互操作在城市軌道交通系統(tǒng)中的應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)

張劭陽，劉浩然，王 丹

（北京市地鐵運(yùn)營有限公司地鐵運(yùn)營技術(shù)研發(fā)中心，北京 102208）

隨著信息系統(tǒng)應(yīng)用的不斷深入， 越來越多的部門不再滿足于本部門的信息共享和業(yè)務(wù)協(xié)同，開始提出跨部門、跨域的信息共享和業(yè)務(wù)協(xié)同管控。但由于組織管理與業(yè)務(wù)分工的關(guān)系，形成了大量的“信息孤島”和“業(yè)務(wù)孤島”，信息系統(tǒng)的效能未得到充分發(fā)揮。以城市軌道交通為例，近年來各運(yùn)營公司大力推進(jìn)信息化建設(shè)，信息化系統(tǒng)已融入部分業(yè)務(wù)。雖然目前業(yè)務(wù)系統(tǒng)與管理系統(tǒng)之間、各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)了部分互聯(lián)互通，但總體缺乏協(xié)同聯(lián)動機(jī)制且頂層設(shè)計(jì)相對滯后。筆者從城市軌道交通實(shí)際業(yè)務(wù)需求出發(fā)，對互操作技術(shù)引入的可行性進(jìn)行論證，從而構(gòu)建基于城市軌道交通的互操作架構(gòu)體系。

1 互操作體系及需求分析

互操作(Interoperability)的概念最早誕生于軍事情報領(lǐng)域，隨著技術(shù)和應(yīng)用的不斷發(fā)展，逐步成為各領(lǐng)域設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)的指導(dǎo)理念。廣義的理解，互操作是指通過信息交換達(dá)成協(xié)調(diào)工作的能力；狹義的理解是信息系統(tǒng)的互操作，指不同平臺或編程語言間交換和共享數(shù)據(jù)的能力?；ゲ僮鲗鹘y(tǒng)的系統(tǒng)間互聯(lián)互通、協(xié)同管控延伸到了更為廣泛的領(lǐng)域。

1.1 互操作技術(shù)

隨著對互操作問題本質(zhì)的認(rèn)識和對互操作實(shí)現(xiàn)技術(shù)的深入研究，目前元數(shù)據(jù)、信任管理、訪問控制、多系統(tǒng)聯(lián)動協(xié)作等技術(shù)在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互操作中得到了越來越普遍的應(yīng)用。

1.2 互操作體系

系統(tǒng)互操作是指在兩個或多個系統(tǒng)間，基于系統(tǒng)安全條件下，各系統(tǒng)保持自治性的同時，開放彼此間相關(guān)協(xié)議、接口，以滿足用戶對資源和服務(wù)的需求，并且支持系統(tǒng)間動態(tài)性需求的能力。在互操作應(yīng)用上，引入體系構(gòu)架，在不同層面對互操作進(jìn)行具體闡釋。

體系架構(gòu)是指導(dǎo)具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要前提，互操作體系架構(gòu)是在互操作理論的指導(dǎo)下，研究要實(shí)現(xiàn)互操作所需的條件、系統(tǒng)間的關(guān)系，進(jìn)而確定系統(tǒng)互操作的具有普適意義的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，明確互操作的實(shí)現(xiàn)方法和所需的技術(shù)支撐，從總體上把握一般互操作問題的解決途徑。通過構(gòu)建一個支持分布式、異構(gòu)系統(tǒng)的互操作體系框架，各系統(tǒng)依據(jù)統(tǒng)一的功能規(guī)范和業(yè)務(wù)流程，最終達(dá)到在統(tǒng)一體系框架、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)支撐體系支持下，實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)間信息資源共享與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。因此，互操作框架體系的核心內(nèi)容由3部分組成，即以技術(shù)為基礎(chǔ)、功能為需求、管理為目標(biāo)。

1.2.1 技術(shù)層

技術(shù)層是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互操作的基礎(chǔ)，系統(tǒng)互操作的信息資源來自于多個相互獨(dú)立的異構(gòu)系統(tǒng)，各個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)形式、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)以及技術(shù)指標(biāo)不盡相同。如何在不影響和改變現(xiàn)有系統(tǒng)的條件下，使其有效地集成起來，是系統(tǒng)互操作必須考慮的問題。同時，還需要考慮系統(tǒng)間的兼容性。

