基于互操作概念下的城市轨道交通综合监控系统与多专业系统间的联动实现＊

张劭阳，左怀远，王丹



基于互操作概念下的城市轨道交通综合监控系统与多专业系统间的联动实现＊

张劭阳1，左怀远2，王丹1

（1.北京市地铁运营有限公司地铁运营技术研发中心，北京 100044；2.北京格是菁华信息技术有限公司，北京 100079）

随着城市轨道交通信息化技术的不断深入与推进，多系统、多专业间的联动将是未来信息化建设的主要方向。综合监控系统作为城市轨道交通重要的安全保障系统，其通过集成地铁多个专业系统，实现相关各系统之间的信息共享和协调管控功能。以互操作概念为基础，结合城市轨道交通综合监控系统技术现状，利用系统间底层接口技术，实现综合监控系统与多专业系统间的联动，从而为互操作技术在城市轨道交通的应用提供了参考，为地铁的正常、安全运营提供技术保障。

互操作；城市轨道交通；综合监控；联动控制

1 概述

目前，城市轨道交通内均设置有多种不同专业的控制系统，包括信号、电力、环控、火灾、屏蔽门、自动售检票等，各专业的协同联动，保证了城市轨道交通的正常运行，综合监控系统正是在这种情况下应运而生。但由于各系统的组织管理与业务分工不同的关系，形成了大量的“信息孤岛”和“业务孤岛”，综合监控系统的效能未得到充分发挥。本文针对城市轨道交通综合监控系统实际业务需求，基于互操作理论，以系统间接口为研究对象，对综合监控系统与各专业系统间的联动实现的重点及难点进行阐述，从而提高系统之间业务协同、信息共享和信息交换的能力，构建基于城市轨道交通的互操作架构体系。

2 互操作概念及其理论基础

“互操作（Interoperability）”的概念最早产生于军事情报领域。这种新型的信息和组织系统特点不只是自下而上的情报搜索系统或一个自上而下的指挥系统，而是类似今天互联网采用的多对多的信息交互网，可实时或近实时地产生预定结果，形成多米诺骨牌一样“一个动作导致相关动作发生”的联动效果，这种机制称为“互操作”。互操作是指一种能力，通过互操作可实现信息系统之间业务协同、信息共享和信息交换，是解决分布式、异构环境下系统整合问题的有效方法。

2.1 互操作概念及定义

广义的理解，互操作是指通过信息交换达成协调工作的能力；狭义的理解，互操作是信息系统的互操作，指不同平台或编程语言间交换和共享数据的能力。

本文基于最新版的计算机通信词典中互操作定义，结合系统间互联互通的概念，认为系统互操作是指在两个或多个系统间，基于系统安全条件下，各系统保持自治性的同时，开放彼此间相关协议、接口，以满足用户对资源和服务的需求，并且支持系统间动态性需求的能力。

2.2 互操作理论基础

系统的互操作是以互联为前提，互通为基础实现的。互联决定信息系统内外的通信，互通提供更加方便的平台，使信息能够更好地交流和共享，最终保证系统功能的互操作，满足各个系统的交换和交流。可以说互联、互通是实现系统互操作的基础。互操作与互联互通关系如图1所示。

图1 互操作与互联互通关系

通过系统互操作，可以使得整个系统具备单个系统不具有的功能，完成单个系统不能完成的任务。从效用角度看，互联、互通是系统之间的信息和数据的交流、共享，只影响系统功能的质量，而互操作则是系统之间的功能或服务的交流，它使系统的功能得以补偿和提升。

3 城市轨道交通综合监控系统

城市轨道交通综合监控系统概念的提出，是从实践工作中出发的。在轨道交通设计方面，发现孤岛信息过多，存在不利于整个轨道交通运行管理的监视和控制等问题，所以在机电系统设计中提出了“综合监控系统”的概念。

因此，将彼此孤立的各类设备控制系统通过网络和集成软件有机地连接在一起，建成一个共享信息平台。该系统集成或互联各相关子系统，协调和监控这些子系统的功能，充分提高各系统的运行效率，降低城市轨道交通运营成本，提高综合决策水平。

