吳俊亮,彭 勤,鄒 斌,張洪彬
(中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司,湖南 株洲 412001)
地鐵、有軌電車等傳統(tǒng)制式軌道交通一般都具備運(yùn)營調(diào)度管理、車輛信息、信號、通信、站臺門、電力監(jiān)控及自動售檢票等系統(tǒng)和調(diào)度指揮系統(tǒng)[1-2],以保證軌道交通系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和有序性。智能軌道快運(yùn)系統(tǒng)(autonomous-rail rapid transit,ART)具備輕量化、集成化、低成本化等特點(diǎn),與傳統(tǒng)軌道交通相比較,需要在運(yùn)營管理模式、軟硬件資源配置等方面進(jìn)行更具高度的集成化和統(tǒng)一化設(shè)計(jì)。建立ART綜合運(yùn)營一體化[3]平臺,通過統(tǒng)一的用戶界面和人機(jī)接口來集成各子系統(tǒng)功能,能夠大大簡化工作人員的操作,提高運(yùn)營調(diào)度的效率。本文利用前置處理機(jī)(front-end processor,F(xiàn)EP)作為中間層,將各子系統(tǒng)的業(yè)務(wù)接口進(jìn)行適配及統(tǒng)一,建立了一套綜合運(yùn)營一體化管理平臺方案,從而實(shí)現(xiàn)一體化管理[4-5]。
ART運(yùn)行控制和調(diào)度指揮系統(tǒng)[6-7]包括調(diào)度管理、車輛信息、信號、通信、站臺門、電力監(jiān)控及自動售檢票等子系統(tǒng)。各個(gè)子系統(tǒng)相對獨(dú)立,配置有各自的服務(wù)器及工作站,子系統(tǒng)之間的信息交互通過以太網(wǎng)接口,采用應(yīng)用層協(xié)議的方式來完成。這樣的模式雖然保證了各個(gè)子系統(tǒng)業(yè)務(wù)的獨(dú)立性,但是對運(yùn)營管理部門而言,需要配置大量的人力資源來保障運(yùn)營。此外,由于各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獨(dú)立,容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)孤島,也非常不利于后期智能運(yùn)維等功能的提升。因此,亟需開發(fā)ART綜合運(yùn)營一體化平臺(簡稱“一體化平臺”),將各子系統(tǒng)的業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)接口進(jìn)行適配及統(tǒng)一,從而實(shí)現(xiàn)一體化管理。
一體化平臺的系統(tǒng)目標(biāo)是建立一個(gè)綜合性的監(jiān)控系統(tǒng)平臺來集成調(diào)度管理[8-9]、車輛信息、信號、通信、站臺門、電力監(jiān)控及自動售檢票等子系統(tǒng),一方面提供對各子系統(tǒng)的集中監(jiān)督和便捷控制;另一方面向各子系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通道,以實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)間的互聯(lián)互通,從而消除不同子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)孤島,提高運(yùn)營管理的效率[10-11]。由于一體化平臺集成了信號和通信的各類子系統(tǒng),整個(gè)平臺需要實(shí)現(xiàn)滿足各類廠家不同類型的數(shù)據(jù)接口,同時(shí)整個(gè)平臺需要處理的數(shù)據(jù)吞吐量也將大幅提高,所以需要為一體化平臺建立一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信協(xié)議處理層,將各子系統(tǒng)的業(yè)務(wù)處理和協(xié)議進(jìn)行分離,以提高一體化平臺的通用性。此外,在數(shù)據(jù)的處理與存儲方面,必須采用性能更加優(yōu)越的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫等方式來提高平臺的處理效率,不僅使運(yùn)營調(diào)度過程中各專業(yè)子系統(tǒng)可以高效聯(lián)動,而且使調(diào)度人員可以站在更高的層面來實(shí)時(shí)了解運(yùn)營過程中各種狀態(tài);同時(shí)當(dāng)發(fā)生突發(fā)情況時(shí),又可以保證調(diào)度人員可以第一時(shí)間了解,并進(jìn)行應(yīng)急指揮,從而提高運(yùn)營的自動化水平和應(yīng)急處理能力。圖1示出ART一體化平臺系統(tǒng)的功能。
一體化平臺具備統(tǒng)一的集成框架和接口協(xié)議,可實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)模塊的便捷接入。不同模塊間數(shù)據(jù)互通,可實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)間聯(lián)動;具備統(tǒng)一風(fēng)格的用戶界面,用戶界面具備公共組件,可根據(jù)不同子系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行配置;具備統(tǒng)一的聯(lián)動功能,子系統(tǒng)內(nèi)部可使用統(tǒng)一聯(lián)動觸發(fā)機(jī)制來進(jìn)行聯(lián)動的動作觸發(fā)與響應(yīng)。