因此技術(shù)層涉及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、技術(shù)方法兩部分內(nèi)容：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可分為信息分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)、交互協(xié)議、語意表達(dá)規(guī)范、接口標(biāo)準(zhǔn)等；技術(shù)方法可分為系統(tǒng)集成、語意解析、互聯(lián)互通、安全保障等。

1.2.2 功能層

功能層是系統(tǒng)互操作的需求，實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)、跨部門的系統(tǒng)信息共享和業(yè)務(wù)協(xié)同。在各業(yè)務(wù)系統(tǒng)廣泛集成和互聯(lián)的前提下，實(shí)現(xiàn)信息的有效集成，達(dá)到各系統(tǒng)間協(xié)同管控的目的。消除或降低由于組織管理或業(yè)務(wù)分工關(guān)系引起的大量“信息孤島”和“業(yè)務(wù)孤島”，使系統(tǒng)效能最大化?；ゲ僮鞴δ苤饕w現(xiàn)在系統(tǒng)間的有機(jī)聯(lián)動和協(xié)同管控兩方面。

1.2.3 管理層

管理層是系統(tǒng)互操作的目標(biāo)，隨著信息化建設(shè)的不斷深入，傳統(tǒng)作業(yè)流程、組織機(jī)構(gòu)、管理流程和規(guī)章制度將會發(fā)生實(shí)質(zhì)的變化。由于各類業(yè)務(wù)流程和崗位職責(zé)不同，在管理方面存在著一定的制約，如橫向與縱向業(yè)務(wù)管理的銜接、制度的建立等。將互操作引入到“各自為政”的系統(tǒng)管理中，進(jìn)行信息資源整合利用，協(xié)調(diào)統(tǒng)一，提高管理效能和運(yùn)用效率，滿足各層級管理的需求。

2 互操作應(yīng)用可行性

2.1 技術(shù)層基礎(chǔ)

為保障軌道交通系統(tǒng)的正常運(yùn)營，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)系統(tǒng)間的信息交互和業(yè)務(wù)協(xié)同作業(yè)，需通過相應(yīng)技術(shù)手段及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行支撐，確保各子系統(tǒng)間互聯(lián)互通，涉及的技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范包括以下8方面。

2.1.1 交互協(xié)議

會話是兩個或者多個服務(wù)對象未來完成某一特定目標(biāo)所傳遞的信息序列，這是交互式互操作的一個基本特征。服務(wù)對象之間的會話需要有一定的模式來保證參與會話的服務(wù)對象能夠正確處理各種信息，即交互協(xié)議。參與的服務(wù)對象都必須遵循同一個標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議描述，通過對交互的動態(tài)行為消息進(jìn)行規(guī)范，從而實(shí)現(xiàn)不同信息系統(tǒng)之間信息資源的正確及有效傳輸。

2.1.2 語義解析技術(shù)

異構(gòu)性是互操作需要解決的首要問題。異構(gòu)性可分為設(shè)計(jì)時互操作異構(gòu)和進(jìn)行時互操作異構(gòu)。設(shè)計(jì)時互操作異構(gòu)主要解決在同一領(lǐng)域內(nèi)同義詞語的匹配問題，而進(jìn)行時互操作異構(gòu)解決概念體系、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、元數(shù)據(jù)等方面的問題?；谡Z義本體的方法可以通過異構(gòu)系統(tǒng)的接口定義映射到一個共享的語義本體上，從未建立異構(gòu)系統(tǒng)間的邏輯進(jìn)行連通。由于本體具有形式化描述語義的能力，可以利用本體對異構(gòu)數(shù)據(jù)源中的概念及其相互關(guān)系進(jìn)行嚴(yán)格的定義，從而表示可共享的信息，即通過構(gòu)建本體，建立本體的映射，為異構(gòu)數(shù)據(jù)源提供一個統(tǒng)一的語義集，實(shí)現(xiàn)基于本體的語義集成，支持語義層面查詢，從而實(shí)現(xiàn)語義級的共享。

