朱 麟 徐中偉 喻 鋼 朱 龍

（同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，201804，上海∥第一作者，碩士研究生）

基于通信的列車控制（Communications－Based Train Control，簡(jiǎn)為CBTC）系統(tǒng)包含了大量厚重的信息資源，以及各種監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、龐大的通信網(wǎng)絡(luò)、各種數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。然而，由于這些系統(tǒng)建設(shè)和實(shí)施數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的階段性、技術(shù)性以及其他因素的影響，導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)的存貯方式不同，各系統(tǒng)自成體系、各自為政，無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間信息的交互和融合，形成了一個(gè)個(gè)的信息孤島。解決各系統(tǒng)間信息的有效、可靠、實(shí)時(shí)通信，成為CBTC系統(tǒng)需要解決的重要問(wèn)題之一。

早期的CBTC接口仿真系統(tǒng)采用統(tǒng)一的接口規(guī)范來(lái)約束各子系統(tǒng)的信息格式。這在一定程度上雖然解決了CBTC各子系統(tǒng)信息聚合與交互問(wèn)題，但由于CBTC系統(tǒng)自身龐大的信息體系，各子系統(tǒng)需要添加自身冗余信息接口龐大，無(wú)形中增加了CBTC系統(tǒng)的復(fù)雜程度和消耗。此外，由于子系統(tǒng)需要花費(fèi)冗余的時(shí)間對(duì)傳遞的信息進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，降低了信息交互的可靠性和有效性，很難真正實(shí)現(xiàn)CBTC系統(tǒng)各子系統(tǒng)間信息的無(wú)縫傳遞，降低了系統(tǒng)傳遞消息的效率，額外增加系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

針對(duì)CBTC接口仿真系統(tǒng)現(xiàn)存的信息交互的問(wèn)題以及如何有效地解決上述問(wèn)題，提出一種新的接口信息傳遞模式——接口中間件。接口中間件技術(shù)是建立在分布對(duì)象中間件（Distributed Object Middleware）的基本架構(gòu)上，提出適合CBTC系統(tǒng)接口信息交互的異步通信模式：通信雙方并不直接交互，而是基于代理（中間件）對(duì)象進(jìn)行交互，接口中間件負(fù)責(zé)對(duì)所要傳遞的信息進(jìn)行格式統(tǒng)一，協(xié)議轉(zhuǎn)換，旨在解決在分布式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下信息系統(tǒng)集成的異構(gòu)性、可重用性、互操作性問(wèn)題［3］。

1 接口中間件技術(shù)

接口中間件采用分布式對(duì)象中間件基本架構(gòu)，其核心是對(duì)象請(qǐng)求代理。它的作用在于提供一個(gè)通信框架，透明地在異構(gòu)的分布計(jì)算環(huán)境中傳遞對(duì)象請(qǐng)求。對(duì)象請(qǐng)求代理是對(duì)象總線，它定義了異構(gòu)環(huán)境下對(duì)象透明地發(fā)送請(qǐng)求和接收響應(yīng)的基本機(jī)制。對(duì)象請(qǐng)求代理使對(duì)象可以透明地向其他對(duì)象發(fā)出請(qǐng)求或接受其他對(duì)象（這些對(duì)象可以既位于本地也可以位于遠(yuǎn)程機(jī)器上）的響應(yīng)，并且攔截請(qǐng)求調(diào)用，負(fù)責(zé)找到可以實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求的對(duì)象、傳送參數(shù)、調(diào)用相應(yīng)的方法、返回結(jié)果等?？蛻魧?duì)象并不知道同服務(wù)器對(duì)象通信、激活或存儲(chǔ)服務(wù)器對(duì)象的機(jī)制，也不必知道服務(wù)器對(duì)象位于何處、它是用何種語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的、使用什么操作系統(tǒng)或其它不屬于對(duì)象接口的系統(tǒng)成分，這些工作由對(duì)象請(qǐng)求代理透明地完成［1］。

分布式體系結(jié)構(gòu)能夠很好地將分布式對(duì)象技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái)，使得應(yīng)用跨越不同的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、不同的操作系統(tǒng)，不同的編程語(yǔ)言進(jìn)行相互通信，使網(wǎng)絡(luò)的“互連”特性真正成為現(xiàn)實(shí)［2］。

