地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流向及同步方法研究

吳思

摘 ?要：地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)流量大，冗余度高，數(shù)據(jù)流向繁雜等特點(diǎn)，合理的數(shù)據(jù)流向及同步策略至關(guān)重要。文章結(jié)合福州地鐵6號(hào)線ISCS系統(tǒng)架構(gòu)，主要研究了地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向、冗余設(shè)計(jì)方案及數(shù)據(jù)同步方法。

關(guān)鍵詞：地鐵;綜合監(jiān)控;數(shù)據(jù)流向;數(shù)據(jù)同步

中圖分類號(hào)：TP277 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）13-0146-03

Abstract： The integrated monitoring system of metro has Characteristics of big data flux， redundant and miscellaneous data flow direction， a reasonable data flux and synchronization strategy is very important. Based on the architecture of ISCS in Fuzhou Metro Line 6， this paper mainly studies the data flow direction， scheme of redundant design and method of data synchronization in integrated monitoring system of the subway.

Keywords： metro; integrated monitoring system; data flow direction; data synchronization

1 概述

地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）是通過集成或互聯(lián)各主要的弱電系統(tǒng)（包括PSCADA、BAS、FAS、ACS、AFC、CCTV、PA、PIS、能源管理系統(tǒng)、安防等），搭建統(tǒng)一的軟件及硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵的關(guān)鍵弱電設(shè)備的統(tǒng)一管控，對(duì)列車的運(yùn)行情況、客流統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中監(jiān)視，用以實(shí)現(xiàn)各相關(guān)系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)以及數(shù)據(jù)共享。鑒于ISCS集成或互聯(lián)的專業(yè)數(shù)量較多，常規(guī)線路ISCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理已逾數(shù)百萬點(diǎn)，數(shù)據(jù)流量較大，且系統(tǒng)冗余性較高，數(shù)據(jù)流向繁雜，因此合理的數(shù)據(jù)流向和數(shù)據(jù)同步策略對(duì)綜合監(jiān)控系統(tǒng)來說至關(guān)重要。本文結(jié)合福州市軌道交通6號(hào)線ISCS系統(tǒng)的實(shí)施情況分析ISCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向及數(shù)據(jù)同步策略。

2 福州地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

福州地鐵6號(hào)線工程綜合監(jiān)控系統(tǒng)通過千兆骨干傳輸環(huán)網(wǎng)將中央級(jí)綜合監(jiān)控系統(tǒng)、車站級(jí)綜合監(jiān)控系統(tǒng)（含車站及場(chǎng)段）和相關(guān)的輔助子系統(tǒng)（包含培訓(xùn)系統(tǒng)、維護(hù)管理系統(tǒng)、仿真平臺(tái)及網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)等）串聯(lián)起來，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體。全線綜合監(jiān)控系統(tǒng)按中央、車站兩級(jí)調(diào)度管理，中央、車站、就地三級(jí)監(jiān)控的方式設(shè)置，在控制中心設(shè)置中央級(jí)冗余服務(wù)器及調(diào)度工作站實(shí)現(xiàn)對(duì)全線機(jī)電設(shè)備的集中管控。各站點(diǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置站級(jí)冗余服務(wù)器、值班員工作站實(shí)現(xiàn)對(duì)本站點(diǎn)及相鄰半個(gè)區(qū)間的機(jī)電設(shè)備監(jiān)控（圖1）。

3 ISCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向

3.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流向

本項(xiàng)目ISCS采用大型分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫作為整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫部署在中央級(jí)冗余實(shí)時(shí)服務(wù)器、車站冗余服務(wù)器、場(chǎng)段冗余服務(wù)器、DMS服務(wù)器、NMS服務(wù)器、TMS服務(wù)器、STP服務(wù)器等服務(wù)器中。ISCS系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流包含兩部分：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的上傳及控制命令的下發(fā)（圖2）。

3.1.1 實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)流向

（1）部分子系統(tǒng)設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過FEP傳入對(duì)應(yīng)實(shí)時(shí)服務(wù)器;另一部分子系統(tǒng)設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)直接接入對(duì)應(yīng)實(shí)時(shí)服務(wù)器，是否通過FEP接入通常取決于系統(tǒng)接口設(shè)計(jì);（2）各級(jí)工作站直接從對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)服務(wù)器獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示;（3）中央歷史服務(wù)器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)歷史來源于相對(duì)應(yīng)中央實(shí)時(shí)服務(wù)器。

3.1.2 控制命令的下發(fā)數(shù)據(jù)流向

（1）車站工作站下發(fā)控制命令，經(jīng)車站冗余服務(wù)器和車站FEP，下發(fā)至接口子系統(tǒng)控制器;（2）中心工作站下發(fā)控制命令，經(jīng)中央冗余服務(wù)器至對(duì)應(yīng)車站FEP，由車站FEP下發(fā)至接口子系統(tǒng)控制器，控制車站級(jí)設(shè)備;（3）中心工作站下發(fā)控制命令，經(jīng)中央冗余服務(wù)器至中央FEP，下發(fā)至中央接口子系統(tǒng)控制器，控制中央級(jí)子系統(tǒng)接口設(shè)備。

