面向服務(wù)的架構(gòu)方法在主動維保系統(tǒng)中的應(yīng)用＊

陳景柱 謝志林 劉學(xué)縱 鞏林玉 王圣根

（卡斯柯信號有限公司，200071，上海∥第一作者，工程師）

目前，城市軌道交通線路正朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營管理成為軌道交通發(fā)展必然趨勢。從體系化建設(shè)的理念出發(fā)，構(gòu)建出一個實(shí)現(xiàn)城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化管理預(yù)警機(jī)制，確保整個軌道交通網(wǎng)“安全、可靠、高效”運(yùn)行，能夠提供信息化的運(yùn)營協(xié)調(diào)指揮功能、狀態(tài)監(jiān)測預(yù)警功能、維護(hù)保障功能、信息資源管理功能的完整的網(wǎng)絡(luò)體系至關(guān)重要。

建立一個依靠先進(jìn)的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)中各種運(yùn)營設(shè)施、設(shè)備系統(tǒng)、固定資產(chǎn)的統(tǒng)一管理和維護(hù)的平臺，依靠這個平臺實(shí)現(xiàn)設(shè)施設(shè)備統(tǒng)籌維護(hù)、應(yīng)急搶修統(tǒng)一執(zhí)行、網(wǎng)絡(luò)物資統(tǒng)一供應(yīng)、網(wǎng)絡(luò)安全統(tǒng)一監(jiān)測、網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)統(tǒng)一管理十分必要。通過這個平臺解決路網(wǎng)安全信息孤立分散、缺乏基于系統(tǒng)安全態(tài)勢分析的預(yù)警及隱患識別能力的問題，為網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營的安全保障提供全數(shù)字化信息、安全綜合管理技術(shù)支撐。

在《基于城市軌道交通運(yùn)輸組織、控制及保障一體化關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)研制》的課題中，研制出主動維保系統(tǒng)子系統(tǒng)下的城市軌道交通安監(jiān)平臺。該平臺從面向服務(wù)的架構(gòu)出發(fā)，匯聚信號監(jiān)測系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng) 、車輛系統(tǒng)、橋梁、隧道、工務(wù)監(jiān)測系統(tǒng)和車載監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)信息和健康狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)信息的匯聚和聯(lián)動，解決各專業(yè)系統(tǒng)間信息的有效、可靠、實(shí)時通信，對系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)一管理和維護(hù)，形成一個統(tǒng)一的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺和在線監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控平臺。本文的創(chuàng)新在于采用面向服務(wù)架構(gòu)和中間件技術(shù)將城市軌道交通線路下各個不同專業(yè)信息利用實(shí)時庫進(jìn)行梳理和匯聚，根據(jù)業(yè)務(wù)要求進(jìn)行分類處理，搭建了一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理平臺，方便地利用統(tǒng)一的通道傳送給主動維保系統(tǒng)等上層應(yīng)用系統(tǒng)，屏蔽平臺異構(gòu)和數(shù)據(jù)異構(gòu)。

1 面向服務(wù)的體系架構(gòu)

1.1 SOA

面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu) （service－oriented architecture，簡為SOA）是一個組件模型，它將應(yīng)用程序的不同功能單元（下文稱為服務(wù)）通過這些服務(wù)之間定義良好的接口和契約聯(lián)系起來。接口是用中立的方式進(jìn)行定義的，獨(dú)立于實(shí)現(xiàn)服務(wù)的硬件平臺、操作系統(tǒng)和編程語言。這使得構(gòu)建在不同系統(tǒng)中的服務(wù)可以通過統(tǒng)一和通用的方式進(jìn)行交互，不必要考慮其后臺具體的實(shí)現(xiàn)技術(shù)和運(yùn)行平臺等?？梢詫?shí)現(xiàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化和平臺一致性。SOA為解決異構(gòu)資源的統(tǒng)一訪問提供了很好的架構(gòu)。

1.2 Web Service

Web Service是一個獨(dú)立、松耦合、自包含的、基于可編程的Web的應(yīng)用平臺?？墒褂瞄_放的XML標(biāo)準(zhǔn)來描述、發(fā)布、發(fā)現(xiàn)、協(xié)調(diào)和配置這些應(yīng)用程序，用于開發(fā)分布式互操作的應(yīng)用程序。

