面向服務的架構方法在主動維保系統中的應用＊

陳景柱 謝志林 劉學縱 鞏林玉 王圣根

（卡斯柯信號有限公司，200071，上海∥第一作者，工程師）

目前，城市軌道交通線路正朝著網絡化方向發展，網絡化運營管理成為軌道交通發展必然趨勢。從體系化建設的理念出發，構建出一個實現城市軌道交通網絡化管理預警機制，確保整個軌道交通網“安全、可靠、高效”運行，能夠提供信息化的運營協調指揮功能、狀態監測預警功能、維護保障功能、信息資源管理功能的完整的網絡體系至關重要。

建立一個依靠先進的技術手段實現對網絡中各種運營設施、設備系統、固定資產的統一管理和維護的平臺，依靠這個平臺實現設施設備統籌維護、應急搶修統一執行、網絡物資統一供應、網絡安全統一監測、網絡資產統一管理十分必要。通過這個平臺解決路網安全信息孤立分散、缺乏基于系統安全態勢分析的預警及隱患識別能力的問題，為網絡化運營的安全保障提供全數字化信息、安全綜合管理技術支撐。

在《基于城市軌道交通運輸組織、控制及保障一體化關鍵技術與系統研制》的課題中，研制出主動維保系統子系統下的城市軌道交通安監平臺。該平臺從面向服務的架構出發，匯聚信號監測系統、綜合監控系統 、車輛系統、橋梁、隧道、工務監測系統和車載監測系統的關鍵設備狀態信息和健康狀態信息，實現各專業信息的匯聚和聯動，解決各專業系統間信息的有效、可靠、實時通信，對系統中的關鍵設備狀態統一管理和維護，形成一個統一的在線監測數據應用平臺和在線監測設備狀態監控平臺。本文的創新在于采用面向服務架構和中間件技術將城市軌道交通線路下各個不同專業信息利用實時庫進行梳理和匯聚，根據業務要求進行分類處理，搭建了一個統一的數據處理平臺，方便地利用統一的通道傳送給主動維保系統等上層應用系統，屏蔽平臺異構和數據異構。

1 面向服務的體系架構

1.1 SOA

面向服務的體系結構 （service－oriented architecture，簡為SOA）是一個組件模型，它將應用程序的不同功能單元（下文稱為服務）通過這些服務之間定義良好的接口和契約聯系起來。接口是用中立的方式進行定義的，獨立于實現服務的硬件平臺、操作系統和編程語言。這使得構建在不同系統中的服務可以通過統一和通用的方式進行交互，不必要考慮其后臺具體的實現技術和運行平臺等。可以實現技術標準化和平臺一致性。SOA為解決異構資源的統一訪問提供了很好的架構。

1.2 Web Service

Web Service是一個獨立、松耦合、自包含的、基于可編程的Web的應用平臺。可使用開放的XML標準來描述、發布、發現、協調和配置這些應用程序，用于開發分布式互操作的應用程序。

Web Service是一個分布式計算模型，是Web數據和信息集成的有效機制，是一套開放標準［2］，包括了SOAP（簡單對象訪問協議）、WSDL（服務描述）、UDDI（發現與集成服務）以及補充的 Web Service等規范，可促進SOA更加廣泛應用。

圖1為Web Service的服務關系。服務提供者實現 Web服務的定義，用 Web服務描述語言WSDL（Web Service Description Language）對服務進行描述，并在服務注冊代理中使用通用描述、發現與集成服務 UDDI（Universal Description，Discovery and Integration）進行注冊，UDDI起著目錄服務器的作用，用于集中存放和查找WSDL描述文件。服務的請求者利用服務注冊代理查找所需的服務，當找到所需服務時，服務注冊代理向其提供WSDL，然后使用服務描述與服務提供者進行綁定，并提供相應的Web服務。圖2為Web Service協議結構。服務通過HTTP／SMTP或者其他協議訪問Web系統，數據基于XML形式的，當獲得XML文檔后，只需要通過強類型轉化即可將XML文檔映射成數據庫中數據表一樣的結構，在 Web Service中添加一個Web方法即可處理XML文檔，使用WSDL描述服務，使用UDDI發布和查找服務，采用SOAP協議執行服務調用。