一體化平臺集成了信號系統(tǒng)調(diào)度管理功能,包括車輛狀態(tài)監(jiān)測、運(yùn)行圖編制管理、站場監(jiān)視、運(yùn)行調(diào)整、故障監(jiān)測報(bào)警、歷史記錄回放、仿真培訓(xùn)、資源控制及時(shí)鐘同步等;集成了廣播系統(tǒng)(PA)的人機(jī)界面(human machine interface, HMI),能夠以地面設(shè)備、車載設(shè)備等多種拓?fù)浞绞斤@示設(shè)備位置與狀態(tài)信息,可以進(jìn)行廣播的信息編輯、發(fā)布及監(jiān)聽等,并可對信息進(jìn)行優(yōu)先級控制;集成了乘客信息系統(tǒng)(passenger information system, PIS)的HMI界面,能夠以地面設(shè)備、車載設(shè)備等多種拓?fù)浞绞斤@示設(shè)備位置與狀態(tài)信息,并可對設(shè)備進(jìn)行選擇與控制,可以查看子系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備詳細(xì)信息,可以進(jìn)行PIS系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理、信息編輯、信息查看及信息發(fā)送等功能;集成了閉路電視系統(tǒng)的HMI界面,能夠以地面設(shè)備、車載設(shè)備等多種拓?fù)浞绞斤@示設(shè)備位置與狀態(tài),并可對設(shè)備的選擇與控制,可以查看子系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備詳細(xì)信息,具備實(shí)時(shí)監(jiān)控、攝像機(jī)控制、標(biāo)記與回放、系列管理及電視墻管理等功能;集成了緊急呼叫電話(emergency help phone, EHP)系統(tǒng)的HMI界面,能夠以地面設(shè)備、車載設(shè)備等多種拓?fù)浞绞斤@示設(shè)備位置與狀態(tài),并可對設(shè)備進(jìn)行選擇與控制,可以查看子系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備詳細(xì)信息,具備乘客呼叫、信息顯示、視頻監(jiān)視、視頻存儲及回放、報(bào)警提示等功能;集成了安全門系統(tǒng)的HMI界面,能夠以多種拓?fù)浞绞斤@示設(shè)備位置與狀態(tài)信息,并可對設(shè)備進(jìn)行選擇與控制,當(dāng)發(fā)生故障時(shí),平臺主動觸發(fā)報(bào)警界面以提示操作員。此外,一體化化平臺還具備系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、定期維護(hù)、報(bào)警提示、日志記錄、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、車輛管理、人員管理及資產(chǎn)設(shè)備管理等功能。
圖1 一體化平臺系統(tǒng)功能框圖Fig.1 Block diagram of system functions for the integrated platform
基于一體化平臺的功能要求,通過設(shè)置前置處理機(jī)FEP的方式,與前端的各個(gè)子系統(tǒng)建立雙向數(shù)據(jù)通信,并通過數(shù)據(jù)接口調(diào)用/執(zhí)行各個(gè)子系統(tǒng)的業(yè)務(wù)模塊;此外,前置處理機(jī)FEP還將獲取各個(gè)子系統(tǒng)的相關(guān)歷史數(shù)據(jù)并存儲到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(relational database,RDB)和歷史數(shù)據(jù)庫中,以作為大數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)源。綜合運(yùn)營一體化平臺的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 一體化平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of the integrated platform system
系統(tǒng)硬件包括行調(diào)工作站、設(shè)調(diào)工作站、時(shí)刻表/運(yùn)行圖編輯工作站、前置處理機(jī)FEP 、調(diào)度管理FEP、RDB服務(wù)器、調(diào)度管理系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器、歷史庫服務(wù)器及復(fù)視工作站,見圖3。
圖3 硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 Hardware structure