Web Service是一個分布式計(jì)算模型，是Web數(shù)據(jù)和信息集成的有效機(jī)制，是一套開放標(biāo)準(zhǔn)［2］，包括了SOAP（簡單對象訪問協(xié)議）、WSDL（服務(wù)描述）、UDDI（發(fā)現(xiàn)與集成服務(wù)）以及補(bǔ)充的 Web Service等規(guī)范，可促進(jìn)SOA更加廣泛應(yīng)用。

圖1為Web Service的服務(wù)關(guān)系。服務(wù)提供者實(shí)現(xiàn) Web服務(wù)的定義，用 Web服務(wù)描述語言WSDL（Web Service Description Language）對服務(wù)進(jìn)行描述，并在服務(wù)注冊代理中使用通用描述、發(fā)現(xiàn)與集成服務(wù) UDDI（Universal Description，Discovery and Integration）進(jìn)行注冊，UDDI起著目錄服務(wù)器的作用，用于集中存放和查找WSDL描述文件。服務(wù)的請求者利用服務(wù)注冊代理查找所需的服務(wù)，當(dāng)找到所需服務(wù)時，服務(wù)注冊代理向其提供WSDL，然后使用服務(wù)描述與服務(wù)提供者進(jìn)行綁定，并提供相應(yīng)的Web服務(wù)。圖2為Web Service協(xié)議結(jié)構(gòu)。服務(wù)通過HTTP／SMTP或者其他協(xié)議訪問Web系統(tǒng)，數(shù)據(jù)基于XML形式的，當(dāng)獲得XML文檔后，只需要通過強(qiáng)類型轉(zhuǎn)化即可將XML文檔映射成數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)表一樣的結(jié)構(gòu)，在 Web Service中添加一個Web方法即可處理XML文檔，使用WSDL描述服務(wù)，使用UDDI發(fā)布和查找服務(wù)，采用SOAP協(xié)議執(zhí)行服務(wù)調(diào)用。

圖1 Web Service的服務(wù)關(guān)系

1.3 CORBA

1.3.1 中間件

圖2 Web Service協(xié)議結(jié)構(gòu)

中間件位于服務(wù)器／客戶機(jī)的操作系統(tǒng)之上，是獨(dú)立于系統(tǒng)軟件和服務(wù)的程序，是連接2個及以上獨(dú)立應(yīng)用程序或獨(dú)立系統(tǒng)的軟件，管理著計(jì)算機(jī)資源和網(wǎng)絡(luò)通信。相連接的系統(tǒng)，即使它們具有不同的接口，但通過中間件相互之間仍能交換信息和共享資源。通過中間件，應(yīng)用程序可以工作于多平臺或多 OS（操作系統(tǒng)）環(huán)境［3］。

1.3.2 CORBA簡述

公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu)（Common Object Request Broker Architecture，簡為 CORBA）是由OMG（對象管理組織）組織制訂的一種標(biāo)準(zhǔn)的面向?qū)ο髴?yīng)用程序體系規(guī)范。CORBA體系結(jié)構(gòu)是OMG為解決分布式處理環(huán)境（DCE）中，硬件和軟件系統(tǒng)的互連而提出的一種解決方案。CORBA利用分布式計(jì)算和面向?qū)ο笥?jì)算相結(jié)合的方式，引入“代理”概念。

1.3.3 ORB和IDL

對象請求代理（Object Request Broker，簡為ORB）是CORBA的通信核心，CORBA的核心組件。ORB提供了識別和定位對象、處理連接管理、傳送數(shù)據(jù)和請求通信所需的框架結(jié)構(gòu)。ORB是一個便于實(shí)現(xiàn)不同軟硬件平臺上的互操作和集成的軟件總線。在分布式系統(tǒng)中，ORB抽象了遠(yuǎn)程方法調(diào)用的內(nèi)在復(fù)雜性，使其獨(dú)立于編程語言、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和軟硬件平臺［4］。CORBA體系規(guī)范中定義了包括面向?qū)ο笙到y(tǒng)和分布式系統(tǒng)在內(nèi)的多種服務(wù)，如對象命名服務(wù)、事件服務(wù)、通知服務(wù)等。

接口描述語言（Interface description language，簡為IDL），是CORBA規(guī)范的一部分，是跨平臺開發(fā)的基礎(chǔ)。IDL是用來描述軟件組件接口的一種計(jì)算機(jī)語言。IDL通過一種中立的方式來描述接口，使得在不同平臺上運(yùn)行的對象和用不同語言編寫的程序可以相互通信交流；IDL向ORB提供了與操作系統(tǒng)和編程語言無關(guān)的接口。

