（廣州地鐵總公司建設總部，廣東 廣州 510380）趙 馳
                                
    趙馳（1980-）男，河南南陽(yáng)人，學(xué)士，現任廣州地鐵總公司建設總部主控項目部經(jīng)理、自動(dòng)化工程師。

    摘要：介紹了軟件平臺技術(shù)在廣州地鐵綜合監控系統中的應用，并提出軟件平臺的選型和工程實(shí)施過(guò)程中應注意的問(wèn)題。

    關(guān)鍵詞：綜合監控系統；軟件平臺；組件；數據流

    Abstract: This paper introduces the application of Software Platform in the Guangzhou metro ISCS system, and raises some points of the application.

    Key words: ISCS; Software Platform; Component; Dataflow

    1 引言

    綜合監控系統作為軌道交通的綜合指揮調度平臺，集成和互聯(lián)了變電所自動(dòng)化系統（PSCADA）、機電設備監控系統（BAS）、火災報警系統（FAS）、屏蔽門(mén)系統（PSD）、防淹門(mén)（FG）、門(mén)禁系統（ACS）；同時(shí)互聯(lián)了廣播系統（PA）、閉路電視系統（CCTV）、列車(chē)信息系統（TIS）、乘客信息導向系統（PIDS）、自動(dòng)售檢票系統（AFC）、信號系統（SIG）、調度電話(huà)系統（DLT）、時(shí)鐘系統（CLK）等多個(gè)子系統。通過(guò)將各集成和互聯(lián)系統進(jìn)行整合，實(shí)現對軌道交通系統中主要機電系統的監視、控制及系統間聯(lián)動(dòng)。自廣州地鐵三號線(xiàn)綜合監控開(kāi)始實(shí)施到現在，在國內已形成了蓬勃發(fā)展的趨勢。

    綜合監控系統在成熟軟件平臺基礎上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)實(shí)現相應的功能。軟件平臺是一種基于中間件、組件的技術(shù)。簡(jiǎn)單地理解相當于對象或組件的打包，但不是把ORB（Object Request Broker）、數據訪(fǎng)問(wèn)中間件和其它中間件產(chǎn)品和技術(shù)簡(jiǎn)單地打包在一起。當前的綜合監控系統軟件都是基于對象或組件技術(shù)的，各種中間件功能必須以面向對象或組件的方式提供。此外，還需要把綜合監控系統核心組件、通用的功能加進(jìn)來(lái)——實(shí)時(shí)數據庫內核、報警、歷史、趨勢、分布式數據訂閱等組件。因此，綜合監控軟件平臺=通用功能（常用的監控功能）+專(zhuān)用功能（各子系統功能、定制的功能）。

    2 綜合監控系統軟件平臺產(chǎn)生的背景

    綜合監控系統軟件平臺的產(chǎn)生和軌道交通自動(dòng)化系統技術(shù)的發(fā)展是密不可分的。軌道交通自動(dòng)化系統經(jīng)歷了兩個(gè)階段。

    第一階段，軌道交通內PSCADA、BAS、FAS、PSD等自動(dòng)化系統都采用獨立的應用，僅實(shí)現信息的簡(jiǎn)單互聯(lián)，在采用綜合監控系統以前，每個(gè)系統有獨立的應用，PSCADA、BAS、FAS、PSD等系統應用程序有他自己的表示層、業(yè)務(wù)處理邏輯和數據庫。把這些應用稱(chēng)為筒倉。由這些筒倉創(chuàng )建一個(gè)獨立的用戶(hù)視圖很困難，并缺少信息及業(yè)務(wù)流程的集成。
              
    第二階段，筒倉應用的替代品，稱(chēng)之為“集成應用體系結構”。集成的應用體系結構通過(guò)強調表示層、事務(wù)處理服務(wù)器、數據庫層的獨立而擺脫筒倉，便于：

