城市軌道交通綜合監控自動化系統平臺設計技術

摘　要　基于軌道交通各類自動化與信息化系統拓廣性、集成性及開放性需求,提出了一種基于分組、分層、分塊的平臺體系及構件化結構的,用于軌道交通綜合監控自動化等系統設計的平臺建設技術,詳細闡述了三個軟件子平臺的結構及功能,指出在構造軌道交通各應用系統及其互連集成中,此平臺技術體現更大的開放度及持續可擴性。
關鍵詞　綜合監控自動化系統,開放平臺,軟件子平臺,開放度,可擴性

　　隨著軌道交通自動化系統,如電力、環境、保安、輔助設施、列車監督等的應用范圍不斷拓廣,自動化系統本身與應用多樣化的適配性、系統向更大集成度發展所需的一體化互連性,以及互操作的低效與高成本等的不足體現得日趨明顯。從自動化系統的開放系統環境(OSE) 考慮,上述不足可定位于OSE 的各項子集:應用的互操作性/ 互連性,應用的可移植性/ 可伸縮,以及應用的集成性/ 拓廣性中。因此, 必須將一個軌道交通綜合監控自動化的全方位開放系統定位于建設目標,以更大開放度地支持系統的支撐與應用,以及軌道交通企業網的橫向與縱向建設。此舉將是今后軌道交通及其他自動化應用系統的根本途徑所在,也是當今國內外同類軌道交通綜合監控自動化系統所應完備的定位目標。
1 　平臺建設內涵
傳統基于功能應用設計的軌道交通自動化系統的有限的開放度,約束了系統的持續拓展。問題的本質是這類系統無體現開放性的平臺建設,系統總體結構不清晰,導致了系統的不可擴性。
這里需要澄清的一個概念是,一個軌道交通綜合監控自動化系統并不是基于了哪類世界級的計算機系統、網絡設備、控制及執行設備就具備開放性。系統底層的開放性僅是其中一部分,更應注重中層及上層的開放性,特別強調以中層開放驅動上層應用級與用戶級開放,從而以更大開放的綜合自由度滿足軌道交通綜合監控自動化不斷拓廣的應用需求及企業網的建設。對于軌道交通綜合監控自動化系統,真正的開放性體現在該系統的最上層,即應用層。通過應用層的可視化交互界面( GU I) 定義自己的各類應用,包括軌道交通綜合監控自動化各系統的互連通信則是最為理想的。然而,應用層開放并不是空中樓閣,它必須要有位于其下的建設支撐。之所以稱為建設支撐,是要體現建筑結構的層次化概念。這就是本文的平臺建設內涵。
2 　平臺建設框架
平臺總體設計為分層支撐模式。為使平臺持續可擴,以及具有清晰的可用性及可復用性,可將其分為三個包容關系:組層-子平臺(Subplatform) 、子層(Layer) 以及塊層-組件/ 構件(Component) 。每層相對獨立,無嚴格的依附關系,且均為積木模塊化的組件/ 構件單元構成。上層任一單元均體現與相對下層1∶n 的支撐關系。系統平臺必須從過去的單一系統或單一網絡的概念,提升到跨越網絡透明訪問異構設備的網絡分布計算的高度,且此應作為軌道交通綜合監控自動化系統平臺建設的重點[ 1 ,2 ] 。
基于一個軌道交通綜合監控自動化系統的分層定義,系統主要描述在現場操作層、設備/ 控制層及信息系統層中?，F場操作層由各類位于現場的智能化儀表、傳感器、執行機構及交互裝置構成;在設備/ 控制層中,主要包括運程終端設備(R TU) 系統、電氣控制系統、環境/ 保安/ 輔助設施分散控制系統、可編程邏輯控制(PL C) 總線/ 網絡分布系統等;信息系統層主要含有控制中心等監控與信息管理系統。整個系統按控制要求配置冗余交換以太網、冗余總線、環形網等網絡結構。
基于軌道交通自動化系統的應用與網絡分劃, 建立一個統一的硬件及軟件平臺體系,以支持上述多類不同應用系統的技術支持。系統平臺層次結構見圖1 。

圖1 　軌道交通綜合監控自動化系統平臺層次結構