圖1 Web Service的服務關系

1.3 CORBA

1.3.1 中間件

圖2 Web Service協議結構

中間件位于服務器／客戶機的操作系統之上，是獨立于系統軟件和服務的程序，是連接2個及以上獨立應用程序或獨立系統的軟件，管理著計算機資源和網絡通信。相連接的系統，即使它們具有不同的接口，但通過中間件相互之間仍能交換信息和共享資源。通過中間件，應用程序可以工作于多平臺或多 OS（操作系統）環境［3］。

1.3.2 CORBA簡述

公共對象請求代理體系結構（Common Object Request Broker Architecture，簡為 CORBA）是由OMG（對象管理組織）組織制訂的一種標準的面向對象應用程序體系規范。CORBA體系結構是OMG為解決分布式處理環境（DCE）中，硬件和軟件系統的互連而提出的一種解決方案。CORBA利用分布式計算和面向對象計算相結合的方式，引入“代理”概念。

1.3.3 ORB和IDL

對象請求代理（Object Request Broker，簡為ORB）是CORBA的通信核心，CORBA的核心組件。ORB提供了識別和定位對象、處理連接管理、傳送數據和請求通信所需的框架結構。ORB是一個便于實現不同軟硬件平臺上的互操作和集成的軟件總線。在分布式系統中，ORB抽象了遠程方法調用的內在復雜性，使其獨立于編程語言、網絡協議和軟硬件平臺［4］。CORBA體系規范中定義了包括面向對象系統和分布式系統在內的多種服務，如對象命名服務、事件服務、通知服務等。

接口描述語言（Interface description language，簡為IDL），是CORBA規范的一部分，是跨平臺開發的基礎。IDL是用來描述軟件組件接口的一種計算機語言。IDL通過一種中立的方式來描述接口，使得在不同平臺上運行的對象和用不同語言編寫的程序可以相互通信交流；IDL向ORB提供了與操作系統和編程語言無關的接口。

1.3.4 CORBA通信機制

為了保證在不同的CORBA產品基礎之上構建的分布式對象可以相互通信，如圖3所示，Client和Server通過ORB進行通信。一般的運行流程是Client把請求發送給ORB，ORB再把請求發送給Server，Server把返回結果發送給ORB，ORB再把返回結果發送給是Client。ORB可以說是Client和Server之間的翻譯者。CORBA提供IDL到C、C＋＋和JAVA編程語言的映射，即使Client和Server使用不同的編程語言編寫，只要是符合相同的IDL定義，ORB也可以完成相互的通信。

圖3 CORBA通信機制

2 安監平臺架構

安監平臺以城市軌道交通基礎設施監測、失效預警及主動維保系統的核心需求，以及對設備狀態信息、健康狀態信息等的需求為主線，并結合目前運營管理、維護保障體系。主動維保系統包括了設備管理平臺、主動維保平臺和安監平臺。

安監平臺所處的系統整體共分為上層、中間層和下層3層結構（見圖4）：下層主要包括綜合監控（ISCS）、車輛系統、信號系統、車載數據中心（隧道、橋梁、觸網、軌道），是基礎數據來源；中間層是安監平臺，負責采集和處理下層數據；上層主要包括設備管理平臺和主動維保平臺，從安監平臺獲得數據進行Web展示。

圖4 安監平臺在主動維保系統中地位

安監平臺數據流如圖5所示。安監平臺從ISCS、車載、車輛和信號4個基礎專業系統采集原始數據，然后對原始數據進行加工、處理等操作后輸入實時庫。設備管理平臺、維保平臺和安監平臺通過SOAP Web Service機制進行信息訪問，即設備管理平臺、維保平臺和安監平臺用SOAP Web Service機制通過CORBA接口訪問實時數據庫中的數據。