1.1 接口中間件對(duì)象與接口定義語(yǔ)言

中間件對(duì)象是能夠放在忘了任何位置的智能實(shí)體。它們包裝成二進(jìn)制組件，可以通過(guò)方法調(diào)用來(lái)訪問(wèn)這些組件。用來(lái)創(chuàng)建服務(wù)器對(duì)象的語(yǔ)言和編譯器都對(duì)客戶完全透明?？蛻舨恍枰婪植际綄?duì)象駐留在何處或者運(yùn)行在什么操作系統(tǒng)上，它可以是在同一進(jìn)程中，或者位于網(wǎng)絡(luò)中的某臺(tái)機(jī)器上。并且客戶不需要知道服務(wù)器對(duì)象是如何實(shí)現(xiàn)的。

支持中間件對(duì)象的關(guān)鍵技術(shù)是接口定義語(yǔ)言（IDL）方法。中間件采用IDL合同來(lái)規(guī)定一個(gè)組件的邊界以及它與潛在客戶的合同接口。中間件接口定義是定義語(yǔ)言而非編程語(yǔ)言，它純粹是說(shuō)明性的。這意味著它沒(méi)有提供任何實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，只能用來(lái)定義接口和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。程序員可以用本機(jī)語(yǔ)言生成系統(tǒng)處理中間件對(duì)象，IDL向駐留在中間件總線上的所有服務(wù)器和組件提供了與操作系統(tǒng)和程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言無(wú)關(guān)的接口，它允許用不同程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫(xiě)的客戶機(jī)和服務(wù)器對(duì)象能夠操作。中間件將接口與實(shí)現(xiàn)分開(kāi)，提供了中性語(yǔ)言的數(shù)據(jù)類型，從而使跨語(yǔ)言和操作系統(tǒng)邊界調(diào)用對(duì)象成為可能［1］。

1.2 接口中間件體系結(jié)構(gòu)

接口中間件主要由三部分組成（見(jiàn)圖1）：事件請(qǐng)求部分，事件響應(yīng)部分和對(duì)象請(qǐng)求中介（ORB）。對(duì)象請(qǐng)求中介即對(duì)象總線，通過(guò)它，各個(gè)對(duì)象可以透明地向本地或遠(yuǎn)端的其他對(duì)象發(fā)出事件請(qǐng)求／接收事件響應(yīng)?？蛻舨⒉恢缆?lián)系、激活或存儲(chǔ)對(duì)象的具體機(jī)制，這些工作都由對(duì)象請(qǐng)求中介來(lái)完成，它是在對(duì)象之間建立請(qǐng)求或響應(yīng)關(guān)系。通過(guò)對(duì)象請(qǐng)求中介，事件請(qǐng)求對(duì)象可以調(diào)用事件響應(yīng)對(duì)象上的方法，這個(gè)事件響應(yīng)對(duì)象可以在同一機(jī)器上，也可以在網(wǎng)絡(luò)的另一邊。對(duì)象請(qǐng)求中介負(fù)責(zé)尋找可以執(zhí)行該請(qǐng)求的對(duì)象，傳遞參數(shù)，調(diào)用方法，最后返回處理結(jié)果。事件請(qǐng)求對(duì)象不需要知道對(duì)象的位置、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、操作系統(tǒng)或不屬于對(duì)象接口的任何其他系統(tǒng)特征。與傳統(tǒng)的客戶機(jī)／服務(wù)器系統(tǒng)不同的是，對(duì)象請(qǐng)求中介上的對(duì)象關(guān)系是不確定的，它既可以作為客戶來(lái)發(fā)出事件請(qǐng)求，也可以作為服務(wù)器來(lái)進(jìn)行事件響應(yīng)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，功能強(qiáng)大。

圖1 接口中間件系統(tǒng)圖

接口中間件屏蔽了客戶機(jī)／服務(wù)器實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，以事件請(qǐng)求和事件響應(yīng)來(lái)區(qū)分所需操作的對(duì)象，減輕了用戶的負(fù)擔(dān)，將所需要的工作交給對(duì)象請(qǐng)求中介來(lái)做，使系統(tǒng)流程更清晰，增加了系統(tǒng)消息處理與聚合的可靠性與有效性。

2 CBTC接口仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 CBTC系統(tǒng)及接口仿真概況

CBTC系統(tǒng)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)，它打破了傳統(tǒng)基于軌道電路列車控制系統(tǒng)的限制，提高軌道運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施的使用效率，使用軌旁以及車載關(guān)鍵處理器處理列車狀態(tài)數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)，提供連續(xù)的列車自動(dòng)防護(hù)，列車自動(dòng)運(yùn)行以及列車自動(dòng)監(jiān)督功能。CBTC系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖2，主要由軌旁運(yùn)行控制系統(tǒng)和車載子系統(tǒng)這兩個(gè)集成的子系統(tǒng)構(gòu)成，此外還包括各類需要進(jìn)行信息交互的其他控制系統(tǒng)如聯(lián)鎖、站臺(tái)信息系統(tǒng)、ATS（列車自動(dòng)運(yùn)行監(jiān)控）系統(tǒng)等等。這里以軌旁運(yùn)行控制系統(tǒng)為研究對(duì)象。全文中所提的CBTC接口系統(tǒng)，即為與軌旁運(yùn)行控制系統(tǒng)以及與之相關(guān)的部分。