    （1）對業(yè)務(wù)的變更快速反應——通過(guò)業(yè)務(wù)流程與組件和事務(wù)處理服務(wù)的結合，將解決業(yè)務(wù)變更響應性的根本問(wèn)題。

    （2）提供準確的、可訪(fǎng)問(wèn)的信息——清楚地理解許多流程是如何使用數據的，通過(guò)共享數據或者通過(guò)實(shí)現控制數據復制，可以減少非控制數據的復制。

    （ 3 ） 對新型接口開(kāi)放應用，如Web——表示和處理的明確分離，可以很容易地增加一個(gè)新的接口。

    （4）多系統間聯(lián)動(dòng)——匯集各個(gè)子系統的信息，實(shí)現系統之間的信息互通和聯(lián)動(dòng)，達到在正?；蛭＜鼻闆r下對地鐵系統完成高效率監視和控制功能。

    集成應用體系結構的設計結果是：新的開(kāi)發(fā)不再是構建另一個(gè)筒倉，而是增加和修改組件。集成應用體系的技術(shù)結構是，如果兩個(gè)邏輯組件需要不同的中間件標準，表示組件必須同時(shí)支持兩者?？梢栽谶壿嫿M件的前端設置網(wǎng)關(guān)或者封裝從一個(gè)中間件技術(shù)獲取消息，然后通過(guò)另外一個(gè)重新發(fā)送它們。標準化是一個(gè)減少費用的工具，他能夠重用系統集成的程序代碼和技術(shù)。
             
    目前，國外軌道交通系統中已有許多線(xiàn)路采用了綜合監控系統，如新加坡地鐵的東北線(xiàn)、西班牙畢爾巴額地鐵、韓國的仁川地鐵、漢城地鐵7號線(xiàn)和8號線(xiàn)、法國巴黎地鐵14號線(xiàn)等。香港地鐵的新機場(chǎng)快線(xiàn)也采用了綜合監控系統。而一些著(zhù)名的新線(xiàn)，如西班牙馬德里地鐵則采用了更現代化的綜合監控。國內廣州、北京、深圳、上海、成都、重慶共十幾條線(xiàn)路設置了綜合監控系統項目。

    綜合監控系統在國內外的廣泛應用，促進(jìn)了綜合監控系統軟件平臺的研發(fā)投入。目前，除了法國Thales IS的SCADASoft綜合監控核心軟件平臺、澳大利亞Foxbro的RailSCADA綜合監控核心軟件平臺外，新加坡科技電子已經(jīng)推出了C3綜合監控核心軟件平臺、北京和利時(shí)公司推出了MACS-SCADA綜合監控核心軟件平臺、南瑞推出了RT21-ISCS綜合監控核心軟件平臺，北京南凱監控系統工程有限公司推出了RAILSYS核心平臺。

    3 SCADASoft軟件平臺在廣州地鐵三、四號線(xiàn)的應用

    廣州市軌道交通三、四號線(xiàn)綜合監控系統是國內第一個(gè)采用國外綜合監控軟件平臺的項目，該軟件平臺為法國Thales IS的SCADASoft，曾成熟應用于巴黎14號線(xiàn)、新加坡地鐵東北線(xiàn)、香港地鐵將軍澳線(xiàn)和迪斯尼線(xiàn)等項目。下面介紹SCADA廣州所采用的軟件平臺情況。

    3.1 SCADASoft軟件平臺概述

    整個(gè)SCADASoft軟件系統由多個(gè)合理劃分的功能模塊所組成，這些模塊能夠訪(fǎng)問(wèn)公共的數據源(RTDB)。系統軟件平臺是由一系列的基于服務(wù)器和基于工作站的軟件模塊組成，提供一種基于工業(yè)CORBA標準的先進(jìn)的客戶(hù)機／服務(wù)器(C/S)結構。整個(gè)SCADASoft軟件體系結構分為人機界面、數據處理、通訊三層。

