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1.城市地鐵綜合監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)

    地鐵綜合監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)所有的技術(shù)和處理特點(diǎn)都基于其應(yīng)用特點(diǎn)，這種應(yīng)用特點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：
    1.地理分散，集中監(jiān)控。從監(jiān)控中心全局看，監(jiān)控對(duì)象分散在沿線甚至多條線的各個(gè)車(chē)站，操作員站設(shè)在監(jiān)控中心，操作員要集中監(jiān)控和管理全部車(chē)站的所有監(jiān)控對(duì)象；從車(chē)站看，監(jiān)控對(duì)象分散在各個(gè)專業(yè)的設(shè)備房，操作員站設(shè)在車(chē)站綜合控制室，操作員要集中監(jiān)控和管理本車(chē)站的所有監(jiān)控對(duì)象。

    2.處理規(guī)模大，事件驅(qū)動(dòng)。一個(gè)地鐵綜合監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)的處理規(guī)模如果以I/O點(diǎn)來(lái)衡量，至少應(yīng)支持100，000個(gè)I/O點(diǎn)。數(shù)據(jù)規(guī)模的擴(kuò)大使一般控制系統(tǒng)中常用的周期處理方式變得不再有效，因此“事件驅(qū)動(dòng)”成為地鐵綜合監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)的主要處理方式。

    3.大量的與第三方子系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行信息集成，在同一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)各專業(yè)之間的相互協(xié)調(diào)，相互閉鎖和信息共享。
監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)的軟件平臺(tái)要適應(yīng)上述應(yīng)用的特點(diǎn)，在軟件開(kāi)發(fā)的實(shí)踐中，著重要解決幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，即軟件體系結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)流、接口通信框架和骨干網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、可靠性設(shè)計(jì)。

2.基于中間件技術(shù)的分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    地鐵綜合監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)的每一個(gè)車(chē)站都有相對(duì)對(duì)立的監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控本站的所有設(shè)備，在骨干網(wǎng)中斷的情況下，車(chē)站系統(tǒng)不會(huì)受到影響并可以作為備用投入運(yùn)行。中心集中了所有車(chē)站的監(jiān)控，在正常情況下，所有的監(jiān)控在中心完成。從而形成了中心和車(chē)站兩級(jí)監(jiān)控一體化的模式，從物理上骨干網(wǎng)形成了車(chē)站和中心的紐帶。這種模式及其地鐵的其它應(yīng)用特點(diǎn)使得我們?cè)隗w系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面將所關(guān)心的問(wèn)題主要集中在基于網(wǎng)絡(luò)的跨車(chē)站應(yīng)用集成上，設(shè)計(jì)具有大規(guī)模處理能力的系統(tǒng)。軟件組件可以靈活的部署于一個(gè)車(chē)站或通過(guò)骨干網(wǎng)靈活的部署于車(chē)站和中心。

    在本設(shè)計(jì)中，軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是采用了中間件組件技術(shù)。分布在網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)上中間件提供了一個(gè)編程抽象，對(duì)底層網(wǎng)絡(luò)、硬件、操作系統(tǒng)和編程語(yǔ)言異構(gòu)性的屏蔽。中間件技術(shù)的透明分布解決了服務(wù)器軟件模塊之間耦合過(guò)緊的問(wèn)題，從而將軟件體系結(jié)構(gòu)從對(duì)硬件體系結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重依賴中解脫出來(lái)，將軟件系統(tǒng)從集散型處理過(guò)渡到分布式處理。

    在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,以客戶形式出現(xiàn)的操作員站應(yīng)用程序和以資源管理者形式出現(xiàn)的服務(wù)器程序使用中間件層進(jìn)行交互，中間件提供了分布于全線廣域網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)中對(duì)象或進(jìn)程間的遠(yuǎn)程調(diào)用。在監(jiān)控中心，以軟件多機(jī)服務(wù)器群實(shí)現(xiàn)中央服務(wù)器的功能。中間件技術(shù)的采用，使得系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)由以服務(wù)器為中心的集散型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐跃W(wǎng)絡(luò)為中心的系統(tǒng)。建立中間件層使得真正的客戶應(yīng)用專心于應(yīng)用本身，而不用關(guān)心數(shù)據(jù)來(lái)自哪里，也無(wú)須考慮網(wǎng)絡(luò)層的應(yīng)用協(xié)議。

