤4与步骤5，确定新的工作机并进行数据同步。

步骤7，链式拓扑列表重建：当原工作机故障恢复后，重复步骤3至步骤6，重新建立新的链式拓扑列表，如此反复循环执行，实现备份机的自动监测切换。

步骤32中，采用自协商机制建立链式拓扑列表的方法为：设备启动后，每台热备份服务器均设定定时机制，周期性地向其他热备份服务器发送心跳监测包，来表明自己的启动时间和编码，因此，每台热备份服务器均能获取自身的启动时间和编码信息，以及其他热备份服务器的心跳监测信息，根据启动时间先后顺序的自协商机制来构建自己的链式拓扑列表。

步骤31中，每台热备份服务器均内置两块网卡，每两台热备份服务器之间均能建立双心跳网络机制。

本发明具有如下有益效果：

本发明能实现VTS多传感器信息综合处理系统的热备份，综合考虑了心跳链路的可靠性、工作机和备份机自动切换的灵活性和唯一性，以及VTS系统数据高度完整性等要求，采用双心跳网络机制，建立链式拓扑列表，利用启动时间仲裁决策唯一工作机的机制，并设计了闭环同步的数据同步方式，较好的保障了VTS系统的高可靠性和稳定性，有效避免了不必要的反复切换、双主问题，以及有效保证了数据状态的高度一致。

当工作机出现故障（软件崩溃、网络崩溃、机器崩溃、停电等异常情况），或由用户手动切换时，备份机能够自动激活切换为工作机，并重新建立各路网络连接，切换后目标数据仍能保持正常跟踪，雷达视频传输不中断，交通管理系统仍能够进行正常的监管工作，对多传感器综合处理的稳定性达到了较好的保障效果。

附图说明

图1显示了本发明一种VTS多传感器信息综合处理系统的热备份方法的流程示意图。

图2显示了设备1与其他几个设备之间的双向链式架构。

图3显示了设备2与其他几个设备之间的双向链式架构。

图4显示了工作机切换前的链式拓扑列表。

图5显示了设备1故障后，工作机切换后的链式拓扑列表。

图6显示了双心跳网络机制示意图。

图7显示了以启动时间作为仲裁决策时工作机的切换过程状态图。

图8显示了工作机切换时心跳发送方的流程示意图。

图9显示了工作机切换时心跳接收方的流程示意图。

图10显示了闭环同步机制示意图。

图11显示了故障切换重连机制示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种VTS多传感器信息综合处理系统的热备份方法，包括如下步骤。

步骤1，时钟同步。

VTS多传感器信息综合处理系统包括至少两台热备份服务器，本发明中将以4台热备份服务器为例进行说明。4台热备份服务器分别为设备1、设备2、设备3和设备4。

本发明由于后续将采用启动时间作为决策工作态主机的依据，因此多个互为热备的多台热备份服务器的时间必须保持一致，故需要将所有热备份服务器上的时钟进行同步。

步骤2，建立信息对应表。

将所有热备份服务器均进行编码、配置网络地址IP和端口号；其中，编码递增且不重复；另外，对每台热备份服务器均配置相同的信息对应表，信息对应表为待建立连接的VTS多传感器信息数据，包括各雷达站、AIS、CCTV和数据库信息等。

因此，每台热备份服务器都知道其他热备份服务器的编码、IP和端口等信息。

步骤3，建立链式拓扑列表，包括如下步骤。

步骤31，心跳网络机制建立。

每台热备份服务器均内置至少两块网卡，每块网卡均捆绑一个网口，使得每两台热备份服务器之间均能建立双心跳网络机制或多心跳网络机制。

本发明中，每台热备份服务器均优选内置两块网卡，每两台热备份服务器之间均优选建立如图6所示的双心跳网络机制。

本发明中的双心跳网络机制，能形成高可靠的心跳连接，避免备份机由于网卡松动、损坏等情况造成的状态误判而误切换至工作机从而导致双工作机的问题。当其中一个心跳监测网络发生异常状况时，只要另外一个心跳监测网络仍然保持正常，则工作机的心跳传输不会中断，有助于提升系统的稳定性。