安監平臺提供給上層接口服務的數據分2種情況：一種是實時數據以請求響應方式給設備管理平臺和主動維保平臺；另一種是當安監平臺產生了優先級比較高的報警信息后主動通知設備管理平臺和主動維保平臺，然后設備管理平臺和主動維保平臺向安監平臺請求報警和實時數據。

圖5 安監平臺的數據流

3 安監平臺實現

3.1 基于業務實現的實時庫

根據軌道交通基礎設備設施的特點和故障特征，通過對運營相關的基礎設施，如接觸網、軌道、橋梁、隧道等專業的業務分析，充分研究了基于狀態變量安全特征分布的監測和特征因子提取技術，實現對關鍵設備設施實時狀態監測。結合基礎設施綜合評判方法和設備維修信息，建立關鍵設備設施失效預警處理模型和故障診斷處理模型。

模型建立基于綜合分析之后的統一實時庫。實時庫根據多專業監測數據的數據特征和特點，包括模擬量、數字量、累計量3大類。實時庫根據設備關聯關系和數據屬性建立數據間的邏輯處理關系。

實時庫在系統內存中緩存各專業關鍵設備狀態數據和分析處理的結果數據。安監平臺從下層接口收到原始數據按照數據業務特征加工后放入實時庫中。實時庫中的設備運行參數在系統啟動前就被配置好，統一成一個RTU號和一個Point號，表示一個設備的一個參數，例如綜合監控系統接口下獲取的紫藤路水泵LD－2風機電流用RTU號為1，Point號為1表示，那么在實時庫中更新紫藤路水泵LD－2風機電流的值只要更新RTU號為1，Point號為1的模擬量的值。通過這樣的處理，可以統一各專業關鍵設備狀態的數據格式，形成可以統一處理的實時庫。

3.2 安監平臺與不同專業監測數據接口的實現

3.2.1 安監平臺與信號監測系統接口

安監平臺和信號系統采用基于TCP／IP方式通信，安監平臺的通信模塊為客戶端，信號監測系統為服務端。通信的過程為：安監平臺的通信模塊周期性發送各個指令，信號監測系統響應指令，向安監平臺的通信模塊發送響應信息，安監平臺將接收到的數據按照規則置入實時庫中。

3.2.2 安監平臺與車輛監測系統接口

安監平臺和車輛監測系統是基于TCP／IP方式通信。協議采用自定義協議，安監平臺將接收到的車輛關鍵設備監測數據按照規則置入實時庫中。

3.2.3 安監平臺與車載監測系統接口

安監平臺和車載監測系統是基于TCP／IP方式通信。協議采用自定義協議，安監平臺將接收到的車載關鍵設備狀態監測數據按照規則置入實時庫中。

3.2.4 安監平臺與綜合監控系統接口

安監平臺和綜合監控系統是基于TCP／IP方式通信。協議采用通用網絡協議，安監平臺將接收到的綜合監控系統傳來的關鍵設備狀態監測數據按照規則置入實時庫中。

3.3 安監平臺與上層應用系統的接口實現

3.3.1 安監平臺和上層系統的通訊機制

如圖6所示，安監平臺與上層應用系統選擇SOAP Web Service機制實現通信，WEB服務器與安監平臺以COBRA中間件作為兩者通信的橋梁。

圖6 安監平臺和主動維保平臺的接口

主動維保平臺的界面層動態顯示時，需要向安監信息系統請求設備的實時狀態信息，安監信息系統響應該需要設備狀態信息。對象定義規則主要以對象結構格式形成分層結構，主要包含設備資產編碼、信息點號和當前實時數值等內容。