    基于中間件組件技術(shù)的地鐵綜合監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意如下圖1：

    中間件的使用解決了操作系統(tǒng)和硬件的不同。雖然在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，UNIX操作系統(tǒng)和WINDOWS PROFESSIONAL 2000操作系統(tǒng)都要實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，但它們沒(méi)有必要提供相同的協(xié)議接口。如UNIX中消息交換的調(diào)用方法與WINDOWS PROFESSIONAL 2000的調(diào)用方法不同。

3.分布式數(shù)據(jù)庫(kù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

    本設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)以分布形式存在，系統(tǒng)沒(méi)有一個(gè)實(shí)體化的相對(duì)集中的數(shù)據(jù)中心，而是網(wǎng)上多個(gè)數(shù)據(jù)中心。通過(guò)“代理”中間件的路徑選擇，使一個(gè)地理或功能上分散的系統(tǒng)的全部信息形成一個(gè)全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)，任一操作站都可以訪問(wèn)任何一個(gè)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)本地或遠(yuǎn)程的監(jiān)視和控制。

    中間件技術(shù)的采用，同時(shí)使得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的分布由集散轉(zhuǎn)向了以網(wǎng)絡(luò)為中心，同時(shí)數(shù)據(jù)的上傳和訪問(wèn)方式也發(fā)生了很大的變化。一般原則是域內(nèi)服務(wù)器與I/O站之間采用復(fù)制性上傳，而在監(jiān)控中心服務(wù)器與各域之間采用訂閱/發(fā)布方式。通過(guò)中間件可以訪問(wèn)系統(tǒng)的任何數(shù)據(jù)，可以是同步讀寫(xiě)或訂閱。中間件負(fù)責(zé)將應(yīng)用請(qǐng)求定位于可用的服務(wù)對(duì)象。正常情況下，首先選擇本域服務(wù)器，如本域服務(wù)器故障，則旁路本域服務(wù)器，將請(qǐng)求轉(zhuǎn)向下一級(jí)服務(wù)器。同時(shí)對(duì)服務(wù)器的旁路能力也使各級(jí)服務(wù)器不再成為瓶頸，即使服務(wù)器故障，也不影響人機(jī)界面對(duì)設(shè)備的直接訪問(wèn)。
這種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)模式如下圖2所示：

4.接口通信框架

    不同的現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備是通過(guò)特定的通信協(xié)議接入系統(tǒng)的，因此系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)各種不同通信協(xié)議處理的開(kāi)放性。如果我們能夠構(gòu)造這樣一種通信協(xié)議的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使得不同人開(kāi)發(fā)的通信協(xié)議處理程序通過(guò)一定的固定步驟，方便地集成到系統(tǒng)中來(lái)，即通信處理任務(wù)的開(kāi)發(fā)者只需要關(guān)注通信協(xié)議本身，而不必關(guān)心數(shù)據(jù)的應(yīng)用，那么我們就可以極大的提高通信協(xié)議開(kāi)發(fā)的方便性，而且不會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

    要達(dá)成上述目標(biāo)，將I/O站軟件采用層次化結(jié)構(gòu)，將應(yīng)用層和協(xié)議驅(qū)動(dòng)層分開(kāi)，將會(huì)是一種比較理想的解決方案。如圖3所示：

    本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是在將應(yīng)用層和接口層分開(kāi)并使得應(yīng)用層軟件組件保持相對(duì)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，在接口層建立這樣的一種框架，即驅(qū)動(dòng)的公共部分，如動(dòng)態(tài)連接庫(kù)、數(shù)值工程轉(zhuǎn)換，跟協(xié)議的個(gè)性特征分開(kāi)，使得公共部分保持相對(duì)穩(wěn)定。這種接口框架在集成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集層上，協(xié)議開(kāi)發(fā)者只要關(guān)注通信協(xié)議的特有屬性本身，即接口層的通信協(xié)議處理層。接口框架還為接口開(kāi)發(fā)提供了統(tǒng)一的格式和步驟，以一致的方式處理通信接口，并為統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)模式提供支持。系統(tǒng)針對(duì)不同的通信協(xié)議，啟動(dòng)不同的協(xié)議處理任務(wù)，每個(gè)協(xié)議處理任務(wù)實(shí)現(xiàn)自我管理，主動(dòng)完成對(duì)公共部分的鏈接和調(diào)用。

