城市轨道交通系统信息共享平台研究

摘 要 为了解决城市轨道 交通 监控系统中的自动化“孤岛” 问题 ,必须建立信息共享平台以实现各个系统间的信息共享及无缝连接。对城市轨道交通信息共享平台的基本功能作了描述, 分析 了各业务子系统的结构特征和组件技术的特性。城市轨道交通信息共享平台的结构应该是基于公共对象请求代理体系和组件对象模型/分布式组件对象模型技术的。给出了信息共享平台的框架结构以及实现平台功能的基本组件模块。

关键词 城市轨道交通,信息共享平台, 计算 机控制,公共对象请求代理体系,组件对象模型/分布式组件对象模型

在城市轨道交通中,各业务子系统如SCADA(监控和数据采集)、EMCS(电力和机械控制系统)、FAS(防灾报警系统)、ATC(列车自动控制)和AFC(自动售检票)等虽然都不同程度地 应用 了计算机技术和 网络 技术,但是每个系统的网络结构、服务器和操作站等都各自独立,是一个个的信息孤岛(Infor-mation-island)。各系统间的联络比较困难且成本较高,难于实现信息互通、资源共享。在这种情况下,要实现城市轨道交通运营的协调统一管理,不得不加入人工干预,这样就降低了可靠性、响应性和运营效率[1]。为此,应实现城市轨道交通各运行子系统的自动化以及总系统的协调调度自动化,从而提高运行管理和运营质量,降低运行成本。

随着网络技术的 发展 和实际的需要,这些孤立的系统要求集成运行,以实现信息共享,提高整个系统的效率。为此,亟待建设信息共享平台。

本文通过分析整合城市轨道交通信息的功能需求和各个业务子系统的结构特征,提出了基于组件技术COM/CORBA(组件对象模型/公共对象请求代理体系)的城市轨道交通信息共享系统。

1 信息共享平台的基本功能

城市轨道交通系统综合信息的用户大体可以分为政府决策人员、运输 企业 管理人员、科研人员和乘客等。各种用户对信息的需求虽有明显的差异,但他们对细节数据的需求量很少,多数是对整个系统或某几个系统的综合信息的需求。这就要求信息共享平台具备以下几个方面的功能:

1)数据的抽取和初步处理

由于不同系统中采用的数据各不相同,因此必须经过数据转换、重新组织和规范化后再存入数据仓库中,然后形成统一格式的明细数据。因此,数据抽取将负责从不同的业务子系统中提出所需存储的数据,并加以净化、转换,然后装载到数据仓库中;同时按照不同的汇总粒度计算出不同级别的综合数据,并且加上相应的时间戳。

2)数据的集成与融合

由于 历史 和技术的原因,城市轨道交通中每个业务子系统都有自己的数据库管理系统以及建立在系统上的不同类型的数据库。各个成员数据库中的模式可能用不同的数据模型表达,此外还存在着由约束引起的差异和语义引起的差异。如何将成员数据库中的数据按照统一的模式进行集成,是信息共享平台最重要的 研究 内容 ,也是其最重要的功能。

3)数据存储与组织

信息共享平台将为不同的监控信息系统提供服务,而这些信息系统对数据的要求存在差异,因此,信息共享平台在数据组织方面形成多级粒度存储数据;同时依据数据存取的相关性形成多种分割。

4)辅助决策支持功能

每个专业系统数据库都只对专业系统人员使用,实现的功能比较直接,所存储的数据都是操作型的数据。这些都只是纯粹的、零散的数据,与供决策部门、用户及交通管理人员使用的知识型数据有一定程度的差别。信息共享平台可以展示各种报表和图形,使查询系统性能大大提高。人工智能 方法 应用在知识获取上,可以使各级决策部门和管理部门对历年的运输数据进行深入分析,为决策提供支持。

5)信息发布功能

对外实现数据共享是信息平台的最终目的。它是各种用户访问平台的门户,是平台提供服务的方式。为提高信息发布的质量,便于用户主动地获得所需的信息,不仅要采用传统的信息发布模型(即用户通过搜索固定的信息发布设备,从大量信息中筛选出所需的信息),还要通过信息的深层次加工,通过各种信息传播方式主动地提供用户感兴趣的信息。如用户能通过移动设备实时查询到动态的、最新的交通信息,或主动将用户感兴趣的信息放到互联网上,实现信息的主动发送。这样不仅节省了用户的大量时间,而且可以避免重要的信息被遗漏。