1.3.4 CORBA通信機(jī)制

為了保證在不同的CORBA產(chǎn)品基礎(chǔ)之上構(gòu)建的分布式對象可以相互通信，如圖3所示，Client和Server通過ORB進(jìn)行通信。一般的運(yùn)行流程是Client把請求發(fā)送給ORB，ORB再把請求發(fā)送給Server，Server把返回結(jié)果發(fā)送給ORB，ORB再把返回結(jié)果發(fā)送給是Client。ORB可以說是Client和Server之間的翻譯者。CORBA提供IDL到C、C＋＋和JAVA編程語言的映射，即使Client和Server使用不同的編程語言編寫，只要是符合相同的IDL定義，ORB也可以完成相互的通信。

圖3 CORBA通信機(jī)制

2 安監(jiān)平臺架構(gòu)

安監(jiān)平臺以城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測、失效預(yù)警及主動維保系統(tǒng)的核心需求，以及對設(shè)備狀態(tài)信息、健康狀態(tài)信息等的需求為主線，并結(jié)合目前運(yùn)營管理、維護(hù)保障體系。主動維保系統(tǒng)包括了設(shè)備管理平臺、主動維保平臺和安監(jiān)平臺。

安監(jiān)平臺所處的系統(tǒng)整體共分為上層、中間層和下層3層結(jié)構(gòu)（見圖4）：下層主要包括綜合監(jiān)控（ISCS）、車輛系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、車載數(shù)據(jù)中心（隧道、橋梁、觸網(wǎng)、軌道），是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源；中間層是安監(jiān)平臺，負(fù)責(zé)采集和處理下層數(shù)據(jù)；上層主要包括設(shè)備管理平臺和主動維保平臺，從安監(jiān)平臺獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行Web展示。

圖4 安監(jiān)平臺在主動維保系統(tǒng)中地位

安監(jiān)平臺數(shù)據(jù)流如圖5所示。安監(jiān)平臺從ISCS、車載、車輛和信號4個基礎(chǔ)專業(yè)系統(tǒng)采集原始數(shù)據(jù)，然后對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、處理等操作后輸入實(shí)時庫。設(shè)備管理平臺、維保平臺和安監(jiān)平臺通過SOAP Web Service機(jī)制進(jìn)行信息訪問，即設(shè)備管理平臺、維保平臺和安監(jiān)平臺用SOAP Web Service機(jī)制通過CORBA接口訪問實(shí)時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。

安監(jiān)平臺提供給上層接口服務(wù)的數(shù)據(jù)分2種情況：一種是實(shí)時數(shù)據(jù)以請求響應(yīng)方式給設(shè)備管理平臺和主動維保平臺；另一種是當(dāng)安監(jiān)平臺產(chǎn)生了優(yōu)先級比較高的報(bào)警信息后主動通知設(shè)備管理平臺和主動維保平臺，然后設(shè)備管理平臺和主動維保平臺向安監(jiān)平臺請求報(bào)警和實(shí)時數(shù)據(jù)。

圖5 安監(jiān)平臺的數(shù)據(jù)流

3 安監(jiān)平臺實(shí)現(xiàn)

3.1 基于業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的實(shí)時庫

根據(jù)軌道交通基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施的特點(diǎn)和故障特征，通過對運(yùn)營相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施，如接觸網(wǎng)、軌道、橋梁、隧道等專業(yè)的業(yè)務(wù)分析，充分研究了基于狀態(tài)變量安全特征分布的監(jiān)測和特征因子提取技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施實(shí)時狀態(tài)監(jiān)測。結(jié)合基礎(chǔ)設(shè)施綜合評判方法和設(shè)備維修信息，建立關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施失效預(yù)警處理模型和故障診斷處理模型。

模型建立基于綜合分析之后的統(tǒng)一實(shí)時庫。實(shí)時庫根據(jù)多專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)特征和特點(diǎn)，包括模擬量、數(shù)字量、累計(jì)量3大類。實(shí)時庫根據(jù)設(shè)備關(guān)聯(lián)關(guān)系和數(shù)據(jù)屬性建立數(shù)據(jù)間的邏輯處理關(guān)系。

