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作者：城市軌道交通標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會 魏曉東

7.2.5  綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)

ISCS軟件平臺由一系列基于服務(wù)器和基于操作站的軟件模塊組成，是一種基于中間件的分布式應(yīng)用集成架構(gòu)。應(yīng)用集成架構(gòu)包含有遠(yuǎn)程過程調(diào)用技術(shù)、分布式對象技術(shù)、面向消息的中間件技術(shù)和Web服務(wù)技術(shù)。

整個軟件系統(tǒng)由多個合理劃分的功能模塊所組成，這些模塊能夠訪問公共的數(shù)據(jù)源-實時數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)軟件平臺具有如下特點：高可靠性。單個模塊的故障不會引起數(shù)據(jù)的丟失和系統(tǒng)的癱瘓。所有的軟件組件模塊均是相互獨立的，除了以下的關(guān)鍵模塊外，其它單個模塊的故障不會影響到其它模塊的運行。這些關(guān)鍵模塊包括：系統(tǒng)進(jìn)程管理模塊、實時數(shù)據(jù)庫模塊。采用通用的硬件和標(biāo)準(zhǔn)化的軟件。整個ISCS軟件平臺將基于市場通用的、可互換的、成熟的、高性能的硬件產(chǎn)品。系統(tǒng)可以得到簡化，當(dāng)出現(xiàn)故障時，更容易診斷、處理和恢復(fù)。ISCS軟件平臺基本結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 ISCS軟件平臺基本結(jié)構(gòu)

ISCS系統(tǒng)配置了網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，可以完成對硬件環(huán)節(jié)的故障診斷、識別等工作。同時，以模塊化的軟件構(gòu)架為基礎(chǔ)，通過系統(tǒng)進(jìn)程管理模塊完成ISCS軟件平臺多個軟件模塊組件的狀態(tài)檢測、診斷，經(jīng)過冗余邏輯判斷，實現(xiàn)軟件的熱冗余切換，提高系統(tǒng)軟件的故障診斷、處理和恢復(fù)的性能。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件的部署在系統(tǒng)的中央級與車站級各設(shè)備上如圖10所示。

圖10 ISCS軟件的部署

7.2.5.1　ISCS軟件平臺的軟件模塊

實時數(shù)據(jù)庫模塊：實時數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)實時數(shù)據(jù)的采集與管理。實時系統(tǒng)軟件可以模擬所監(jiān)視的設(shè)備的屬性，這些屬性不局限于預(yù)先定義的且從外部系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)類型。設(shè)備可自由配置各種靜態(tài)或動態(tài)屬性，還可選擇是否需要保存歷史數(shù)據(jù)。可以使用與系統(tǒng)文件管理方法類似的層次化對象方法，對所監(jiān)視過程進(jìn)行層次化監(jiān)督管理。對每一級設(shè)備層，屬性可以計算，可作為報警條件。強大的計算引擎可以完成對任何設(shè)備屬性的計算功能。可使用輔助工具對公式進(jìn)行編輯。可在自動或周期模式下存儲數(shù)據(jù)庫的快照。數(shù)據(jù)庫類所支持的訪問服務(wù)有：讀/寫服務(wù)；配置服務(wù)，在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建或刪除點，根據(jù)數(shù)據(jù)配置信息進(jìn)行查詢；點值變化的訂閱服務(wù)。數(shù)據(jù)庫的配置和讀寫服務(wù)是通過數(shù)據(jù)庫的過程接口來完成。實時數(shù)據(jù)庫提供多種方式的快速訪問接口，可在線增加/刪除記錄，在數(shù)據(jù)庫中讀/寫點值。

歷史數(shù)據(jù)庫模塊：歷史數(shù)據(jù)庫采用大型商用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件平臺通過對歷史數(shù)據(jù)庫進(jìn)行接口封裝，可支持多種關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：如ORACLE，MySQL等。歷史數(shù)據(jù)庫模塊負(fù)責(zé)歷史存檔管理，歷史存檔保存按照可設(shè)定的周期或事件存儲的數(shù)據(jù)。

中間件模塊：ISCS軟件是可移植的、模塊化和可適應(yīng)的，通過專門的分布式基礎(chǔ)中間件模塊實現(xiàn)了分布式異構(gòu)環(huán)境下應(yīng)用系統(tǒng)互連和互操作性。該中間件實現(xiàn)了ISCS系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)用軟件的相互透明操作和數(shù)據(jù)共享。通過對操作系統(tǒng)封裝，屏蔽了操作系統(tǒng)的差異，為上層應(yīng)用提供跨操作系統(tǒng)平臺的能力；通過分布式系統(tǒng)管理，提供了分布式環(huán)境下統(tǒng)一的開發(fā)和運行環(huán)境；通過通信管理，對網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行統(tǒng)一封裝，為上層應(yīng)用提供了透明通信服務(wù)。

