軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)化

陸艮峰 ，徐宏偉 ，梁 奕

（1. 南瑞集團(tuán)國網(wǎng)電力科研究院有限公司，南京 211000；2. 國電南瑞科技股份有限公司，南京 210061）

隨著我國各大城市軌道交通建設(shè)步伐的加快以及計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展完善， 軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)應(yīng)運而生，通過采用先進(jìn)的計算機技術(shù)和控制技術(shù)實現(xiàn)城市軌道交通控制系統(tǒng)的集成化、數(shù)字化和智能化，大大提高了城市軌道交通運營的安全性和高效性，已然成為當(dāng)前城市軌道交通控制系統(tǒng)中的首選方案[1]，經(jīng)過多年的發(fā)展，其功能已經(jīng)日趨成熟和完善。ISCS集成和互聯(lián)了眾多的子系統(tǒng)如電力監(jiān)控(PSCADA)、環(huán)控系統(tǒng)(BAS)、廣播系統(tǒng)(PA)、乘客信息系統(tǒng)(PIS)、列車監(jiān)控系統(tǒng)(ATS)、視頻監(jiān)控(CCTV)、門禁系統(tǒng)(ACS)、火災(zāi)報警系統(tǒng)(FAS)等，ISCS由于涉及的子系統(tǒng)接口眾多，各專業(yè)接口實現(xiàn)方式差異較大，互通性差，導(dǎo)致系統(tǒng)接口協(xié)調(diào)、開發(fā)、調(diào)試等環(huán)節(jié)任務(wù)繁重，直接影響接口的實施進(jìn)度，因此必須盡早通過可行的方法和手段解決以上問題。

1 接口分析

1.1 接口過程

接口管理涉及業(yè)主、設(shè)計院、系統(tǒng)集成商及接口子專業(yè)供應(yīng)商等多方利益，與各子系統(tǒng)接口是 ISCS設(shè)計、開發(fā)和調(diào)試的重要組成部分，也是實際工程項目中耗時耗力的一環(huán)，關(guān)系到 ISCS整體功能、性能等是否達(dá)到設(shè)計要求，最終影響到 ISCS的實現(xiàn)以及系統(tǒng)的工期與質(zhì)量[2]。ISCS接口工作主要步驟如圖1所示，從接口啟動到現(xiàn)場驗收一般經(jīng)歷設(shè)計聯(lián)絡(luò)、接口協(xié)調(diào)、協(xié)議測試、現(xiàn)場大聯(lián)調(diào)[3]等過程，中間過程可能反復(fù)多次，可以看出接口規(guī)范在整個過程中至關(guān)重要，多個環(huán)節(jié)都和接口規(guī)范有關(guān)，接口規(guī)范是接口內(nèi)容核心所在，接口雙方應(yīng)盡早形成一致的接口詳細(xì)規(guī)范文件，并將此文件作為雙方接口開發(fā)的指導(dǎo)。

圖1 ISCS接口實施過程Fig.1 ISCS interface working process

1.2 存在問題

ISCS建設(shè)管理過程實質(zhì)上是系統(tǒng)接口對接與實現(xiàn)的過程[4]。傳統(tǒng)ISCS接口實施的復(fù)雜性很大程度上是沒有貫徹標(biāo)準(zhǔn)化的理念，不同系統(tǒng)的接口沒有形成統(tǒng)一的接口規(guī)范，有的接口由 ISCS供應(yīng)商牽頭，有的接口由子系統(tǒng)供應(yīng)商牽頭，各方提供的接口功能類似，但接口協(xié)議實現(xiàn)方式不統(tǒng)一，導(dǎo)致相互協(xié)調(diào)工作量大。因此 ISCS實施的過程中最突出的問題主要集中在接口管理?？v觀目前國內(nèi)已建成的城軌綜合監(jiān)控系統(tǒng)項目，部分因接口管理或建設(shè)進(jìn)度等原因而暫緩甚至取消原設(shè)計方案中部分功能，從而影響了綜合監(jiān)控系統(tǒng)總體效能的發(fā)揮[5]。

