基于互操作概念下的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)與多專業(yè)系統(tǒng)間的聯(lián)動實(shí)現(xiàn)＊

張劭陽，左懷遠(yuǎn)，王丹

?

基于互操作概念下的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)與多專業(yè)系統(tǒng)間的聯(lián)動實(shí)現(xiàn)＊

張劭陽1，左懷遠(yuǎn)2，王丹1

（1.北京市地鐵運(yùn)營有限公司地鐵運(yùn)營技術(shù)研發(fā)中心，北京 100044；2.北京格是菁華信息技術(shù)有限公司，北京 100079）

隨著城市軌道交通信息化技術(shù)的不斷深入與推進(jìn)，多系統(tǒng)、多專業(yè)間的聯(lián)動將是未來信息化建設(shè)的主要方向。綜合監(jiān)控系統(tǒng)作為城市軌道交通重要的安全保障系統(tǒng)，其通過集成地鐵多個專業(yè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)各系統(tǒng)之間的信息共享和協(xié)調(diào)管控功能。以互操作概念為基礎(chǔ)，結(jié)合城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀，利用系統(tǒng)間底層接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)與多專業(yè)系統(tǒng)間的聯(lián)動，從而為互操作技術(shù)在城市軌道交通的應(yīng)用提供了參考，為地鐵的正常、安全運(yùn)營提供技術(shù)保障。

互操作；城市軌道交通；綜合監(jiān)控；聯(lián)動控制

1 概述

目前，城市軌道交通內(nèi)均設(shè)置有多種不同專業(yè)的控制系統(tǒng)，包括信號、電力、環(huán)控、火災(zāi)、屏蔽門、自動售檢票等，各專業(yè)的協(xié)同聯(lián)動，保證了城市軌道交通的正常運(yùn)行，綜合監(jiān)控系統(tǒng)正是在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生。但由于各系統(tǒng)的組織管理與業(yè)務(wù)分工不同的關(guān)系，形成了大量的“信息孤島”和“業(yè)務(wù)孤島”，綜合監(jiān)控系統(tǒng)的效能未得到充分發(fā)揮。本文針對城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際業(yè)務(wù)需求，基于互操作理論，以系統(tǒng)間接口為研究對象，對綜合監(jiān)控系統(tǒng)與各專業(yè)系統(tǒng)間的聯(lián)動實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)及難點(diǎn)進(jìn)行闡述，從而提高系統(tǒng)之間業(yè)務(wù)協(xié)同、信息共享和信息交換的能力，構(gòu)建基于城市軌道交通的互操作架構(gòu)體系。

2 互操作概念及其理論基礎(chǔ)

“互操作（Interoperability）”的概念最早產(chǎn)生于軍事情報(bào)領(lǐng)域。這種新型的信息和組織系統(tǒng)特點(diǎn)不只是自下而上的情報(bào)搜索系統(tǒng)或一個自上而下的指揮系統(tǒng)，而是類似今天互聯(lián)網(wǎng)采用的多對多的信息交互網(wǎng)，可實(shí)時或近實(shí)時地產(chǎn)生預(yù)定結(jié)果，形成多米諾骨牌一樣“一個動作導(dǎo)致相關(guān)動作發(fā)生”的聯(lián)動效果，這種機(jī)制稱為“互操作”。互操作是指一種能力，通過互操作可實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)之間業(yè)務(wù)協(xié)同、信息共享和信息交換，是解決分布式、異構(gòu)環(huán)境下系統(tǒng)整合問題的有效方法。

2.1 互操作概念及定義

廣義的理解，互操作是指通過信息交換達(dá)成協(xié)調(diào)工作的能力；狹義的理解，互操作是信息系統(tǒng)的互操作，指不同平臺或編程語言間交換和共享數(shù)據(jù)的能力。

本文基于最新版的計(jì)算機(jī)通信詞典中互操作定義，結(jié)合系統(tǒng)間互聯(lián)互通的概念，認(rèn)為系統(tǒng)互操作是指在兩個或多個系統(tǒng)間，基于系統(tǒng)安全條件下，各系統(tǒng)保持自治性的同時，開放彼此間相關(guān)協(xié)議、接口，以滿足用戶對資源和服務(wù)的需求，并且支持系統(tǒng)間動態(tài)性需求的能力。

2.2 互操作理論基礎(chǔ)