由于采用了中間件模塊，軟件架構(gòu)是靈活的，實現(xiàn)某些功能的軟件模塊可以選擇專為本項目ISCS系統(tǒng)開發(fā)的模塊，而各模塊之間的通訊質(zhì)量和性能不受影響。

雙機管理模塊：雙機管理模塊用于完成具有冗余性質(zhì)的系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)檢測、故障診斷、冗余切換、數(shù)據(jù)同步等重要功能，主要存在于冗余FEP、服務(wù)器、工作站之中。雙機管理模塊的主要功能包括：雙機數(shù)據(jù)同步：實現(xiàn)雙冗余FEP和雙冗余實時服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)同步。雙機狀態(tài)檢測與故障診斷：冗余的FEP、服務(wù)器之間，均存在冗余診斷，通過狀態(tài)診斷模塊相互獲取診斷信息，為冗余切換提供依據(jù)。冗余切換：服務(wù)器通過與FEP之間的連接狀態(tài)診斷邏輯，選擇可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道，實現(xiàn)FEP的冗余通道切換；冗余服務(wù)器之間通過雙機狀態(tài)檢測與故障診斷，完成冗余切換。

網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)視模塊：系統(tǒng)的NMS網(wǎng)管子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)視模塊，可以完成對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的監(jiān)視功能。

時間同步模塊：系統(tǒng)以通訊專業(yè)CLK系統(tǒng)提供的一級母時鐘信號（單向10毫秒級精度）為標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一ISCS系統(tǒng)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)時間，并在將該時鐘信號傳送給各被集成系統(tǒng)。

報表模塊：系統(tǒng)具有完善的報表功能，報表模塊負(fù)責(zé)統(tǒng)一處理所有系統(tǒng)報表生成及管理。

系統(tǒng)管理配置模塊：系統(tǒng)提供管理配置模塊，可完成如下工作：系統(tǒng)配置：可對系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、權(quán)限分配等進(jìn)行管理和配置。實時狀態(tài)監(jiān)測：周期檢查各個組件的運行狀態(tài)，并在故障出現(xiàn)時，發(fā)出警告。權(quán)限管理：可定義并發(fā)布權(quán)限文件，用于訪問特定功能的權(quán)限檢查。

報警和事件管理模塊：系統(tǒng)的報警和事件管理模塊負(fù)責(zé)根據(jù)配置產(chǎn)生報警和事件，并通過報警列表及事件列表組件實現(xiàn)對報警和事件的瀏覽管理。操作員可以通過報警和事件管理模塊實現(xiàn)對報警信息的顯示、查詢、瀏覽、統(tǒng)計、打印等功能。

數(shù)據(jù)庫管理模塊：數(shù)據(jù)庫管理模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫內(nèi)容整理及同步。可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)庫的配置和實時監(jiān)視，可配置歷史數(shù)據(jù)庫的存儲要求，如存儲周期等。

聯(lián)動模塊：聯(lián)動模塊負(fù)責(zé)多系統(tǒng)間的聯(lián)動命令發(fā)放及同步。

由于采用了中間件模塊，軟件架構(gòu)是靈活的，實現(xiàn)某些功能的軟件模塊可以選擇專為本項目ISCS系統(tǒng)開發(fā)的模塊，而各模塊之間的通訊質(zhì)量和性能不受影響。ISCS應(yīng)用軟件是開放的，可隨意方便地修改數(shù)據(jù)庫和人機界面（HMI）的圖像及其背后的邏輯程序。應(yīng)用軟件支持由業(yè)主使用人員，獨立進(jìn)行組態(tài)、畫面編輯、程序修改、系統(tǒng)維護(hù)等操作，業(yè)主人員有權(quán)在工程開發(fā)、調(diào)試階段介入相關(guān)的開發(fā)工作。

7.2.5.2　軟件功能模塊

綜合監(jiān)控系統(tǒng)的軟件功能模塊包括以下幾種：

人機界面模塊

數(shù)據(jù)處理模塊

實時數(shù)據(jù)庫模塊

日志和歷史數(shù)據(jù)管理模塊

報警管理模塊

時間表等控制模塊

事件觸發(fā)控制模塊

各系統(tǒng)功能模塊

操作員權(quán)限管理模塊

網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)視模塊

時間同步模塊

軟件監(jiān)視模塊

備份和文檔管理模塊

配置管理模塊

7.2.5.3　軟件開發(fā)工具

ISCS系統(tǒng)軟件平臺提供一個集成開發(fā)環(huán)境（IDE），對分布在多個服務(wù)器上的同一個應(yīng)用進(jìn)行統(tǒng)一的開發(fā)。支持多個開發(fā)人員同時開發(fā)同一個應(yīng)用。軟件平臺本身提供技術(shù)和手段保證多個開發(fā)人員同時開發(fā)時的交互。可以實現(xiàn)版本自動同步更新、歷史版本追溯、分支合并，查詢修改日志等功能。當(dāng)其中某個開發(fā)人員對其中的部分應(yīng)用進(jìn)行開發(fā)時，集成開發(fā)環(huán)境保證任何別的開發(fā)人員都無法對該部分應(yīng)用進(jìn)行修改。

