基于三層C/S架構(gòu)的地鐵OCC環(huán)控調(diào)度仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馮永崗，嚴(yán)云富

(1.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，成都 610031;2.成都工業(yè)學(xué)院 通信工程系，成都 610031)

近年來(lái)，隨著我國(guó)軌道交通行業(yè)的跨越發(fā)展，行業(yè)內(nèi)對(duì)各種運(yùn)營(yíng)人員的需求大大增加。在城市軌道交通系統(tǒng)中，地鐵OCC運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)是地鐵運(yùn)營(yíng)的中樞神經(jīng)。作為地鐵OCC運(yùn)營(yíng)培訓(xùn)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，地鐵OCC環(huán)控調(diào)度仿真培訓(xùn)系統(tǒng)對(duì)教員以及學(xué)員(環(huán)控調(diào)度員)的培訓(xùn)發(fā)揮著重要的作用。

該系統(tǒng)運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)站場(chǎng)溫度、濕度，隧道通風(fēng)，給排水，消防等系統(tǒng)的模擬。通過(guò)把對(duì)環(huán)境影響較大的主要因素分別進(jìn)行建模，能夠很精確地仿真各系統(tǒng)的功能、計(jì)算數(shù)值并實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)與行調(diào)系統(tǒng)、電調(diào)系統(tǒng)的交互，組合成地鐵OCC運(yùn)營(yíng)培訓(xùn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各相關(guān)調(diào)度系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)功能。

1 三層C/S架構(gòu)的OCC環(huán)控調(diào)度仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

C/S架構(gòu)是指采用客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器體系的軟件架構(gòu)，在基于該架構(gòu)構(gòu)建的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)將應(yīng)用一分為二，服務(wù)器(后臺(tái))負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理，客戶(hù)機(jī)(前臺(tái))完成與用戶(hù)的交互任務(wù)。

三層架構(gòu)是指在二層(客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器)中間加入了一個(gè)“中間層”，也叫組件層。它與上層客戶(hù)層、下層服務(wù)器層共同構(gòu)成了三層體系。其提供的解決方案是:運(yùn)用分層、分模塊的思想，對(duì)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割并在邏輯上使其獨(dú)立，以實(shí)現(xiàn)“高內(nèi)聚，低耦合”的目的。

1.1 OCC環(huán)控調(diào)度仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)上述三層C/S結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，把環(huán)控調(diào)度仿真培訓(xùn)系統(tǒng)劃分為三層C/S結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

1)用戶(hù)界面層主要為教員端、學(xué)員端的操作提供界面顯示。操作界面由一系列仿真對(duì)象的監(jiān)控界面組成?；谝幌盗械谋O(jiān)控界面，系統(tǒng)為教員、學(xué)員提供了環(huán)控調(diào)度操作所需的所有信息瀏覽與服務(wù)定位。2)業(yè)務(wù)邏輯層是系統(tǒng)的核心部分，主要實(shí)現(xiàn)的功能有:環(huán)控系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行仿真;對(duì)教員端、學(xué)員端操作的邏輯控制與系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)仿真;為模擬溫濕度、隧道通風(fēng)、給排水、消防等功能提供數(shù)據(jù)支持;在非正常狀態(tài)下演練培訓(xùn)時(shí)的系統(tǒng)分析，邏輯控制與實(shí)時(shí)響應(yīng);仿真模擬運(yùn)行中設(shè)備的故障，突發(fā)事件以及異?，F(xiàn)象的表現(xiàn)和處理;能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)刻表，多種模式的編輯與調(diào)用等功能;與行調(diào)系統(tǒng)、電調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)各相關(guān)系統(tǒng)調(diào)度等。3)數(shù)據(jù)服務(wù)層服從業(yè)務(wù)邏輯層調(diào)用，其主要作用是提供環(huán)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的管理，用于處理與數(shù)據(jù)庫(kù)的交互，存儲(chǔ)SQL語(yǔ)句或存儲(chǔ)過(guò)程。負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)庫(kù)獲取數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，不含與業(yè)務(wù)邏輯或接口相關(guān)的代碼，不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行任何業(yè)務(wù)加工。實(shí)際開(kāi)發(fā)時(shí)，常常將數(shù)據(jù)對(duì)象的實(shí)體和方法分離，這樣數(shù)據(jù)對(duì)象就可以在各層之間傳遞。

圖1 系統(tǒng)體系架構(gòu)

