TDCS/CTC綜合管理系統總體方案研究

張輝東

作為基本覆蓋全路的行車調度指揮系統，TDCS/CTC系統已經成為運輸指揮中必不可少的行車設備。隨著數量的增多和功能的日漸豐富，日常的維護工作量越發繁雜。目前鐵路局在用的TDCS/CTC維護系統，僅限于監測和維護操作系統狀態信息和網絡狀態信息，還沒有一個專門針對部署在不同物理位置上的TDCS/CTC設備、網絡狀態、軟件業務狀態，以及相關故障報警統計管理的綜合性監控維護系統，維護人員難以在第一時間獲取這些設備的運行狀態信息。為此，由太原鐵路局電務處和卡斯柯信號有限公司聯合研制了一套TDCS/CTC設備綜合監控維護系統。

TDCS/CTC綜合管理系統 (以下簡稱 CMS)是從現有TDCS/CTC系統結構、設備配置、網絡架構和業務軟件應用等層面，集設備監控、網絡監控和應用程序狀態監控于一體，而且還能對記錄的相關報警、故障等情況進行分類統計，實現TDCS/CTC系統全面的、立體化的綜合監控。

1 系統設計原則

CMS系統既可以監控部署在TDCS/CTC系統中的所有PC服務器、UNIX/Linux小型機服務器、圖形工作站等計算機設備;也可以監控部署在站段的車站分機/自律機、車務終端 (信號員終端、電務維護終端)等設備。它將被監控對象的靜態信息 (包括IP地址、設備型號、操作系統版本等)、動態信息 (包括CPU、內存、磁盤動態使用情況以及操作系統進程列表，并可以性能曲線的方式呈現)、網絡狀態 (包括端口速率、端口的連通情況、端口是否存在收發錯誤)、TDCS/CTC系統軟件業務狀態 (包括各業務系統/進程程序的版本信息、運行狀態、相互之間的通信連接狀態)等進行數據搜集，當設備性能出現異常時，能夠向指定的管理維護終端發送報警提示。

從系統的監控對象和用戶群體角度出發，系統設計遵循以下原則。

1.與TDCS/CTC系統的高效兼容性。CMS系統既要從 TDCS/CTC軟件獲取數據，也要向TDCS/CTC軟件發送數據，其數據包格式應遵守TDCS/CTC原有協議格式，這樣可以避免因增加監控系統接口而對原有軟件結構造成較大改變，增加開發工作量;同時也避免TDCS/CTC系統向CMS系統發送大量狀態數據而消耗較大資源，保證有足夠的計算資源處理核心業務。

2.通信的實時性。CMS系統要實現對TDCS/CTC軟件狀態及時、有效的監控，必須從TDCS/CTC系統快速獲得大量實時數據，這是CMS系統進行計算和異常判斷的基礎，因此必須保證CMS系統獲得數據的實時性。

3.報警的有效性。收到TDCS/CTC軟件發來的數據后，CMS系統需要將接收到的狀態信息進行篩選、過濾后展示給用戶，同時還必須判斷出監控對象的異常，向用戶推送報警信息。報警閾值設置要準確，在數據收發任務和報警計算任務之間合理分配計算資源，實現報警的及時性和有效性。

4.數據的持久性。CMS系統接收到的屬性狀態數據和由CMS系統計算的報警信息需要持久保存，以便數據備份和事后查詢。CMS系統提供了一種數據持久化的手段，將數據存儲在數據庫中，并提供查詢手段。

5.界面的友好性。CMS系統以圖形、文字、聲音3種方式向用戶展示監控對象的狀態信息，同時接受用戶對監控對象的主動查詢任務，響應用戶特殊查詢需求。

6.系統的可擴展性。支持用戶靈活增加和減少監控對象。提供一種監控對象動態配置手段，用戶隨時可改變其監控對象，并以重啟程序的方式使其修改生效。

7.系統健壯性。系統具有較強的容錯能力。在發生錯誤時，能夠較友好的提示錯誤信息，即使遇到不可排除的錯誤，也要保證系統能夠及時重新啟動。

8.數據安全性。CMS系統保證只有合法且授權的用戶才能使用系統。

9.可維護性。對于系統的錯誤或者異常，能夠記錄錯誤，方便追蹤系統故障，保證可維護性，對于關鍵信息寫入文件，要做到所有信息事后可查。

2 系統結構方案

2.1 系統硬件結構

CMS系統是由監控系統服務器 (CMSS)、數據庫系統服務器 (DB)、監控系統終端 (CMSC)和數據配置工具 (CMST)組成。如圖所示，一般設置監控系統服務器1套，數據庫服務器1套，客戶端可以根據需要設置多套，配置工具1套，也可以不單獨設置配置工具終端，將它和客戶端安裝在同臺設備上。