集成開發(fā)環(huán)境（IDE）

（1）提供一個統(tǒng)一的分布式開發(fā)、部署環(huán)境，在統(tǒng)一的集成環(huán)境下可以實現(xiàn)對線路內(nèi)車站、子系統(tǒng)的配置開發(fā)，以及部署配置。

（2）能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備模板和圖形模板的可視化編輯和開發(fā)，圖形模板支持自定義屬性和自定義腳本，并可與設(shè)備模板關(guān)聯(lián)，作為一類設(shè)備整體復(fù)用，提高在界面開發(fā)工具中的易用性，實現(xiàn)一改全改，提高系統(tǒng)可維護(hù)性。

（3）能實現(xiàn)對用戶和用戶組等權(quán)限相關(guān)的配置管理功能。

（4）能實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)庫的開發(fā)、修改功能，可以利用設(shè)備模板實現(xiàn)設(shè)備實例化的批量創(chuàng)建。

人機界面開發(fā)工具

（1）能實現(xiàn)監(jiān)控畫面的配置管理，所有畫面均可由用戶進(jìn)行可視化修改，畫面組態(tài)支持動態(tài)縮放和導(dǎo)航以及變量查找、替換和統(tǒng)計功能。

（2）支持用戶腳本，可定時、周期觸發(fā)執(zhí)行。用戶腳本可訪問工程中定義的設(shè)備進(jìn)行相關(guān)控制，并可訪問畫面中定義的圖形元素修改顯示效果。

（3）提供集成的內(nèi)置報表，支持各種報表的配置管理以及報表服務(wù)等功能，通過報表服務(wù)可以實現(xiàn)報表的定時生成和打印。

（4）內(nèi)置支持時間表控制、順序控制和模式控制，可便捷的結(jié)合業(yè)務(wù)需求完成配置。

（5）用戶離線創(chuàng)建或修改所有圖形及圖庫。

數(shù)據(jù)采集開發(fā)工具

（1）可以實現(xiàn)采集通道、設(shè)備、I/O測點的開發(fā)和配置。

（2）支持主、從信道的配置。

（3）支持測點配置的快速導(dǎo)入、導(dǎo)出功能。

（4）支持配置檢測功能，能夠檢測系統(tǒng)的配置錯誤。

數(shù)據(jù)采集調(diào)試工具

（1）支持采集器運行狀態(tài)、計算機CPU占有率、采集器進(jìn)程CPU占有率、已用內(nèi)存大小等的監(jiān)控功能。

（2）支持診斷信息的顯示和打印，支持二進(jìn)制顯示功能，支持測點的過濾、查找功能。

（3）支持主、從信道的切換功能。

（4）能在線或離線使用。

7.2.6　綜合監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展

近年來，地鐵運營的自動化水平不斷提高，地鐵運營自動化水平GOA（Grad Of Automation）的要求達(dá)GOA4-GOA5全自動運行等級。對綜合監(jiān)控系統(tǒng)這一線路信息共享平臺提出了更高的更全面的要求，綜合監(jiān)控系統(tǒng)需集成更多的信息：綜合監(jiān)控系統(tǒng)需集成信號系統(tǒng)的ATS系統(tǒng)；集成車輛監(jiān)控的全面信息；乘客狀況監(jiān)控、管理信息；車、地設(shè)備綜合維修信息；綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成子系統(tǒng)更多的信息點；綜合監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)系統(tǒng)的更多的信息。綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺需集成ATS，綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺上實現(xiàn)列車監(jiān)控；同時實現(xiàn)車輛調(diào)度信息共享：喚醒監(jiān)控、休眠、開關(guān)車門、站場信息監(jiān)控、TCMS（車輛監(jiān)控管理系統(tǒng)）、故障旁路和復(fù)位、設(shè)置/緩解停放制動等等；實現(xiàn)乘客調(diào)度信息共享：站場信息監(jiān)控、車載廣播及CCTV、車載PIS 信息發(fā)布、應(yīng)答乘客呼叫等；實現(xiàn)綜合維修系統(tǒng)（IMS）信息共享：信號設(shè)備、車輛走行部、電力設(shè)備、機電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視，臺賬、備件、維護(hù)計劃、工單管理以及文檔管理等等。為支持無人駕駛CCTV、PA、PIS、PSD及無線等互連系統(tǒng)的接入信息將大大增加。

