城市軌道交通綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)平臺設(shè)計技術(shù)
摘 要 基于軌道交通各類自動化與信息化系統(tǒng)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(gòu)件化結(jié)構(gòu)的,用于軌道交通綜合監(jiān)控自動化等系統(tǒng)設(shè)計的平臺建設(shè)技術(shù),詳細闡述了三個軟件子平臺的結(jié)構(gòu)及功能,指出在構(gòu)造軌道交通各應(yīng)用系統(tǒng)及其互連集成中,此平臺技術(shù)體現(xiàn)更大的開放度及持續(xù)可擴性。
關(guān)鍵詞 綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng),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(tǒng),如電力、環(huán)境、保安、輔助設(shè)施、列車監(jiān)督等的應(yīng)用范圍不斷拓廣,自動化系統(tǒng)本身與應(yīng)用多樣化的適配性、系統(tǒng)向更大集成度發(fā)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(xiàn)得日趨明顯。從自動化系統(tǒng)的開放系統(tǒng)環(huán)境(OSE) 考慮,上述不足可定位于OSE 的各項子集:應(yīng)用的互操作性/ 互連性,應(yīng)用的可移植性/ 可伸縮,以及應(yīng)用的集成性/ 拓廣性中。因此, 必須將一個軌道交通綜合監(jiān)控自動化的全方位開放系統(tǒng)定位于建設(shè)目標,以更大開放度地支持系統(tǒng)的支撐與應(yīng)用,以及軌道交通企業(yè)網(wǎng)的橫向與縱向建設(shè)。此舉將是今后軌道交通及其他自動化應(yīng)用系統(tǒng)的根本途徑所在,也是當今國內(nèi)外同類軌道交通綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)所應(yīng)完備的定位目標。
1 平臺建設(shè)內(nèi)涵
傳統(tǒng)基于功能應(yīng)用設(shè)計的軌道交通自動化系統(tǒng)的有限的開放度,約束了系統(tǒng)的持續(xù)拓展。問題的本質(zhì)是這類系統(tǒng)無體現(xiàn)開放性的平臺建設(shè),系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)不清晰,導致了系統(tǒng)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(jiān)控自動化系統(tǒng)并不是基于了哪類世界級的計算機系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、控制及執(zhí)行設(shè)備就具備開放性。系統(tǒng)底層的開放性僅是其中一部分,更應(yīng)注重中層及上層的開放性,特別強調(diào)以中層開放驅(qū)動上層應(yīng)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(jiān)控自動化不斷拓廣的應(yīng)用需求及企業(yè)網(wǎng)的建設(shè)。對于軌道交通綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng),真正的開放性體現(xiàn)在該系統(tǒng)的最上層,即應(yīng)用層。通過應(yīng)用層的可視化交互界面( GU I) 定義自己的各類應(yīng)用,包括軌道交通綜合監(jiān)控自動化各系統(tǒng)的互連通信則是最為理想的。然而,應(yīng)用層開放并不是空中樓閣,它必須要有位于其下的建設(shè)支撐。之所以稱為建設(shè)支撐,是要體現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的層次化概念。這就是本文的平臺建設(shè)內(nèi)涵。
2 平臺建設(shè)框架
平臺總體設(shè)計為分層支撐模式。為使平臺持續(xù)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(guān)系:組層-子平臺(Subplatform) 、子層(Layer) 以及塊層-組件/ 構(gòu)件(Component) 。每層相對獨立,無嚴格的依附關(guān)系,且均為積木模塊化的組件/ 構(gòu)件單元構(gòu)成。上層任一單元均體現(xiàn)與相對下層1∶n 的支撐關(guān)系。系統(tǒng)平臺必須從過去的單一系統(tǒng)或單一網(wǎng)絡(luò)的概念,提升到跨越網(wǎng)絡(luò)透明訪問異構(gòu)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)分布計算的高度,且此應(yīng)作為軌道交通綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)平臺建設(shè)的重點[ 1 ,2 ] 。