3.2 歷史數(shù)據(jù)流流向

本項(xiàng)目綜合監(jiān)控系統(tǒng)的站級(jí)不再獨(dú)立設(shè)置歷史服務(wù)器，所有的歷史趨勢(shì)數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)和事件數(shù)據(jù)初始時(shí)分別存儲(chǔ)在控制中心/車站/車輛段的實(shí)時(shí)服務(wù)器，最終數(shù)據(jù)都將通過服務(wù)器到服務(wù)器的通訊傳送至控制中心的歷史服務(wù)器進(jìn)行存檔（圖3）。

操作員通過客戶端工作站的各類操作會(huì)作為歷史事件記錄，以本地文件的形式存儲(chǔ)在工作站上，并通過程序轉(zhuǎn)存至車站實(shí)時(shí)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫里，最終存儲(chǔ)到中央歷史服務(wù)器中;歷史數(shù)據(jù)通過軟件自帶的轉(zhuǎn)儲(chǔ)程序存儲(chǔ)在車站服務(wù)器上，再通過專用程序轉(zhuǎn)存至中央歷史服務(wù)器中。

對(duì)于站級(jí)3個(gè)月內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)，ISCS以歷史文件的形式存儲(chǔ)在本地，并且可以通過查詢工具進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢。對(duì)于站級(jí)存儲(chǔ)、查詢3個(gè)月之前的歷史數(shù)據(jù)以及中央級(jí)的存儲(chǔ)、查詢功能，可通過訪問配置在中央冗余歷史服務(wù)器上的歷史數(shù)據(jù)庫。歷史數(shù)據(jù)庫是一種高性能數(shù)據(jù)存檔系統(tǒng)，用于有效地收集，存儲(chǔ)和檢索任何基于時(shí)間的信息。采集器從ISCS的實(shí)時(shí)服務(wù)器收集信息，采集完信息之后，數(shù)據(jù)采集器（通過API）把信息傳送至歷史數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。該服務(wù)器再把信息壓縮并存儲(chǔ)在歸檔數(shù)據(jù)庫里。

在一個(gè)分布式環(huán)境中，如果采集器和歷史數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間通信發(fā)生中斷，則遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器會(huì)自動(dòng)地緩存收集到的各類數(shù)據(jù)。再次建立網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，數(shù)據(jù)采集器會(huì)自動(dòng)重新建立數(shù)據(jù)流并將所有緩存的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器。

4 ISCS數(shù)據(jù)同步

4.1 ISCS系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)

綜合監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可劃分為子系統(tǒng)層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。

（1）子系統(tǒng)層冗余。所有接入ISCS的子系統(tǒng)，采用兩路獨(dú)立的信號(hào)線接入，且兩路信號(hào)必須同時(shí)在線交換數(shù)據(jù)，以此保證子系統(tǒng)級(jí)數(shù)據(jù)的冗余切換不受上層的影響。

（2）鏈路層冗余。鏈路層的冗余功能由鏈路或其它通信模塊實(shí)現(xiàn)，鏈路級(jí)由兩臺(tái)互為冗余的鏈路設(shè)備組成。在每一個(gè)數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)，各鏈路均獨(dú)立對(duì)各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和協(xié)議轉(zhuǎn)換。在子系統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)鏈路故障時(shí)，主鏈路檢測(cè)到該故障后，即通過主備鏈路通信程序向備用鏈路請(qǐng)求該部分子系統(tǒng)數(shù)據(jù)。若備用鏈路也檢測(cè)到該數(shù)據(jù)鏈路的故障，主鏈路即可判斷出子系統(tǒng)故障同時(shí)向車站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)出告警信息。若備用鏈路中該子系統(tǒng)無故障狀態(tài)，主鏈路將備用鏈路中的數(shù)據(jù)作為正常數(shù)據(jù)對(duì)外發(fā)布。對(duì)于主備鏈路而言，接入子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信鏈路故障并不引起其主備切換。通過鏈路數(shù)據(jù)通信服務(wù)程序，冗余鏈路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外數(shù)據(jù)發(fā)布的一致性，即若某子系統(tǒng)連接到鏈路的兩條數(shù)據(jù)鏈路中的其中任意一條發(fā)生故障，該鏈路仍然可以通過數(shù)據(jù)交換服務(wù)程序獲得該子系統(tǒng)冗余數(shù)據(jù)鏈路上的數(shù)據(jù)，其所提供的數(shù)據(jù)也仍然有效。

