李建全 王大慶 孫軍峰 錢 江
李建全:卡斯柯信號(hào)有限公司 工程師 200071 上海
王大慶:上海申通軌道交通研究咨詢有限公司 高級(jí)工程師201103 上海
孫軍峰:卡斯柯信號(hào)有限公司 高級(jí)工程師 200071 上海
錢 江:卡斯柯信號(hào)有限公司 高級(jí)工程師 200071 上海
上海自1995年開(kāi)通地鐵一號(hào)線以來(lái),至今已有11條地鐵線運(yùn)營(yíng),總里程超過(guò)420 km,初步形成了軌道交通網(wǎng)絡(luò)。隨著軌道交通網(wǎng)絡(luò)的形成與發(fā)展,實(shí)現(xiàn)軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)與管理勢(shì)在必行。為此,上海地鐵正在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中心與應(yīng)急中心的規(guī)劃與研究,醞釀分期建設(shè)各類網(wǎng)絡(luò)控制中心。根據(jù)各網(wǎng)絡(luò)控制中心的職責(zé),監(jiān)控各軌道交通線路的運(yùn)營(yíng)。這就要求各軌道交通線路的運(yùn)營(yíng)信息實(shí)時(shí)匯總到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)控制中心,實(shí)現(xiàn)信息的集成與共享。除了軌道交通自身的運(yùn)營(yíng)信息集成與共享外,還應(yīng)能與城市其他公交系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息交換和共享。軌道交通的運(yùn)營(yíng)信息需要匯入城市交通信息中,一方面有利于交通管理部門(mén)及時(shí)了解掌握交通狀況,更為有效地指揮城市交通,另一方面也方便旅客合理選擇出行方式與出行路徑。
現(xiàn)代城市軌道交通線路均配備了列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)(ATS)對(duì)列車運(yùn)行進(jìn)行集中監(jiān)控。由于信號(hào)系統(tǒng)的特殊性,無(wú)法實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化及互聯(lián)互通,所以各條線路的ATS也沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),軟硬件結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)格式由各供貨廠商自行定義。目前開(kāi)通和在建線路的ATS,無(wú)論是在通信協(xié)議層還是在應(yīng)用層,都沒(méi)有定義標(biāo)準(zhǔn)的接口規(guī)范,需要讓各個(gè)ATS供貨方重新設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。這一方面隨著系統(tǒng)的升級(jí)換代技術(shù)上實(shí)現(xiàn)比較困難,另一方面供貨方對(duì)維護(hù)項(xiàng)目的報(bào)價(jià)也比較高,所以有必要針對(duì)軌道交通控制中心的應(yīng)用,提出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化接口。在項(xiàng)目招標(biāo)和實(shí)施階段明確提出實(shí)現(xiàn)要求,為以后的網(wǎng)絡(luò)化管理打下良好基礎(chǔ)。
1.ATS數(shù)據(jù)類型分析與服務(wù)需求研究。
2.ATS外部接口硬件結(jié)構(gòu)研究。
3.ATS外部接口軟件結(jié)構(gòu)研究。
4.ATS外部接口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)研究。
5.系統(tǒng)安全性、可靠性保障。
ATS標(biāo)準(zhǔn)化接口研究采用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)法,主要是對(duì)上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)協(xié)調(diào)與應(yīng)急指揮系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行歸納、分析、總結(jié)和改進(jìn),使之系統(tǒng)化、理論化,形成一個(gè)既可以適用于新線建設(shè),又可以指導(dǎo)老線改造的ATS標(biāo)準(zhǔn)化接口。
上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)協(xié)調(diào)與應(yīng)急指揮系統(tǒng),針對(duì)各條線的ATS接口,主要完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)和FTP服務(wù)。為了對(duì)軌道交通的總體運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行分析,為完善和優(yōu)化運(yùn)營(yíng)管理提供重要的量化數(shù)據(jù),以及未來(lái)的系統(tǒng)功能擴(kuò)展、系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)的需要,ATS標(biāo)準(zhǔn)化接口中新增加了數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)和遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)。另外,針對(duì)辦公網(wǎng)用戶提供了網(wǎng)頁(yè)信息服務(wù),通過(guò)Web瀏覽器用戶可以查看首末班車時(shí)間,各個(gè)時(shí)段的運(yùn)行間隔,甚至詳細(xì)的每日計(jì)劃等,以及遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)提供的各種報(bào)告查詢。
ATS數(shù)據(jù)共分為實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)、運(yùn)營(yíng)計(jì)劃數(shù)據(jù)、運(yùn)營(yíng)狀態(tài)數(shù)據(jù)和外部接口數(shù)據(jù)4類。
1.實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)。包括:列車標(biāo)識(shí)信息、列車位置信息、列車計(jì)劃信息、運(yùn)行模式、駕駛模式等列車相關(guān)信息;站遙控狀態(tài)、折返模式;信號(hào)機(jī)、軌道、道岔狀態(tài);站臺(tái)及進(jìn)路信息等。
2.運(yùn)營(yíng)計(jì)劃數(shù)據(jù)。包括:基本計(jì)劃、每日計(jì)劃、基本派班計(jì)劃、每日派班計(jì)劃、歷史運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)等。