基于一個軌道交通綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)的分層定義,系統(tǒng)主要描述在現(xiàn)場操作層、設(shè)備/ 控制層及信息系統(tǒng)層中。現(xiàn)場操作層由各類位于現(xiàn)場的智能化儀表、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)及交互裝置構(gòu)成;在設(shè)備/ 控制層中,主要包括運程終端設(shè)備(R TU) 系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、環(huán)境/ 保安/ 輔助設(shè)施分散控制系統(tǒng)、可編程邏輯控制(PL C) 總線/ 網(wǎng)絡(luò)分布系統(tǒng)等;信息系統(tǒng)層主要含有控制中心等監(jiān)控與信息管理系統(tǒng)。整個系統(tǒng)按控制要求配置冗余交換以太網(wǎng)、冗余總線、環(huán)形網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
基于軌道交通自動化系統(tǒng)的應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)分劃, 建立一個統(tǒng)一的硬件及軟件平臺體系,以支持上述多類不同應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)支持。系統(tǒng)平臺層次結(jié)構(gòu)見圖1 。
圖1 軌道交通綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)平臺層次結(jié)構(gòu)
圖1 中最上層為面向軌道交通各類應(yīng)用而生成的應(yīng)用系統(tǒng)。中間為三個子平臺層,以及支持子平臺建設(shè)的構(gòu)件層。構(gòu)件層亦可稱為中間件層,它又由N ×N 階矩陣形式的各構(gòu)件組成。構(gòu)件層與子平臺層之間可形成具有特定意義的構(gòu)件庫(圖中未標出) 。圖中央處的雙箭頭即代表構(gòu)件對子平臺層的支持關(guān)系,又代表構(gòu)件和子平臺層對硬件平臺的支持與映射關(guān)系。圖右方處的雙箭頭即代表硬件平臺、構(gòu)件及子平臺層對各應(yīng)用系統(tǒng)的支持關(guān)系,又代表應(yīng)用層對硬件平臺的支持與映射關(guān)系。
平臺在不同層次上體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、圖形、GU I 、DBMS 、OS 、應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)架技術(shù)等,與當今世界最新工業(yè)及國際標準相適應(yīng),并考慮擴充,從而為底層多平臺及跨平臺(如一個網(wǎng)段上不同操作系統(tǒng)、不同GU I 、異構(gòu)數(shù)據(jù)庫的各節(jié)點間) 的平滑應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
構(gòu)件化是廣義的概念,它包括原始設(shè)備制造商(OEM) 的核心應(yīng)用構(gòu)件及開發(fā)工具構(gòu)件。基于這些符合國際及工業(yè)標準的開放核心構(gòu)件來實施自己的平臺構(gòu)件/ 構(gòu)件組件建設(shè),是保證平臺開放性、可持續(xù)拓展的關(guān)鍵。
3 軟件子平臺的建設(shè)
通過對圖1 系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)的共性分析,可以歸納出3 個軟件子平臺:數(shù)據(jù)管理子平臺,可視化交互子平臺和網(wǎng)絡(luò)通信子平臺,以下詳細闡述3 個子平臺的建設(shè)。需要說明的是,對于軌道交通綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)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。現(xiàn)場操作層及設(shè)備/ 控制層中,存在多種類型I/ O 卡件、I/ O 智能設(shè)備、數(shù)據(jù)采集與處理裝置、保護裝置、電氣與光纖網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)/ 總線通信接口、電源模塊、嵌入式軟件、全球定位系統(tǒng)( GPS) 、箱體結(jié)構(gòu)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(gòu)造基于組裝模式的硬件構(gòu)件,含與之相關(guān)連的嵌入式軟件類及版本。在當今工業(yè)以太網(wǎng)向傳統(tǒng)工業(yè)控制領(lǐng)域推進應(yīng)用趨勢下, 基于工業(yè)以太網(wǎng)及常規(guī)CAN 、Profibus 等現(xiàn)場總線的互連硬件平臺的建設(shè)十分必要。但硬件平臺及其構(gòu)件不作為本文討論重點。
3. 1 數(shù)據(jù)管理子平臺建設(shè)