CBTC系統(tǒng)在打破原有運(yùn)控系統(tǒng)架構(gòu)的同時(shí)，帶來(lái)的卻是系統(tǒng)的安全隱患。雖然系統(tǒng)控制人員對(duì)CBTC系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)都給予了足夠的重視，但是數(shù)據(jù)傳遞的滯后和信息的不透明依然存在。系統(tǒng)繁雜的信息交互主要存在于其接口系統(tǒng)。軌旁運(yùn)控系統(tǒng)需要對(duì)軌道線路上的各種信息進(jìn)行采集和處理，并將信息及時(shí)地反應(yīng)給車載與列車控制中心。應(yīng)答器、計(jì)軸、信號(hào)機(jī)、道岔等設(shè)備之間繁雜的交互信息需要由軌道旁路實(shí)時(shí)地反映給軌道旁路運(yùn)控系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)用框架如圖2。

圖2 系統(tǒng)應(yīng)用框架

軌旁運(yùn)行控制系統(tǒng)作為核心系統(tǒng)，需要與其他系統(tǒng)有實(shí)時(shí)的信息交互，包括與聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)備單元狀態(tài)信息，外部數(shù)字輸入單元狀態(tài)，與ATS系統(tǒng)之間有關(guān)臨時(shí)限速TSR和跳停信息的交互，也包括單元信息的交互，與站臺(tái)系統(tǒng)之間有關(guān)緊急停車按鈕EMP（緊急停車按鈕）、PSD（站臺(tái)屏蔽門(mén)）信息的交互，與中央服務(wù)和診斷系統(tǒng)之間的關(guān)于診斷和故障的信息等等。軌旁運(yùn)行控制系統(tǒng)需要對(duì)上述信息進(jìn)行處理并將其分類存儲(chǔ)，當(dāng)其他系統(tǒng)需要對(duì)其中信息發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，再轉(zhuǎn)發(fā)給該系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與信息處理方式無(wú)疑加大了軌旁運(yùn)行控制系統(tǒng)自身的負(fù)擔(dān)，也不利于各CBTC系統(tǒng)間信息的交互。

引入接口中間件，將軌旁運(yùn)行控制系統(tǒng)與聯(lián)鎖、ATS、軌旁服務(wù)與診斷等系統(tǒng)進(jìn)行的交互信息一并交給接口中間件處理，由其負(fù)責(zé)處理CBTC系統(tǒng)各部分對(duì)信息的請(qǐng)求與響應(yīng)，統(tǒng)一對(duì)信息結(jié)構(gòu)和類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換以及相應(yīng)的邏輯處理，使系統(tǒng)各部分無(wú)需考慮信息傳遞的結(jié)構(gòu)、傳遞方式等各方面的因素。對(duì)信息進(jìn)行模塊化的處理，減少了系統(tǒng)內(nèi)的冗余代碼和信息處理的時(shí)間損耗，以及各系統(tǒng)自身負(fù)擔(dān)，提高信息采集的準(zhǔn)確性，以及信息處理的實(shí)時(shí)性［4］。

2.2 CBTC接口仿真設(shè)計(jì)

在引入接口中間件之后，CBTC接口仿真系統(tǒng)可分為三層：軌旁控制管理層（軌旁運(yùn)行控制系統(tǒng)），基于接口中間件的分布對(duì)象中間件層和設(shè)備控制層。軌旁控制管理層負(fù)責(zé)向接口中間件提出信息請(qǐng)求，并等待接口中間件反饋?zhàn)陨硭璧男畔?；設(shè)備控制層則是將底層各應(yīng)用設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸給中間件，并對(duì)底層各種設(shè)備進(jìn)行總控。