2.1.3 元數(shù)據(jù)互操作技術(shù)

元數(shù)據(jù)互操作涉及元數(shù)據(jù)各個結(jié)構(gòu)層面的互操作，通常包括交換格式的互操作、標(biāo)記格式的互操作、元素內(nèi)容結(jié)構(gòu)的互操作、元素語義的互操作、編碼規(guī)則的互操作和數(shù)據(jù)內(nèi)容的互操作。元數(shù)據(jù)互操作作為分布環(huán)境下數(shù)字信息服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)，其主要實(shí)現(xiàn)方法包括：采用統(tǒng)一的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、元數(shù)據(jù)映射、元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，建立資源描述框架、元數(shù)據(jù)應(yīng)用綱要/擴(kuò)展、元數(shù)據(jù)交換協(xié)議等。

元數(shù)據(jù)的互操作主要表現(xiàn)為3種形式：能夠?qū)崿F(xiàn)通過單一查詢界面跨越不同種類的元數(shù)據(jù)描述；能夠?qū)崿F(xiàn)基于互補(bǔ)的但可能是重疊的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)的元數(shù)據(jù)描述的整合；因用戶特定的興趣、設(shè)想和需求不同，能夠?qū)崿F(xiàn)一個基礎(chǔ)性的和完備性的元數(shù)據(jù)描述。

2.1.4 信任管理技術(shù)

信任管理技術(shù)作為一種支持分布式訪問控制的技術(shù)，可以較好地用于支持多域間的安全互操作，其實(shí)質(zhì)是一種信任的傳播技術(shù)，通過信任的傳播，表達(dá)了權(quán)限的傳遞。其主要特點(diǎn)是能夠支持陌生主體訪問系統(tǒng)，并采用可傳遞性授權(quán)的機(jī)制，支持分布式應(yīng)用可伸縮的特點(diǎn)。信任管理的意義在于提供一個適合Web應(yīng)用系統(tǒng)開放、分布和動態(tài)特性的安全決策框架。

2.1.5 訪問控制技術(shù)

訪問控制機(jī)制是分布式信息系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)安全互操作的核心問題，通過訪問控制可以有效地限制用戶對各種信息的訪問，防止非法用戶的侵入或合法用戶由于操作不慎造成的破壞，以確保信息管理系統(tǒng)的安全和可靠。

2.1.6 前端處理器技術(shù)

前端處理器是主要的數(shù)據(jù)采集和傳輸部分。通過調(diào)用針對不同協(xié)議定制開發(fā)的驅(qū)動程序代碼，可快速訪問底層設(shè)備數(shù)據(jù)的信息點(diǎn)，整合為對象數(shù)據(jù)并傳輸至服務(wù)端子系統(tǒng)。前端處理器子系統(tǒng)也提供可應(yīng)用不同設(shè)備和環(huán)境的通用驅(qū)動程序，方便不同客戶的快速配置和使用。

前端處理器軟件的協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)，需要對不同的接口協(xié)議進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)內(nèi)部的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并傳輸給自身服務(wù)器。常用的接口協(xié)議有 Modbus、RS232/ RS485、TCP、UDP、FTP、IEC61850等。

2.1.7 服務(wù)端技術(shù)

綜合監(jiān)控服務(wù)端程序主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理。通過高度自主的算法對各種實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、加密數(shù)據(jù)、同步數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)，進(jìn)行定期存儲、同步和處理等工作，通常服務(wù)端主要涉及實(shí)時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)同步技術(shù)、跨操作系統(tǒng)技術(shù)、高可用性技術(shù)。

2.1.8 人機(jī)界面技術(shù)

人機(jī)界面子系統(tǒng)是主要的人機(jī)交互部分，主要的應(yīng)用技術(shù)也是在人機(jī)交互部分，如圖形組態(tài)、控件技術(shù)、多屏顯示、畫面分層、圖形庫、數(shù)據(jù)顯示與數(shù)據(jù)控制等技術(shù)。

2.2 功能層基礎(chǔ)

