CTC 系統(tǒng)與SMIS 調(diào)車數(shù)據(jù)交互服務(wù)平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

溫斌賓，周 通，羅常津，黃圣文，王天龍

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081；2. 北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081）

調(diào)度集中（CTC ，Centralized Traffic Control）系統(tǒng)以日班計(jì)劃圖、列車運(yùn)行調(diào)整計(jì)劃（階段計(jì)劃）為主軸，將階段調(diào)整計(jì)劃下傳到各個(gè)車站的分散自律機(jī)中自主執(zhí)行列車作業(yè)與調(diào)車作業(yè)，實(shí)現(xiàn)對信號設(shè)備的集中控制和列車運(yùn)行的直接指揮。目前，CTC 系統(tǒng)已在鐵路行業(yè)廣泛應(yīng)用，在列車作業(yè)方面，有效解決了車站接發(fā)車進(jìn)路自動排列、安全卡控、站細(xì)檢查等問題[1]。然而在調(diào)車作業(yè)方面，CTC 系統(tǒng)在調(diào)車進(jìn)路辦理時(shí)，無法準(zhǔn)確采集到車站綜合管理信息系統(tǒng)（SMIS，Synthesized Management Information System）中的調(diào)車作業(yè)計(jì)劃數(shù)據(jù)[2]，通常需要車站調(diào)度員依據(jù)紙質(zhì)調(diào)車作業(yè)通知單手動排列調(diào)車進(jìn)路。

現(xiàn)有車站調(diào)車作業(yè)流程中，調(diào)車作業(yè)計(jì)劃由車站調(diào)度員在SMIS 中進(jìn)行編制，編制時(shí)需要綜合考慮車站現(xiàn)存車、調(diào)機(jī)運(yùn)用計(jì)劃、裝卸車計(jì)劃、摘掛列車作業(yè)計(jì)劃等實(shí)際情況[3]。編制完成后，從SMIS 中打印導(dǎo)出調(diào)車作業(yè)計(jì)劃，以紙質(zhì)作業(yè)通知單的形式下發(fā)給車站值班員及其他調(diào)車崗位，車站值班員接收到調(diào)車作業(yè)通知單后，依據(jù)調(diào)車作業(yè)具體內(nèi)容，通過操作CTC 系統(tǒng)車務(wù)端完成調(diào)車進(jìn)路辦理。在此過程中，車站值班員還需要與車站調(diào)度員頻繁以電話和電臺的方式溝通，以確認(rèn)進(jìn)路辦理準(zhǔn)確性。從上述流程中可知，CTC 系統(tǒng)與SMIS 在作業(yè)中各自獨(dú)立，兩系統(tǒng)間缺少對調(diào)車作業(yè)信息的交互，導(dǎo)致調(diào)車作業(yè)進(jìn)路排列方式仍為人工手動操作，嚴(yán)重影響了調(diào)車作業(yè)的效率與安全性。為實(shí)現(xiàn)CTC 系統(tǒng)與SMIS 調(diào)車作業(yè)數(shù)據(jù)的流通共享，本文設(shè)計(jì)CTC 系統(tǒng)與SMIS 調(diào)車數(shù)據(jù)交互服務(wù)平臺（簡稱：交互服務(wù)平臺）進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，以提高車站內(nèi)調(diào)車作業(yè)自動化水平和安全卡控能力。

1 交互服務(wù)平臺總體架構(gòu)

交互服務(wù)平臺基于B/S 框架開發(fā)[4]，采用集群技術(shù)、邊緣計(jì)算技術(shù)，提高硬件資源利用效率和數(shù)據(jù)傳輸效率，保證其應(yīng)用服務(wù)的擴(kuò)展性和可靠性。該平臺總體架構(gòu)分為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和用戶接入層，如圖1 所示。

圖1 CTC 系統(tǒng)與SMIS 調(diào)車數(shù)據(jù)交互服務(wù)平臺總體架構(gòu)