除了無人駕駛運行模式要求綜合監(jiān)控系統(tǒng)提供更多的相關(guān)功能外，地鐵信息化、智能化對線路綜合監(jiān)控系統(tǒng)提出了更加廣泛的功能要求。線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)要求線路綜合監(jiān)控系統(tǒng)提供更加實用的功能。智慧地鐵的發(fā)展要求一個更加堅實，更加廣泛的線路及信息共享平臺。

地鐵是電能消耗大戶，如何在智能電網(wǎng)的大背景下實現(xiàn)電力的節(jié)能，配電的優(yōu)化等等都將提到議事日程，需要綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺提供更多的相關(guān)信息支持電能智能管理。建設(shè)生態(tài)車站，節(jié)能并且降低碳排放，綜合監(jiān)控系統(tǒng)的機電設(shè)備子系統(tǒng)應(yīng)該承擔(dān)此項大課題，采集成更多信息。綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺上的視頻監(jiān)視信息應(yīng)該智能化，應(yīng)可開發(fā)出更多的智能功能為地鐵的安全做貢獻(xiàn)。在綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺上實現(xiàn)更多的智能功能。例如智能應(yīng)急指揮、智能預(yù)案、智能聯(lián)動等。工業(yè)4.0的理念進(jìn)入綜合監(jiān)控系統(tǒng)，使得城市軌道交通的發(fā)展與智能交通，智慧城市相協(xié)調(diào)，以上都需要綜合監(jiān)控系統(tǒng)提供更多的共享信息。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺作為線路信息共享平臺支持地鐵線路實現(xiàn)全自動運行模式，其中將發(fā)展出許多智能應(yīng)用功能提高全自動運營的效率與安全。綜合監(jiān)控系統(tǒng)則可在中央實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫的支持下，利用人工智能技術(shù)，通過開發(fā)地鐵運營專家系統(tǒng)的途徑，為地鐵開發(fā)出運營決策支持系統(tǒng)，實現(xiàn)一些高級運營功能，例如，自適應(yīng)調(diào)度、調(diào)度決策分析建議、綜合節(jié)能、安防體系、綜合維修與狀態(tài)維修等等。

總之，集成了更多信息，可以支持無人駕駛運行，可以支持線路運營管理智能化，實現(xiàn)諸多的環(huán)保、節(jié)能的智能化功能的新一代綜合監(jiān)控系統(tǒng)正在地鐵工程中建設(shè)起來。新綜合監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展成為地鐵線路自動化系統(tǒng)的MES層。綜合監(jiān)控系統(tǒng)成為智能地鐵的底層信息共享平臺，它為地鐵智能信息化集成系統(tǒng)提供最廣泛的底層本源信息。智能地鐵建設(shè)須以此為基礎(chǔ)，智能化功能也是對這些信息集成后產(chǎn)生的。智慧地鐵、地鐵信息化與智能化都要落地到綜合監(jiān)控平臺上。地鐵每條線路的綜合監(jiān)控信息共享平臺并行地構(gòu)建起來，構(gòu)成了整個城市地鐵信息化、智能化系統(tǒng)的信息基礎(chǔ)層，支撐起了整個城市的智慧地鐵大廈。

作者簡介：

魏曉東，1967年畢業(yè)于天津大學(xué)精儀系。1984~1991年任安徽工業(yè)大學(xué)自動化系副教授。1991年出版《分散型控制系統(tǒng)》（ 上海科技文獻(xiàn)出版社） 。2000~2012年任北京和利時系統(tǒng)工程公司副總工、事業(yè)部總設(shè)計師，北京地鐵13號線、深圳地鐵一期工程、廣州地鐵3號線綜合監(jiān)控系統(tǒng)工程技術(shù)總負(fù)責(zé)人。2006、2010年出版《城市軌道交通自動化系統(tǒng)與技術(shù)》初版與第二版（電子工業(yè)出版社）；2010年主編國家標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》（GB50636-2010）、《城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)施工與質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB/T50732-2011）；2010年主編關(guān)于兩化融合的國家標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)規(guī)范》（GB/T26335-2010）。2013年至今任清華同方數(shù)字城市工程中心技術(shù)專家，住建部城市軌道交通標(biāo)注技術(shù)網(wǎng)Eu委員會委員，全國自動化系統(tǒng)與集成標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會委員。

摘自《自動化博覽》2018年4月刊