3.運(yùn)營(yíng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。包括:設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息、報(bào)警信息和人員操作信息。
4.外部接口數(shù)據(jù)。包括:火警信息、供電區(qū)段報(bào)警信息、風(fēng)機(jī)信息、防淹門(mén)信息、緊急停車區(qū)域信息。
4.2.1 運(yùn)營(yíng)監(jiān)控需求
為了實(shí)現(xiàn)軌道交通的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)和管理,上海地鐵將分期建設(shè)各類網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心,根據(jù)各監(jiān)控中心的職責(zé),監(jiān)控各軌道交通線路的運(yùn)營(yíng)情況。這就要求各軌道交通線路的實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)匯總到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心,實(shí)現(xiàn)信息的集成與共享。
ATS標(biāo)準(zhǔn)接口計(jì)算機(jī)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù),其通信采用基于TCP/IP協(xié)議的SOCKET接口,以格式化的消息方式提供信息。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)所提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括:OCC(Operation Control Center控制中心)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),信號(hào)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù),ATS設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù),列車運(yùn)行數(shù)據(jù),ATC區(qū)域狀態(tài),各種報(bào)警信息等。
上述信息的共同特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性較高,現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際狀態(tài)發(fā)生變化后,需要在第一時(shí)間發(fā)送到各網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心并進(jìn)行顯示,以便監(jiān)控中心的用戶及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況。
4.2.2 運(yùn)營(yíng)分析及優(yōu)化需求
運(yùn)營(yíng)管理部門(mén)需要掌握運(yùn)營(yíng)計(jì)劃數(shù)據(jù)和運(yùn)營(yíng)狀態(tài)數(shù)據(jù),以便對(duì)軌道交通的總體運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行分析,達(dá)到完善和優(yōu)化運(yùn)營(yíng)管理的目的。另外,運(yùn)營(yíng)管理部門(mén)在開(kāi)通后還可能提出一些新的需求,比如開(kāi)發(fā)適用于所有線路的通用運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)分析軟件。ATS標(biāo)準(zhǔn)接口計(jì)算機(jī)提供的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)和遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)可以滿足該需求,為未來(lái)的系統(tǒng)功能擴(kuò)展、系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)提供可能。
ATS標(biāo)準(zhǔn)接口計(jì)算機(jī)將提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù),使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)。用戶可以通過(guò)合法的賬戶,使用數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)來(lái)查詢各種行車計(jì)劃、歷史運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)、車輛信息、司機(jī)信息、事件信息、派班計(jì)劃等。
ATS標(biāo)準(zhǔn)接口計(jì)算機(jī)采用Web服務(wù)的方式來(lái)提供遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)。Web服務(wù)具備完好的封裝性,松散耦合,使用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)范,具有高度可集成能力等特征。標(biāo)準(zhǔn)接口計(jì)算機(jī)提供的遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)包括計(jì)劃偏離報(bào)告、兌現(xiàn)率、準(zhǔn)點(diǎn)率、詳細(xì)歷史數(shù)據(jù)、詳細(xì)時(shí)刻表、車組運(yùn)行里程、駕駛員駕駛距離、事件等查詢,辦公網(wǎng)用戶可以使用遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)來(lái)開(kāi)發(fā)各種各樣的應(yīng)用程序。
4.2.3 信息發(fā)布需求
各網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心除了需要各軌道交通線路的實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)信息外,還需要各線的每日計(jì)劃、基本計(jì)劃、每日派班計(jì)劃、基本派班計(jì)劃、歷史運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)等運(yùn)營(yíng)計(jì)劃數(shù)據(jù),以滿足信息發(fā)布工作的需求。ATS標(biāo)準(zhǔn)接口計(jì)算機(jī)提供的FTP服務(wù)和信息服務(wù)可以滿足該需求,另外可以結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)和遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)來(lái)獲取更詳細(xì)的非實(shí)時(shí)信息,通過(guò)分析處理來(lái)滿足高級(jí)的信息發(fā)布需求。