1.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層提供了交互服務(wù)平臺所需要的硬件設(shè)備和運(yùn)行環(huán)境。依托于鐵路局集團(tuán)公司級運(yùn)輸信息集成平臺（簡稱：信息集成平臺）[5]，部署數(shù)據(jù)接口服務(wù)器、安全監(jiān)控服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和交換機(jī)，建立網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)安全管理服務(wù)、邊緣計(jì)算服務(wù)，使用中國國家鐵路集團(tuán)有限公司的硬件負(fù)載均衡和網(wǎng)絡(luò)安全隔離服務(wù)，為交互服務(wù)平臺接發(fā)調(diào)車作業(yè)計(jì)劃信息提供硬件支撐與技術(shù)基礎(chǔ)。

1.2 數(shù)據(jù)資源層

數(shù)據(jù)資源層為調(diào)車數(shù)據(jù)的存儲、管理、傳輸提供支持。通過建立數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)服務(wù)共享、數(shù)據(jù)接口等方式，匯集SMIS 調(diào)車數(shù)據(jù)、CTC 系統(tǒng)進(jìn)路數(shù)據(jù)和調(diào)車作業(yè)計(jì)劃執(zhí)行數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，通過轉(zhuǎn)換形成可交互共享的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，集成于鐵路局集團(tuán)公司級運(yùn)輸信息集成平臺數(shù)據(jù)庫。建立SMIS 與交互服務(wù)平臺、交互服務(wù)平臺與CTC 系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換接口規(guī)范，為實(shí)現(xiàn)調(diào)車數(shù)據(jù)分發(fā)推送、日志查詢、可視化監(jiān)控和調(diào)車作業(yè)進(jìn)度反饋等業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.3 業(yè)務(wù)應(yīng)用層

在基礎(chǔ)設(shè)施層和數(shù)據(jù)資源層的支撐下，重點(diǎn)保障調(diào)車作業(yè)計(jì)劃數(shù)據(jù)從SMIS 經(jīng)由交互服務(wù)平臺向CTC 系統(tǒng)的順暢流通，并實(shí)現(xiàn)對調(diào)車作業(yè)計(jì)劃數(shù)據(jù)交互過程的可視化監(jiān)測、歷史調(diào)車作業(yè)計(jì)劃數(shù)據(jù)的精確和模糊查詢，增強(qiáng)車站調(diào)車數(shù)據(jù)展示能力、作業(yè)流程管控能力和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警卡控能力，實(shí)現(xiàn)車站調(diào)車作業(yè)管控一體化的高效作業(yè)協(xié)同模式。

1.4 用戶接入層

用戶接入層實(shí)現(xiàn)交互服務(wù)平臺應(yīng)用功能的訪問與操作。通過業(yè)務(wù)應(yīng)用層的統(tǒng)一身份認(rèn)證功能為鐵路局集團(tuán)有限公司和站段不同角色用戶提供不同權(quán)限的服務(wù)。

2 交互服務(wù)平臺功能

交互服務(wù)平臺功能主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)分發(fā)和平臺監(jiān)控，功能框架如圖2 所示。

圖2 CTC 系統(tǒng)與SMIS 調(diào)車數(shù)據(jù)交互服務(wù)平臺功能

2.1 數(shù)據(jù)采集

（1）為使CTC 系統(tǒng)快速獲取車站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和調(diào)車作業(yè)數(shù)據(jù)，在車站近端布置邊緣計(jì)算服務(wù)，主要包含各車站數(shù)據(jù)接入和數(shù)據(jù)處理服務(wù)，配合SMIS實(shí)現(xiàn)非侵入式的實(shí)時(shí)采集、上報(bào)和清洗數(shù)據(jù)。將調(diào)車作業(yè)通知單數(shù)據(jù)，按照兩系統(tǒng)間數(shù)據(jù)映射關(guān)系處理為符合CTC 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式。

（2）對CTC 系統(tǒng)反饋的調(diào)車通知單簽收狀態(tài)和調(diào)車作業(yè)進(jìn)度信息進(jìn)行采集，并傳輸給SMIS，使SMIS 能夠?qū)φ{(diào)車作業(yè)計(jì)劃執(zhí)行的進(jìn)度有準(zhǔn)確記錄，便于相關(guān)作業(yè)人員掌握作業(yè)進(jìn)度，開展下一步工作計(jì)劃。