步骤32，链式拓扑列表建立。

所有热备份服务器均启动，每两台热备份服务器之间分别建立双向动态链接，形成如图2和图3所示的双向链式架构。

每台热备份服务器与其他热备份服务器之间的链式信息依据自协商机制构建如图4和图5所示的链式拓扑列表。

采用上述自协商机制建立链式拓扑列表的方法优选为：设备启动后，每台热备份服务器均设定定时机制，周期性地向其他热备份服务器发送心跳监测包，来表明自己的启动时间和编码，因此，每台热备份服务器均能获取自身的启动时间和编码信息，以及其他热备份服务器的心跳监测信息，根据启动时间先后顺序的自协商机制来构建自己的链式拓扑列表。

在链式拓扑列表中，时刻动态记录着当前热备份服务器与其他热备份服务器的启动时间和编码，以此来动态维护链式列表，并作为后续仲裁决策的依据。

步骤4，工作机确定，包括如下步骤。

步骤41，仲裁决策设定：将热备份服务器的启动时间作为判定工作机唯一的仲裁决策；仲裁决策结果为：启动时间最早的热备份服务器作为准工作机。

步骤42，门限阈值设定：设定N个采集时间段和一个门限阈值S，则S≤N。

步骤43，热备份服务器初始设置：仲裁决策前，所有热备份服务器均默认为备份机。

步骤43，工作机确定：在每个采集时间段内进行一次仲裁决策，在N个采集时间段内，当某台热备份服务器的仲裁决策结果为准工作机的次数达到门限阈值S时，则将该台热备份服务器确定并跳转为工作机，其余热备份服务器仍为备份机。

在步骤32建立的链式拓扑列表中，若自身的启动时间比某个热备份服务器晚，说明自身不应该作为工作机；反之，自身的启动时间比其他任何设备都要早（启动时间相同的极端下，则比较编码大小），则进行积累，若在设定时限内未接收到比自身启动时间更早的心跳监测信息，则自动由初始的备份状态切换至工作态。该机制能够确保仅存在唯一一个工作态主机（也即工作机），而其他设热备份服务器作为备份机。

确定的工作机，可以通过日志文件、窗口弹出提示、或短信提醒等方式使用户在任意场景下，均能够及时发现该异常状况，并在短期内排查解决。

步骤5，数据同步。

采用如图10所示的闭环同步机制实现VTS多传感器信息数据状态同步，保证VTS系统中雷达航迹信息、AIS、CCTV、数据库信息等数据状态的高度一致。

闭环同步机制为：步骤4确定的工作机接收并处理各雷达站、AIS、CCTV和数据库所发送的VTS多传感器信息数据，步骤3中建立的链式拓扑列表中，位于工作机下一级的备份机接收并保存工作机发送的VTS多传感器信息数据，接收完成后，一方面向下下一级备份机进行VTS多传感器信息数据发送，另一方面向工作机进行回馈确认；以此类推，实现所有备份机中VTS多传感器信息数据状态同步。

转为工作机模式后，根据建立的链式拓扑列表判断自己是否存在下级备份机，下级备份机即比自己启动时间次晚的设备。

如图11所示，VTS多传感器信息综合处理系统将来自各雷达站、AIS、CCTV、数据库等多传感器的数据进行综合处理，首先同步至下级备份机，下级备份机回馈确认后，再发送至交通显示处理子系统，采用此种闭环同步的机制，保证了VTS系统中雷达、AIS、数据库等数据的高度一致性，为海事部门船舶监管提供完整稳定的数据保障。

作为备份机，每次收到状态同步数据后，将其保存而不进行任何处理，并依次传递至下级备份机。

由于数据同步是周期性地自工作态主机逐级传输至下级备份机，因此，在周期间歇内主机切换，备份机的状态数据只能是上次同步的数据，对于一些重要的状态信息可能会有部分缺失，导致同步数据的不一致性。为解决这一问题，本文采用闭环同步机制， 数据状态的变化均需首先同步到下级备份机，完成闭环后才认为完成该状态的变化，从而实现数据完整性的高度要求,且有利于提高业务的可靠性。

步骤6，故障切换：当步骤4确定的原工作机发生故障后，重复步骤4与步骤5，确定新的工作机并进行数据同步。

如图7所示，在状态一中，设备1为工作机，启动时间最早，其余三个为备份机，启动时间从早至晚顺序依次为设备3、设备4和设备2。

在状态二中，设备1发生异常，设备3、设备4和设备2，按照步骤4的方法重新确定设备3作为新的工作机。

也即设备3监测到工作机已停止发送心跳链式信息，且设备3的启动时间已在自身的链式拓扑列表中处于启动时间最早的状态，依据此种选举机制，设备3进行计数累计，当达到设定门限阀值后，则触发设备3从备份状态自动切换为工作状态，成为新的工作机。