接口中間件位于軌旁控制管理層和設(shè)備控制層之間。對(duì)軌旁控制管理層來(lái)說(shuō)，接口中間件通過(guò)ORB接口和IDL樁接收來(lái)自軌旁控制系統(tǒng)所需信息的請(qǐng)求。這里不涉及控制器種類、現(xiàn)場(chǎng)總線和通信協(xié)議不同的影響，這使得軌旁控制管理應(yīng)用與管理層通信模塊相互透明，功能相互獨(dú)立。對(duì)設(shè)備控制層來(lái)說(shuō)，接口中間件通過(guò)ORB接口和對(duì)象適配器與其他各種類控制器交換數(shù)據(jù)，這很自然地屏蔽了分布式環(huán)境中各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、硬件體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)等方面的差異性，在異構(gòu)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)象互操作，并協(xié)調(diào)操作的一致性和完整性。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖3。

圖3 接口仿真系統(tǒng)框架

從圖3可以看出，系統(tǒng)還具有良好的擴(kuò)展性。當(dāng)設(shè)備控制層增加設(shè)備時(shí)，只需在接口中間件中配置新的對(duì)象參數(shù)；當(dāng)管理層增加應(yīng)用時(shí)，只需在IDL樁中添加合適的訂閱記錄即可，軌旁運(yùn)行控制系統(tǒng)無(wú)需添加冗余的代碼對(duì)所添加的新設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集。

2.3 CBTC接口仿真實(shí)現(xiàn)

在系統(tǒng)中，接口中間件負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理，因此負(fù)責(zé)與外部設(shè)備信息交互的IDL接口定義尤為重要。IDL不是編程語(yǔ)言，只能用來(lái)定義接口，而不是去實(shí)現(xiàn)某個(gè)接口。此外，IDL獨(dú)立于任何編程語(yǔ)言，但可以將它映射為其他常用的語(yǔ)言：IDL編譯器將服務(wù)對(duì)象（軌旁運(yùn)行控制系統(tǒng)和設(shè)備控制層）接口的請(qǐng)求IDL消息轉(zhuǎn)換為具體實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言的碼根和框架。碼根為接口中的每一個(gè)操作（方法）提供一種虛實(shí)現(xiàn)，它負(fù)責(zé)將編程語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為IDL描述語(yǔ)言，發(fā)送到對(duì)象服務(wù)端，并對(duì)對(duì)象實(shí)現(xiàn)的返回進(jìn)行解碼，將處理結(jié)果（消息信息）或異常信息反饋出來(lái)；框架則是提供了一個(gè)為指定的接口編寫(xiě)即對(duì)象實(shí)現(xiàn)代碼的框架，對(duì)系統(tǒng)請(qǐng)求進(jìn)行解碼，定位符合要求的對(duì)象，并將執(zhí)行結(jié)果或異常信息進(jìn)行解碼后返回系統(tǒng)。軌道旁路設(shè)備管理層通過(guò)接口中的請(qǐng)求消息事件創(chuàng)建一個(gè)請(qǐng)求事件，在這個(gè)調(diào)用請(qǐng)求中包含目標(biāo)對(duì)象引用、方法名、參數(shù)表，所需信息等等。設(shè)備控制層則通過(guò)IDL接口提供對(duì)象方法的實(shí)現(xiàn)及返回結(jié)果。

簡(jiǎn)單的IDL接口原理如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)IDL接口原理圖

事件響應(yīng)端支持事件通知和使能事件兩個(gè)接口，而事件請(qǐng)求端有請(qǐng)求事件消息接口。事件響應(yīng)端和事件請(qǐng)求端都應(yīng)支持建立連接和斷開(kāi)連接的操作。事件請(qǐng)求端應(yīng)支持事件傳遞時(shí)的屬性通用事件頭，如事件標(biāo)志、類型名稱、事件源標(biāo)志；另外，這個(gè)接口允許（事件體中）附帶一個(gè)參數(shù)快速地傳給指定的事件。如果應(yīng)用中需要傳遞更多的參數(shù)，應(yīng)該定義一個(gè)新的接口并繼承這個(gè)父接口。