3.3.2 安監平臺和上層應用系統的服務機制

安監平臺和上層應用系統交互包括以下3個過程：

（1）Web服務器為上層應用系統提供注冊功能、實時數據接口。上層應用系統初始化連接安監平臺時，根據 Web服務器提供的注冊函數進行登記，登記完畢后把自己 Web Service地址告訴給安監平臺。上層應用系統根據安監平臺提供的設備屬性函數進行調用，安監平臺根據傳遞的資產編號找到合適的設備號，并組裝該設備所有的實時數據返回給上層應用系統。

（2）Web服務器啟動一個事件處理任務線程，周期性掃描CORBA服務的報警接口。如果發現有報警，安監平臺通過上層應用系統注冊的 Web Service作為地址發送消息給主動維保平臺NotifyEvent接口（此接口提供消息通知觸發機制），上層應用系統接到消息后通過 Web服務器訪問CORBA服務中的報警和實時數據。

（3）Corba服務與安監平臺通信。Corba服務通過命名服務（Naming Service）方式和安監平臺進行通信。

3.3.3 CORBA命名服務應用

安監平臺選擇CORBA命名服務（Naming Service）通信方式。命名服務將服務對象賦予一個指定的標識，通過名字與對象之間的映射關系來實現對服務對象的查找和定位。命名服務提供的助記符解析服務使得應用程序可以借助助記符，而不是一大串IOR來訪問到相應的Servant。

3.3.4 接口描述文件

由于Web服務器和安監平臺的編程語言不一樣，使用IDL工具生成C＋＋和JAVA的接口代碼，這樣確保Web服務器與安監平臺之間實現數據流傳輸。具體實現代碼不在IDL定義中編寫，是用真正的編程語言來進行具體實現。本平臺的IDL文件包括了數據屬性結構體，報警屬性結構體，獲得實時數據接口函數，獲得報警接口函數。當添加新的數據接口無需添加冗余的代碼時，只需在IDL中配置新的對象參數。當主動維保平臺增加應用時，只需在IDL中添加合適的訂閱記錄接口。

設備管理庫的主要作用是通過HASH算法，把相同設備資產編碼組織在同一個鏈表下。設備管理庫分為2條鏈路：一條是不同的設備編碼之間織成線性鏈表關系，另一條是相同的設備編碼之間組織成線性鏈表關系。設備編碼分類和屬性匯聚可以加快設備屬性的檢索速度。

3.3.5 安監平臺的SOAP Web Service接口定義文件

從實時數據傳遞角度看，安監平臺作為服務端，Web Service服務作為客戶端。同時，從報警信息傳遞角度看，當有一級報警產生時，Web Service服務通知主動維保平臺和設備信息平臺。獲取的報警內容包含設備編碼和組代碼信息，以此來查詢安監平臺該設備編碼的實時數據。這之間都使用SOAP協議通信。主要提供下列功能：事件報警接口；實時數據接口；報警通知接口；給上層應用接口。

4 結語

安監平臺是城市軌道交通運輸組織、控制及保障一體化關鍵技術與系統研制課題中的重要子系統之一，將匯聚的各專業設備狀態監測數據加工處理后傳遞給上層應用設備管理平臺和主動維保平臺。采用了面向服務的架構和中間件的技術，解決了安監平臺多專業業務數據的異構和上層平臺異構問題，方便平臺之間信息共享，在今后工程化應用上具有靈活性和擴展性。本文的介紹方法極大地方便了分布式實時監控系統中的信息共享、數據共享，支持實時數據Web發布，提高了維保中心系統的實現效率，為主動維保奠定了基礎。

［1］Shin S.Webservices［J］.Advances in Computers，2005（64）：45.

［2］吳泉源，賈焰，周斌.分布對象中間件Starbus［J］.計算機工程與應用，2002，16（3）：195.

［3］成玉榮，王聰麗.基于TAO的CORBA應用軟件設計［J］.無線電工程，2010，40（11）：13.

［4］朱麟，徐中偉，喻鋼，等.引入接口中間件的基于通信的列車控制系統仿真［J］.城市軌道交通研究，2013（2）：70.