行調(diào)工作站主要用于對全線的運(yùn)營列車的跟蹤、設(shè)備監(jiān)視、時(shí)刻表/運(yùn)行圖監(jiān)視、報(bào)警 管理、統(tǒng)計(jì)與報(bào)表等,具體可根據(jù)用戶的需求對角色進(jìn)行功能分配;根據(jù)登錄用戶的權(quán)限,工作站會實(shí)時(shí)展現(xiàn)不同的功能。
設(shè)調(diào)工作站用于對全線信號、通信設(shè)備及各類IT設(shè)備的集中監(jiān)控管理,包括狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、報(bào)警處理、故障分析及定期維護(hù)等。
時(shí)刻表/運(yùn)行圖編輯工作站用于對時(shí)刻表/運(yùn)行圖的管理與維護(hù),包括時(shí)刻表/運(yùn)行圖的生成、編輯、打印、上傳數(shù)據(jù)庫及從數(shù)據(jù)庫下載等。
前置處理機(jī)FEP用于連接其他系統(tǒng)或設(shè)備并進(jìn)行數(shù)據(jù)格式和協(xié)議的轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在多個(gè)前置機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備之間的冗余。
調(diào)度管理FEP用于實(shí)時(shí)接收車輛和信號設(shè)備的狀態(tài)協(xié)議數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和協(xié)議轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在多個(gè)前置機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備之間的冗余。
RDB服務(wù)器用于接收FEP采集的其他系統(tǒng)或設(shè)備數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)加工和邏輯處理,同時(shí)將數(shù)據(jù)提供給HMI界面展示并記錄歷史庫存儲;接收HMI發(fā)送的命令,在進(jìn)行邏輯處理后,將相關(guān)命令或數(shù)據(jù)通過FEP發(fā)送到其他系統(tǒng)或設(shè)備,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在多個(gè)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)之間的冗余。
調(diào)度管理系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器實(shí)時(shí)接收經(jīng)調(diào)度管理FEP處理后的車輛和信號設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)并進(jìn)行業(yè)務(wù)處理,最后將業(yè)務(wù)處理結(jié)果發(fā)送至RDB服務(wù)器以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和展示。
歷史庫服務(wù)器用于接收實(shí)時(shí)庫產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù),并將其存儲到磁盤陣列上,以對外提供歷史數(shù)據(jù)查詢服務(wù)。
復(fù)視工作站的功能與指揮中心的相同。
一體化平臺軟件由HMI軟件、RDB軟件、FEP和歷史數(shù)據(jù)庫4部分組成(圖4)。
圖4 軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Software structure diagram
HMI軟件包括組態(tài)層和運(yùn)行層2部分(圖5),其中組態(tài)層用于圖形、腳本、報(bào)表等信息的編輯及視頻等各類信息的配置,運(yùn)行層用于圖形、腳本、報(bào)表等信息的顯示及視頻等各類信息的控制。
圖5 HMI結(jié)構(gòu)Fig.5 HMI structure diagram
RDB軟件分為3層,即數(shù)據(jù)的接口層、存儲層和處理層(圖6)。數(shù)據(jù)接口層用于對外提供各種接口,涉及上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù),接口包括CORBA接口、WebService接口、Tcl接口、.Net接口及SQL接口等。數(shù)據(jù)存儲層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲和加載,涉及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的內(nèi)部運(yùn)算和邏輯處理,分為基礎(chǔ)功能和應(yīng)用功能,其中基礎(chǔ)功能包括索引的維護(hù),數(shù)據(jù)的增加、刪除、修改和查詢,觸發(fā)器的管理以及數(shù)據(jù)的同步等;應(yīng)用功能是基于基礎(chǔ)功能、根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行擴(kuò)展開發(fā)而實(shí)現(xiàn)。
圖6 實(shí)時(shí)庫結(jié)構(gòu)Fig.6 RDB structure