ATS標(biāo)準(zhǔn)接口計(jì)算機(jī)提供的FTP服務(wù)可以將每日計(jì)劃、基本計(jì)劃、每日派班計(jì)劃、基本派班計(jì)劃、歷史運(yùn)營(yíng)等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為XML文件,以FTP服務(wù)的方式提供給網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心。ATS標(biāo)準(zhǔn)接口計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)根據(jù)配置定時(shí)更新這些文件(更新間隔可配置)。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心通過(guò)合法的賬號(hào)根據(jù)自身需要來(lái)獲取相應(yīng)的計(jì)劃文件。ATS標(biāo)準(zhǔn)接口計(jì)算機(jī)提供的信息服務(wù)是指針對(duì)辦公網(wǎng)用戶提供的網(wǎng)頁(yè)服務(wù),用戶可以通過(guò)Web瀏覽器來(lái)查看首末班車時(shí)間、各個(gè)時(shí)段的運(yùn)行間隔、換乘時(shí)刻表,甚至詳細(xì)的每日計(jì)劃等信息,以及遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)提供的各種報(bào)告查詢服務(wù)。
4.2.4 設(shè)備維護(hù)需求
維護(hù)人員需要獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息、報(bào)警信息、人員操作信息等數(shù)據(jù)對(duì)常見(jiàn)的故障進(jìn)行診斷并排除,以便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更好的日常維護(hù)、維修。ATS標(biāo)準(zhǔn)接口計(jì)算機(jī)提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù),可以提供設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息,數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)、遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)和信息服務(wù),并可以提供報(bào)警信息和人員操作信息。
另外,各監(jiān)控中心的ATS服務(wù)器可以記錄實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù),利用回放功能還原事故發(fā)生時(shí)的場(chǎng)景,簡(jiǎn)化故障排查的過(guò)程。
標(biāo)準(zhǔn)接口計(jì)算機(jī)布置于OCC ATS機(jī)房?jī)?nèi),通過(guò)OCC ATS內(nèi)網(wǎng)與ATS應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器相連。各種監(jiān)控中心和辦公網(wǎng)的計(jì)算機(jī)可以通過(guò)外網(wǎng)連接到標(biāo)準(zhǔn)接口計(jì)算機(jī)上獲取相應(yīng)的服務(wù)。標(biāo)準(zhǔn)接口計(jì)算機(jī)接在OCC ATS內(nèi)網(wǎng)中,OCC ATS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)、辦公網(wǎng)通過(guò)防火墻進(jìn)行隔離。這種連接方法的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)單,成本低。硬件連接圖如圖1所示。其中,COCC(Comprehensive Operation Control Center)為綜合控制中心。
圖1 硬件連接圖
標(biāo)準(zhǔn)接口計(jì)算機(jī)的軟件結(jié)構(gòu)由實(shí)時(shí)模塊、FTP模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、遠(yuǎn)程調(diào)用模塊、信息服務(wù)模塊等5個(gè)模塊和1個(gè)通用運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)庫(kù)組成,它們之間協(xié)同工作,組成一個(gè)完整的軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
1.實(shí)時(shí)模塊負(fù)責(zé)從OCC應(yīng)用服務(wù)器的實(shí)時(shí)模塊(泛指對(duì)外提供外部實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的模塊)獲取信息,按照本規(guī)范提供的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)格式化實(shí)時(shí)消息,然后發(fā)送給監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)模塊。
2.FTP模塊負(fù)責(zé)定時(shí)從通用運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取基本計(jì)劃、每日計(jì)劃、基本派班計(jì)劃、每日派班計(jì)劃和歷史運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù),按照本規(guī)范提供的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)生成格式化的XML文件,供監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)通過(guò)FTP進(jìn)行獲取。
3.通用運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)庫(kù)可以提供數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)給辦公網(wǎng)用戶,并作為FTP模塊和遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)模塊的數(shù)據(jù)源。通用運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫(kù)模塊進(jìn)行定時(shí)更新。
圖2 軟件結(jié)構(gòu)圖
4.數(shù)據(jù)庫(kù)模塊負(fù)責(zé)根據(jù)需要定時(shí)讀取OCC數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)或文本信息,轉(zhuǎn)換成本規(guī)范提供的數(shù)據(jù)格式,然后同步并存儲(chǔ)在通用運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。