为了将各个系统联系在一起,还须分析城市轨道交通系统各个业务子系统的结构特征。

2 各业务子系统的结构特征

城市轨道交通业务子系统大体可分为SCADA、AFC、EMCS、FAS、ATC和基本骨干网。每个系统的构成都有各自的特征。

1)SCADA系统

目前 SCADA系统发展方向是开放式监控系统,主要特征是采用互联网、自律分布系统、OPC(OLEforProcessControl)、面向对象、组件及JAVA技术。核心技术是OPC技术[2]。OPC是一个 工业 标准,它定义了应用微软操作系统在基于PC的客户机之间交换自动化实时数据的方法。OPC规范以OLE/DCOM(对象连接与嵌入/分布式组件对象模型)为技术基础,支持TCP/IP等网络协议。其宗旨是在Microsoft分布式组件对象模型DCOM和ActiveX技术的基础上开发的开放的和互操作标准。

SCADA系统中比较流行的组态软件是Intellu-tion公司的组态软件FIX,工业标准数据交换规约如DDE和ODBCSQL存取FIX采集数据的功能,操作系统一般为Windows或者UNIX,采用的数据库系统通常为Sybase或SQLServer。它与外部系统通过光纤、光纤收发器和交换机等组成的以太网络TCP/IP协议传输数据,通过OPC接口方便地对现场数据进行管理。

2)AFC系统

AFC系统集计算机、网络通讯、自动控制、大型数据库等多项技术于一体,技术含量高、设备复杂,智能化和信息化程度要求高。系统的监视、控制、管理核心是中央计算机系统。服务器通常采用UNIX操作系统、至少是Windows2000Server,数据库系统为Oracle或Sybase。车站与中央计算机系统采用以太网实现信息的交换,传输媒介采用光纤,传输方式为OTN(开放传输网络)或SDH(同步数字分级结构),通信协议为TCP/IP。

3)EMCS系统

EMCS系统的数据采集、监控和人机界面采用组态开发软件,采用现场总线的组态和设置来实现监控站和PLC(可编程逻辑控制器)之间的直接通信,实现不同系统之间的数据交换。该系统监控全线各车站的通风、冷水机组、屏蔽门、电梯、自动扶梯和照明等设备的运行状态,接受各车站典型测试点的温度、湿度、CO2浓度等环境参数,并提供事故报警。EMCS的控制中心与中央ATS(列车自动监控系统)接口,接收列车在隧道滞留的位置信息;与MCS(中央时钟系统)接口,接收主时钟信息,统一系统全线时钟;与FAS留有接口,在发生灾害时将环控系统切换到灾害模式运行。虽然监控工作站与管理中心的网络拓扑结构存在C-Bus、Genuis总线、双环网及令牌网等多个类型,但是一般车站局域网采用以太网,通信协议采用TCP/IP协议,传输介质为光缆,车站局域网与EMCS广域网通过通信转换接口连接。也就是说,系统与外部系统通信一般都是基于TCP/IP协议的以太网方式。

4)FAS系统

FAS为二级监控系统,由设置在控制中心的图形监视PC机和火灾自动报警系统以及联系这两者的通信环网构成。其通信网络采用FAS专用的光纤网络,并为了提高传输的可靠性采用站间跳接方式组成双环拓扑结构的对等式环网。控制中心配置监控主机和备用机,一般都是高性能的PC机或工业级计算机。操作系统一般都采用Windows。防灾中心通过局域网和其他系统进行信息交换。

5)ATS系统

ATS系统是整个城市轨道交通系统的运营核心,负责监视和控制线路中所有列车的运行状态。ATS系统由一个位于控制中心的远程监控系统以及每个车站的现场设备组成,采用基于工作站或工控机的计算机设备,冗余的ATS服务器,通用的监控工作站,冗余的通信接口,冗余的双以太网,采用UNIX或WindowsNT以上的操作系统[3]。

