李建全 王大慶 孫軍峰 錢 江

李建全:卡斯柯信號有限公司 工程師 200071 上海

王大慶:上海申通軌道交通研究咨詢有限公司 高級工程師201103 上海

孫軍峰:卡斯柯信號有限公司 高級工程師 200071 上海

錢 江:卡斯柯信號有限公司 高級工程師 200071 上海

1 研究目的及意義

上海自1995年開通地鐵一號線以來，至今已有11條地鐵線運(yùn)營，總里程超過420 km，初步形成了軌道交通網(wǎng)絡(luò)。隨著軌道交通網(wǎng)絡(luò)的形成與發(fā)展，實現(xiàn)軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營與管理勢在必行。為此，上海地鐵正在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中心與應(yīng)急中心的規(guī)劃與研究，醞釀分期建設(shè)各類網(wǎng)絡(luò)控制中心。根據(jù)各網(wǎng)絡(luò)控制中心的職責(zé)，監(jiān)控各軌道交通線路的運(yùn)營。這就要求各軌道交通線路的運(yùn)營信息實時匯總到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)控制中心，實現(xiàn)信息的集成與共享。除了軌道交通自身的運(yùn)營信息集成與共享外，還應(yīng)能與城市其他公交系統(tǒng)實現(xiàn)信息交換和共享。軌道交通的運(yùn)營信息需要匯入城市交通信息中，一方面有利于交通管理部門及時了解掌握交通狀況，更為有效地指揮城市交通，另一方面也方便旅客合理選擇出行方式與出行路徑。

現(xiàn)代城市軌道交通線路均配備了列車自動監(jiān)控系統(tǒng)(ATS)對列車運(yùn)行進(jìn)行集中監(jiān)控。由于信號系統(tǒng)的特殊性，無法實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化及互聯(lián)互通，所以各條線路的ATS也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，軟硬件結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)格式由各供貨廠商自行定義。目前開通和在建線路的ATS，無論是在通信協(xié)議層還是在應(yīng)用層，都沒有定義標(biāo)準(zhǔn)的接口規(guī)范，需要讓各個ATS供貨方重新設(shè)計和開發(fā)。這一方面隨著系統(tǒng)的升級換代技術(shù)上實現(xiàn)比較困難，另一方面供貨方對維護(hù)項目的報價也比較高，所以有必要針對軌道交通控制中心的應(yīng)用，提出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化接口。在項目招標(biāo)和實施階段明確提出實現(xiàn)要求，為以后的網(wǎng)絡(luò)化管理打下良好基礎(chǔ)。

2 研究范圍與內(nèi)容

1．ATS數(shù)據(jù)類型分析與服務(wù)需求研究。

2．ATS外部接口硬件結(jié)構(gòu)研究。

3．ATS外部接口軟件結(jié)構(gòu)研究。

4．ATS外部接口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)研究。

5．系統(tǒng)安全性、可靠性保障。

3 研究方法

ATS標(biāo)準(zhǔn)化接口研究采用經(jīng)驗總結(jié)法，主要是對上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營協(xié)調(diào)與應(yīng)急指揮系統(tǒng)的成功經(jīng)驗進(jìn)行歸納、分析、總結(jié)和改進(jìn)，使之系統(tǒng)化、理論化，形成一個既可以適用于新線建設(shè)，又可以指導(dǎo)老線改造的ATS標(biāo)準(zhǔn)化接口。

上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營協(xié)調(diào)與應(yīng)急指揮系統(tǒng)，針對各條線的ATS接口，主要完成實時數(shù)據(jù)服務(wù)和FTP服務(wù)。為了對軌道交通的總體運(yùn)營情況進(jìn)行分析，為完善和優(yōu)化運(yùn)營管理提供重要的量化數(shù)據(jù)，以及未來的系統(tǒng)功能擴(kuò)展、系統(tǒng)二次開發(fā)的需要，ATS標(biāo)準(zhǔn)化接口中新增加了數(shù)據(jù)庫服務(wù)和遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)。另外，針對辦公網(wǎng)用戶提供了網(wǎng)頁信息服務(wù)，通過Web瀏覽器用戶可以查看首末班車時間，各個時段的運(yùn)行間隔，甚至詳細(xì)的每日計劃等，以及遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)提供的各種報告查詢。

4 ATS服務(wù)需求分析

4.1 ATS數(shù)據(jù)及分類

ATS數(shù)據(jù)共分為實時運(yùn)營數(shù)據(jù)、運(yùn)營計劃數(shù)據(jù)、運(yùn)營狀態(tài)數(shù)據(jù)和外部接口數(shù)據(jù)4類。