數(shù)據(jù)管理子平臺設(shè)計應(yīng)以支持軌道交通綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)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(xiàn)軌道交通綜合監(jiān)控自動化不同分布系統(tǒng)異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(實時與歷史庫) 的互連共享;高性能則要體現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問、存儲、動態(tài)觸發(fā)的高效率。為此,該平臺及其構(gòu)件的生成工具必須具備開放性、成熟性,平臺基于構(gòu)件的層次盡可能少。
數(shù)據(jù)管理子平臺不僅由數(shù)據(jù)管理自身構(gòu)件支持,且還由構(gòu)件層與子平臺層之間可形成具有特定意義的構(gòu)件庫支持(如數(shù)據(jù)訪問網(wǎng)絡(luò)通信構(gòu)件庫), 從而構(gòu)成分布數(shù)據(jù)管理子平臺。
數(shù)據(jù)管理構(gòu)件應(yīng)是基于核心層數(shù)據(jù)庫,如商用數(shù)據(jù)庫Sybase 、DB2 等的標準內(nèi)涵和外包(shell) ,采用如多線索結(jié)構(gòu)、內(nèi)部并行機制和有效的查詢優(yōu)化技術(shù)等,并充分利用SQL 、J ava 等開放的開發(fā)環(huán)境來構(gòu)造。軌道交通綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)的實時庫分布接口構(gòu)件亦可按此模式建設(shè),從而為不同系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)的訪問與維護創(chuàng)造一致的支撐環(huán)境。
建立或利用Java 或其它虛擬機,可在數(shù)據(jù)庫中編寫、存儲與執(zhí)行Java 代碼。可利用J ava 類,它們可在不對J ava 或數(shù)據(jù)庫做任何修改下運行。基于此強大的標準編程語言來定義過程邏輯構(gòu)件,如存儲過程或觸發(fā)器等,亦可包括自定義函數(shù)構(gòu)件。此類構(gòu)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(diào)用。
基于數(shù)據(jù)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(gòu)件,如數(shù)據(jù)庫的備份與恢復、永久存儲與復制等。這樣在Web 開發(fā)下使用XML , 則無須進行數(shù)據(jù)庫編程,即可訪問數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫中的XML 和HT TP 支持構(gòu)件將大大簡化數(shù)據(jù)訪問與交換。從而為軌道交通綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)間,以及軌道交通綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)與其它信息系統(tǒng)間的Web 交互提供支持。
建立分布式分區(qū)視圖構(gòu)件,將數(shù)據(jù)按應(yīng)用分布到多個服務(wù)器上,并協(xié)調(diào)查詢過程,從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫擴展的分布應(yīng)用,這對軌道交通自動控制的多樣性應(yīng)用的集中數(shù)據(jù)源的一致性與分布應(yīng)用數(shù)據(jù)的管理很有必要。
3. 2 可視化交互子平臺建設(shè)
平臺建設(shè)建立在兩個層面上:一是基于任務(wù)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(xiàn)了面向?qū)ο蟮倪壿嬇c過程一體化軟件工程,即過程的實現(xiàn)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(tài)是為適合于更廣的軌道交通綜合監(jiān)控自動化應(yīng)用對象面定義的。控制語言是廣義組態(tài)工具。控制語言是一種類J ava 等的開放語言,它可體現(xiàn)與過去常規(guī)組態(tài)工具的不同點,即異種機或異構(gòu)網(wǎng)的互操作性。為適應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)用更大程度上的系統(tǒng)開放,除設(shè)計通常的計算語言系統(tǒng)外,還應(yīng)具備面向上層應(yīng)用的計算與控制表達定義以及解釋的多樣化應(yīng)用的組態(tài)環(huán)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(gòu)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(shù)據(jù)庫外層,用于軌道交通系統(tǒng)各類操作命令序列控制、智能操作票的生成、培訓仿真等應(yīng)用。