2.2 數(shù)據(jù)集成

主要提供結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集成和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成等功能，滿足各類型數(shù)據(jù)采集需求[6]。通過結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采集、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集等方式匯集數(shù)據(jù)，構(gòu)建分布式數(shù)據(jù)整合功能，將各車站通過邊緣計(jì)算服務(wù)清洗后的數(shù)據(jù)，統(tǒng)一存儲至鐵路局集團(tuán)公司級運(yùn)輸信息集成平臺數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)從多數(shù)據(jù)源到統(tǒng)一平臺級的存儲，使交互服務(wù)平臺具備對外統(tǒng)一提供數(shù)據(jù)服務(wù)的能力。

除對調(diào)車作業(yè)通知單數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，交互服務(wù)平臺還具備保存和查詢調(diào)車通知單的功能，通過日志形式記錄每一調(diào)車通知的站名、作業(yè)ID、作業(yè)類型、計(jì)劃編制時(shí)間、計(jì)劃推送時(shí)間、計(jì)劃收到時(shí)間、計(jì)劃開始時(shí)間、計(jì)劃結(jié)束時(shí)間等基礎(chǔ)信息，并提供相應(yīng)的按類別模糊查詢功能，能夠?yàn)榘踩?zé)任追溯、標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間標(biāo)定[7]、生產(chǎn)及管理決策等提供數(shù)據(jù)參考。

2.3 數(shù)據(jù)分發(fā)

對CTC 系統(tǒng)采用長連接方式，通過私有TCP 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對調(diào)車通知數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分發(fā)和推送。分發(fā)服務(wù)器采用雙機(jī)熱備的工作模式，包含主機(jī)和備機(jī)服務(wù)，當(dāng)服務(wù)器主機(jī)出現(xiàn)故障的時(shí)候，通過軟件診測或手工方式將服務(wù)器備機(jī)激活，保證應(yīng)用在短時(shí)間內(nèi)完全恢復(fù)正常使用，以保證服務(wù)的穩(wěn)定性和延續(xù)性。

2.4 平臺監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)控服務(wù)器主備機(jī)程序狀態(tài)、數(shù)據(jù)分發(fā)通道狀態(tài)、邊緣計(jì)算服務(wù)狀態(tài)，提供可視化監(jiān)控界面，并可動態(tài)配置和管理服務(wù)器主備機(jī)程序；提供可視化車站配置和集群配置界面，方便運(yùn)行維護(hù)人員對交互服務(wù)平臺進(jìn)行配置管理和性能監(jiān)控。

提供日志查詢功能，用戶可通過輸入調(diào)車計(jì)劃號、車站、時(shí)間、作業(yè)類型等信息，模糊或精確查詢符合條件的調(diào)車作業(yè)通知單數(shù)據(jù)，記錄的調(diào)車作業(yè)通知單數(shù)據(jù)包括計(jì)劃推送時(shí)間、計(jì)劃簽收時(shí)間、計(jì)劃開始時(shí)間、計(jì)劃結(jié)束時(shí)間，對上述調(diào)車數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，能夠?yàn)檐囌菊{(diào)車作業(yè)統(tǒng)計(jì)、人員績效統(tǒng)計(jì)、作業(yè)質(zhì)量分析等提供充足依據(jù)。

3 流程設(shè)計(jì)

通過構(gòu)建交互服務(wù)平臺，進(jìn)一步優(yōu)化了調(diào)車作業(yè)計(jì)劃的傳遞流程，分為計(jì)劃傳遞和計(jì)劃執(zhí)行2 個(gè)階段，如圖3 所示。

圖3 調(diào)車作業(yè)計(jì)劃傳遞流程

3.1 計(jì)劃傳遞階段

計(jì)劃傳遞階段具體可分為調(diào)車作業(yè)計(jì)劃編制與通知傳送、交互服務(wù)平臺信息處理、調(diào)車通知簽收與反饋等3 個(gè)步驟。