　　圖1 中最上層為面向軌道交通各類應用而生成的應用系統。中間為三個子平臺層,以及支持子平臺建設的構件層。構件層亦可稱為中間件層,它又由N ×N 階矩陣形式的各構件組成。構件層與子平臺層之間可形成具有特定意義的構件庫(圖中未標出) 。圖中央處的雙箭頭即代表構件對子平臺層的支持關系,又代表構件和子平臺層對硬件平臺的支持與映射關系。圖右方處的雙箭頭即代表硬件平臺、構件及子平臺層對各應用系統的支持關系,又代表應用層對硬件平臺的支持與映射關系。
平臺在不同層次上體現網絡、圖形、GU I 、DBMS 、OS 、應用系統構架技術等,與當今世界最新工業及國際標準相適應,并考慮擴充,從而為底層多平臺及跨平臺(如一個網段上不同操作系統、不同GU I 、異構數據庫的各節點間) 的平滑應用奠定基礎。
構件化是廣義的概念,它包括原始設備制造商(OEM) 的核心應用構件及開發工具構件?；谶@些符合國際及工業標準的開放核心構件來實施自己的平臺構件/ 構件組件建設,是保證平臺開放性、可持續拓展的關鍵。
3 　軟件子平臺的建設
通過對圖1 系統平臺結構的共性分析,可以歸納出3 個軟件子平臺:數據管理子平臺,可視化交互子平臺和網絡通信子平臺,以下詳細闡述3 個子平臺的建設。需要說明的是,對于軌道交通綜合監控自動化系統而言,硬件平臺具有與軟件平臺同等重要的意義。況且嵌入式軟件必須要有硬件平臺的良好支撐?，F場操作層及設備/ 控制層中,存在多種類型I/ O 卡件、I/ O 智能設備、數據采集與處理裝置、保護裝置、電氣與光纖網絡集連/ 交換裝置、可編程控制器、智能通信控制裝置等。這些低端智能裝置的基本屬性是板卡件邏輯電路、網絡/ 總線通信接口、電源模塊、嵌入式軟件、全球定位系統( GPS) 、箱體結構件組成。將它們按獨立分類的硬件子平臺分劃,并在每個子平臺中構造基于組裝模式的硬件構件,含與之相關連的嵌入式軟件類及版本。在當今工業以太網向傳統工業控制領域推進應用趨勢下, 基于工業以太網及常規CAN 、Profibus 等現場總線的互連硬件平臺的建設十分必要。但硬件平臺及其構件不作為本文討論重點。
3. 1 　數據管理子平臺建設
數據管理子平臺設計應以支持軌道交通綜合監控自動化系統的高可靠性、高集成性和高性能運行為準則。高可靠性是基本要素;高集成性體現軌道交通綜合監控自動化不同分布系統異構數據庫(實時與歷史庫) 的互連共享;高性能則要體現數據訪問、存儲、動態觸發的高效率。為此,該平臺及其構件的生成工具必須具備開放性、成熟性,平臺基于構件的層次盡可能少。
數據管理子平臺不僅由數據管理自身構件支持,且還由構件層與子平臺層之間可形成具有特定意義的構件庫支持(如數據訪問網絡通信構件庫), 從而構成分布數據管理子平臺。
數據管理構件應是基于核心層數據庫,如商用數據庫Sybase 、DB2 等的標準內涵和外包(shell) ,采用如多線索結構、內部并行機制和有效的查詢優化技術等,并充分利用SQL 、J ava 等開放的開發環境來構造。軌道交通綜合監控自動化系統的實時庫分布接口構件亦可按此模式建設,從而為不同系統實時數據的訪問與維護創造一致的支撐環境。
建立或利用Java 或其它虛擬機,可在數據庫中編寫、存儲與執行Java 代碼。可利用J ava 類,它們可在不對J ava 或數據庫做任何修改下運行?；诖藦姶蟮臉藴示幊陶Z言來定義過程邏輯構件,如存儲過程或觸發器等,亦可包括自定義函數構件。此類構件在SQL 表的列中以J ava 類的實例形式存儲,并支持實例的方法調用。