系統(tǒng)的互操作是以互聯(lián)為前提，互通為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的。互聯(lián)決定信息系統(tǒng)內(nèi)外的通信，互通提供更加方便的平臺，使信息能夠更好地交流和共享，最終保證系統(tǒng)功能的互操作，滿足各個系統(tǒng)的交換和交流。可以說互聯(lián)、互通是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互操作的基礎(chǔ)。互操作與互聯(lián)互通關(guān)系如圖1所示。

圖1 互操作與互聯(lián)互通關(guān)系

通過系統(tǒng)互操作，可以使得整個系統(tǒng)具備單個系統(tǒng)不具有的功能，完成單個系統(tǒng)不能完成的任務(wù)。從效用角度看，互聯(lián)、互通是系統(tǒng)之間的信息和數(shù)據(jù)的交流、共享，只影響系統(tǒng)功能的質(zhì)量，而互操作則是系統(tǒng)之間的功能或服務(wù)的交流，它使系統(tǒng)的功能得以補(bǔ)償和提升。

3 城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)

城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)概念的提出，是從實(shí)踐工作中出發(fā)的。在軌道交通設(shè)計(jì)方面，發(fā)現(xiàn)孤島信息過多，存在不利于整個軌道交通運(yùn)行管理的監(jiān)視和控制等問題，所以在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提出了“綜合監(jiān)控系統(tǒng)”的概念。

因此，將彼此孤立的各類設(shè)備控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)和集成軟件有機(jī)地連接在一起，建成一個共享信息平臺。該系統(tǒng)集成或互聯(lián)各相關(guān)子系統(tǒng)，協(xié)調(diào)和監(jiān)控這些子系統(tǒng)的功能，充分提高各系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低城市軌道交通運(yùn)營成本，提高綜合決策水平。

目前，地鐵的綜合監(jiān)控大多以一個電力監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的分層分布式綜合自動化系統(tǒng)，采用模式控制和群組控制方式對機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。綜合監(jiān)控將上述兩系統(tǒng)完全地集成在系統(tǒng)中，同時與其他獨(dú)立的系統(tǒng)如信號系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)等相互聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)一定的信息互動與資源共享。利用其統(tǒng)一的信息平臺對各專業(yè)子系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)之間信息的無障礙交互和各子系統(tǒng)之間有效聯(lián)動，從而保證地鐵安全高效地運(yùn)行，為城市軌道交通現(xiàn)代化管理提供信息化基礎(chǔ)。

4 基于互操作機(jī)制的系統(tǒng)間的聯(lián)動實(shí)現(xiàn)技術(shù)

4.1 接口技術(shù)

即綜合監(jiān)控系統(tǒng)與多個不同專業(yè)系統(tǒng)之間的互相連通和互相訪問，一般情況，綜合監(jiān)控系統(tǒng)會在車站和中心各設(shè)置幾套通信控制器設(shè)備，通過通訊控制器設(shè)備上裝載的通訊控制器系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)系統(tǒng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)格式的調(diào)整等功能。大多數(shù)情況下，通訊控制器的軟件接口均采用Modbus協(xié)議與相關(guān)專業(yè)進(jìn)行通訊，電力監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)等特殊專業(yè)會采用專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行互聯(lián)互通，比如電力監(jiān)控系統(tǒng)多采用IEC60870-5-104、IEC61850等協(xié)議進(jìn)行互聯(lián)互通，與火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)互通的協(xié)議通常采用主機(jī)專有協(xié)議，其他如列車自動監(jiān)控系統(tǒng)可能根據(jù)不同項(xiàng)目情況采用其他非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。而綜合監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部通常采用構(gòu)造獨(dú)特的協(xié)議機(jī)制進(jìn)行服務(wù)器、客戶端和通訊控制器系統(tǒng)軟件之間的互相訪問。圖2為通訊控制器在典型的車站綜合監(jiān)控系統(tǒng)中的位置。

圖2 典型的車站綜合監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

接口軟件是用來完成接口功能的軟件體，是綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺與設(shè)備和其他系統(tǒng)之間承上啟下交互的橋梁。接口軟件通常應(yīng)具備以下基本功能：