軌道交通系統(tǒng)按照專業(yè)可劃分為車輛、機(jī)電、供電、通信信號、土建線路 5大專業(yè)系統(tǒng)，各專業(yè)系統(tǒng)間存在著大量的信息交互和業(yè)務(wù)協(xié)同作業(yè)關(guān)系，如圖1所示。

圖1 城市軌道交通系統(tǒng)間業(yè)務(wù)交互關(guān)系Fig.1 Interrelationship between urban rail transit systems

從微觀層面考慮，軌道交通系統(tǒng)互操作主要是各專業(yè)信息系統(tǒng)內(nèi)部的信息之間進(jìn)行數(shù)據(jù)共享交換和業(yè)務(wù)協(xié)同，無論是橫向業(yè)務(wù)協(xié)同，還是縱向業(yè)務(wù)協(xié)同，都應(yīng)是雙向的，需要進(jìn)行業(yè)務(wù)協(xié)同的雙方都有提出請求和接受服務(wù)的要求；從宏觀層面，主要以提高運(yùn)營的生產(chǎn)效率、服務(wù)能力和安全水平為目的，需要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的信息協(xié)同交互業(yè)務(wù)，使軌道交通系統(tǒng)各方面的信息資源得到有效利用。

2.3 管理層基礎(chǔ)

軌道交通系統(tǒng)涉及多個專業(yè)的協(xié)同聯(lián)動，包括供電、機(jī)電、通信、信號、線路、車輛、土建、客運(yùn)專業(yè)等。目前軌道交通系統(tǒng)各業(yè)務(wù)層都有專業(yè)的定位與管理范圍，針對各個專業(yè)，內(nèi)部人員的層級及職責(zé)可為互操作體系的管理層提供依據(jù)，輔助互操作體系的權(quán)限設(shè)計(jì)，明確系統(tǒng)用戶的層級及權(quán)限。

用戶管理功能是權(quán)限系統(tǒng)的核心功能，管理著企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中所有的相關(guān)用戶數(shù)據(jù)，通過此功能可以實(shí)現(xiàn)新建或刪除用戶、改變用戶狀態(tài)、查詢用戶相關(guān)信息、為用戶增加角色及權(quán)限等。

依據(jù)軌道交通系統(tǒng)業(yè)務(wù)層次，軟件層次的用戶管理是實(shí)現(xiàn)互操作體系管理層應(yīng)用的前提，其中，軟件層次包含系統(tǒng)用戶、角色和權(quán)限的劃分與制訂，應(yīng)結(jié)合企業(yè)人力資源部對各部門進(jìn)行定位及內(nèi)部分工。業(yè)務(wù)層次包含企業(yè)各部門的職能、部門內(nèi)部的人員分工以及各業(yè)務(wù)的流程。

3 互操作架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 互操作應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)

互操作是實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)之間業(yè)務(wù)協(xié)同、信息共享和信息交換的核心，是解決分布式、異構(gòu)環(huán)境下系統(tǒng)整合的有效方法。將互操作技術(shù)引入城市軌道交通日常運(yùn)營，需將互操作體系相關(guān)內(nèi)容與地鐵運(yùn)營技術(shù)、流程、管理等銜接，制訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，運(yùn)用系統(tǒng)集成、自動控制等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)地鐵運(yùn)營的綜合、有序、科學(xué)管理，最終形成互操作體系的應(yīng)用架構(gòu)。

因此，以管理制度和服務(wù)功能為著手點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化建設(shè)為基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)為切入點(diǎn)，建立以信息共享與功能業(yè)務(wù)協(xié)同為目標(biāo)的框架體系結(jié)構(gòu)。體系分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、基礎(chǔ)層、銜接層和應(yīng)用層5個層次結(jié)構(gòu)。

具體設(shè)計(jì)目標(biāo)為：從技術(shù)、應(yīng)用、用戶管理等層面多維度描述互操作體系的核心內(nèi)容，全面解釋互操作體系；梳理互操作體系與目前地鐵系統(tǒng)中應(yīng)用的技術(shù)、業(yè)務(wù)流程化管理、人員管理等的關(guān)系，闡述互操作技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)；結(jié)合互操作體系，形成互操作應(yīng)用整體架構(gòu)。