前置處理機(jī)FEP軟件用于實(shí)現(xiàn)與前端各類子系統(tǒng)的連接及驅(qū)動,連接車輛和信號系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)格式和協(xié)議轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在多個(gè)前置機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備之間的冗余。前置處理機(jī)FEP一般為一對或多對冗余工控機(jī),具體根據(jù)車輛編組和信號設(shè)備數(shù)量而確定。
歷史數(shù)據(jù)庫為一體化平臺各模塊應(yīng)用提供數(shù)據(jù)存儲。歷史庫服務(wù)器部署于機(jī)房,一般為一對冗余服務(wù)器,共享磁盤陣列。
系統(tǒng)的各個(gè)服務(wù)器、FEP和工作站之間均通過通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接。為提高系統(tǒng)可靠性和可用性,通信網(wǎng)絡(luò)都采用兩路冗余方式。
RDB,HMI和FEP之間采用CORBA數(shù)據(jù)總線,接口統(tǒng)一。RDB和FEP之間接口采用雙向主動變位傳輸,即FEP采集數(shù)據(jù)若發(fā)生變化,則主動將變化數(shù)據(jù)傳輸?shù)絉DB,RDB將需要輸出到FEP的數(shù)據(jù)立即傳輸?shù)紽EP。為避免因網(wǎng)絡(luò)中斷而造成的采集數(shù)據(jù)丟失,RDB會定期從FEP召喚全部數(shù)據(jù)。HMI和RDB之間接口采用變化召喚傳輸機(jī)制,即HMI周期地從RDB獲取變化的數(shù)據(jù)。調(diào)度管理系統(tǒng)將車輛信息寫入Modbus服務(wù)(TCP通信方式),RDB通過采集Modbus服務(wù)數(shù)據(jù)來獲取車輛信息。HMI通過插入瀏覽器插件方式調(diào)用調(diào)度管理系統(tǒng)。一體化平臺將用戶信息傳遞給調(diào)度管理系統(tǒng),調(diào)度管理系統(tǒng)返回一個(gè)token信號,通過此token信號訪問調(diào)度管理系統(tǒng)。
一體化平臺軟件系統(tǒng)由成熟的SCADA平臺軟件和基于該平臺軟件而進(jìn)行二次開發(fā)的應(yīng)用軟件構(gòu)成。應(yīng)用軟件用于實(shí)現(xiàn)對接入的子系統(tǒng)/設(shè)備(如供電、行車、車輛、PA, PIS, CCTV,EHP及站臺門等系統(tǒng)設(shè)備)的運(yùn)行信息進(jìn)行集中監(jiān)控和運(yùn)行調(diào)度。
系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)分為數(shù)據(jù)接口(FEP)、數(shù)據(jù)處理(RDB)和數(shù)據(jù)展現(xiàn)(HMI)3層。
數(shù)據(jù)接口層通過通信協(xié)議解析從接入子系統(tǒng)/設(shè)備采集其各類運(yùn)行信息并輸出各類調(diào)度指令,平臺提供若干標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議庫,通過參數(shù)配置實(shí)現(xiàn)與特定子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。針對私有專用通信協(xié)議,平臺提供開放接口并通過SDK開發(fā)包方式支持通信驅(qū)動應(yīng)用軟件的開發(fā)與掛載。
數(shù)據(jù)處理層把運(yùn)行信息進(jìn)行存儲和運(yùn)算,對復(fù)雜業(yè)務(wù)邏輯(如順控、聯(lián)動)進(jìn)行后臺處理。平臺提供各種形式的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)訪問接口和程序應(yīng)用接口,并通過SDK開發(fā)包形式支持后臺應(yīng)用軟件的開發(fā)與掛載。
數(shù)據(jù)展現(xiàn)層將設(shè)備運(yùn)行信息以圖形、表格和文字等形式進(jìn)行綜合顯示。其中,設(shè)備運(yùn)行信息以圖形化形式展現(xiàn),并通過不同顏色或動畫等形式,顯示設(shè)備的不同運(yùn)行狀態(tài);圖形化界面采用專用繪圖工具以所見即所得的組態(tài)方式生成,通過腳本、控件等方式實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互及相對復(fù)雜的客戶端應(yīng)用軟件開發(fā)與業(yè)務(wù)處理功能。
FEP是整個(gè)軟件系統(tǒng)對外的接口部分,包括FEP平臺和具體的通信驅(qū)動應(yīng)用軟件。軟件平臺為各驅(qū)動應(yīng)用提供配置數(shù)據(jù)的讀取、采集數(shù)據(jù)的緩存、下行命令的觸發(fā)等功能。各驅(qū)動應(yīng)用實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備或接入子系統(tǒng)的連接、各自驅(qū)動協(xié)議的邏輯、原始數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換等。圖7示出FEP組件圖,表1示出各個(gè)組件的功能描述。