數(shù)據(jù)服務(wù)管理：運(yùn)行模式管理、數(shù)據(jù)訪問管理、事件管理和控制指令管理。

冗余工作管理：包括冗余機(jī)之間的通信鏈路管理，主從切換邏輯管理、數(shù)據(jù)同步、控制同步等。

虛擬設(shè)備管理：包括虛擬設(shè)備數(shù)據(jù)的組織、安全訪問管理、邏輯計(jì)算功能等。

驅(qū)動調(diào)度管理：屏蔽物理設(shè)備性能差異，屏蔽協(xié)議擴(kuò)展開發(fā)引入的不安全因素，鏈路沖突管理。

驅(qū)動模板：提供迅捷的協(xié)議擴(kuò)展開發(fā)機(jī)制，為主板、端口、設(shè)備的管理和數(shù)據(jù)采集提供統(tǒng)一的模式。驅(qū)動模板應(yīng)提供虛擬設(shè)備和物理設(shè)備前后端分離的模式進(jìn)行工作。

驅(qū)動程序：是針對特定設(shè)備的特定協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展開發(fā)的產(chǎn)物。

接口軟件的核心功能由驅(qū)動程序完成，這個核心功能即協(xié)議轉(zhuǎn)換，它的主要作用是完成從外部協(xié)議轉(zhuǎn)換為內(nèi)部專用協(xié)議，以便內(nèi)部系統(tǒng)的服務(wù)程序與外部系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)互通。在這個過程中一般外部協(xié)議采用國際知名的通用協(xié)議，方便與不同的系統(tǒng)連通，而內(nèi)部協(xié)議通常為專用協(xié)議，有著保證系統(tǒng)內(nèi)部的高效傳輸和易于解析的特點(diǎn)。

協(xié)議轉(zhuǎn)換需要協(xié)議雙方采用同一個通信協(xié)議（即采用相同的語法、語義、時序規(guī)則）。語法確定了通信雙方通信時數(shù)據(jù)報(bào)文的格式；語義明確了通信雙方通信的內(nèi)容；時序規(guī)則指出的是通信雙方信息交互的順序，比如建立連接、傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)重傳、拆除連接等。

4.2 聯(lián)合控制系統(tǒng)

即緊急事件發(fā)生時候，由綜合監(jiān)控系統(tǒng)牽頭，指揮各個系統(tǒng)按一整套有序的方式執(zhí)行命令的一套系統(tǒng)，綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，各專業(yè)系統(tǒng)分立設(shè)置，當(dāng)發(fā)生緊急事件時候，各系統(tǒng)通過兩兩進(jìn)行物理或軟件接口進(jìn)行互聯(lián)互通，聯(lián)合解決遇到的問題。這樣的操作通常會帶來費(fèi)用過高或路徑過長導(dǎo)致時間過長的問題，為了提高運(yùn)營效率，綜合監(jiān)控系統(tǒng)和綜合監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動功能應(yīng)運(yùn)而生，通過接入所有子系統(tǒng)，以命令形式驅(qū)動所有子系統(tǒng)，使綜合監(jiān)控系統(tǒng)具有聯(lián)合控制多個子系統(tǒng)動作的功能，即聯(lián)動。聯(lián)動是互聯(lián)互通的高級版本，多專業(yè)聯(lián)動可快速完成故障情況下的多個系統(tǒng)間的協(xié)同工作，是高效、快捷的工作模式，可處理較多故障，比如隧道阻塞管理功能，可在隧道阻塞情況下，通過迅速與環(huán)境和設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動并啟動隧道通風(fēng)模式進(jìn)入事故狀態(tài)。

通訊控制器完成協(xié)議轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)通過專屬的傳輸通道傳遞給綜合監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時數(shù)據(jù)庫，實(shí)時數(shù)據(jù)庫經(jīng)過加工處理后就形成了可提供給人機(jī)界面的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)由人機(jī)界面做渲染后顯示為用戶最終看到的最終畫面。此過程形成的數(shù)據(jù)流也是綜合監(jiān)控系統(tǒng)基本的上行數(shù)據(jù)流，而聯(lián)動控制系統(tǒng)通常為下行數(shù)據(jù)流，即通過多種方式（用戶的操作、設(shè)備狀態(tài)的觸發(fā)、定時等對不同專業(yè)數(shù)據(jù)的修改和設(shè)定，并經(jīng)由專用傳輸通道發(fā)送至通訊控制器，經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后（此時的協(xié)議轉(zhuǎn)換為從內(nèi)部協(xié)議轉(zhuǎn)換為外部協(xié)議）發(fā)送給其他專業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行互操作的過程，具體運(yùn)行如圖3所示。