    軟件體系結構如圖3所示。
           
    3.2 SCADASoft軟件平臺構成

    應用于廣州市軌道交通三、四號線(xiàn)的SCADASoft軟件平臺主要包括：1）RTDB（實(shí)時(shí)數據庫）內核；2）SCADASoft通用軟件組件；3）SCADASoft為廣州地鐵定制的軟件組件；4）CORBA中間件；5）其他商用的通用組件。SCADASoft軟件平臺構成如圖4所示。
                
    3.2.1 RTDB（實(shí)時(shí)數據庫）內核

    RTDB（實(shí)時(shí)數據庫）內核包括：一個(gè)實(shí)時(shí)數據庫、一個(gè)計算引擎、一個(gè)事件管理器、一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

    RTAP按ASCII或二進(jìn)制格式存貯，二進(jìn)制格式的存儲方式允許快速讀寫(xiě)，此快速讀寫(xiě)方式可用于冗余機制中（用于同步第二個(gè)設備的啟動(dòng)），也可在自動(dòng)或周期模式下激活存儲數據庫的；具有計算引擎完成計算功能；可以使用與系統文件管理方法（結構、關(guān)系、目錄，或UNIX符號類(lèi)型等方法）類(lèi)似的層次化對象方法；通過(guò)數據庫的過(guò)程接口DBMS Server來(lái)完成數據庫的配置和讀寫(xiě)服務(wù)；數據庫類(lèi)所支持的訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)：讀/寫(xiě)服務(wù)、配置服務(wù)（在數據庫中創(chuàng )建或刪除點(diǎn)，根據數據配置信息進(jìn)行查詢(xún)）；點(diǎn)值變化的訂閱服務(wù)。

    3.2.2 SCADASoft的通用組件

    SCADASoft通用組件模塊主要負責實(shí)現監控系統的通用功能，是軟件平臺的基礎，主要包含如下組件：

    （1）報警服務(wù)器組件（ALA CSU)：這個(gè)CSU的目的是檢測和傳播報警。系統自動(dòng)檢測受報警條件約束的數據點(diǎn)，如果數據點(diǎn)的數值符合報警條件，系統自動(dòng)將該報警發(fā)送到相關(guān)客戶(hù)端（如操作員站已打開(kāi)報警窗口）的報警列表中。系統可以按照不同級別處理報警事件，分別提供給不同的應用使用。

    （2）應用和控制管理器組件（ASC CSU）：這個(gè)CSU的目的是啟動(dòng)、監督及控制一個(gè)SCADASoft環(huán)境的應用。它參與SCADASoft環(huán)境冗余的管理，也管理時(shí)間和計時(shí)器。

    （3）命令和控制管理器組件（CTL CSU）：這個(gè)CSU的目的是控制發(fā)送給系統設備命令的執行。允許操作員發(fā)送一條基本遙控命令、一系列遙控命令，且檢查遙控命令是否被正確執行。

    （4）數據采集和控制管理器組件（DAC CSU）：這個(gè)CSU的目的是管理與現場(chǎng)設備相關(guān)的通信設備（RTU）間的數據交換，使用特定協(xié)議從FEP獲取數據并寫(xiě)到實(shí)時(shí)數據庫中。

    （5）數據庫管理器組件（DBM CSU）：這個(gè)CSU的目的是提供一個(gè)一般的數據庫服務(wù)器?？稍趯?shí)時(shí)數據庫中讀取和配置數據。

    （6）數據處理管理器組件（DPC CSU）：這個(gè)CSU的目的是更新與外部變量有關(guān)的內部變量。允許客戶(hù)端向服務(wù)器訂閱其所需要的數據。例如，客戶(hù)端的監視畫(huà)面將周期地獲得其所需要數據，相應刷新畫(huà)面的動(dòng)態(tài)對象。

    （7）操作員權限管理器組件（OPM CSU）：這個(gè)CSU的目的是給需要有限個(gè)存取權限功能的應用程序分配操作員簡(jiǎn)檔?？啥x并發(fā)布權限文件，用于訪(fǎng)問(wèn)特定功能的權限檢查。