圖7 FEP組件圖Fig.7 FEP component diagram
表1 FEP組件表Tab.1 FEP component table
FEP驅(qū)動原理如下:
(1)讀取驅(qū)動配置信息并驅(qū)動初始化程序。
(2)數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí),將所接收的數(shù)據(jù)輸出至外部設(shè)備或系統(tǒng)。
(3)采集數(shù)據(jù)。有兩種采集方式,一種是周期性采集,其通過周期性查詢外部設(shè)備/系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)接口,獲取數(shù)據(jù);另一種是服務(wù)接收,其以服務(wù)的形式接收外部設(shè)備/系統(tǒng)主動發(fā)送的數(shù)據(jù)。
(4)驅(qū)動冗余。支持基于表1的冗余切換。
RDB是整個(gè)軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理部分,涉及RDB平臺和RDB應(yīng)用功能模塊。設(shè)計(jì)組件時(shí),遵循功能優(yōu)先原則:對于執(zhí)行類功能的組件,集中并獨(dú)立成組件;對于提供多組件訪問的組件,進(jìn)行接口封裝并減少組件間的耦合。圖8和圖9分別示出組件設(shè)計(jì)圖和組件依賴關(guān)系。
圖8 RDB組件圖Fig.8 RDB component diagram
圖9 RDB組件依賴關(guān)系Fig.9 RDB component dependency
HMI是整個(gè)軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)展示部分,分為HMI平臺和HMI應(yīng)用。HMI平臺指HMI開發(fā)、運(yùn)行的環(huán)境,HMI應(yīng)用指具體的HMI工程。
HMI使用的軟件功能部分包括變量數(shù)據(jù)庫、人機(jī)界面、報(bào)表及編程,從應(yīng)用開發(fā)角度,其可被分為以下5部分:(1)布局,其可以將屏幕劃分為指定大小的區(qū)域;(2)畫面和圖形,畫面是信息顯示的容器和載體,圖形放置在畫面里,通過拖拽等所見即所得的方式設(shè)置圖形的屬性、動畫效果,編寫C#腳本以響應(yīng)用戶對圖形的控制操作;(3)變量,系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)的顯示需要綁定到變量上,變量通過RDB_ADL_CSharpProxy和服務(wù)端交互;(4)編程腳本,支持使用C#腳本編程的方式對圖形、畫面、布局、變量進(jìn)行控制,支持和服務(wù)端的交互;(5)控件,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的業(yè)務(wù)功能和控制邏輯。表2示出使用控件列表。
表2 使用控件列表Tab.2 List of controls
綜合運(yùn)營一體化平臺通過以太網(wǎng)、串口等方式與PIS、PA、CCTV、EHP、站臺門以及UPS等系統(tǒng)進(jìn)行接口[12]。具體的外部系統(tǒng)接口如表3所示。
表3 系統(tǒng)接口表Tab.3 System interface table
一體化平臺的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),搭建了一套整合了信號、PIS、PA、CCTV、EHP及站臺門等子系統(tǒng)的ART綜合運(yùn)營管理應(yīng)用平臺。平臺集成了原有各個(gè)子系統(tǒng)的核心功能,并進(jìn)行了HMI界面的統(tǒng)一,原有控制中心調(diào)度大廳的各個(gè)專業(yè)工位的操作都被集成到一個(gè)統(tǒng)一的平臺界面上完成,極大地方便了用戶操作和運(yùn)營管理。系統(tǒng)界面如圖10所示。
圖10 系統(tǒng)界面圖Fig.10 Interface diagram of the system
本文設(shè)計(jì)了一種ART綜合運(yùn)營一體化平臺,其提供了統(tǒng)一的用戶界面和人機(jī)接口;并預(yù)留了后續(xù)增加智能站臺系統(tǒng)設(shè)備的接口,通過這些接口的擴(kuò)展,后續(xù)可將一些智能化站臺系統(tǒng)設(shè)備也納入到一體化管理平臺中。該一體化平臺已應(yīng)用于株洲智軌A1線上。使用該平臺后,日班調(diào)度人員由原來的6人減少至2人,人力成本降低67%,其效果顯著,得到業(yè)主的好評。目前正計(jì)劃將系統(tǒng)界面等功能繼續(xù)優(yōu)化,并推廣至其他智軌系統(tǒng)市場項(xiàng)目中應(yīng)用。此外,一體化平臺的研發(fā),已完成了大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲過程,后期將根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求再進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和應(yīng)用,從而實(shí)現(xiàn)ART的智能運(yùn)行維護(hù)工作,以進(jìn)一步提升ART的品質(zhì)。