實(shí)時庫在系統(tǒng)內(nèi)存中緩存各專業(yè)關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和分析處理的結(jié)果數(shù)據(jù)。安監(jiān)平臺從下層接口收到原始數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)特征加工后放入實(shí)時庫中。實(shí)時庫中的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)在系統(tǒng)啟動前就被配置好，統(tǒng)一成一個RTU號和一個Point號，表示一個設(shè)備的一個參數(shù)，例如綜合監(jiān)控系統(tǒng)接口下獲取的紫藤路水泵LD－2風(fēng)機(jī)電流用RTU號為1，Point號為1表示，那么在實(shí)時庫中更新紫藤路水泵LD－2風(fēng)機(jī)電流的值只要更新RTU號為1，Point號為1的模擬量的值。通過這樣的處理，可以統(tǒng)一各專業(yè)關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)格式，形成可以統(tǒng)一處理的實(shí)時庫。

3.2 安監(jiān)平臺與不同專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)接口的實(shí)現(xiàn)

3.2.1 安監(jiān)平臺與信號監(jiān)測系統(tǒng)接口

安監(jiān)平臺和信號系統(tǒng)采用基于TCP／IP方式通信，安監(jiān)平臺的通信模塊為客戶端，信號監(jiān)測系統(tǒng)為服務(wù)端。通信的過程為：安監(jiān)平臺的通信模塊周期性發(fā)送各個指令，信號監(jiān)測系統(tǒng)響應(yīng)指令，向安監(jiān)平臺的通信模塊發(fā)送響應(yīng)信息，安監(jiān)平臺將接收到的數(shù)據(jù)按照規(guī)則置入實(shí)時庫中。

3.2.2 安監(jiān)平臺與車輛監(jiān)測系統(tǒng)接口

安監(jiān)平臺和車輛監(jiān)測系統(tǒng)是基于TCP／IP方式通信。協(xié)議采用自定義協(xié)議，安監(jiān)平臺將接收到的車輛關(guān)鍵設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)按照規(guī)則置入實(shí)時庫中。

3.2.3 安監(jiān)平臺與車載監(jiān)測系統(tǒng)接口

安監(jiān)平臺和車載監(jiān)測系統(tǒng)是基于TCP／IP方式通信。協(xié)議采用自定義協(xié)議，安監(jiān)平臺將接收到的車載關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)按照規(guī)則置入實(shí)時庫中。

3.2.4 安監(jiān)平臺與綜合監(jiān)控系統(tǒng)接口

安監(jiān)平臺和綜合監(jiān)控系統(tǒng)是基于TCP／IP方式通信。協(xié)議采用通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，安監(jiān)平臺將接收到的綜合監(jiān)控系統(tǒng)傳來的關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)按照規(guī)則置入實(shí)時庫中。

3.3 安監(jiān)平臺與上層應(yīng)用系統(tǒng)的接口實(shí)現(xiàn)

3.3.1 安監(jiān)平臺和上層系統(tǒng)的通訊機(jī)制

如圖6所示，安監(jiān)平臺與上層應(yīng)用系統(tǒng)選擇SOAP Web Service機(jī)制實(shí)現(xiàn)通信，WEB服務(wù)器與安監(jiān)平臺以COBRA中間件作為兩者通信的橋梁。

圖6 安監(jiān)平臺和主動維保平臺的接口

主動維保平臺的界面層動態(tài)顯示時，需要向安監(jiān)信息系統(tǒng)請求設(shè)備的實(shí)時狀態(tài)信息，安監(jiān)信息系統(tǒng)響應(yīng)該需要設(shè)備狀態(tài)信息。對象定義規(guī)則主要以對象結(jié)構(gòu)格式形成分層結(jié)構(gòu)，主要包含設(shè)備資產(chǎn)編碼、信息點(diǎn)號和當(dāng)前實(shí)時數(shù)值等內(nèi)容。

3.3.2 安監(jiān)平臺和上層應(yīng)用系統(tǒng)的服務(wù)機(jī)制

安監(jiān)平臺和上層應(yīng)用系統(tǒng)交互包括以下3個過程：

（1）Web服務(wù)器為上層應(yīng)用系統(tǒng)提供注冊功能、實(shí)時數(shù)據(jù)接口。上層應(yīng)用系統(tǒng)初始化連接安監(jiān)平臺時，根據(jù) Web服務(wù)器提供的注冊函數(shù)進(jìn)行登記，登記完畢后把自己 Web Service地址告訴給安監(jiān)平臺。上層應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)安監(jiān)平臺提供的設(shè)備屬性函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，安監(jiān)平臺根據(jù)傳遞的資產(chǎn)編號找到合適的設(shè)備號，并組裝該設(shè)備所有的實(shí)時數(shù)據(jù)返回給上層應(yīng)用系統(tǒng)。