（3）網(wǎng)絡(luò)層冗余。整個(gè)ISCS網(wǎng)絡(luò)均采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)，作為常用的高級(jí)工業(yè)冗余網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，雙環(huán)網(wǎng)絡(luò)可保證較快的網(wǎng)絡(luò)鏈路切換時(shí)間，且具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，可允許交換機(jī)、鏈路、網(wǎng)卡等故障。綜合監(jiān)控主干網(wǎng)與設(shè)備環(huán)網(wǎng)都采用環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備環(huán)網(wǎng)與主干網(wǎng)的冗余連接。

（4）應(yīng)用層冗余。應(yīng)用層冗余是指服務(wù)器之間的冗余以及調(diào)度工作站的冗余。為有效實(shí)現(xiàn)應(yīng)用級(jí)冗余，通信鏈路均采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，兩路通信鏈路采用主備形式同時(shí)以該協(xié)議對(duì)外進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。站級(jí)實(shí)時(shí)服務(wù)器支持雙網(wǎng)卡冗余鏈接，通過分別與兩個(gè)鏈路相連，可以保證任一鏈路發(fā)生故障，都不影響該實(shí)時(shí)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)交換。此外，兩臺(tái)實(shí)時(shí)服務(wù)器之間通過監(jiān)控平臺(tái)自身的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了冗余，當(dāng)主實(shí)時(shí)服務(wù)器由于系統(tǒng)故障不能正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)用服務(wù)自動(dòng)切換到另外一臺(tái)正常服務(wù)器上運(yùn)行，對(duì)監(jiān)控工作站而言，任意時(shí)刻都能與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，保證了監(jiān)控工作站的高可靠性和高可用性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全冗余功能。

4.2 數(shù)據(jù)同步

ISCS平臺(tái)的數(shù)據(jù)同步主要包含：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步、歷史數(shù)據(jù)同步、報(bào)警數(shù)據(jù)同步、控制輸出的唯一性等幾個(gè)方面。主服務(wù)器作為監(jiān)視和控制的唯一的數(shù)據(jù)源，網(wǎng)絡(luò)上所有的工作站都必須通過主服務(wù)器進(jìn)行監(jiān)視和控制;備服務(wù)器保證同主服務(wù)器的數(shù)據(jù)同步。

4.2.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的同步主要依靠驅(qū)動(dòng)程序數(shù)據(jù)的同步來實(shí)現(xiàn)

兩臺(tái)互為冗余服務(wù)器同時(shí)從子系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，通信對(duì)象相同，所以通信數(shù)據(jù)完全一致。

4.2.2 中央冗余歷史數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)中央歷史數(shù)據(jù)的同步，在車站服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上建立歷史數(shù)據(jù)恢復(fù)的功能來實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的同步

（1）車站數(shù)據(jù)采集器具備冗余同步和數(shù)據(jù)緩存功能。

（2）如果車站服務(wù)器與歷史服務(wù)器之間發(fā)生中斷，車

站數(shù)據(jù)采集器會(huì)自動(dòng)地緩存采集到的數(shù)據(jù)。當(dāng)連接再次建立時(shí)，采集器會(huì)自動(dòng)把所有緩存的數(shù)據(jù)發(fā)送到歷史服務(wù)器。

（3）在一臺(tái)車站服務(wù)器與網(wǎng)絡(luò)連接丟失并且重建后，

在連續(xù)的數(shù)據(jù)中會(huì)有一段由于網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤而引起的數(shù)據(jù)中斷。此時(shí)，ISCS系統(tǒng)將檢查故障服務(wù)器的數(shù)據(jù)完整性并從另一臺(tái)服務(wù)器獲取丟失的數(shù)據(jù)來恢復(fù)這段中斷區(qū)域。

4.2.3 ISCS報(bào)警同步器實(shí)現(xiàn)報(bào)警的同步

在系統(tǒng)配置中為冗余服務(wù)器配置好冗余后，ISCS自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警啟動(dòng)隊(duì)列服務(wù)，該服務(wù)確保了在連接丟失和連接重建時(shí)報(bào)警不會(huì)丟失。同時(shí)同步報(bào)警確認(rèn)，當(dāng)主、備服務(wù)器都運(yùn)行時(shí)，確保只需確認(rèn)一次報(bào)警。

4.2.4 主服務(wù)器是唯一數(shù)據(jù)源，保證了控制輸出的唯一性

在控制輸出的時(shí)候，客戶端的控制命令僅通過當(dāng)前活動(dòng)的服務(wù)器發(fā)送到子系統(tǒng)設(shè)備，非活動(dòng)服務(wù)器僅接收數(shù)據(jù)，保證了控制輸出是唯一的。

5 結(jié)束語

綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）作為一個(gè)高度集成的綜合管控平臺(tái)，具有數(shù)據(jù)流量大，冗余度高，數(shù)據(jù)流向繁雜等特點(diǎn)，合理的數(shù)據(jù)流向和數(shù)據(jù)同步策略可優(yōu)化ISCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，保證ISCS系統(tǒng)的穩(wěn)定性，完善地鐵系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)水平。

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