5.遠(yuǎn)程調(diào)用模塊負(fù)責(zé)為辦公網(wǎng)用戶提供數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù),當(dāng)收到辦公網(wǎng)用戶的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程調(diào)用請(qǐng)求后,讀取通用運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù),進(jìn)行處理封裝,然后將結(jié)果返回給辦公網(wǎng)用戶。
6.信息服務(wù)模塊負(fù)責(zé)為辦公網(wǎng)用戶提供網(wǎng)頁(yè)服務(wù),授權(quán)用戶通過(guò)Web瀏覽器查看規(guī)定的計(jì)劃信息和運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)接口計(jì)算機(jī)提供的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)、遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)和信息服務(wù)是針對(duì)辦公網(wǎng)用戶提供的3個(gè)不同層次服務(wù)。就使用的難易程度而言,數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)最難,遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)次之,信息服務(wù)最容易。就使用的靈活性和數(shù)據(jù)量而言,數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)最靈活,數(shù)據(jù)最豐富,遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)次之,信息服務(wù)最不靈活。
防火墻是一類防范措施的總稱,它使內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與Internet之間,或者與其他外部網(wǎng)絡(luò)互相隔離、限制網(wǎng)絡(luò)互訪,是隔離在本地網(wǎng)絡(luò)與外界網(wǎng)絡(luò)之間的一道防御系統(tǒng)。簡(jiǎn)單的防火墻可以只用路由器實(shí)現(xiàn),復(fù)雜的可以用主機(jī)甚至一個(gè)子網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)置防火墻目的都是為了在內(nèi)部網(wǎng)與外部網(wǎng)之間設(shè)立唯一的通道,簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的安全管理。
防火墻作為網(wǎng)絡(luò)安全體系的基礎(chǔ)和核心控制設(shè)備,它貫穿于受控網(wǎng)絡(luò)通信主干線,對(duì)通過(guò)受控干線的任何通信行為進(jìn)行安全處理,如控制、審計(jì)、報(bào)警、反應(yīng)等,同時(shí)也承擔(dān)著繁重的通信任務(wù)。由于其自身處于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的敏感位置,還要面對(duì)各種安全威脅,因此,選用一個(gè)安全、穩(wěn)定和可靠的防火墻產(chǎn)品,其重要性不言而喻。
ATS標(biāo)準(zhǔn)化接口研究中使用防火墻來(lái)對(duì)OCC ATS網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)、辦公網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隔離,從而達(dá)到保護(hù)OCC ATS系統(tǒng)的目的。
SSL(Secure Sockets Layer安全套接層)協(xié)議位于TCP/IP協(xié)議與各種應(yīng)用層協(xié)議之間,為數(shù)據(jù)通信提供安全支持。SSL協(xié)議可分為2層:SSL記錄協(xié)議(SSL Record Protocol),是建立在可靠的傳輸協(xié)議(如TCP)之上,為高層協(xié)議提供數(shù)據(jù)封裝、壓縮、加密等基本功能的支持;SSL握手協(xié)議(SSL Handshake Protocol)則建立在SSL記錄協(xié)議之上,用于在實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始前,通信雙方進(jìn)行身份認(rèn)證、協(xié)商加密算法、交換加密密鑰等。SSL協(xié)議提供的主要服務(wù)有:①認(rèn)證用戶和服務(wù)器,確保數(shù)據(jù)發(fā)送到正確的客戶機(jī)和服務(wù)器;②加密數(shù)據(jù)以防止數(shù)據(jù)中途被竊取;③維護(hù)數(shù)據(jù)的完整性,確保數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中不被改變。
ATS標(biāo)準(zhǔn)接口計(jì)算機(jī)與監(jiān)控中心用戶、辦公網(wǎng)用戶的信息交互的傳輸層防護(hù),將采用SSL協(xié)議來(lái)確保數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性。
ATS標(biāo)準(zhǔn)接口計(jì)算機(jī)與監(jiān)控中心用戶、辦公網(wǎng)用戶信息交互的應(yīng)用層防護(hù),分為身份驗(yàn)證和權(quán)限控制二部分。身份驗(yàn)證既可以采用身份證書(shū)的方式,也可以采用用戶名/密碼的方式,用戶只有通過(guò)身份驗(yàn)證后才能享有相應(yīng)的服務(wù)。通過(guò)驗(yàn)證的用戶可以訪問(wèn)系統(tǒng),系統(tǒng)給用戶分配相應(yīng)的角色,每個(gè)角色都有自己的一組權(quán)限,進(jìn)而達(dá)到權(quán)限控制的目的。
通過(guò)研究ATS標(biāo)準(zhǔn)化接口,設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu),針對(duì)監(jiān)控中心用戶設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)和FTP服務(wù),針對(duì)辦公網(wǎng)用戶設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)、遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)和信息服務(wù),并對(duì)系統(tǒng)安全性進(jìn)行了分析研究,為實(shí)現(xiàn)ATS系統(tǒng)對(duì)外統(tǒng)一的接口提供了一套可行的方案。
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