（1）調(diào)車作業(yè)計(jì)劃編制與通知傳送

調(diào)車作業(yè)計(jì)劃由車站調(diào)度員或助理調(diào)度員在SMIS 上完成編制，計(jì)劃內(nèi)容包括計(jì)劃號、股道、車數(shù)、鉤種等信息，編制完成后可通過操作 SMIS，傳送調(diào)車通知單給 CTC 系統(tǒng)。

（2）交互服務(wù)平臺信息處理

調(diào)車通知單在傳送到 CTC 系統(tǒng)之前，需要先經(jīng)交互服務(wù)平臺處理，對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，轉(zhuǎn)存到鐵路局集團(tuán)公司數(shù)據(jù)集成平臺數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)從多數(shù)據(jù)源到統(tǒng)一平臺存儲，使交互服務(wù)平臺具備對外統(tǒng)一提供數(shù)據(jù)服務(wù)的能力。調(diào)車通知單數(shù)據(jù)處理完成后，由交互服務(wù)平臺依據(jù)調(diào)車通知的車站別信息，將調(diào)車通知單數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)分發(fā)給相應(yīng)車站。

（3）調(diào)車通知簽收與反饋

交互服務(wù)平臺在傳送調(diào)車通知單給 CTC 系統(tǒng)后，CTC 系統(tǒng)即時(shí)反饋通知單簽收狀態(tài)給交互服務(wù)平臺，并將此狀態(tài)顯示到 SMIS 中。若 CTC 系統(tǒng)反饋未收到調(diào)車通知單數(shù)據(jù)，交互服務(wù)平臺將向 SMIS 發(fā)出請求，重新獲取調(diào)車通知數(shù)據(jù)；若調(diào)車通知單數(shù)據(jù)簽收成功，則進(jìn)入調(diào)車作業(yè)計(jì)劃執(zhí)行階段。

3.2 計(jì)劃執(zhí)行階段

CTC 系統(tǒng)簽收調(diào)車通知單數(shù)據(jù)后，依據(jù)通知單具體作業(yè)內(nèi)容生成調(diào)車進(jìn)路序列，車站作業(yè)人員按照調(diào)車進(jìn)路序列觸發(fā)進(jìn)路，為調(diào)車作業(yè)計(jì)劃執(zhí)行提供條件；在調(diào)車作業(yè)執(zhí)行過程中，CTC 系統(tǒng)將通過交互服務(wù)平臺，實(shí)時(shí)向 SMIS 傳輸調(diào)車作業(yè)單鉤與整單的完成信息。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 基于邊緣計(jì)算的數(shù)據(jù)采集與處理

邊緣計(jì)算通過把運(yùn)算量遷移至數(shù)據(jù)源的一端，解決大量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的延時(shí)問題，降低了數(shù)據(jù)傳輸鏈路負(fù)載，以縮短響應(yīng)時(shí)間、更有效地處理和減緩網(wǎng)絡(luò)壓力[8]。調(diào)車作業(yè)計(jì)劃數(shù)據(jù)從SMIS 數(shù)據(jù)庫傳輸?shù)竭\(yùn)輸集成平臺數(shù)據(jù)庫，再傳輸?shù)紺TC 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的過程，因網(wǎng)絡(luò)安全隔離要求，需要進(jìn)行2 次跨網(wǎng)傳輸，經(jīng)過網(wǎng)閘和交換機(jī)，不可避免地對調(diào)車作業(yè)計(jì)劃數(shù)據(jù)的傳輸效率造成了影響。在車站近端布置邊緣計(jì)算服務(wù)，配合車站SMIS 實(shí)現(xiàn)非侵入式的實(shí)時(shí)采集、上報(bào)和清洗數(shù)據(jù)，并將各車站調(diào)車作業(yè)計(jì)劃數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分組、數(shù)據(jù)運(yùn)算等步驟處理為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，匯集到鐵路局級運(yùn)輸信息集成平臺數(shù)據(jù)倉庫中，為下一步調(diào)車數(shù)據(jù)向CTC 系統(tǒng)分發(fā)推送提供基礎(chǔ)。

4.2 調(diào)車作業(yè)數(shù)據(jù)安全防護(hù)