基于數據庫中支持的擴展標記語言(XML) ,可制作XML 文檔管理形式下的各類構件,如數據庫的備份與恢復、永久存儲與復制等。這樣在Web 開發下使用XML , 則無須進行數據庫編程,即可訪問數據。數據庫中的XML 和HT TP 支持構件將大大簡化數據訪問與交換。從而為軌道交通綜合監控自動化系統間,以及軌道交通綜合監控自動化系統與其它信息系統間的Web 交互提供支持。
建立分布式分區視圖構件,將數據按應用分布到多個服務器上,并協調查詢過程,從而實現數據庫擴展的分布應用,這對軌道交通自動控制的多樣性應用的集中數據源的一致性與分布應用數據的管理很有必要。
3. 2 　可視化交互子平臺建設
平臺建設建立在兩個層面上:一是基于任務的流程管理,二是基于對象的單元管理;兩者更高層次的組合形成可視化交互子平臺。此舉體現了面向對象的邏輯與過程一體化軟件工程,即過程的實現是對軌道交通自動化控制的可視化方式的具體映射。
廣義組態是為適合于更廣的軌道交通綜合監控自動化應用對象面定義的?？刂普Z言是廣義組態工具。控制語言是一種類J ava 等的開放語言,它可體現與過去常規組態工具的不同點,即異種機或異構網的互操作性。為適應系統應用更大程度上的系統開放,除設計通常的計算語言系統外,還應具備面向上層應用的計算與控制表達定義以及解釋的多樣化應用的組態環境。如提供下述語言元語: ① 計算、② 邏輯、③ 控制、④ 過程, 可生成上層的計算庫(L IB) 、邏輯L IB 、過程控制L IB , 以及知識L IB 。這些L IB 即為構件庫。例如通過邏輯定義語言,可自定義智能化過程;通過控制定義語言,可自定義控制序列過程,并將其包裝在數據庫外層,用于軌道交通系統各類操作命令序列控制、智能操作票的生成、培訓仿真等應用。
3. 3 　網絡通信子平臺建設
網絡通信子平臺建設之目的在于形成網絡級中性服務平臺,或稱之為抽象服務映射平臺,服務于主動發出及客戶請求的中性數據,而無須考慮數據的應用,使應用者可自行靈活定義拓廣的應用,并自動接入各系統及實現系統間通信。
需要指出的是,網絡通信平臺的概念反映了以往軌道交通自動化控制裝置與現在乃至今后軌道交通綜合監控自動化系統的關鍵不同點。將過去的通信架構直接應用于現在的多應用、多控制、多互連的集成系統,將導致潛在的系統運行與拓展問題,因為本質上它是一個面向具體單項應用的非面向對象機制的集中式系統。
中間件技術是網絡環境下的通用規則、轉換及服務的“軟集合體”。中間件技術提供了非直接(大于兩層) 的分布式計算環境下的客戶/ 服務器跨平臺及跨網絡的透明通信框架,為系統的可擴性、安全性、透明性、靈活性、規范性奠定基礎。其構架應為分層的構件化平臺,平臺的層次化由系統支撐平臺、系統應用平臺及網絡邏輯平臺三大組類構成。前一組應采用不同類別的商用/ 標準中間件:數據庫訪問中間件(ODBC 、SQL) 、群件中間件與面向對象中間件(CORBA 、J AVA) 、網絡協議中間件等,以構成對不同硬件、操作系統、數據庫和網絡之間差異的屏蔽;后兩組則為應用于不同的任務需求所定義的客戶端訪問數據源的中間件。該層中間件提供了兩個基本接口: ① 客戶應用程序接口,定義應用程序與中間件的交互,包括編程語言、系統環境等; ② 對數據源接口,定義數據格式、存取機制和異構數據源透明訪問。
采用分布對象通信機制是一種好的途徑。它是建立在分層構件概念之上。構件對象是一個封裝的代碼和數據的集合體。不同的應用可構造不同的對象,對象的操作能對各自的數據進行響應的操作。這種構件分層對象技術可令用戶構建自己的應用: 網絡通信接口,實現無縫連接的目標。從而提高系統互連的透明性、交互友好性及可靠性,實現真正意義上的分布分散式軌道交通綜合監控自動化與信息化應用系統。