（2）Web服務(wù)器啟動一個事件處理任務(wù)線程，周期性掃描CORBA服務(wù)的報(bào)警接口。如果發(fā)現(xiàn)有報(bào)警，安監(jiān)平臺通過上層應(yīng)用系統(tǒng)注冊的 Web Service作為地址發(fā)送消息給主動維保平臺NotifyEvent接口（此接口提供消息通知觸發(fā)機(jī)制），上層應(yīng)用系統(tǒng)接到消息后通過 Web服務(wù)器訪問CORBA服務(wù)中的報(bào)警和實(shí)時數(shù)據(jù)。

（3）Corba服務(wù)與安監(jiān)平臺通信。Corba服務(wù)通過命名服務(wù)（Naming Service）方式和安監(jiān)平臺進(jìn)行通信。

3.3.3 CORBA命名服務(wù)應(yīng)用

安監(jiān)平臺選擇CORBA命名服務(wù)（Naming Service）通信方式。命名服務(wù)將服務(wù)對象賦予一個指定的標(biāo)識，通過名字與對象之間的映射關(guān)系來實(shí)現(xiàn)對服務(wù)對象的查找和定位。命名服務(wù)提供的助記符解析服務(wù)使得應(yīng)用程序可以借助助記符，而不是一大串IOR來訪問到相應(yīng)的Servant。

3.3.4 接口描述文件

由于Web服務(wù)器和安監(jiān)平臺的編程語言不一樣，使用IDL工具生成C＋＋和JAVA的接口代碼，這樣確保Web服務(wù)器與安監(jiān)平臺之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流傳輸。具體實(shí)現(xiàn)代碼不在IDL定義中編寫，是用真正的編程語言來進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)。本平臺的IDL文件包括了數(shù)據(jù)屬性結(jié)構(gòu)體，報(bào)警屬性結(jié)構(gòu)體，獲得實(shí)時數(shù)據(jù)接口函數(shù)，獲得報(bào)警接口函數(shù)。當(dāng)添加新的數(shù)據(jù)接口無需添加冗余的代碼時，只需在IDL中配置新的對象參數(shù)。當(dāng)主動維保平臺增加應(yīng)用時，只需在IDL中添加合適的訂閱記錄接口。

設(shè)備管理庫的主要作用是通過HASH算法，把相同設(shè)備資產(chǎn)編碼組織在同一個鏈表下。設(shè)備管理庫分為2條鏈路：一條是不同的設(shè)備編碼之間織成線性鏈表關(guān)系，另一條是相同的設(shè)備編碼之間組織成線性鏈表關(guān)系。設(shè)備編碼分類和屬性匯聚可以加快設(shè)備屬性的檢索速度。

3.3.5 安監(jiān)平臺的SOAP Web Service接口定義文件

從實(shí)時數(shù)據(jù)傳遞角度看，安監(jiān)平臺作為服務(wù)端，Web Service服務(wù)作為客戶端。同時，從報(bào)警信息傳遞角度看，當(dāng)有一級報(bào)警產(chǎn)生時，Web Service服務(wù)通知主動維保平臺和設(shè)備信息平臺。獲取的報(bào)警內(nèi)容包含設(shè)備編碼和組代碼信息，以此來查詢安監(jiān)平臺該設(shè)備編碼的實(shí)時數(shù)據(jù)。這之間都使用SOAP協(xié)議通信。主要提供下列功能：事件報(bào)警接口；實(shí)時數(shù)據(jù)接口；報(bào)警通知接口；給上層應(yīng)用接口。

4 結(jié)語

安監(jiān)平臺是城市軌道交通運(yùn)輸組織、控制及保障一體化關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)研制課題中的重要子系統(tǒng)之一，將匯聚的各專業(yè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)加工處理后傳遞給上層應(yīng)用設(shè)備管理平臺和主動維保平臺。采用了面向服務(wù)的架構(gòu)和中間件的技術(shù)，解決了安監(jiān)平臺多專業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的異構(gòu)和上層平臺異構(gòu)問題，方便平臺之間信息共享，在今后工程化應(yīng)用上具有靈活性和擴(kuò)展性。本文的介紹方法極大地方便了分布式實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)中的信息共享、數(shù)據(jù)共享，支持實(shí)時數(shù)據(jù)Web發(fā)布，提高了維保中心系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)效率，為主動維保奠定了基礎(chǔ)。

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