目前，地铁的综合监控大多以一个电力监控系统、环境设备监控系统为基础，基于计算机技术、自动化技术、网络技术的分层分布式综合自动化系统，采用模式控制和群组控制方式对机电设备系统进行监控。综合监控将上述两系统完全地集成在系统中，同时与其他独立的系统如信号系统、自动售检票系统、广播系统、视频监视系统等相互联系，实现一定的信息互动与资源共享。利用其统一的信息平台对各专业子系统进行全面监控，实现各系统之间信息的无障碍交互和各子系统之间有效联动，从而保证地铁安全高效地运行，为城市轨道交通现代化管理提供信息化基础。

4 基于互操作机制的系统间的联动实现技术

4.1 接口技术

即综合监控系统与多个不同专业系统之间的互相连通和互相访问，一般情况，综合监控系统会在车站和中心各设置几套通信控制器设备，通过通讯控制器设备上装载的通讯控制器系统软件实现与互联系统的协议转换以及数据格式的调整等功能。大多数情况下，通讯控制器的软件接口均采用Modbus协议与相关专业进行通讯，电力监控系统、火灾自动报警系统等特殊专业会采用专业标准协议进行互联互通，比如电力监控系统多采用IEC60870-5-104、IEC61850等协议进行互联互通，与火灾自动报警系统进行互联互通的协议通常采用主机专有协议，其他如列车自动监控系统可能根据不同项目情况采用其他非标准协议。而综合监控系统内部通常采用构造独特的协议机制进行服务器、客户端和通讯控制器系统软件之间的互相访问。图2为通讯控制器在典型的车站综合监控系统中的位置。

图2 典型的车站综合监控系统结构图

接口软件是用来完成接口功能的软件体，是综合监控系统软件平台与设备和其他系统之间承上启下交互的桥梁。接口软件通常应具备以下基本功能：

数据服务管理：运行模式管理、数据访问管理、事件管理和控制指令管理。

冗余工作管理：包括冗余机之间的通信链路管理，主从切换逻辑管理、数据同步、控制同步等。

虚拟设备管理：包括虚拟设备数据的组织、安全访问管理、逻辑计算功能等。

驱动调度管理：屏蔽物理设备性能差异，屏蔽协议扩展开发引入的不安全因素，链路冲突管理。

驱动模板：提供迅捷的协议扩展开发机制，为主板、端口、设备的管理和数据采集提供统一的模式。驱动模板应提供虚拟设备和物理设备前后端分离的模式进行工作。

驱动程序：是针对特定设备的特定协议进行扩展开发的产物。

接口软件的核心功能由驱动程序完成，这个核心功能即协议转换，它的主要作用是完成从外部协议转换为内部专用协议，以便内部系统的服务程序与外部系统进行互联互通。在这个过程中一般外部协议采用国际知名的通用协议，方便与不同的系统连通，而内部协议通常为专用协议，有着保证系统内部的高效传输和易于解析的特点。

协议转换需要协议双方采用同一个通信协议（即采用相同的语法、语义、时序规则）。语法确定了通信双方通信时数据报文的格式；语义明确了通信双方通信的内容；时序规则指出的是通信双方信息交互的顺序，比如建立连接、传输数据、数据重传、拆除连接等。

4.2 联合控制系统

即紧急事件发生时候，由综合监控系统牵头，指挥各个系统按一整套有序的方式执行命令的一套系统，综合监控系统设计之初，各专业系统分立设置，当发生紧急事件时候，各系统通过两两进行物理或软件接口进行互联互通，联合解决遇到的问题。这样的操作通常会带来费用过高或路径过长导致时间过长的问题，为了提高运营效率，综合监控系统和综合监控系统的联动功能应运而生，通过接入所有子系统，以命令形式驱动所有子系统，使综合监控系统具有联合控制多个子系统动作的功能，即联动。联动是互联互通的高级版本，多专业联动可快速完成故障情况下的多个系统间的协同工作，是高效、快捷的工作模式，可处理较多故障，比如隧道阻塞管理功能，可在隧道阻塞情况下，通过迅速与环境和设备监控系统联动并启动隧道通风模式进入事故状态。