ISCS應(yīng)對每個子系統(tǒng)進(jìn)行接口標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，適時制定城市軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)的接口標(biāo)準(zhǔn)，使得每個系統(tǒng)接口規(guī)范在不同工程項目中能夠復(fù)用，不僅可大幅度減少設(shè)計和開發(fā)工作量，而且能極大地減少接口調(diào)試和協(xié)調(diào)工作量。

以功能為導(dǎo)向的接口標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)主要在物理接口分界、接口責(zé)任、冗余要求、測試方法、接口功能、接口協(xié)議等方面做標(biāo)準(zhǔn)化定義，其中接口協(xié)議是實現(xiàn)數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)化的關(guān)鍵所在。

1.3 接口分類

目前ISCS和集成/互聯(lián)子系統(tǒng)之間接口根據(jù)數(shù)據(jù)流信息相關(guān)性特點，可分為基于點的數(shù)據(jù)和基于過程的數(shù)據(jù)。基于過程的數(shù)據(jù)也可能存在基于點的數(shù)據(jù)，例如設(shè)備狀態(tài)、告警等信息。

1.3.1 基于點的數(shù)據(jù)接口

基于點即系統(tǒng)之間交互數(shù)據(jù)主要以數(shù)字量、模擬量以及電度量等點信息為主，控制方式也是對單點進(jìn)行數(shù)字量或者模擬量控制，每一個信息元獨立，典型子系統(tǒng)如PSCADA，BAS，F(xiàn)AS、集中告警等。PSCADA系統(tǒng)接口目前主要約定采用 IEC 61870—104協(xié)議規(guī)約，只需提供信息點表以及相關(guān)通信配置信息即可實現(xiàn)信息互通，隨著智能數(shù)字化變電站的廣泛應(yīng)用，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約也開始在軌道交通PSCADA監(jiān)控上試點應(yīng)用，互通性得到進(jìn)一步加強，PSCADA接口基本做到接口的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。BAS系統(tǒng)為基于點數(shù)字量和模擬量數(shù)據(jù)，但關(guān)于時間表功能實現(xiàn)例外，時間表為一組相關(guān)數(shù)據(jù)序列，可以在指定時間自動控制一批設(shè)備的起停[6-7]。目前，BAS子系統(tǒng)通信主要采用工業(yè)控制領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) MODBUS-TCP規(guī)約，在時間表實現(xiàn)方面目前多個供應(yīng)商基本已經(jīng)形成一套約定俗成的交互方法，包括時間表編輯、下發(fā)執(zhí)行、讀回、刪除、校驗等操作流程，將來也可總結(jié)升級為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。其他基于點的子系統(tǒng)大多是基于MODBUS、OPC等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，只需定義數(shù)據(jù)點表和通信配置即可，已實現(xiàn)接口數(shù)據(jù)便捷的互聯(lián)互通。

1.3.2 基于過程的數(shù)據(jù)接口

基于過程的系統(tǒng)除了少量的單點信息數(shù)據(jù)外基本都為過程控制流程，典型子系統(tǒng)如PA、PIS、CCTV、ATS等接口都是基于過程為主的數(shù)據(jù)交互，例如給PA下發(fā)播放預(yù)錄制語音操作，其中可包括控制類型、播放區(qū)域、時間、優(yōu)先級等信息，還有可能包含TTS文本信息，CCTV的攝像頭調(diào)用、鏡頭縮放、云臺控制、輪詢序列控制等操作，ATS列車位置信息、到站信息等，這些操作都有共同特點，即需要一組約定的數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)才能完整表達(dá)交互內(nèi)容，需要事先對每個數(shù)據(jù)域進(jìn)行約定。一組數(shù)據(jù)放在一起才具備完整意義，且信息內(nèi)容、形式多樣化，這一塊目前尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此存在多種實現(xiàn)方式。每個子系統(tǒng)供應(yīng)商接口實現(xiàn)機制和交互方式差距較大，數(shù)據(jù)定義較靈活，這就給ISCS系統(tǒng)接口互通增加了難度，在不同的項目需分別進(jìn)行接口協(xié)商，在很大程度上影響了工程項目開發(fā)調(diào)試進(jìn)度。