3. 3 網(wǎng)絡(luò)通信子平臺建設(shè)
網(wǎng)絡(luò)通信子平臺建設(shè)之目的在于形成網(wǎng)絡(luò)級中性服務(wù)平臺,或稱之為抽象服務(wù)映射平臺,服務(wù)于主動發(fā)出及客戶請求的中性數(shù)據(jù),而無須考慮數(shù)據(jù)的應(yīng)用,使應(yīng)用者可自行靈活定義拓廣的應(yīng)用,并自動接入各系統(tǒng)及實現(xiàn)系統(tǒng)間通信。
需要指出的是,網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)在乃至今后軌道交通綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵不同點。將過去的通信架構(gòu)直接應(yīng)用于現(xiàn)在的多應(yīng)用、多控制、多互連的集成系統(tǒng),將導致潛在的系統(tǒng)運行與拓展問題,因為本質(zhì)上它是一個面向具體單項應(yīng)用的非面向?qū)ο髾C制的集中式系統(tǒng)。
中間件技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的通用規(guī)則、轉(zhuǎn)換及服務(wù)的“軟集合體”。中間件技術(shù)提供了非直接(大于兩層) 的分布式計算環(huán)境下的客戶/ 服務(wù)器跨平臺及跨網(wǎng)絡(luò)的透明通信框架,為系統(tǒng)的可擴性、安全性、透明性、靈活性、規(guī)范性奠定基礎(chǔ)。其構(gòu)架應(yīng)為分層的構(gòu)件化平臺,平臺的層次化由系統(tǒng)支撐平臺、系統(tǒng)應(yīng)用平臺及網(wǎng)絡(luò)邏輯平臺三大組類構(gòu)成。前一組應(yīng)采用不同類別的商用/ 標準中間件:數(shù)據(jù)庫訪問中間件(ODBC 、SQL) 、群件中間件與面向?qū)ο笾虚g件(CORBA 、J AVA) 、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中間件等,以構(gòu)成對不同硬件、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)之間差異的屏蔽;后兩組則為應(yīng)用于不同的任務(wù)需求所定義的客戶端訪問數(shù)據(jù)源的中間件。該層中間件提供了兩個基本接口: ① 客戶應(yīng)用程序接口,定義應(yīng)用程序與中間件的交互,包括編程語言、系統(tǒng)環(huán)境等; ② 對數(shù)據(jù)源接口,定義數(shù)據(jù)格式、存取機制和異構(gòu)數(shù)據(jù)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(gòu)件概念之上。構(gòu)件對象是一個封裝的代碼和數(shù)據(jù)的集合體。不同的應(yīng)用可構(gòu)造不同的對象,對象的操作能對各自的數(shù)據(jù)進行響應(yīng)的操作。這種構(gòu)件分層對象技術(shù)可令用戶構(gòu)建自己的應(yīng)用: 網(wǎng)絡(luò)通信接口,實現(xiàn)無縫連接的目標。從而提高系統(tǒng)互連的透明性、交互友好性及可靠性,實現(xiàn)真正意義上的分布分散式軌道交通綜合監(jiān)控自動化與信息化應(yīng)用系統(tǒng)。
對于軌道交通綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)而言,網(wǎng)絡(luò)通信子平臺建設(shè)的好壞將直接影響系統(tǒng)總體規(guī)劃與運行。網(wǎng)絡(luò)通信子平臺應(yīng)支持的系統(tǒng)縱向上盡可能扁平化,橫向盡可能分段化。通俗講,這是網(wǎng)絡(luò)通信(內(nèi)部網(wǎng)及外部網(wǎng)) 的軟總線(SOF TBUS) 模式。
網(wǎng)絡(luò)通信子平臺構(gòu)件可建立多樣化模式,如商用數(shù)據(jù)庫固有網(wǎng)絡(luò)客戶/ 服務(wù)口( CL IEN T/ SERV2 ER) 通信模式、實時庫SQL 訪問模式以及無數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的外層應(yīng)用模式。即按應(yīng)用分布,建立分布及可互操作的對象機制。分布于網(wǎng)上的全部資源是可共享的對象集合,網(wǎng)上客戶可通過系統(tǒng)所定義接口構(gòu)件或自定義接口構(gòu)件訪問系統(tǒng)分布對象。為此要建立系統(tǒng)分布對象模型、對象請求代理的分層中間件及應(yīng)用層交互對象模型。網(wǎng)絡(luò)通信的GU I 形象化交互可以透明地體現(xiàn)一對多的開放關(guān)系。
