CTC 系統與SMIS 調車數據交互服務平臺設計與實現

溫斌賓，周 通，羅常津，黃圣文，王天龍

（1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081；2. 北京經緯信息技術有限公司，北京 100081）

調度集中（CTC ，Centralized Traffic Control）系統以日班計劃圖、列車運行調整計劃（階段計劃）為主軸，將階段調整計劃下傳到各個車站的分散自律機中自主執行列車作業與調車作業，實現對信號設備的集中控制和列車運行的直接指揮。目前，CTC 系統已在鐵路行業廣泛應用，在列車作業方面，有效解決了車站接發車進路自動排列、安全卡控、站細檢查等問題[1]。然而在調車作業方面，CTC 系統在調車進路辦理時，無法準確采集到車站綜合管理信息系統（SMIS，Synthesized Management Information System）中的調車作業計劃數據[2]，通常需要車站調度員依據紙質調車作業通知單手動排列調車進路。

現有車站調車作業流程中，調車作業計劃由車站調度員在SMIS 中進行編制，編制時需要綜合考慮車站現存車、調機運用計劃、裝卸車計劃、摘掛列車作業計劃等實際情況[3]。編制完成后，從SMIS 中打印導出調車作業計劃，以紙質作業通知單的形式下發給車站值班員及其他調車崗位，車站值班員接收到調車作業通知單后，依據調車作業具體內容，通過操作CTC 系統車務端完成調車進路辦理。在此過程中，車站值班員還需要與車站調度員頻繁以電話和電臺的方式溝通，以確認進路辦理準確性。從上述流程中可知，CTC 系統與SMIS 在作業中各自獨立，兩系統間缺少對調車作業信息的交互，導致調車作業進路排列方式仍為人工手動操作，嚴重影響了調車作業的效率與安全性。為實現CTC 系統與SMIS 調車作業數據的流通共享，本文設計CTC 系統與SMIS 調車數據交互服務平臺（簡稱：交互服務平臺）進行設計研究，以提高車站內調車作業自動化水平和安全卡控能力。

1 交互服務平臺總體架構

交互服務平臺基于B/S 框架開發[4]，采用集群技術、邊緣計算技術，提高硬件資源利用效率和數據傳輸效率，保證其應用服務的擴展性和可靠性。該平臺總體架構分為基礎設施層、數據資源層、業務應用層和用戶接入層，如圖1 所示。

圖1 CTC 系統與SMIS 調車數據交互服務平臺總體架構

1.1 基礎設施層

基礎設施層提供了交互服務平臺所需要的硬件設備和運行環境。依托于鐵路局集團公司級運輸信息集成平臺（簡稱：信息集成平臺）[5]，部署數據接口服務器、安全監控服務器、數據庫服務器和交換機，建立網絡服務、網絡安全管理服務、邊緣計算服務，使用中國國家鐵路集團有限公司的硬件負載均衡和網絡安全隔離服務，為交互服務平臺接發調車作業計劃信息提供硬件支撐與技術基礎。

1.2 數據資源層

數據資源層為調車數據的存儲、管理、傳輸提供支持。通過建立數據庫、數據服務共享、數據接口等方式，匯集SMIS 調車數據、CTC 系統進路數據和調車作業計劃執行數據等多源數據，通過轉換形成可交互共享的標準數據，集成于鐵路局集團公司級運輸信息集成平臺數據庫。建立SMIS 與交互服務平臺、交互服務平臺與CTC 系統間的數據交換接口規范，為實現調車數據分發推送、日志查詢、可視化監控和調車作業進度反饋等業務應用提供數據基礎。

1.3 業務應用層

在基礎設施層和數據資源層的支撐下，重點保障調車作業計劃數據從SMIS 經由交互服務平臺向CTC 系統的順暢流通，并實現對調車作業計劃數據交互過程的可視化監測、歷史調車作業計劃數據的精確和模糊查詢，增強車站調車數據展示能力、作業流程管控能力和風險預警卡控能力，實現車站調車作業管控一體化的高效作業協同模式。