對于軌道交通綜合監控自動化系統而言,網絡通信子平臺建設的好壞將直接影響系統總體規劃與運行。網絡通信子平臺應支持的系統縱向上盡可能扁平化,橫向盡可能分段化。通俗講,這是網絡通信(內部網及外部網) 的軟總線(SOF TBUS) 模式。
網絡通信子平臺構件可建立多樣化模式,如商用數據庫固有網絡客戶/ 服務口( CL IEN T/ SERV2 ER) 通信模式、實時庫SQL 訪問模式以及無數據結構的外層應用模式。即按應用分布,建立分布及可互操作的對象機制。分布于網上的全部資源是可共享的對象集合,網上客戶可通過系統所定義接口構件或自定義接口構件訪問系統分布對象。為此要建立系統分布對象模型、對象請求代理的分層中間件及應用層交互對象模型。網絡通信的GU I 形象化交互可以透明地體現一對多的開放關系。
一個網絡子平臺的應用示例是軌道交通電力監控自動化系統實時數據的傳輸。同一系統中的不同節點,以及不同網段異構系統,都會要求不同節拍的數據斷面。常規簡易的做法是,實時數據采集通信服務節點按采集節拍向全網乃至通過網關向其它網段發送廣播數據。此舉不僅增大網絡負擔,且隨節點及網段增多極易形成網絡風暴。實際中,各應用節點及網段所要求的數據斷面從秒級到分鐘級不盡相同。這里設計一個基于標準SQL 及開放語言的網絡通信代理(Agent) 構件,并貼附于實時數據庫服務器內。服務網絡通信代理通過實時數據庫外包應用接口(API) 構件訪問實時數據庫。這樣無論本地或其它網段客戶只要通過定義并激活服務網絡通信代理進程,即可得到實際所需的數據斷面。訪問歷史數據庫亦可通過此方式實現。圖2 為一個網絡通信代理示例。

圖2 　網絡通信Agent 示例
　　為適合現場設備與控制的多樣性通信需求,作為聯結監控系統與現場工業過程端的中間層,即數據采集、處理與網絡通信的分散處理單元的上端,為TCP/ IP/ Et hernet 冗余網絡接口, 下端應建立一個集成工業總線和系統網絡的統一接口平臺。該平臺可含Profibus 、CAN 、工業以太網等接口,接口以模塊構件形式構造,便于隨應用可選及可維護。以太網技術與應用快速發展已對傳統工業控制網絡架構(設備層與控制層) 提出挑戰,因此接口構件還可做成工業以態網物理硬接口與現場總線協議軟接口混合模塊。
4 　結語
本文提出了一種開放度持續可擴的軌道交通綜合監控自動化系統平臺建設模式。總的原則是,分組、分層、分塊的平臺體系結構,具有結構清晰性、易擴性;網絡平臺體系應體現自適應網絡互連性;分層各構件/ 中間件,應為應用層提供薄的透明的應用支持及“一對多”應用開放性,即一個平臺多項應用,以適應應用不規范性與需求動態性。重要的是,各構件/ 中間件庫均基于國際與開放的工業標準環境建設。平臺各層,除了應用層的應用對象定義外,均體現中性構件,因此易拓廣軌道交通綜合監控自動化各應用系統及其它領域自動化應用的支撐。此優勢已在上海軌道交通5 號線及1 號線北延伸項目中體現出。
需要說明的是,軌道交通綜合監控自動化系統的開放性不是絕對的,不能講一個系統是全面開放的。開放性是由開放度體現的。因此實現一個軌道交通綜合監控自動化系統的開放性是一個長期的實施任務。軌道交通綜合監控自動化系統平臺為應用系統構架的基礎,必須要有一個開放性/ 健壯性/ 可拓性的建設目標。
綜上所述,軌道交通綜合監控自動化系統平臺建設并不只著眼于一個平臺,它是軌道交通綜合監控自動化應用的不斷拓廣與相關技術發展的結合點,即其基本屬性是應用與技術。這一點應貫穿在規劃平臺建設階段性目標中。

參考文獻
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2 　高鳴燕,陸　文. 電力自動化與信息化系統的技術進展. 中國電力,1999 ,32 :11