一個網(wǎng)絡(luò)子平臺的應(yīng)用示例是軌道交通電力監(jiān)控自動化系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)的傳輸。同一系統(tǒng)中的不同節(jié)點,以及不同網(wǎng)段異構(gòu)系統(tǒng),都會要求不同節(jié)拍的數(shù)據(jù)斷面。常規(guī)簡易的做法是,實時數(shù)據(jù)采集通信服務(wù)節(jié)點按采集節(jié)拍向全網(wǎng)乃至通過網(wǎng)關(guān)向其它網(wǎng)段發(fā)送廣播數(shù)據(jù)。此舉不僅增大網(wǎng)絡(luò)負擔,且隨節(jié)點及網(wǎng)段增多極易形成網(wǎng)絡(luò)風暴。實際中,各應(yīng)用節(jié)點及網(wǎng)段所要求的數(shù)據(jù)斷面從秒級到分鐘級不盡相同。這里設(shè)計一個基于標準SQL 及開放語言的網(wǎng)絡(luò)通信代理(Agent) 構(gòu)件,并貼附于實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器內(nèi)。服務(wù)網(wǎng)絡(luò)通信代理通過實時數(shù)據(jù)庫外包應(yīng)用接口(API) 構(gòu)件訪問實時數(shù)據(jù)庫。這樣無論本地或其它網(wǎng)段客戶只要通過定義并激活服務(wù)網(wǎng)絡(luò)通信代理進程,即可得到實際所需的數(shù)據(jù)斷面。訪問歷史數(shù)據(jù)庫亦可通過此方式實現(xiàn)。圖2 為一個網(wǎng)絡(luò)通信代理示例。
圖2 網(wǎng)絡(luò)通信Agent 示例
為適合現(xiàn)場設(shè)備與控制的多樣性通信需求,作為聯(lián)結(jié)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場工業(yè)過程端的中間層,即數(shù)據(jù)采集、處理與網(wǎng)絡(luò)通信的分散處理單元的上端,為TCP/ IP/ Et hernet 冗余網(wǎng)絡(luò)接口, 下端應(yīng)建立一個集成工業(yè)總線和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一接口平臺。該平臺可含Profibus 、CAN 、工業(yè)以太網(wǎng)等接口,接口以模塊構(gòu)件形式構(gòu)造,便于隨應(yīng)用可選及可維護。以太網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用快速發(fā)展已對傳統(tǒng)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(設(shè)備層與控制層) 提出挑戰(zhàn),因此接口構(gòu)件還可做成工業(yè)以態(tài)網(wǎng)物理硬接口與現(xiàn)場總線協(xié)議軟接口混合模塊。
4 結(jié)語
本文提出了一種開放度持續(xù)可擴的軌道交通綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)平臺建設(shè)模式。總的原則是,分組、分層、分塊的平臺體系結(jié)構(gòu),具有結(jié)構(gòu)清晰性、易擴性;網(wǎng)絡(luò)平臺體系應(yīng)體現(xiàn)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)互連性;分層各構(gòu)件/ 中間件,應(yīng)為應(yīng)用層提供薄的透明的應(yīng)用支持及“一對多”應(yīng)用開放性,即一個平臺多項應(yīng)用,以適應(yīng)應(yīng)用不規(guī)范性與需求動態(tài)性。重要的是,各構(gòu)件/ 中間件庫均基于國際與開放的工業(yè)標準環(huán)境建設(shè)。平臺各層,除了應(yīng)用層的應(yīng)用對象定義外,均體現(xiàn)中性構(gòu)件,因此易拓廣軌道交通綜合監(jiān)控自動化各應(yīng)用系統(tǒng)及其它領(lǐng)域自動化應(yīng)用的支撐。此優(yōu)勢已在上海軌道交通5 號線及1 號線北延伸項目中體現(xiàn)出。
需要說明的是,軌道交通綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)的開放性不是絕對的,不能講一個系統(tǒng)是全面開放的。開放性是由開放度體現(xiàn)的。因此實現(xiàn)一個軌道交通綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)的開放性是一個長期的實施任務(wù)。軌道交通綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)平臺為應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)架的基礎(chǔ),必須要有一個開放性/ 健壯性/ 可拓性的建設(shè)目標。
綜上所述,軌道交通綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)平臺建設(shè)并不只著眼于一個平臺,它是軌道交通綜合監(jiān)控自動化應(yīng)用的不斷拓廣與相關(guān)技術(shù)發(fā)展的結(jié)合點,即其基本屬性是應(yīng)用與技術(shù)。這一點應(yīng)貫穿在規(guī)劃平臺建設(shè)階段性目標中。
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