1．實時運(yùn)營數(shù)據(jù)。包括:列車標(biāo)識信息、列車位置信息、列車計劃信息、運(yùn)行模式、駕駛模式等列車相關(guān)信息;站遙控狀態(tài)、折返模式;信號機(jī)、軌道、道岔狀態(tài);站臺及進(jìn)路信息等。

2．運(yùn)營計劃數(shù)據(jù)。包括:基本計劃、每日計劃、基本派班計劃、每日派班計劃、歷史運(yùn)營數(shù)據(jù)等。

3．運(yùn)營狀態(tài)數(shù)據(jù)。包括:設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息、報警信息和人員操作信息。

4．外部接口數(shù)據(jù)。包括:火警信息、供電區(qū)段報警信息、風(fēng)機(jī)信息、防淹門信息、緊急停車區(qū)域信息。

4.2 ATS服務(wù)需求及服務(wù)方式分析

4.2.1 運(yùn)營監(jiān)控需求

為了實現(xiàn)軌道交通的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營和管理，上海地鐵將分期建設(shè)各類網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心，根據(jù)各監(jiān)控中心的職責(zé)，監(jiān)控各軌道交通線路的運(yùn)營情況。這就要求各軌道交通線路的實時運(yùn)營數(shù)據(jù)匯總到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心，實現(xiàn)信息的集成與共享。

ATS標(biāo)準(zhǔn)接口計算機(jī)提供實時數(shù)據(jù)服務(wù)，其通信采用基于TCP/IP協(xié)議的SOCKET接口，以格式化的消息方式提供信息。實時數(shù)據(jù)服務(wù)所提供的實時數(shù)據(jù)包括:OCC(Operation Control Center控制中心)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，信號設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，ATS設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，列車運(yùn)行數(shù)據(jù)，ATC區(qū)域狀態(tài)，各種報警信息等。

上述信息的共同特點(diǎn)是實時性較高，現(xiàn)場的實際狀態(tài)發(fā)生變化后，需要在第一時間發(fā)送到各網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心并進(jìn)行顯示，以便監(jiān)控中心的用戶及時了解現(xiàn)場情況。

4.2.2 運(yùn)營分析及優(yōu)化需求

運(yùn)營管理部門需要掌握運(yùn)營計劃數(shù)據(jù)和運(yùn)營狀態(tài)數(shù)據(jù)，以便對軌道交通的總體運(yùn)營情況進(jìn)行分析，達(dá)到完善和優(yōu)化運(yùn)營管理的目的。另外，運(yùn)營管理部門在開通后還可能提出一些新的需求，比如開發(fā)適用于所有線路的通用運(yùn)營數(shù)據(jù)分析軟件。ATS標(biāo)準(zhǔn)接口計算機(jī)提供的數(shù)據(jù)庫服務(wù)和遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)可以滿足該需求，為未來的系統(tǒng)功能擴(kuò)展、系統(tǒng)的二次開發(fā)提供可能。

ATS標(biāo)準(zhǔn)接口計算機(jī)將提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)，使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫技術(shù)和數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。用戶可以通過合法的賬戶，使用數(shù)據(jù)庫服務(wù)來查詢各種行車計劃、歷史運(yùn)營數(shù)據(jù)、車輛信息、司機(jī)信息、事件信息、派班計劃等。

ATS標(biāo)準(zhǔn)接口計算機(jī)采用Web服務(wù)的方式來提供遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)。Web服務(wù)具備完好的封裝性，松散耦合，使用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)范，具有高度可集成能力等特征。標(biāo)準(zhǔn)接口計算機(jī)提供的遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)包括計劃偏離報告、兌現(xiàn)率、準(zhǔn)點(diǎn)率、詳細(xì)歷史數(shù)據(jù)、詳細(xì)時刻表、車組運(yùn)行里程、駕駛員駕駛距離、事件等查詢，辦公網(wǎng)用戶可以使用遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)來開發(fā)各種各樣的應(yīng)用程序。

4.2.3 信息發(fā)布需求

各網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心除了需要各軌道交通線路的實時運(yùn)營信息外，還需要各線的每日計劃、基本計劃、每日派班計劃、基本派班計劃、歷史運(yùn)營數(shù)據(jù)等運(yùn)營計劃數(shù)據(jù)，以滿足信息發(fā)布工作的需求。ATS標(biāo)準(zhǔn)接口計算機(jī)提供的FTP服務(wù)和信息服務(wù)可以滿足該需求，另外可以結(jié)合數(shù)據(jù)庫服務(wù)和遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)來獲取更詳細(xì)的非實時信息，通過分析處理來滿足高級的信息發(fā)布需求。