    本設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)I/O站內(nèi)核和應(yīng)用的相對(duì)穩(wěn)定性，在這基礎(chǔ)上強(qiáng)調(diào)接口編成模式的統(tǒng)一，工程管理的規(guī)范，從而實(shí)現(xiàn)方便的接入多種子系統(tǒng)或設(shè)備的目標(biāo)。

5.骨干網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、可靠性設(shè)計(jì)

    由于新建的地鐵系統(tǒng)中通常建有骨干網(wǎng)，作為地鐵全線所有信息的傳輸通道。綜合監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)被分配使用其中的一部分帶寬，因此綜合監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)是骨干網(wǎng)基于寬帶廣域網(wǎng)開(kāi)發(fā)的，并作為整個(gè)系統(tǒng)的“內(nèi)網(wǎng)”，而通信前置機(jī)位于各遠(yuǎn)方站/子系統(tǒng)，因此來(lái)自外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)際進(jìn)入到以骨干網(wǎng)為核心的跨越較大地理位置的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中。為達(dá)到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性和數(shù)據(jù)一致性，本設(shè)計(jì)中除了底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用了高可靠性的TCP/IP協(xié)議外，高層通信協(xié)議中還采用訂閱-發(fā)布技術(shù)。該技術(shù)是由客戶應(yīng)用一次性向本域?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器發(fā)出訂閱數(shù)據(jù)請(qǐng)求，服務(wù)器登陸該請(qǐng)求，并周期性將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的最新值發(fā)布給客戶，直到客戶應(yīng)用取消訂閱。當(dāng)服務(wù)器本身不能提供所訂閱的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，則再向下級(jí)服務(wù)器或數(shù)據(jù)源站訂閱，這種逐級(jí)訂閱能力使得監(jiān)控中心操作員站也能讀到最底層的I/O站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。服務(wù)器可以歸并應(yīng)用請(qǐng)求，如當(dāng)兩個(gè)操作員站顯示同一畫(huà)面而服務(wù)器仍需向下層數(shù)據(jù)源站訂閱時(shí)，相同點(diǎn)數(shù)據(jù)只發(fā)送一次。

    中央服務(wù)器是通過(guò)動(dòng)態(tài)的訂閱/發(fā)布機(jī)制向各域服務(wù)器請(qǐng)求自己想要的數(shù)據(jù)，而不是規(guī)定全部數(shù)據(jù)都要上傳。采用這種方式旨在減少通過(guò)系統(tǒng)骨干網(wǎng)的無(wú)謂的數(shù)據(jù)傳輸，僅當(dāng)當(dāng)前使用的數(shù)據(jù)才傳上來(lái)，從而大大減少骨干網(wǎng)的負(fù)荷。這種方式極限情況下才等同與全部數(shù)據(jù)上傳，通過(guò)骨干網(wǎng)的數(shù)據(jù)流量如下圖4：

6.結(jié)論

    軟件體系結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)、接口通信框架和骨干網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、可靠性設(shè)計(jì)，是城市軌道交通綜合監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵。采用基于中間件組件技術(shù)的分布式處理；采用實(shí)時(shí)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，使一個(gè)地理或功能上分散的系統(tǒng)的全部信息形成一個(gè)全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)；采用I/O站內(nèi)核和應(yīng)用的相對(duì)穩(wěn)定性，在這基礎(chǔ)上強(qiáng)調(diào)接口編成模式的統(tǒng)一，工程管理的規(guī)范，從而實(shí)現(xiàn)方便的接入多種子系統(tǒng)或設(shè)備的目標(biāo)；采用逐級(jí)訂閱、動(dòng)態(tài)的訂閱/發(fā)布機(jī)制，提高骨干網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性等。以上關(guān)鍵技術(shù)的解決，是開(kāi)發(fā)安全、可靠的城市軌道交通綜合監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)。

縮寫(xiě)：

CORBAR: 公共對(duì)象請(qǐng)求代理體系
PSCADA: 電力監(jiān)控系統(tǒng)
EMCS: 機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)
FAS: 防災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)
SCR: 車(chē)站控制室