    （8）分組遠程控制組件（GRC CSU）：這個(gè)CSU的目的是按順序執行幾個(gè)控制。

    （9）時(shí)間安排程序組件（TSC CSU）：這個(gè)CSU的目的是基于一個(gè)時(shí)間表來(lái)執行任務(wù)。能周期性調度或重復執行任務(wù)。

    （10）可視化管理器組件（VISU CSU）：這個(gè)CSU的目的是管理操作員工作站的顯示及SCADASoft服務(wù)器的注冊。

    （11）日志和歷史數據管理組件（HisServer）：系統須保留一段時(shí)間的歷史數據，可用于歷史數據回放和數據分析。此組件用于將數據保存到硬盤(pán)上的關(guān)系型數據庫中，或將數據存于其它物理介質(zhì)，如磁帶機、DMO等。

    （12）文件傳輸組件（FtsServer），用于在SCADASoft環(huán)境間相互拷貝文件。
              
                                   圖5 SCADASoft組件邏輯關(guān)系圖
    3.2.3 SCADASoft的定制組件

    除了以上通用軟件組件以外，根據廣州地鐵項目的實(shí)際需求，SCADASoft除修訂了PSCADA、BAS、FAS、PSD組件外，為廣州地鐵新增了以下全新功能的組件。

    （1）閉路電視組件（CCTV CSU）：處理MCS和CCTV系統之間的高級CCTV功能。

    （2）廣播組件（PA CSU）：處理MCS和PA系統之間的高級PA功能。

    （3）車(chē)站信息系統組件（SIS CSU）：處理MCS和SIS系統之間的高級PA功能。

    （4）列車(chē)故障信息組件（TIS CSU）：處理MCS和PA系統之間的高級TIS功能。

    （5）事件初始化控制組件（EIC CSU）：的目的是執行由于數據庫中點(diǎn)的結合狀態(tài)變化而觸發(fā)的命令。

    （6）閉路電視功能組件（FEP CSU）：處理MCS和FEP-SC之間的通信。

    （7）（GWS CSU）：包括一組TCL腳本和C++代碼來(lái)執行工作站上的一般圖形用戶(hù)接口。這個(gè)圖形用戶(hù)接口連接著(zhù)用戶(hù)（工作站操作員）和服務(wù)器。

    3.2.4 CORBA中間件

    CORBA，公共對象請求代理結構，是一個(gè)在程序與機器之間提供中間語(yǔ)言和平臺的標準協(xié)議。CORBA接收到的對象經(jīng)過(guò)IDL的處理包裝傳送給另外一臺機器的CORBA，再通過(guò)IDL的處理及解包裝而應用于其它的程序。
                   
    3.2.5 其他商用的通用組件

    除CORBA外，SCADASoft也集成其他各種現成的（COTS）產(chǎn)品：

    （1）ANIMATOR（動(dòng)畫(huà)編輯器）：這個(gè)COTS的目的是編輯大綱和對話(huà)框面板以及定義它們與數據庫的連接。ANIMATOR是法國Thales的產(chǎn)品，使用的版本是Animator V3.4.3。

    （2）ORACLE：這個(gè)COTS的目的是存儲過(guò)去的數值及事件，用來(lái)產(chǎn)生報表。使用的版本是Oracle 9i Database Release 2（9.2.0.1.0）。

    （3）CRISTAL REPORT：這個(gè)COTS的目的是基于ORACLE數據庫來(lái)產(chǎn)生報表，版本是V9。

    3.3 系統數據流設計

    圖7是應用于廣州地鐵3，4號線(xiàn)中典型的系統數據流設計，通過(guò)數據流的配置實(shí)現在OCC和車(chē)輛段的ISCS 人機界面對全線(xiàn)的PSCADA設備狀態(tài)進(jìn)行監控。
                