1.4 用戶接入層

用戶接入層實現交互服務平臺應用功能的訪問與操作。通過業務應用層的統一身份認證功能為鐵路局集團有限公司和站段不同角色用戶提供不同權限的服務。

2 交互服務平臺功能

交互服務平臺功能主要包括數據采集、數據集成、數據分發和平臺監控，功能框架如圖2 所示。

圖2 CTC 系統與SMIS 調車數據交互服務平臺功能

2.1 數據采集

（1）為使CTC 系統快速獲取車站基礎數據和調車作業數據，在車站近端布置邊緣計算服務，主要包含各車站數據接入和數據處理服務，配合SMIS實現非侵入式的實時采集、上報和清洗數據。將調車作業通知單數據，按照兩系統間數據映射關系處理為符合CTC 系統的數據格式。

（2）對CTC 系統反饋的調車通知單簽收狀態和調車作業進度信息進行采集，并傳輸給SMIS，使SMIS 能夠對調車作業計劃執行的進度有準確記錄，便于相關作業人員掌握作業進度，開展下一步工作計劃。

2.2 數據集成

主要提供結構化數據集成和實時數據集成等功能，滿足各類型數據采集需求[6]。通過結構化數據采集、非結構化數據采集、實時數據采集等方式匯集數據，構建分布式數據整合功能，將各車站通過邊緣計算服務清洗后的數據，統一存儲至鐵路局集團公司級運輸信息集成平臺數據庫，實現從多數據源到統一平臺級的存儲，使交互服務平臺具備對外統一提供數據服務的能力。

除對調車作業通知單數據進行存儲，交互服務平臺還具備保存和查詢調車通知單的功能，通過日志形式記錄每一調車通知的站名、作業ID、作業類型、計劃編制時間、計劃推送時間、計劃收到時間、計劃開始時間、計劃結束時間等基礎信息，并提供相應的按類別模糊查詢功能，能夠為安全責任追溯、標準作業時間標定[7]、生產及管理決策等提供數據參考。

2.3 數據分發

對CTC 系統采用長連接方式，通過私有TCP 協議進行數據傳輸，實現對調車通知數據進行實時分發和推送。分發服務器采用雙機熱備的工作模式，包含主機和備機服務，當服務器主機出現故障的時候，通過軟件診測或手工方式將服務器備機激活，保證應用在短時間內完全恢復正常使用，以保證服務的穩定性和延續性。

2.4 平臺監控

實時監控服務器主備機程序狀態、數據分發通道狀態、邊緣計算服務狀態，提供可視化監控界面，并可動態配置和管理服務器主備機程序；提供可視化車站配置和集群配置界面，方便運行維護人員對交互服務平臺進行配置管理和性能監控。

提供日志查詢功能，用戶可通過輸入調車計劃號、車站、時間、作業類型等信息，模糊或精確查詢符合條件的調車作業通知單數據，記錄的調車作業通知單數據包括計劃推送時間、計劃簽收時間、計劃開始時間、計劃結束時間，對上述調車數據進行統計分析，能夠為車站調車作業統計、人員績效統計、作業質量分析等提供充足依據。

3 流程設計

通過構建交互服務平臺，進一步優化了調車作業計劃的傳遞流程，分為計劃傳遞和計劃執行2 個階段，如圖3 所示。

圖3 調車作業計劃傳遞流程

3.1 計劃傳遞階段

計劃傳遞階段具體可分為調車作業計劃編制與通知傳送、交互服務平臺信息處理、調車通知簽收與反饋等3 個步驟。

（1）調車作業計劃編制與通知傳送

調車作業計劃由車站調度員或助理調度員在SMIS 上完成編制，計劃內容包括計劃號、股道、車數、鉤種等信息，編制完成后可通過操作 SMIS，傳送調車通知單給 CTC 系統。

（2）交互服務平臺信息處理

調車通知單在傳送到 CTC 系統之前，需要先經交互服務平臺處理，對數據進行清洗，轉存到鐵路局集團公司數據集成平臺數據庫中，實現從多數據源到統一平臺存儲，使交互服務平臺具備對外統一提供數據服務的能力。調車通知單數據處理完成后，由交互服務平臺依據調車通知的車站別信息，將調車通知單數據實時精準分發給相應車站。