圖1 CMS系統硬件結構圖

2.2 系統軟件結構

CMS由8個軟件模塊和1個數據庫組成，系統總體的軟件結構圖如圖2所示。

圖2 CMS系統軟件結構圖

1.CMSS負責完成對目標設備的狀態輪詢和狀態處理，對狀態報警信息進行邏輯判斷，對狀態信息和報警信息進行存儲，將屬性信息和報警信息推送客戶端等。CMSS還為CMSC提供查詢代理服務。

2.CMSC是用戶接口程序，將CMSS發送來的狀態信息以圖形化方式展示給用戶。CMSC提供基礎配置數據和歷史狀態信息的查詢手段，可將CMSS作為查詢代理向TDCS/CTC軟件獲取狀態信息。

3.CMST僅與數據庫接口，用于維護數據庫中的基礎配置數據和監控圖繪制。

4.數據庫保存目標設備信息、目標設備狀態信息和系統配置信息等。

3 系統設計

3.1 系統總體設計

CMSS通過2種方式從目標設備獲取設備狀態信息:①使用定時邏輯向目標設備發送輪詢消息，目標設備響應后，反饋設備屬性狀態消息;②定期向目標設備發送登記消息，向目標設備注冊CMSS通信IP和端口，當目標設備檢測到自身設備狀態變化時，主動向已注冊的CMSS發送屬性變化消息。

CMSC直接與用戶接口，提供2種信息表示方式:①監控圖界面?？筛鶕煌脩舻男枨?，繪制不同的監控圖，顯示目標設備的主備狀態和通信連接狀態，并且在監控目標設備發生狀態異常時，在相應的設備圖標上有明顯的聲光報警提示。監控圖中設備狀態的更新方式為CMSC定期向CMSS發注冊消息 (注冊消息中包括監控圖中所有設備和連接屬性)，CMSS根據注冊列表主動將設備狀態推送給CMSC。②設備詳細狀態列表。在設備報警時，或用戶想了解設備的詳細狀態時，可針對某一個設備打開詳細狀態列表，顯示某一個設備的所有監控屬性，設備狀態的更新由用戶的刷新操作驅動。用戶執行刷新操作后，CMSC向CMSS發送探測請求，CMSS由獨立線程對目標設備進行探測，得到結果后反饋給CMSC。

3.2 系統接口設計

1.用戶接口。CMSC和CMST提供圖形界面用戶接口。

2.外部接口。即 CMS的維護系統與既有TDCS/CTC各軟件之間的接口。接口通信采用UDP協議。

CMSS根據預先設置的輪詢間隔，定時向TDCS/CTC發送屬性查詢消息，消息中包含查詢ID、設備實體號、AB機標識、屬性類型、屬性索引、屬性值等信息。當TDCS/CTC子系統收到屬性查詢消息后，會立即向CMSS系統返回所請求的屬性應答消息。

3.內部接口。CMSS向CMSC發送通用單屬性應答消息、通用組屬性應答消息及動態隊列屬性應答消息等，并且CMSS收到CTC子系統發送的報警消息，或檢查到監控屬性狀態異常時，主動向已注冊的CMSC推送報警消息，CMSS收到此消息后，在用戶界面上以聲光報警的形式進行提示。

3.3 系統數據結構設計

CMS系統的數據結構組成部分如圖3所示。各部分的主要職責分別為:①設備屬性列表DEV_ATTR_LIST，記錄所有目標設備，及其監控屬性的靜態信息和當前狀態信息;②客戶端注冊列表CMSC_REG_LIST，記錄客戶端的監控注冊信息，用于記錄每個CMST軟件向CMSS發來的注冊信息;③客戶端探測列表DETECT_LIST，記錄CMSC發起的探測請求;④監控圖列表MONITOR_GRAPH_LIST，維護監控圖對象 MONITOR_GRAPH的鏈表。