1.2 環(huán)控系統(tǒng)采用三層架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)的二層C/S結(jié)構(gòu)的仿真系統(tǒng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用三層C/S結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)的仿真系統(tǒng)有4方面的優(yōu)勢(shì):1)在一定程度上緩解了前期大量的需求分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)。2)安全性。這種采用業(yè)務(wù)邏輯層與服務(wù)器連接的架構(gòu)形式，降低了之前客戶(hù)端與服務(wù)器直接連接所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，即非法用戶(hù)直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)的可能性。3)客戶(hù)端與服務(wù)器之間的大量數(shù)據(jù)傳送得到了緩解，一定程度上降低了網(wǎng)絡(luò)的通信量，降低了業(yè)務(wù)高峰期造成網(wǎng)絡(luò)阻塞的可能性。4)提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，尤其是對(duì)于環(huán)控系統(tǒng)龐大的車(chē)站及各車(chē)站設(shè)備信息的傳送所帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)壓力起到了很好的緩解作用。

2 OCC環(huán)控調(diào)度仿真系統(tǒng)建模及實(shí)現(xiàn)

按照三層架構(gòu)的框架思路，分別從用戶(hù)界面層、業(yè)務(wù)邏輯層及數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)層進(jìn)行系統(tǒng)建模及實(shí)現(xiàn)。

1)用戶(hù)界面層

環(huán)控調(diào)度用戶(hù)界面層內(nèi)容龐大，系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)客戶(hù)操作響應(yīng)的需求量也很龐大。因此在開(kāi)發(fā)過(guò)程中自行設(shè)計(jì)了圖形編輯工具來(lái)進(jìn)行快速開(kāi)發(fā)。圖形編輯基本流程如圖2所示。

圖3 業(yè)務(wù)邏輯層模塊結(jié)構(gòu)

界面建立后，操作系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)進(jìn)行響應(yīng)，通過(guò)客戶(hù)端與服務(wù)器的實(shí)時(shí)交互刷新頁(yè)面，顯示操作結(jié)果。利用用戶(hù)界面，環(huán)控調(diào)度員(學(xué)員)通過(guò)簡(jiǎn)單的操作即可對(duì)地鐵環(huán)控系統(tǒng)進(jìn)行控制，并通過(guò)訓(xùn)練課程，達(dá)到熟練掌握環(huán)控調(diào)度操作的目的。

2)業(yè)務(wù)邏輯層

基于模塊化程序設(shè)計(jì)的思想，業(yè)務(wù)邏輯層的具體設(shè)計(jì)是通過(guò)把各子系統(tǒng)單獨(dú)封裝來(lái)完成的。在各子模塊的邏輯層設(shè)計(jì)中，添加了程序在執(zhí)行中所必須的處理方法、規(guī)程及步驟。通過(guò)各子模塊的協(xié)同滿(mǎn)足系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行。

同時(shí)，業(yè)務(wù)邏輯層的引入，在很大程度上拓展了系統(tǒng)在手動(dòng)控制和非正常狀態(tài)(系統(tǒng)運(yùn)行中設(shè)備故障及異常突發(fā)事件)的模擬課程設(shè)置，為地鐵OCC環(huán)控調(diào)度仿真培訓(xùn)系統(tǒng)模擬出各種復(fù)雜事故狀況提供支持，這也是該系統(tǒng)的亮點(diǎn)。通過(guò)獨(dú)立的業(yè)務(wù)邏輯層的管理，安排設(shè)備手動(dòng)模式，可以在業(yè)務(wù)邏輯層加入手動(dòng)模式離散化的處理規(guī)則，以培養(yǎng)環(huán)控調(diào)度員利用單控操作統(tǒng)管全局的能力(如圖3所示)。

3)數(shù)據(jù)服務(wù)層

在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，由于環(huán)控仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需求非常多，根據(jù)其基本功能可以將數(shù)據(jù)服務(wù)層的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)分成2部分完成:1)客戶(hù)端數(shù)據(jù)庫(kù)用于存放客戶(hù)端顯示所需的設(shè)備數(shù)據(jù)信息。開(kāi)發(fā)采用了圖源編輯工具形式(如圖4所示)，數(shù)據(jù)庫(kù)的支持很必要。2)服務(wù)端數(shù)據(jù)庫(kù)主要處理與系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)的邏輯控制及各種設(shè)置故障等工作。通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)層對(duì)于業(yè)務(wù)邏輯層的響應(yīng)，完成模式連鎖表的調(diào)用，趨勢(shì)圖的布畫(huà)，報(bào)警列表的生成和顯示，事件記錄的完成，多種模式編輯與執(zhí)行等功能。

圖4 客戶(hù)端數(shù)據(jù)表建立

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

圖5 環(huán)控調(diào)度設(shè)備對(duì)象的層次模型

3.1 面向?qū)ο蟮姆抡鏀?shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)技術(shù)