通讯控制器完成协议转换后，数据通过专属的传输通道传递给综合监控系统的实时数据库，实时数据库经过加工处理后就形成了可提供给人机界面的原始数据，经由人机界面做渲染后显示为用户最终看到的最终画面。此过程形成的数据流也是综合监控系统基本的上行数据流，而联动控制系统通常为下行数据流，即通过多种方式（用户的操作、设备状态的触发、定时等对不同专业数据的修改和设定，并经由专用传输通道发送至通讯控制器，经协议转换模块转换后（此时的协议转换为从内部协议转换为外部协议）发送给其他专业系统进行互操作的过程，具体运行如图3所示。

图3 联动控制系统运行图

为实现由综合监控系统对多个专业系统的统一调度和有序执行，联动控制系统的构建最少需涉及到3个主要部分，即数据组织与显示界面部分、数据存储部分、联动自动控制后台系统部分。这3个部分主要功能如下：

数据组织与显示界面：主要用于配置多专业联动的基本信息、触发条件清单、执行的命令清单和命令执行后验证工作的信息。

数据存储部分：所有联动实体信息的存储，可采用数据文件和数据库格式。

联动自动控制后台系统软件：用于判断联动何时何种情况联动触发。

这3个部分是最重要的联动自动化控制后台系统软件，这里主要介绍一下这个系统运行机理。

联动自动控制后台系统基本由初始化、等待指令、执行命令和获得反馈结果几个步骤组成。

其中初始化步骤应完成加载原始数据表、创建触发器、创建定时器等工作，如图4所示。在这个过程中还需要对数据类型进行构造，可将原始数据、触发器、条件、命令等按照不同的对象类进行创建和组织，在使用时可快速找到对应的数据。

图4 联动自动控制后台系统示意图

等待指令期间系统需要启动多个线程进行触发条件、时间周期等判断，当达到系统设定情况后进入执行命令阶段，命令序列执行流程通常分为命令序列初始化阶段、执行每一个命令阶段、等待所有异步命令反馈三个阶段。最后一个阶段为获得整个联动的执行结果。

联动执行过程还需要判断多种特殊情况，比如是否从第一步执行、是否是中断恢复、是否单条命令执行失败、失败的替代方式等。

5 结束语

目前城市轨道交通中综合监控系统均含有联动控制系统，用于多专业间的互操作。随着人们对联动系统使用次数的增多和对联动系统的认可，开始将各种专业都集成或互联入综合监控系统中，对降低城市轨道交通各专业之间的互操作难度、增强系统的安全性、提高操作水平起到了积极的作用，是城市轨道交通各系统发展的必然趋势。

［1］北京城建设计研究总院有限责任公司，中国地铁工程咨询有限责任公司.GB 50157—2013 地铁设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2013.

［2］中华人民共和国工业和信息化部.GB 50636—2010 城市轨道交通综合监控系统工程设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2011.

［3］曲立东.城市轨道交通环境与设备监控系统设计与应用［M］.北京：电子工业出版社，2008.

［4］董志华，朱元昌，邸彦强，等.利用通用数据交换模型实现多体系结构系统互操作的方法［J］.北京工业大学学报，2015（1）：60-67.

［5］罗俊.管轨运输综合保障与控制系统互操作实现方法与技术研究［D］.北京：北京交通大学，2010.

［6］刘战平.互联互通互操作的重大意义［J］.数字化用户，2013，19（12）：4.

［7］谌海霞，蔡灏，杜荣华，等.ITS交通管理中心互操作问题初探［G］//第一届全国公路科技创新高层论坛论文集.2002：293-297.

张劭阳，男，工程师，研究方向为城轨运营管理。

国家科技支撑计划“城轨交通互操作综合测试与认证关键技术”（任务编号2015BAG19B02-13）子课题“地铁综合监控系统互操作性评估的研究与应用”项目

2095－6835（2018）18－0001－04

TP277；U239.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.18.001

〔编辑：辛霞〕