交互服務(wù)平臺匯集了鐵路局集團(tuán)公司、車站CTC 系統(tǒng)及SMIS 的多類型數(shù)據(jù)，與業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)接口實(shí)現(xiàn)調(diào)車作業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)的共享。為實(shí)現(xiàn)安全的數(shù)據(jù)管理和可信的數(shù)據(jù)服務(wù)，采用身份鑒別、訪問控制、安全審計(jì)等技術(shù)提供完善的數(shù)據(jù)安全防護(hù)[9]。通過設(shè)置交互服務(wù)平臺登錄權(quán)限和角色管理來進(jìn)行訪問控制，確保只有授權(quán)用戶才能對調(diào)車作業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問；對數(shù)據(jù)庫所有訪問行為進(jìn)行監(jiān)控和審計(jì)，對其中的危險(xiǎn)操作進(jìn)行多種方式的告警，通過對日志的分類、過濾、強(qiáng)化、分析和存儲，實(shí)現(xiàn)日志管理分析和實(shí)時(shí)告警，同時(shí)，建立數(shù)據(jù)備份恢復(fù)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)存儲的安全管理。

5 平臺應(yīng)用

結(jié)合上述方法，本文設(shè)計(jì)的交互服務(wù)平臺實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)分發(fā)及平臺監(jiān)控等功能，圖4 所示為該平臺的監(jiān)控頁面，能夠可視化顯示調(diào)車作業(yè)通知單每日、周、月的推送單數(shù)，展示每日推送單數(shù)的柱狀圖變化，實(shí)時(shí)反映數(shù)據(jù)倉庫、服務(wù)器主備機(jī)和車站終端的服務(wù)狀態(tài)。有利于車站生產(chǎn)管理者準(zhǔn)確掌握調(diào)車作業(yè)生產(chǎn)情況，開展績效評定、安全責(zé)任追溯、標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間標(biāo)定等工作，也便于運(yùn)維人員對交互服務(wù)平臺進(jìn)行配置管理和性能監(jiān)控。

圖4 CTC 系統(tǒng)與SMIS 調(diào)車數(shù)據(jù)交互服務(wù)平臺監(jiān)控功能頁面

目前，交互服務(wù)平臺已在中國鐵路武漢局集團(tuán)有限公司襄陽北站等4 個(gè)車站上線使用，取得了良好的應(yīng)用效果。以襄陽北站為例，自交互服務(wù)平臺投入使用以來，平均每日傳遞的調(diào)車作業(yè)通知單數(shù)達(dá)到了340 單，通過數(shù)字化的調(diào)車作業(yè)通知單，實(shí)現(xiàn)了調(diào)車進(jìn)路的自動排列和自動安全卡控，減輕了相關(guān)作業(yè)人員的工作強(qiáng)度，提升了調(diào)車作業(yè)流程的安全可控性。

6 結(jié)束語

基于邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)安全防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)，在現(xiàn)有CTC 系統(tǒng)與SMIS 應(yīng)用的基礎(chǔ)上構(gòu)建調(diào)車數(shù)據(jù)交互服務(wù)平臺，實(shí)現(xiàn)了車站調(diào)車作業(yè)數(shù)據(jù)采集自動化、調(diào)車作業(yè)通知單傳遞電子化、調(diào)車作業(yè)進(jìn)度反饋實(shí)時(shí)化、交互服務(wù)平臺數(shù)據(jù)及服務(wù)監(jiān)控可視化。CTC 系統(tǒng)利用數(shù)字化調(diào)車作業(yè)計(jì)劃數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)車進(jìn)路自動生成、調(diào)車進(jìn)路序列預(yù)覽與觸發(fā)、調(diào)車進(jìn)路安全卡控等自動化功能，提高了調(diào)車作業(yè)過程中的安全可控能力；SMIS 通過獲取計(jì)劃執(zhí)行過程與執(zhí)行結(jié)果，對調(diào)車計(jì)劃的執(zhí)行進(jìn)度有充分的掌握，實(shí)時(shí)顯示作業(yè)單中鉤計(jì)劃執(zhí)行狀態(tài)，以及具體調(diào)車進(jìn)路執(zhí)行狀態(tài)，有效地提高了調(diào)車進(jìn)路辦理的效率和安全性。