ATS標(biāo)準(zhǔn)接口計算機(jī)提供的FTP服務(wù)可以將每日計劃、基本計劃、每日派班計劃、基本派班計劃、歷史運(yùn)營等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為XML文件，以FTP服務(wù)的方式提供給網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心。ATS標(biāo)準(zhǔn)接口計算機(jī)負(fù)責(zé)根據(jù)配置定時更新這些文件(更新間隔可配置)。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心通過合法的賬號根據(jù)自身需要來獲取相應(yīng)的計劃文件。ATS標(biāo)準(zhǔn)接口計算機(jī)提供的信息服務(wù)是指針對辦公網(wǎng)用戶提供的網(wǎng)頁服務(wù)，用戶可以通過Web瀏覽器來查看首末班車時間、各個時段的運(yùn)行間隔、換乘時刻表，甚至詳細(xì)的每日計劃等信息，以及遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)提供的各種報告查詢服務(wù)。

4.2.4 設(shè)備維護(hù)需求

維護(hù)人員需要獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息、報警信息、人員操作信息等數(shù)據(jù)對常見的故障進(jìn)行診斷并排除，以便對系統(tǒng)進(jìn)行更好的日常維護(hù)、維修。ATS標(biāo)準(zhǔn)接口計算機(jī)提供的實時數(shù)據(jù)服務(wù)，可以提供設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，數(shù)據(jù)庫服務(wù)、遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)和信息服務(wù)，并可以提供報警信息和人員操作信息。

另外，各監(jiān)控中心的ATS服務(wù)器可以記錄實時運(yùn)營數(shù)據(jù)，利用回放功能還原事故發(fā)生時的場景，簡化故障排查的過程。

5 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究

標(biāo)準(zhǔn)接口計算機(jī)布置于OCC ATS機(jī)房內(nèi)，通過OCC ATS內(nèi)網(wǎng)與ATS應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器相連。各種監(jiān)控中心和辦公網(wǎng)的計算機(jī)可以通過外網(wǎng)連接到標(biāo)準(zhǔn)接口計算機(jī)上獲取相應(yīng)的服務(wù)。標(biāo)準(zhǔn)接口計算機(jī)接在OCC ATS內(nèi)網(wǎng)中，OCC ATS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)、辦公網(wǎng)通過防火墻進(jìn)行隔離。這種連接方法的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)清晰簡單，成本低。硬件連接圖如圖1所示。其中，COCC(Comprehensive Operation Control Center)為綜合控制中心。

圖1 硬件連接圖

6 軟件結(jié)構(gòu)研究

標(biāo)準(zhǔn)接口計算機(jī)的軟件結(jié)構(gòu)由實時模塊、FTP模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、遠(yuǎn)程調(diào)用模塊、信息服務(wù)模塊等5個模塊和1個通用運(yùn)營數(shù)據(jù)庫組成，它們之間協(xié)同工作，組成一個完整的軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.實時模塊負(fù)責(zé)從OCC應(yīng)用服務(wù)器的實時模塊(泛指對外提供外部實時數(shù)據(jù)的模塊)獲取信息，按照本規(guī)范提供的標(biāo)準(zhǔn)來格式化實時消息，然后發(fā)送給監(jiān)控中心計算機(jī)的實時模塊。

2.FTP模塊負(fù)責(zé)定時從通用運(yùn)營數(shù)據(jù)庫中讀取基本計劃、每日計劃、基本派班計劃、每日派班計劃和歷史運(yùn)營數(shù)據(jù)，按照本規(guī)范提供的標(biāo)準(zhǔn)來生成格式化的XML文件，供監(jiān)控中心計算機(jī)通過FTP進(jìn)行獲取。

3.通用運(yùn)營數(shù)據(jù)庫可以提供數(shù)據(jù)庫服務(wù)給辦公網(wǎng)用戶，并作為FTP模塊和遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)模塊的數(shù)據(jù)源。通用運(yùn)營數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫模塊進(jìn)行定時更新。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)圖

4.數(shù)據(jù)庫模塊負(fù)責(zé)根據(jù)需要定時讀取OCC數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)或文本信息，轉(zhuǎn)換成本規(guī)范提供的數(shù)據(jù)格式，然后同步并存儲在通用運(yùn)營數(shù)據(jù)庫中。

5.遠(yuǎn)程調(diào)用模塊負(fù)責(zé)為辦公網(wǎng)用戶提供數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)，當(dāng)收到辦公網(wǎng)用戶的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程調(diào)用請求后，讀取通用運(yùn)營數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理封裝，然后將結(jié)果返回給辦公網(wǎng)用戶。