圖3 CMS系統數據結構圖

3.4 系統存儲設計

1.目標設備信息，包括目標設備實體號、名稱、IP地址、監控UDP端口號等，存儲在設備表中。

2.監控屬性信息分2張表存儲，一張表存儲主屬性，另一張表存儲子屬性。主屬性包括設備，屬性名稱、屬性類型。子屬性表存儲屬性索引。一個設備的某一類型屬性可能有多個子屬性。

3.屬性的狀態存儲在屬性狀態表中。

4.報警記錄信息，記錄各目標設備主動發送的報警，以及系統自動判斷出的異常報警。

5.用戶信息，包括系統的用戶登錄名與密碼。

6.監控圖及與該監控圖有關聯的所有圖元均存儲在數據庫中，圖元類型包括設備、端口、連線、文字、圖片等，用單個圖元的記錄關聯監控圖主鍵的方式表示所屬關系。

CMST向數據庫中寫入基礎設備配置數據、監控圖信息和用戶信息。

CMSS從數據庫中讀取基礎配置數據，同時CMSS向數據庫中寫入狀態數據和報警數據。

4 關鍵技術方案

4.1 TDCS/CTC系統安全接口

TDCS/CTC作為列車調度指揮系統，實現了鐵路各級運輸調度對列車運行的透明指揮、實時調整、集中監控，因此，它關系到列車安全運行，必須保證其獨立性和安全性，避免其他系統對其影響。TDCS/CTC安全接口實現了從TDCS/CTC獲取數據，綜合維護系統從TDCS/CTC系統獲取數據采用獨立的UDP協議，不影響TDCS/CTC系統的原有功能。

要保證TDCS/CTC安全接口達到預定的網絡安全目標，TDCS/CTC安全接口技術需滿足以下條件。

1.有限數據集合。TDCS/CTC安全接口輸出的所有數據必須是確定的、有限的。為了防止TDCS/CTC系統的保密或者非公開數據的流出，影響列車的安全運行，TDCS/CTC安全接口對發出的數據和數據幀做出了嚴格的限定，只有屬于有限數據集合的數據才能發送到外部系統。

2.特定數據傳輸。TDCS/CTC安全接口與外部系統采用嚴格的單向傳輸協議，防止外部信息對TDCS/CTC調度指揮系統的可能干擾。數據的傳輸方向嚴格限定為特定消息交互。

4.2 基于多Agent的監測方案

多Agent系統是一個能夠感知外界環境，并具有自主行為能力的，以實現其設計目標的自治系統。在多Agent系統中，每一個Agent都具有自治性，其內部數據分為private級別和public級別，外部系統只能獲取public類型的信息，不能訪問private類型的信息，其內部狀態不受外界訪問的影響。每個Agent都具有主動性，可以將其內部狀態的變化主動向外推送。Agent之間可以相互通信，實現信息匯總計算。多Agent系統是一個交互式系統，多個分散控制的Agent組成一個整體系統。

CMS系統和TDCS/CTC系統組成一個多Agent系統。每個TDCS/CTC軟件能感知其內部運行狀態的變化，主動的將其內部狀態發送給CMSS。每個TDCS/CTC軟件是一個獨立的計算體，其內部狀態不受CMSS的影響。CMSS自身具備屬性狀態計算功能，將計算結果主動提供給用戶。CMSS和其監測對象組成的多Agent系統實現對監測目標狀態的監控。

5 結束語

TDCS/CTC維護管理系統于2014年8月6日通過太原鐵路局科委組織的技術評審 (太鐵局技審字〔2014〕第20號)，并在大西高鐵太原南至永濟北間13個車站進行了試驗、測試和試運行。通過現場的實施運行，更好地提高了TDCS/CTC系統的完整性，加強了TDCS/CTC系統的可維護性，極大地提高了維護人員的工作效率。伴隨著TDCS/CTC系統在全路的廣泛應用，CMS系統也一定擁有非常廣闊的前景和推廣空間。

［1］ 中華人民共和國鐵道部.科技運函［2004］15號.分散自律調度集中系統技術條件［S］.2004.

［2］ 崔貴志.關于TDCS系統維護管理問題的探討.鐵道通信信號［J］.2006，42(9)，23-24.

［3］ 中華人民共和國鐵道部，運基信號［2009］676號.列車調度指揮系統(TDCS)、調度集中系統(CTC)組網方案和硬件配置標準(暫行)［S］.2009.