2 CCTV案例分析

閉路電視系統(tǒng)CCTV是城市軌道交通運行安全和維護(hù)的重要保障，是城市軌道交通運營現(xiàn)代化的重要手段[8-9]。CCTV系統(tǒng)接入ISCS有集成和互聯(lián)兩種方式，考慮到目前視頻傳輸帶寬和編解碼等因素，目前CCTV主要采用互聯(lián)的方式。CCTV作為一個獨立的子系統(tǒng)，有一整套完整的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)布局，ISCS通過接口通信方式完成對CCTV子系統(tǒng)的控制，根據(jù)協(xié)議設(shè)定命令格式發(fā)送操作命令；CCTV前端服務(wù)器收到相應(yīng)命令后執(zhí)行預(yù)定的動作，ISCS還可以采集CCTV系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)和故障情況。

目前CCTV實現(xiàn)的功能主要包括攝像頭切換、變焦、云臺控制、時序編輯和調(diào)用、設(shè)備故障和占用狀態(tài)、預(yù)置位設(shè)定和調(diào)用等。以下結(jié)合北京、重慶、昆明3種典型的通信協(xié)議方案做進(jìn)一步對比分析。

2.1 重慶3號線通信協(xié)議

重慶 3號線 ISCS與 CCTV采用的協(xié)議方案由CCTV供應(yīng)商牽頭提供，為基于TCP/IP的XML可擴(kuò)展標(biāo)記語言的通信協(xié)議[10-12]。在信息傳輸中為了防止傳輸失敗，協(xié)議均采用一問一答的形式，即 ISCS向CCTV發(fā)送控制與詢問報文，CCTV收到報文后給予相應(yīng)的回復(fù)，在沒有控制情況下每隔一定時間傳送心跳信息，心跳信息只是作為檢測鏈路通斷的標(biāo)志，協(xié)議通信內(nèi)容作結(jié)構(gòu)描述，可根據(jù)功能定義出所有其他類型控制操作數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

例如ISCS向CCTV系統(tǒng)發(fā)出攝像機切換請求報文如下：ISCS-＞CCTV消息格式描述：

＜ACTION＞

＜sessionid＞ ID＜/sessionid＞//由CCTV 授權(quán)的通信 id

＜seqno＞xxx＜/seqno＞//通信序號，保證順序

＜name＞ VEDIO _SWITCH_＜/name＞//功能碼

＜params＞//操作參數(shù)

＜param name=”cameraid”＞攝像頭編號＜/param＞

＜param name=”decodertype”＞目標(biāo)地類型＜/param＞

＜param name=”decoderid”＞目標(biāo)地編號＜/param＞

＜/params＞

＜/ACTION＞ //結(jié)束

CCTV-＞ISCS返回消息格式描述：

RESPONSE消息

＜RESPONSE＞

＜seqno＞xxx＜/seqno＞//通信序號，校驗

＜code＞xxx＜/code＞//返回代碼

＜results＞xxx＜/results＞//執(zhí)行結(jié)果

＜/RESPONSE＞

2.2 北京房山線通信協(xié)議

北京房山線采用的是由CCTV供應(yīng)商牽頭提供的一套基于RS485串口的私有協(xié)議信息指令集合。信息集主-從關(guān)系：ISCS發(fā)送控制命令為主方，CCTV控制器為從方，來自主方的命令稱為“請求”(REQ)，來自從方的命令稱為“響應(yīng)”(RSP)；一幀報文通常分為包頭、指令、數(shù)據(jù)以及校驗四部分，定義結(jié)構(gòu)見表 1。包頭為預(yù)定義的開頭和總包長度等信息，具體的操作類型，如獲取攝像頭信息、切換視頻等；數(shù)據(jù)內(nèi)容是基于操作類型，描述操作的內(nèi)容；校驗部分通常采用CRC校驗實現(xiàn)。同時根據(jù)實現(xiàn)功能可定義多種指令類型，指令類型下定義其數(shù)據(jù)類型，表2為選擇攝像機命令數(shù)據(jù)域定義。