由上述分析可知,各个子系统运行在不同的硬件和操作系统平台的环境下,且可能采用不同的语言和软件技术。所以,信息共享平台应采用分布式组件技术和开放式数据库互连技术等进行构建。

3 信息共享平台的总体构建设想

综合监控系统信息共享平台是整个城市轨道 交通 系统的信息枢纽。根据现场实际情况,为了充分发挥平台的功能和便于系统的管理、维护,信息共享平台系统分为中央级与车站级两层管理模式。

中央级信息共享平台位于综合监控中心,直接与各个业务子系统的监控中心及车站级信息共享平台相联系,所涉及的交通信息资源来自各个子系统的监控中心和车站级信息共享平台。该层次的数据粒度比较粗,信息资源是较高层次的,一般属于决策支持的信息。细节性数据主要由车站级信息共享平台来组织、存储、处理和挖掘。

车站级信息共享平台的位置非常重要,它集成了各监控系统的车站级的信息,无缝地将各个信息系统连接在一起,实现信息共享,使全站的各个系统成为有机整体,并为新建系统提供开放的接口。车站级信息共享平台通过 网络 的连接设备与中央级信息共享系统互通信息,把收集到的车站中的实时信息传送到中央级信息共享平台,并从中央级信息共享平台的集成数据库中读取本系统所需的数据,接收中央级信息共享平台的指令和请求。车站级信息共享平台枢纽的作用如图1所示。

4 信息共享平台的设计

4.1 信息共享平台的结构设计

在现场的系统环境中,由于涉及到UNIX和Windows不同的操作系统,而COM/DCOM一般不能运行在非Windows操作平台之上,所以仅仅考虑这一点,采用CORBA技术是理想的选择。CORBA虽然互操作性和开放性非常好,可以跨语言、跨平台操作,但是它不是完整的体系结构,许多开发都需要从底层做起,基础成本高。基于CORBA的系统建设和维护较为复杂。同时,城市轨道交通系统业务子系统采用OPC接口,且以OLE/DCOM为技术基础。同时COM/DCOM技术成熟,基于Windows的绝大多数开发环境都支持它的开发。因此,为了实现原有系统的无缝连接,采用DCOM技术是必要的。基于上述 分析 ,在构建信息共享平台时,考虑采用CORBA与DCOM相结合的技术。在非Win-dows操作系统中采用CORBA技术,而在Windows系统中采用COM/DCOM技术,以减少系统开发的工作量。

OMG(国际对象管理组织)已经发布了DCOM/CORBA互操作规范,描述了COM/DCOM和COR-BA之间的通信机制。COM/DCOM和CORBA有一个非常重要的共同特征,都依赖于接口,这为COM/DCOM和CORBA服务器提供了外部的入口点,在大多数情况下,可以直接做CORBA接口和COM/DCOM自定义接口之间的映射[4]。这种映射的实现需要一个桥。桥负责联系处于不同分布式对象标准下的服务器对象和客户,可以在有这两种标准的环境下运行,并且要理解这些标准的消息格式。在创建桥时,必须拥有同时支持COM/DCOM和CORBA的环境,包括操作系统、编程语言和网络环境等。现在大多数 计算 机上都使用界面友好的Windows系统,所以系统的操作系统可以采用高版本的Windows系统。而VisualBasic不支持CORBA技术,在系统开发时不能采用VB编程语言。

根据以上原则,设计出一个完整的城市轨道交通综合监控系统信息共享平台,如图2所示。

4.2 据库模式的设计

数据库模式可以采用四层模式结构,包括局部概念模式、局部输出模式、输入模式和联邦模式等。局部概念模式为各成员数据库原有的概念模式;输出模式是各成员数据库提供的共享模式,也是相应的成员数据库概念模式的子集;输入模式与联邦模式一一对应,是其它成员数据库的输出模式变换集成后的模式信息。联邦模式由本地数据库模式和相应的输入模式汇集而成[6]。

其中,平台接口代理对应着局部概念模式和局部输出模式,局部数据源接口代理对应着输入模式,数据管理子层包含了联邦模式。在进行系统设计时,可将模式集成与查询分解的功能进行了组件化设计,并按一定的调度顺序进行调用。把这些组件部署在中间件的组件池内,组件间也可以通过接口完成通信。局部数据字典保存所有成员数据库系统的集成信息,如局部数据库的数据库类型信息、配置信息、数据模式信息、参与集成的表的信息等。该字典配置在客户机中,对于要加入的新建系统,服务器端可以保持不变,只进行局部数据字典的开发,从而使系统具有很好的扩展性。