    3.4 系統冗余設計
                 
                                圖8  服務(wù)器冗余示意圖
    （1）所有模塊在兩臺服務(wù)器上都在執行相同指令及處理相同數據.保證系統及實(shí)時(shí)數據庫沒(méi)有潛在數據分歧的風(fēng)險。

    （2）通過(guò)SCADASoft內部Ascmanager功能及WatchDog，如果模塊或系統內任何流程發(fā)生問(wèn)題，都會(huì )即時(shí)做出切換。

    基于SCADASoft的系統，除了在服務(wù)器層配置有冗余之外，在其他層面，如FEP、網(wǎng)絡(luò )、PLC等，都配置有相應的冗余機制以確保整個(gè)系統的可靠性和可用性（99.99%）。

    3.5 SCADAsoft軟件平臺特點(diǎn)

    SCADAsoft軟件平臺體系結構具有如下特性：

    （1）高可靠性。所有的模塊均是相互獨立的，除了以下的關(guān)鍵模塊外，其它單個(gè)模塊的故障不會(huì )影響到其它模塊的運行。這些關(guān)鍵模塊包括：運行環(huán)境管理模塊（AscManager）、實(shí)時(shí)數據庫模塊（RTDB）、實(shí)時(shí)數據庫狀態(tài)轉換的檢測模塊（DbmPoller）和操作系統（SOLARIS）。

    （2）采用通用的硬件和標準化的軟件。提供的系統由專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家的高性能的通用服務(wù)器/工作站/FEP硬件和軟件組成，相關(guān)的軟件部件全部符合相關(guān)國際標準。

    （3）高性能和可測量性。提供的ISCS系統由高性能的服務(wù)器、操作站、數據庫和FEP組成?？稍赟TP上測試系統的性能，測試方法是給連接到FEP的仿真器（信號發(fā)生器）設定輸入值，檢測ISCS系統的響應與更新時(shí)間。

    （ 4 ） 開(kāi)放系統。提供的I S C S 系統含有一個(gè)名為“Configurator”的組態(tài)工具，允許用戶(hù)對數據庫和MMI圖像進(jìn)行配置和修改。Configurator安裝在STP。維護工程師可以通過(guò)Configurator完成離線(xiàn)增減數據庫點(diǎn)并配置或修改MMI圖像。

    （5）使用CORBA規范實(shí)現在工作站和服務(wù)器之間跨平臺的無(wú)縫連接和規范化的、安全的數據交換。提供的ISCS軟件由ORBacus中間件組成軟總線(xiàn)，它能夠實(shí)現SOLARIS、Vista和VxWorks 3個(gè)操作系統平臺的集成。

    （6）是一個(gè)基于TCP/I P協(xié)議的客戶(hù)/服務(wù)器體系結構：SCADA 服務(wù)器作為FEP的客戶(hù)， 操作員工作站作為SCADA 服務(wù)器的客戶(hù)。因此具有高度可擴展性，易于加入新的硬件（FEP 和/或操作員工作站）。

    4 綜合監控系統軟件平臺的選型和實(shí)施探討

    根據廣州地鐵三、四、五、廣佛線(xiàn)、APM等多個(gè)線(xiàn)路綜合監控項目的實(shí)施經(jīng)驗，下面就對軟件平臺的選型和實(shí)施中需要注意的問(wèn)題進(jìn)行探討。