表1 報文結(jié)構(gòu)定義Tab.1 Definition of the message structure

表2 攝像機選擇數(shù)據(jù)定義Tab.2 Definition of the camera selection data structure

2.3 昆明地鐵6號線通信協(xié)議

昆明地鐵6號線由ISCS供應(yīng)商牽頭提供，采用基于標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-TCP的協(xié)議方法，ISCS系統(tǒng)配置為主機，CCTV系統(tǒng)的通信服務(wù)器配置為從機，嚴(yán)格一問一答方式，ISCS通過讀寫CCTV寄存器的方式完成對 CCTV狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和控制指令的下發(fā)，空閑時ISCS每隔一定時間向CCTV發(fā)送一次輪詢報文，亦作為心跳報文。表3為從機定義的讀寄存器區(qū)域表示的攝像機狀態(tài)，一個字節(jié)表示一個攝像機狀態(tài)，主機通過輪詢該寄存器得到詳細(xì)的攝像機狀態(tài)數(shù)據(jù)。表4為CCTV定義的寫寄存器信息，ISCS通過寫入相應(yīng)的寄存器實現(xiàn)對 CCTV的控制操作。

表3 CCTV攝像機狀態(tài)寄存器定義Tab.3 Definition of the CCTV camera status register

表4 CCTV寫寄存器定義Tab.4 Definition of the CCTV write register

2.4 方案比較

通過上述對不同項目典型接口協(xié)議的介紹，最后進(jìn)行各自的優(yōu)缺點分析比較，分析結(jié)果見表5。

表5 接口特點分析對比Tab.5 Analysis and comparison of interface characteristics

3 總結(jié)與展望

著重分析綜合監(jiān)控系統(tǒng)接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，對責(zé)任劃分、接口邊界、測試方法等差異和爭議較小部分沒有做過多說明。目前基于點的數(shù)據(jù)接口已經(jīng)基本做到通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，但在基于過程的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)化方面還需要進(jìn)一步推進(jìn)。通過對CCTV接口案例比較分析，可以得出各自的利弊，鑒于當(dāng)前子系統(tǒng)接口所具備的功能基本一致，接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化時機已然成熟。

根據(jù)通信技術(shù)、編程技術(shù)發(fā)展，服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等性能不斷提升，同時標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)[13]中要求ISCS系統(tǒng)應(yīng)提供對各種系統(tǒng)的信息接入機制，應(yīng)以標(biāo)準(zhǔn)的、可擴(kuò)展的方式通過接口進(jìn)行訪問。XML語言具備自描述性、內(nèi)容和形式分離、結(jié)構(gòu)清晰、擴(kuò)展性強、報文可視化等特性，用戶可按照需要來制定標(biāo)記元素，不同的專業(yè)子系統(tǒng)接口也可以在彼此協(xié)議的基礎(chǔ)上自由制定適用的標(biāo)記進(jìn)行功能擴(kuò)展增減，因此適用于如PA、PIS、ATS等專業(yè)信息交互。筆者推薦基于XML語言的接口協(xié)議可作為基于過程數(shù)據(jù)通信載體進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化推廣，工程實施只需維護(hù)點表和配置數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計可以大大節(jié)約接口時間，顯著提高接口效率，最終實現(xiàn)系統(tǒng)間信息互通，也是綜合監(jiān)控系統(tǒng)接口通信發(fā)展的必然趨勢。