6.信息服務(wù)模塊負(fù)責(zé)為辦公網(wǎng)用戶提供網(wǎng)頁服務(wù)，授權(quán)用戶通過Web瀏覽器查看規(guī)定的計劃信息和運(yùn)營數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)接口計算機(jī)提供的數(shù)據(jù)庫服務(wù)、遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)和信息服務(wù)是針對辦公網(wǎng)用戶提供的3個不同層次服務(wù)。就使用的難易程度而言，數(shù)據(jù)庫服務(wù)最難，遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)次之，信息服務(wù)最容易。就使用的靈活性和數(shù)據(jù)量而言，數(shù)據(jù)庫服務(wù)最靈活，數(shù)據(jù)最豐富，遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)次之，信息服務(wù)最不靈活。

7 系統(tǒng)安全性研究

7.1 防火墻防護(hù)

防火墻是一類防范措施的總稱，它使內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與Internet之間，或者與其他外部網(wǎng)絡(luò)互相隔離、限制網(wǎng)絡(luò)互訪，是隔離在本地網(wǎng)絡(luò)與外界網(wǎng)絡(luò)之間的一道防御系統(tǒng)。簡單的防火墻可以只用路由器實現(xiàn)，復(fù)雜的可以用主機(jī)甚至一個子網(wǎng)來實現(xiàn)。設(shè)置防火墻目的都是為了在內(nèi)部網(wǎng)與外部網(wǎng)之間設(shè)立唯一的通道，簡化網(wǎng)絡(luò)的安全管理。

防火墻作為網(wǎng)絡(luò)安全體系的基礎(chǔ)和核心控制設(shè)備，它貫穿于受控網(wǎng)絡(luò)通信主干線，對通過受控干線的任何通信行為進(jìn)行安全處理，如控制、審計、報警、反應(yīng)等，同時也承擔(dān)著繁重的通信任務(wù)。由于其自身處于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的敏感位置，還要面對各種安全威脅，因此，選用一個安全、穩(wěn)定和可靠的防火墻產(chǎn)品，其重要性不言而喻。

ATS標(biāo)準(zhǔn)化接口研究中使用防火墻來對OCC ATS網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)、辦公網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隔離，從而達(dá)到保護(hù)OCC ATS系統(tǒng)的目的。

7.2 傳輸層防護(hù)

SSL(Secure Sockets Layer安全套接層)協(xié)議位于TCP/IP協(xié)議與各種應(yīng)用層協(xié)議之間，為數(shù)據(jù)通信提供安全支持。SSL協(xié)議可分為2層:SSL記錄協(xié)議(SSL Record Protocol)，是建立在可靠的傳輸協(xié)議(如TCP)之上，為高層協(xié)議提供數(shù)據(jù)封裝、壓縮、加密等基本功能的支持;SSL握手協(xié)議(SSL Handshake Protocol)則建立在SSL記錄協(xié)議之上，用于在實際的數(shù)據(jù)傳輸開始前，通信雙方進(jìn)行身份認(rèn)證、協(xié)商加密算法、交換加密密鑰等。SSL協(xié)議提供的主要服務(wù)有:①認(rèn)證用戶和服務(wù)器，確保數(shù)據(jù)發(fā)送到正確的客戶機(jī)和服務(wù)器;②加密數(shù)據(jù)以防止數(shù)據(jù)中途被竊取;③維護(hù)數(shù)據(jù)的完整性，確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中不被改變。

ATS標(biāo)準(zhǔn)接口計算機(jī)與監(jiān)控中心用戶、辦公網(wǎng)用戶的信息交互的傳輸層防護(hù)，將采用SSL協(xié)議來確保數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性。

7.3 應(yīng)用層防護(hù)

ATS標(biāo)準(zhǔn)接口計算機(jī)與監(jiān)控中心用戶、辦公網(wǎng)用戶信息交互的應(yīng)用層防護(hù)，分為身份驗證和權(quán)限控制二部分。身份驗證既可以采用身份證書的方式，也可以采用用戶名/密碼的方式，用戶只有通過身份驗證后才能享有相應(yīng)的服務(wù)。通過驗證的用戶可以訪問系統(tǒng)，系統(tǒng)給用戶分配相應(yīng)的角色，每個角色都有自己的一組權(quán)限，進(jìn)而達(dá)到權(quán)限控制的目的。

8 結(jié)論

通過研究ATS標(biāo)準(zhǔn)化接口，設(shè)計了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)，針對監(jiān)控中心用戶設(shè)計了實時數(shù)據(jù)服務(wù)和FTP服務(wù)，針對辦公網(wǎng)用戶設(shè)計了數(shù)據(jù)庫服務(wù)、遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)和信息服務(wù)，并對系統(tǒng)安全性進(jìn)行了分析研究，為實現(xiàn)ATS系統(tǒng)對外統(tǒng)一的接口提供了一套可行的方案。

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