    4.1 軟件平臺選型的標準

    軌道交通綜合監控系統采用分層、分布式的體系結構，綜合監控系統軟件平臺作為綜合監控系統的核心，決定著(zhù)綜合監控系統的系統效率（實(shí)時(shí)性）、集成和互聯(lián)能力、可靠性、可擴展性和開(kāi)放性，最終決定著(zhù)綜合監控系統項目的成敗。
綜合監控系統軟件平臺的選型是綜合監控系統項目的重中之重。衡量軟件平臺的優(yōu)劣包括：（1）系統的實(shí)時(shí)性和響應效率；（2）系統的處理能力、規模；（3）系統的穩定性；（4）系統冗余機制；（5）系統的可擴展性；（6）系統的安全性（權限管理）；（7）系統的開(kāi)放性（支持通用硬件的能力）；（8）系統的結構（可配置的數據流方式）；（9）系統的成熟度（即成功投運情況）；（10）系統軟件開(kāi)發(fā)管理的規范性（用戶(hù)需求管理、軟件質(zhì)量控制、版本管理及軟件的測試管理等）；（11）軟件后期維護的便利性。

    4.2 實(shí)施過(guò)程中應注意的問(wèn)題

    每一個(gè)軟件平臺都有其自身特點(diǎn)，而不同城市的地鐵對軟件功能的需求和定制也不盡相同。當采用的軟件平臺相關(guān)設計與本地功能需求差異較大時(shí)，面臨的選擇是改動(dòng)軟件平臺的核心或者放棄對功能的追求，改動(dòng)軟件平臺的核心會(huì )對軟件的穩定性造成影響，放棄對功能的追求則意味著(zhù)不能滿(mǎn)足本地用戶(hù)的習慣。

    作為一個(gè)大型項目，系統的穩定性非常重要，因此在遇到此類(lèi)問(wèn)題時(shí)，需要尋找一種解決方法，既可以較少的改動(dòng)軟件平臺的核心，又能基本滿(mǎn)足用戶(hù)的需要。

    另外對系統中數據的各個(gè)環(huán)節的處理方式，將嚴重影響系統的效率，再好的系統也需要合理的數據處理方式配合，才能實(shí)現最佳的系統性能。比如系統在對接口系統的數據掃描和處理上，要考慮好不同系統對實(shí)時(shí)性和響應時(shí)間的不同要求，不如與BAS的接口數據掃描中，開(kāi)關(guān)量的掃描周期需要500ms輪詢(xún)一次，而溫濕度等模擬量的掃描速度則可以2s輪詢(xún)一次，因此在接口設計初期就需要這兩種數據分開(kāi)，便于數據按需分開(kāi)掃描上傳。同時(shí)系統在實(shí)時(shí)數據庫數據刷新的方式、工作站監視畫(huà)面刷新掃描方式應更加合理。

    5 結語(yǔ)

    隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，綜合監控系統軟件平臺將作為整個(gè)地鐵運營(yíng)管理自動(dòng)化平臺，支持多專(zhuān)業(yè)的融合和聯(lián)動(dòng)。這種融合不是簡(jiǎn)單包容合并，簡(jiǎn)單合并僅能減少一些設備投資，是量的變化；融合后的綜合監控強調各專(zhuān)業(yè)聯(lián)合運轉，使運營(yíng)趨向更高效、更安全。

    軌道交通的建設是以運營(yíng)為目標的，其中行車(chē)管理最為重要，隨著(zhù)對綜合監控系統和信號系統認知水平的提高，以行車(chē)指揮與列車(chē)運行為核心的綜合監控系統已成為軌道交通自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢及必經(jīng)過(guò)程。將行車(chē)調度指揮系統ATS納入綜合監控系統，將會(huì )更好地發(fā)揮綜合監控的優(yōu)勢，真正做到行車(chē)、設備、乘客和環(huán)境的綜合智能化管理。綜合監控系統軟件平臺的發(fā)展將來(lái)最終滿(mǎn)足的要求是——提供統一的系統軟件平臺深度集成ATS、PSCADA、BAS、FAS等系統，構建以ATS為核心的地鐵運營(yíng)綜合監控信息平臺，從而更好地提高地鐵服務(wù)和管理水平。目前國內、外公司（如：Thales、北京和利時(shí)等）正在研發(fā)或實(shí)施了在統一的系統軟件平臺上深度集成ATS子系統，以提供行車(chē)指揮為核心的綜合監控系統解決方案。

    摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第八期