（3）調車通知簽收與反饋

交互服務平臺在傳送調車通知單給 CTC 系統后，CTC 系統即時反饋通知單簽收狀態給交互服務平臺，并將此狀態顯示到 SMIS 中。若 CTC 系統反饋未收到調車通知單數據，交互服務平臺將向 SMIS 發出請求，重新獲取調車通知數據；若調車通知單數據簽收成功，則進入調車作業計劃執行階段。

3.2 計劃執行階段

CTC 系統簽收調車通知單數據后，依據通知單具體作業內容生成調車進路序列，車站作業人員按照調車進路序列觸發進路，為調車作業計劃執行提供條件；在調車作業執行過程中，CTC 系統將通過交互服務平臺，實時向 SMIS 傳輸調車作業單鉤與整單的完成信息。

4 關鍵技術

4.1 基于邊緣計算的數據采集與處理

邊緣計算通過把運算量遷移至數據源的一端，解決大量數據傳輸時間的延時問題，降低了數據傳輸鏈路負載，以縮短響應時間、更有效地處理和減緩網絡壓力[8]。調車作業計劃數據從SMIS 數據庫傳輸到運輸集成平臺數據庫，再傳輸到CTC 系統數據庫的過程，因網絡安全隔離要求，需要進行2 次跨網傳輸，經過網閘和交換機，不可避免地對調車作業計劃數據的傳輸效率造成了影響。在車站近端布置邊緣計算服務，配合車站SMIS 實現非侵入式的實時采集、上報和清洗數據，并將各車站調車作業計劃數據經數據轉換、數據分組、數據運算等步驟處理為標準數據，匯集到鐵路局級運輸信息集成平臺數據倉庫中，為下一步調車數據向CTC 系統分發推送提供基礎。

4.2 調車作業數據安全防護

交互服務平臺匯集了鐵路局集團公司、車站CTC 系統及SMIS 的多類型數據，與業務應用系統接口實現調車作業相關數據的共享。為實現安全的數據管理和可信的數據服務，采用身份鑒別、訪問控制、安全審計等技術提供完善的數據安全防護[9]。通過設置交互服務平臺登錄權限和角色管理來進行訪問控制，確保只有授權用戶才能對調車作業相關數據進行訪問；對數據庫所有訪問行為進行監控和審計，對其中的危險操作進行多種方式的告警，通過對日志的分類、過濾、強化、分析和存儲，實現日志管理分析和實時告警，同時，建立數據備份恢復機制，實現對數據存儲的安全管理。

5 平臺應用

結合上述方法，本文設計的交互服務平臺實現了數據采集、數據集成、數據分發及平臺監控等功能，圖4 所示為該平臺的監控頁面，能夠可視化顯示調車作業通知單每日、周、月的推送單數，展示每日推送單數的柱狀圖變化，實時反映數據倉庫、服務器主備機和車站終端的服務狀態。有利于車站生產管理者準確掌握調車作業生產情況，開展績效評定、安全責任追溯、標準作業時間標定等工作，也便于運維人員對交互服務平臺進行配置管理和性能監控。

圖4 CTC 系統與SMIS 調車數據交互服務平臺監控功能頁面

目前，交互服務平臺已在中國鐵路武漢局集團有限公司襄陽北站等4 個車站上線使用，取得了良好的應用效果。以襄陽北站為例，自交互服務平臺投入使用以來，平均每日傳遞的調車作業通知單數達到了340 單，通過數字化的調車作業通知單，實現了調車進路的自動排列和自動安全卡控，減輕了相關作業人員的工作強度，提升了調車作業流程的安全可控性。

6 結束語

基于邊緣計算數據采集與處理、數據安全防護等關鍵技術，在現有CTC 系統與SMIS 應用的基礎上構建調車數據交互服務平臺，實現了車站調車作業數據采集自動化、調車作業通知單傳遞電子化、調車作業進度反饋實時化、交互服務平臺數據及服務監控可視化。CTC 系統利用數字化調車作業計劃數據，實現調車進路自動生成、調車進路序列預覽與觸發、調車進路安全卡控等自動化功能，提高了調車作業過程中的安全可控能力；SMIS 通過獲取計劃執行過程與執行結果，對調車計劃的執行進度有充分的掌握，實時顯示作業單中鉤計劃執行狀態，以及具體調車進路執行狀態，有效地提高了調車進路辦理的效率和安全性。