OCC環(huán)控調(diào)度仿真培訓(xùn)系統(tǒng)軟件是基于面向?qū)ο蟮姆抡鏀?shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建的。在該系統(tǒng)中，設(shè)備是仿真數(shù)據(jù)的最基本的對(duì)象，按照設(shè)備類(lèi)對(duì)設(shè)備進(jìn)行抽象，利用設(shè)備圖標(biāo)將設(shè)備類(lèi)實(shí)例應(yīng)用在人機(jī)接口界面中。在設(shè)備類(lèi)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，按照需求將諸如報(bào)警、報(bào)警確認(rèn)、權(quán)限專(zhuān)業(yè)等重要功能以設(shè)備對(duì)象為單位進(jìn)行實(shí)例化。圖5是環(huán)控調(diào)度設(shè)備對(duì)象的層次模型。

圖6 地鐵溫度計(jì)算熱頁(yè)荷分析示意圖

OCC環(huán)控調(diào)度仿真培訓(xùn)系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)庫(kù)按照功能劃分為變量庫(kù)、模型庫(kù)、操作記錄庫(kù)和歷史庫(kù)4部分。在設(shè)計(jì)要求上，為了滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性，采用SQL Sever2005來(lái)設(shè)計(jì)面向?qū)ο蟮姆抡鏀?shù)據(jù)庫(kù)。

對(duì)象的重用性帶來(lái)了開(kāi)發(fā)效率的大幅度提高。通過(guò)把同類(lèi)型的操作作為單獨(dú)的類(lèi)模塊抽象出來(lái)，以供其他模塊重復(fù)調(diào)用，不僅提高了軟件的可用性，而且提高了軟件的重用性和拓展性。同時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)的封裝、設(shè)計(jì)的模塊化、減少類(lèi)與類(lèi)之間的依賴(lài)性提高類(lèi)與類(lèi)之間的聚合性等都有了很好的提升，增強(qiáng)了軟件系統(tǒng)的可靠性。

3.2 溫度的實(shí)時(shí)計(jì)算仿真模型設(shè)計(jì)

如圖6所示，在地鐵系統(tǒng)中，由于其相對(duì)密封的環(huán)境條件以及熱源眾多，分布各異，尤其是人員密集度高且流動(dòng)頻繁，因此地鐵熱環(huán)境熱平衡分析過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。為了便于溫度的分析計(jì)算，通過(guò)研究地鐵環(huán)境并對(duì)地鐵環(huán)境溫度影響較大的因素逐一分析研究，最終確立了針對(duì)地鐵站臺(tái)站廳的熱交換平衡方程，實(shí)時(shí)解算出實(shí)時(shí)溫度。

地鐵車(chē)站熱負(fù)荷由2部分組成:不變荷載和可變荷載。通過(guò)研究與這2部分進(jìn)行交互的熱交換模塊，采用總體產(chǎn)熱量公式ΣQ=不變荷載Q1+可變荷載Q2計(jì)算出某一時(shí)刻站廳站臺(tái)的熱負(fù)荷值。結(jié)合溫度平衡公式ΔQ=cmΔt實(shí)時(shí)計(jì)算室內(nèi)溫度并顯示。

4 結(jié)語(yǔ)

基于C/S三層架構(gòu)的地鐵OCC環(huán)控仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，不但可以使系統(tǒng)的層次和和整體性能得到提升，容易實(shí)現(xiàn)突發(fā)事件等復(fù)雜場(chǎng)景的逼真模擬的能力，而且能發(fā)揮出可復(fù)用性和交互操作的優(yōu)勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)地鐵OCC環(huán)控仿真培訓(xùn)系統(tǒng)及新型的車(chē)站作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)研究打下基礎(chǔ)。

［1］李紫時(shí)，翁方煜.基于HLA的鐵路仿真培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2010(5):135－138.

［2］樊銀亭，何鴻云.基于客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器體系的二層與三層結(jié)構(gòu)研究［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2001(12):23－24，40.

［3］吳曉艷，劉洋.基于三層架構(gòu)的物流管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.科技信息，2010(23):607－608.

［4］曾理，朱金陵，吳洋.面向?qū)ο蟮臋C(jī)車(chē)操縱仿真培訓(xùn)系統(tǒng)［J］.鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2004(12):46－49.

［5］茅晶晶，陳鎖忠，張達(dá)政，等.三層C/S架構(gòu)在城市地質(zhì)環(huán)境信息系統(tǒng)中的應(yīng)用:以浙江省義烏市城市地質(zhì)環(huán)境信息系統(tǒng)為例［J］.南京師范大學(xué)學(xué)報(bào):工程技術(shù)版，2007(2):76－81.

［6］翁方煜.地鐵OCC環(huán)控調(diào)度仿真培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.成都:西南交通大學(xué)，2010.

［7］奚峰.無(wú)屏蔽門(mén)地鐵的環(huán)控系統(tǒng)在線(xiàn)控制運(yùn)行方法研究［D］.北京:清華大學(xué)，2004.