圖3 聯(lián)動控制系統(tǒng)運(yùn)行圖

為實(shí)現(xiàn)由綜合監(jiān)控系統(tǒng)對多個專業(yè)系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度和有序執(zhí)行，聯(lián)動控制系統(tǒng)的構(gòu)建最少需涉及到3個主要部分，即數(shù)據(jù)組織與顯示界面部分、數(shù)據(jù)存儲部分、聯(lián)動自動控制后臺系統(tǒng)部分。這3個部分主要功能如下：

數(shù)據(jù)組織與顯示界面：主要用于配置多專業(yè)聯(lián)動的基本信息、觸發(fā)條件清單、執(zhí)行的命令清單和命令執(zhí)行后驗(yàn)證工作的信息。

數(shù)據(jù)存儲部分：所有聯(lián)動實(shí)體信息的存儲，可采用數(shù)據(jù)文件和數(shù)據(jù)庫格式。

聯(lián)動自動控制后臺系統(tǒng)軟件：用于判斷聯(lián)動何時何種情況聯(lián)動觸發(fā)。

這3個部分是最重要的聯(lián)動自動化控制后臺系統(tǒng)軟件，這里主要介紹一下這個系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理。

聯(lián)動自動控制后臺系統(tǒng)基本由初始化、等待指令、執(zhí)行命令和獲得反饋結(jié)果幾個步驟組成。

其中初始化步驟應(yīng)完成加載原始數(shù)據(jù)表、創(chuàng)建觸發(fā)器、創(chuàng)建定時器等工作，如圖4所示。在這個過程中還需要對數(shù)據(jù)類型進(jìn)行構(gòu)造，可將原始數(shù)據(jù)、觸發(fā)器、條件、命令等按照不同的對象類進(jìn)行創(chuàng)建和組織，在使用時可快速找到對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

圖4 聯(lián)動自動控制后臺系統(tǒng)示意圖

等待指令期間系統(tǒng)需要啟動多個線程進(jìn)行觸發(fā)條件、時間周期等判斷，當(dāng)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定情況后進(jìn)入執(zhí)行命令階段，命令序列執(zhí)行流程通常分為命令序列初始化階段、執(zhí)行每一個命令階段、等待所有異步命令反饋三個階段。最后一個階段為獲得整個聯(lián)動的執(zhí)行結(jié)果。

聯(lián)動執(zhí)行過程還需要判斷多種特殊情況，比如是否從第一步執(zhí)行、是否是中斷恢復(fù)、是否單條命令執(zhí)行失敗、失敗的替代方式等。

5 結(jié)束語

目前城市軌道交通中綜合監(jiān)控系統(tǒng)均含有聯(lián)動控制系統(tǒng)，用于多專業(yè)間的互操作。隨著人們對聯(lián)動系統(tǒng)使用次數(shù)的增多和對聯(lián)動系統(tǒng)的認(rèn)可，開始將各種專業(yè)都集成或互聯(lián)入綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，對降低城市軌道交通各專業(yè)之間的互操作難度、增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性、提高操作水平起到了積極的作用，是城市軌道交通各系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

［1］北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司，中國地鐵工程咨詢有限責(zé)任公司.GB 50157—2013 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

［2］中華人民共和國工業(yè)和信息化部.GB 50636—2010 城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2011.

［3］曲立東.城市軌道交通環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［4］董志華，朱元昌，邸彥強(qiáng)，等.利用通用數(shù)據(jù)交換模型實(shí)現(xiàn)多體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)互操作的方法［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015（1）：60-67.

［5］羅俊.管軌運(yùn)輸綜合保障與控制系統(tǒng)互操作實(shí)現(xiàn)方法與技術(shù)研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2010.

［6］劉戰(zhàn)平.互聯(lián)互通互操作的重大意義［J］.數(shù)字化用戶，2013，19（12）：4.

［7］諶海霞，蔡灝，杜榮華，等.ITS交通管理中心互操作問題初探［G］//第一屆全國公路科技創(chuàng)新高層論壇論文集.2002：293-297.

張劭陽，男，工程師，研究方向?yàn)槌擒夁\(yùn)營管理。

國家科技支撐計(jì)劃“城軌交通互操作綜合測試與認(rèn)證關(guān)鍵技術(shù)”（任務(wù)編號2015BAG19B02-13）子課題“地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)互操作性評估的研究與應(yīng)用”項(xiàng)目

2095－6835（2018）18－0001－04

TP277；U239.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.18.001

〔編輯：辛霞〕