3.2 互操作應(yīng)用架構(gòu)形式

互操作的體系架構(gòu)設(shè)計(jì)分為5部分，通過各個部分的有機(jī)結(jié)合，形成完整的體系架構(gòu)。采用分層結(jié)構(gòu)的形式對互操作體系進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)，其中每個層次相對獨(dú)立，即每個層次只解決一部分問題，通過各個層次的協(xié)作形成整體的架構(gòu)。

分層結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于將復(fù)雜的問題分解為若干個相對獨(dú)立的子問題，因此，可以降低各個層次設(shè)計(jì)的規(guī)模與復(fù)雜度；同時，分層結(jié)構(gòu)更為清晰明了，便于后續(xù)的擴(kuò)展和應(yīng)用。

3.3 互操作應(yīng)用邏輯架構(gòu)

互操作體系架構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在詮釋互操作體系的基礎(chǔ)上，結(jié)合地鐵系統(tǒng)信息化現(xiàn)狀，提出互操作技術(shù)應(yīng)用的架構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，架構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包含3部分：互操作解析、地鐵與互操作技術(shù)的結(jié)合、互操作技術(shù)應(yīng)用。其中，互操作解析可以分為3個層面：互操作定義、互操作層級、各個層級內(nèi)涵?；ゲ僮黧w系架構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是將上述各層次內(nèi)容有機(jī)、有序、合理地整合，架構(gòu)設(shè)計(jì)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 互操作架構(gòu)設(shè)計(jì)邏輯結(jié)構(gòu)Fig.2 Logical structure of the interoperability architecture design

3.4 互操作應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合互操作體系的邏輯架構(gòu)，形成架構(gòu)設(shè)計(jì)的 5個層次：互操作定義、互操作層級、各層級定義、互操作與地鐵系統(tǒng)、互操作在地鐵中的應(yīng)用。

地鐵系統(tǒng)中的技術(shù)、功能、管理3個層次都已有一定的基礎(chǔ)：在技術(shù)層，地鐵系統(tǒng)中多個子系統(tǒng)間已經(jīng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，并對部分子系統(tǒng)進(jìn)行了深度集成；在功能層，基于地鐵系統(tǒng)的復(fù)雜性，大多主要業(yè)務(wù)中涉及多專業(yè)聯(lián)動、協(xié)同調(diào)控，即某項(xiàng)業(yè)務(wù)涉及多個子系統(tǒng)；在管理層，地鐵公司多為集團(tuán)化經(jīng)營，為保證高效、有序的運(yùn)營，集團(tuán)內(nèi)部有明確的部門定位及人員職能劃分。

互操作技術(shù)應(yīng)用到地鐵系統(tǒng)中，必須與實(shí)際業(yè)務(wù)需求相結(jié)合，根據(jù)生產(chǎn)需要，制訂互操作應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)間的快速、高效、安全聯(lián)動。

綜上，基于互操作體系架構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)，根據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)的邏輯結(jié)構(gòu)，利用分層結(jié)構(gòu)及各層含義的詮釋，設(shè)計(jì)互操作體系架構(gòu)如圖3所示。

4 結(jié)語

互操作技術(shù)能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)流通，并根據(jù)其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動控制?；ゲ僮饕部梢詫?shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的聯(lián)動，但是互操作技術(shù)是單對單的互聯(lián)，通過接口的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。對于簡單的業(yè)務(wù)處置流程，互操作技術(shù)更為簡便，但是如果涉及系統(tǒng)過多，互操作在所有系統(tǒng)間都需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，且針對業(yè)務(wù)流程需要設(shè)定過多的判定條件，不利于統(tǒng)一管理。

圖3 互操作應(yīng)用架構(gòu)Fig.3 Interoperability application architecture

因此，互操作技術(shù)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)相輔相成，均可以實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)間的互通與聯(lián)動，但是適應(yīng)場景并不相同。對于復(fù)雜的多系統(tǒng)聯(lián)動、綜合調(diào)度情況，綜合監(jiān)控系統(tǒng)的深度集成更有利于統(tǒng)一把控，處置起來更為清晰明了；對于相對簡單的專業(yè)間聯(lián)動，互操作技術(shù)更為便捷，避免過多的系統(tǒng)集成工作。