工作机切换过程中的心跳发送及接收流程如图8和图9所示。

切换为新的工作机后，新多传感器信息综合处理服务器重新建立与各雷达站、AIS、CCTV、数据库等子系统的连接，如图11所示，交管子系统等客户端则通过与综合处理服务器之间的心跳回馈机制建立重连，再次接收到综合处理服务器发送的数据。由于采用闭环同步机制实现VTS多传感器信息数据的状态同步，故客户端重连后再次接收到的数据状态与切换前高度一致。

步骤7，链式拓扑列表重建。

当原工作机故障恢复后，重复步骤3至步骤6，重新建立新的链式拓扑列表，如此反复循环执行，实现备份机的自动监测切换。

如图7中的状态三所示，当设备1故障修复，再次启动后，由于启动时间晚，按照步骤4中工作机的确定方法，设备3仍作为工作机，不需进行再次切换，从而减少切换次数。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种VTS多传感器信息综合处理系统的热备份方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，时钟同步：VTS多传感器信息综合处理系统包括至少两台热备份服务器，将所有热备份服务器上的时钟进行同步；

步骤2，建立信息对应表：将所有热备份服务器均进行编码、配置网络地址IP和端口号；其中，编码递增且不重复；另外，对每台热备份服务器均配置相同的信息对应表，信息对应表为待建立连接的VTS多传感器信息数据，包括各雷达站、AIS、CCTV和数据库信息；

步骤3，建立链式拓扑列表，包括如下步骤：

步骤31，心跳网络机制建立：每台热备份服务器均内置至少两块网卡，每块网卡均捆绑一个网口，使得每两台热备份服务器之间均能建立双心跳网络机制或多心跳网络机制；

步骤32，链式拓扑列表建立：所有热备份服务器均启动，每两台热备份服务器之间分别建立双向动态链接，形成双向链式架构，且每台热备份服务器与其他热备份服务器之间的链式信息依据自协商机制构建链式拓扑列表；

步骤4，工作机确定，包括如下步骤：

步骤41，仲裁决策设定：将热备份服务器的启动时间作为判定工作机唯一的仲裁决策；仲裁决策结果为：启动时间最早的热备份服务器作为准工作机；

步骤42，门限阈值设定：设定N个采集时间段和一个门限阈值S，则S≤N；

步骤43，热备份服务器初始设置：仲裁决策前，所有热备份服务器均默认为备份机；

步骤43，工作机确定：在每个采集时间段内进行一次仲裁决策，在N个采集时间段内，当某台热备份服务器的仲裁决策结果为准工作机的次数达到门限阈值S时，则将该台热备份服务器确定并跳转为工作机，其余热备份服务器仍为备份机；

步骤5，数据同步：采用闭环同步机制实现VTS多传感器信息数据状态同步；闭环同步机制为：步骤4确定的工作机接收并处理各雷达站、AIS、CCTV和数据库所发送的VTS多传感器信息数据，步骤3中建立的链式拓扑列表中，位于工作机下一级的备份机接收并保存工作机发送的VTS多传感器信息数据，接收完成后，一方面向下下一级备份机进行VTS多传感器信息数据发送，另一方面向工作机进行回馈确认；以此类推，实现所有备份机中VTS多传感器信息数据状态同步；

步骤6，故障切换：当步骤4确定的原工作机发生故障后，重复步骤4与步骤5，确定新的工作机并进行数据同步；

步骤7，链式拓扑列表重建：当原工作机故障恢复后，重复步骤3至步骤6，重新建立新的链式拓扑列表，如此反复循环执行，实现备份机的自动监测切换。

2.根据权利要求1所述的VTS多传感器信息综合处理系统的热备份方法，其特征在于：步骤32中，采用自协商机制建立链式拓扑列表的方法为：设备启动后，每台热备份服务器均设定定时机制，周期性地向其他热备份服务器发送心跳监测包，来表明自己的启动时间和编码，因此，每台热备份服务器均能获取自身的启动时间和编码信息，以及其他热备份服务器的心跳监测信息，根据启动时间先后顺序的自协商机制来构建自己的链式拓扑列表。

3.根据权利要求1所述的VTS多传感器信息综合处理系统的热备份方法，其特征在于：步骤31中，每台热备份服务器均内置两块网卡，每两台热备份服务器之间均能建立双心跳网络机制。