因此，根據(jù)分布對(duì)象中間件接口的標(biāo)準(zhǔn)定義，CBTC系統(tǒng)仿真接口定義如下：

上述定義中，EventContent定義了事件的結(jié)構(gòu)，它由事件號(hào)以及事件所屬類型和時(shí)間來(lái)源三部分組成。EventRequest接口定義了事件請(qǐng)求和事件發(fā)布兩個(gè)接口。其中事件請(qǐng)求接口中包括事件請(qǐng)求函數(shù)和事件請(qǐng)求退出函數(shù)，當(dāng)事件請(qǐng)求者需要訪問(wèn)某數(shù)據(jù)時(shí)，它通過(guò)事件請(qǐng)求函數(shù)向中間件提出申請(qǐng)，當(dāng)獲得相應(yīng)的信息時(shí)調(diào)用自身退出函數(shù)關(guān)閉自身請(qǐng)求。EventBrocase接口是由對(duì)象注冊(cè)和對(duì)象注銷兩個(gè)函數(shù)構(gòu)成，事件請(qǐng)求者在請(qǐng)求之前需要向中間件進(jìn)行使能注冊(cè)，得到中間件的認(rèn)可后方可對(duì)中間件包含的各類信息進(jìn)行訪問(wèn)。這樣做提高了整個(gè)系統(tǒng)的安全性，能夠防止其他無(wú)權(quán)事件請(qǐng)求者的惡意訪問(wèn)。

在本系統(tǒng)中，一個(gè)事件請(qǐng)求者（軌旁運(yùn)行控制系統(tǒng)）和一個(gè)事件提供者（設(shè)備控制端）無(wú)須保持聯(lián)系，彼此是匿名的，它們只需與處于它們之間的分布式對(duì)象中間件保持聯(lián)系。通過(guò)合適的通信安全協(xié)議，如一個(gè)可靠的多播協(xié)議等，它們與中間件進(jìn)行信息事件請(qǐng)求和響應(yīng)，這樣不僅解耦了通信雙方，還大大提高了匹配速度。另外，中間件的過(guò)濾器可以合并和刪除冗余的請(qǐng)求條件，使中間件的效率提高。

在通信系統(tǒng)中，一個(gè)事件提供者需要分布對(duì)象中間件來(lái)發(fā)布事件，一個(gè)事件發(fā)布的格式是類型名稱和屬性（參數(shù)名稱）。一個(gè)事件請(qǐng)求者需要找到相應(yīng)的對(duì)象中間件來(lái)接收事件。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)事件，中間件接口定義如下：

上述定義中，EventReflection接口中定義了新增設(shè)備和刪減設(shè)備的函數(shù)，這樣方便系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理，也使系統(tǒng)具有相當(dāng)好的擴(kuò)展性，方便系統(tǒng)操作。Pxy接口中繼承了EventRequest和EventBrocast這兩個(gè)接口，并新增了一個(gè)返回值為布爾類型的查找函數(shù)，使中間件能夠系統(tǒng)地對(duì)自身所存儲(chǔ)的信息進(jìn)行管理。

2.4 CBTC接口仿真系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

CBTC系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，軌旁運(yùn)行控制系統(tǒng)向中間件提出請(qǐng)求，要求獲得軌道上各類信息（信號(hào)機(jī)、道岔、軌道等）；分布對(duì)象中間件收到請(qǐng)求經(jīng)過(guò)驗(yàn)證后，根據(jù)請(qǐng)求在自身的存儲(chǔ)器中搜索相應(yīng)的信息，搜到后反饋給軌旁運(yùn)行控制系統(tǒng)；軌旁運(yùn)行控制系統(tǒng)將接收到的信息加以處理后顯示在自身的界面顯示上，如圖5。

圖5 軌旁運(yùn)行控制系統(tǒng)設(shè)備信息顯示界面

設(shè)備控制層則是實(shí)時(shí)將自身的數(shù)據(jù)反饋給中間件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新。以設(shè)備狀態(tài)為例，設(shè)備的狀態(tài)是由一個(gè)或多個(gè)二進(jìn)制碼表示的，如圖6所示。

3 結(jié)語(yǔ)

分布式對(duì)象中間件在CBTC接口仿真系統(tǒng)的應(yīng)用研究是一個(gè)全新的課題，是實(shí)現(xiàn)接口數(shù)據(jù)傳輸有效性、通用性、實(shí)時(shí)性的重要實(shí)現(xiàn)方式之一。

CBTC系統(tǒng)間的大量厚重的相互通信的各類信息資源、各種監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和各種系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可由分布中間件集中處理。而分布式對(duì)象中間件是位于硬件、操作系統(tǒng)平臺(tái)和應(yīng)用程序之間的通用服務(wù)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)不同硬件和操作系統(tǒng)平臺(tái)上的數(shù)據(jù)共享和應(yīng)用互操作。利用此技術(shù)可為CBTC系統(tǒng)信息交互問(wèn)題開(kāi)辟新的思路，從理論上完美地解決CBTC系統(tǒng)中的問(wèn)題，根本上改變了軌道交通運(yùn)行控制的運(yùn)作模式，大幅度提高了系統(tǒng)的效率，具有很好的發(fā)展前景，以及很好的可行性和實(shí)際應(yīng)用性。

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