4.3 数据库组织方案

城市轨道交通管理机构按照职能从低到高可以分为基层操作管理、中层管理和高层管理。基层管理一般为操作性的,可以在各个业务子系统中直接进行;中层管理除了一些业务处理外,还包括简单的分析进而做出一些系统内部的简单决策,所以只要能查询和了解到本系统的信息即可;高层管理是站在整个系统的角度,所做决策一般是战略性的,不仅需要了解整个系统全面的信息,而且还需要 参考 与本系统相关的其他系统的信息,所以高层管理数据库的组织方案应该满足这些有差别的需求。

一般可以以一种大型的数据库管理系统为基础,采用“自底向上”的建设 方法 组织数据库。首先从各个子系统中抽取部分其它系统可能访问到的数据,与决策需要的粒度比较大的数据组合起来,建立几个数据集市,然后在此基础上再次进行数据抽取建立全局的数据仓库。而大部分细节性的数据将直接存储在各个成员数据库。当需要查询到这些数据时,可以通过全局数据字典方便地查找。

4.4 系统功能模块的构成

根据系统的功能,其功能模块可作如下设计:

(1)数据抽取模块:由于各个成员数据库的类型各异,而后续做的集成工作是面向主题的,和现存操作型的数据相差较大,故需进行必要的处理。同时去除各个成员数据库中同一主题的重复信息。

(2)查询处理模块:将接收到的查询请求先进行语法检查,然后将查询分解成为对应成员数据库的子查询;查询优化则建立一个存取策略,确定查询涉及到的成员数据库、访问策略等。

(3)模式集成信息管理模块:实现输出模式与集成模式之间的相互映射及转换,消除不同成员数据库的模式冲突。

(4)语义冲突处理模块:解决成员数据库中由于数据语义上的冲突(包括数据及类的命名等)而存在的冲突,以提供一个全局数据信息统一的命名。

(5)局部成员代理模块:接收来自查询处理模块的查询命令,传递给成员数据库执行查询命令,然后响应查询结果并传递给查询处理模块。

(6)数据字典模块:存储数据库及系统当前的配置信息,包括异构成员数据库的模式结构信息、语义约束、语法规则的定义等,以及不同模式之间的映射关系,不同语义、语法之间的转换规则等[6]。

(7)桥接组件:描述COM和CORBA之间的通信机制,主要是使COM系统中的客户能够按照本系统的访问机制去访问CORBA中的对象。

(8)信息发布模块:承担着平台与外界的物理连接,数据传输,信息发布等功能。它作为共用信息数据库的基础数据信息的 应用 服务体现,为最终用户的使用和增值业务提供基本的各个系统状况信息。输出的设备可以是大屏幕显示器、可变信息板、互联网、车载机信息显示、个人移动设备等。

(9)应用服务模块:处理业务逻辑与事务对象或组件,实现集成环境中全局事务的一致性并发控制与恢复机制,保证全局事务的原子性、可串行性、可持续性和隔离性等[6]。

总之,为了实现信息共享平台建设的目标,要以现场的各个系统的结构特征为基础,同时要兼顾到平台的灵活性和可扩展性;要充分利用组件技术、面向对象技术和数据库的强大功能,建立尽可能通用的信息共享平台,实现城市轨道交通的综合控制。

参考 文献

1魏晓东. 现代 自动化技术在城市轨道交通中的应用.自动化博览,2003

(4):6~11

2唐 蕾,刘会平,陈维荣.开放式监控系统中OPC通信服务器的 研究 与设计.电力自动化设备,2003

(10):53~57

3余向海.城市轨道交通列车自动监控系统模块分析. 电子 工程师,2000

(5):33~365顾明星,董德存.城市轨道交通信息通信系统技术.城市轨道交通研究,2003

(6):27~30

6张 健.组件技术和信息系统多数据源集成的研究和实现[学位论文].长沙:中南大学,2001:50~62