城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)再認(rèn)識(shí)概念體系結(jié)構(gòu)與技術(shù)

1、城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)再認(rèn)識(shí)-概念、體系結(jié)構(gòu)與技術(shù)摘要：本文在對(duì)城市軌道交通系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了軌道交通系統(tǒng)的五大技術(shù)需求，論述了城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)理念和方法。通過對(duì)傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析比較，指出自律分布體系結(jié)構(gòu)是城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)的理想結(jié)構(gòu)。最后對(duì)自律分布系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行了綜述，并從技術(shù)成熟性和技術(shù)特點(diǎn)的角度對(duì)其進(jìn)行了分析和討論。關(guān)鍵詞：城市軌道交通 自動(dòng)化 體系結(jié)構(gòu) 自律分布系統(tǒng)Abstract: Based on analysis of characteristics of the urban railroad transportation systems,

2、the technical requirements of railroad transportation systems are proposed, the design principle and method of urban railroad transportation automation system are also discussed in this paper. Compare with the conventional system architecture, we argue that the autonomous decentralized system archit

3、ecture is an ideal architecture for urban railroad transportation automation system. Finally, the outline of autonomous decentralized system was described from technical maturity and advantage point of view respectively.Keywords: Urban Railroad Transportation; Automation; System Architecture; Autono

4、mous Decentralized System一、 城市軌道交通系統(tǒng)的特點(diǎn)及其技術(shù)需求 在討論城市軌道交通系統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)之前，對(duì)城市軌道交通系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行分析是十分必要的。下面從七個(gè)方面逐一進(jìn)行分析。1 城市軌道交通規(guī)劃的可持續(xù)性 隨著中國城市化進(jìn)程的發(fā)展，主城區(qū)向外擴(kuò)展、主城區(qū)和衛(wèi)星城連成一體是一個(gè)明顯的趨勢(shì)。城市軌道交通系統(tǒng)規(guī)劃要能適應(yīng)這一不斷發(fā)展和擴(kuò)展的需求。然而，存在的主要問題是：準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)未來的發(fā)展具有很多不確定因素。也就是說，當(dāng)前的規(guī)劃在將來是要變的。這就要求我們的規(guī)劃要充分考慮系統(tǒng)的變化因素，反過來也要考慮現(xiàn)有系統(tǒng)和未來系統(tǒng)的平滑銜接和升級(jí)。用技術(shù)的語言講就是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的靈活性

5、和可擴(kuò)展性。2 城市軌道交通系統(tǒng)建設(shè)的階段性 城市軌道交通系統(tǒng)建設(shè)受投資、征地等諸多因素制約，不可能像大鐵路那樣一次設(shè)計(jì)、一次建設(shè)，需要分階段地建設(shè)和實(shí)施，一般的形態(tài)是逐線建設(shè)，即使是一條線也要求分段建設(shè)。這樣的建設(shè)模式給系統(tǒng)運(yùn)行帶來很大的挑戰(zhàn)。對(duì)于分階段實(shí)施的系統(tǒng)而言，很明顯要求系統(tǒng)具有擴(kuò)充性。對(duì)于能夠一次建成的系統(tǒng)，建成后的系統(tǒng)升級(jí)和改造，要求不中斷系統(tǒng)的運(yùn)行，從這個(gè)角度看，要求系統(tǒng)具有在線特性，即邊測(cè)試，邊運(yùn)行。此外，還應(yīng)考慮系統(tǒng)運(yùn)用過程中的在線培訓(xùn)。系統(tǒng)的擴(kuò)充性和在線特性對(duì)于降低系統(tǒng)的開發(fā)成本，運(yùn)行成本都是有直接好處的。這一問題也可以歸結(jié)為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的靈活性和可擴(kuò)展性。3 運(yùn)輸組織的多樣

6、化和高密度化 運(yùn)輸組織的多樣化是指根據(jù)節(jié)假日和重大活動(dòng)適時(shí)地調(diào)整運(yùn)輸計(jì)劃并付諸實(shí)施。這就要求建立在線實(shí)時(shí)的運(yùn)輸計(jì)劃系統(tǒng)，即運(yùn)行圖系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小時(shí)級(jí)計(jì)劃的調(diào)整。 在上下班的高峰期實(shí)現(xiàn)列車的高密度運(yùn)行是必須的，比如120秒的運(yùn)行間隔。高密度運(yùn)行與列車自動(dòng)控制方式（ATC）和行車指揮系統(tǒng)密切相關(guān)。在這樣的需求之下，存在兩條不同的技術(shù)路線：信息集中控制集中，信息集中控制分散。就行車指揮系統(tǒng)而言，如何進(jìn)行選擇可用下面的事例來說明。 日本的新干線由JR東日本，JR西日本，JR東海道等鐵路公司運(yùn)營。因此，新干線的運(yùn)輸調(diào)度指揮系統(tǒng)分為二大類：其一為COMTRAC（JR西日本，JR東海道采用），其二為COSMOS

7、（JR東日本采用）。COMTRAC采用的是信息集中控制集中模式，而COSMOS采用的是信息集中控制分散模式。 基于可靠的理由，在阪神大地震后，COMTRAC建有第二指令所（調(diào)度所）。 需強(qiáng)調(diào)指出是信息集中是指列車計(jì)劃信息（運(yùn)行圖）的集中，以及列車運(yùn)行實(shí)績（在線狀態(tài)）的集中?？刂品稚⑹侵噶熊囘M(jìn)路控制由各個(gè)車站的系統(tǒng)程序進(jìn)路控制裝置（PRC）完成。站間協(xié)調(diào)的準(zhǔn)則就是列車運(yùn)行圖。 從上面的分析中可以看出，車站PRC只要有運(yùn)行圖信息就可以實(shí)施進(jìn)路控制。在正常情況下，由調(diào)度中心向車站PRC傳送運(yùn)行圖信息；而在非正常情況下（災(zāi)害），由各車站PRC定期保存基本運(yùn)行圖信息，以備緊急情況下使用。 至于列車在線信

8、息的集中，可以這樣考慮，在災(zāi)害時(shí)，只需收集列車運(yùn)行狀態(tài)的最少基本信息，而不必建設(shè)1：1的備用中心。 日本東京圈自律交通運(yùn)行控制系統(tǒng)（ATOS）是目前世界上最大的自律分布系統(tǒng)，它管理著東京地區(qū)的200多個(gè)車站和2000多公里線路。實(shí)現(xiàn)了行車指揮、設(shè)備監(jiān)控和旅客信息服務(wù)綜合自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)了列車的高密度運(yùn)行（120秒），實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的分階段的建設(shè)。具有典型性和代表性。這一系統(tǒng)也是采用的信息集中控制分散模式。 就列車自動(dòng)控制系統(tǒng)而言，有兩種模式。一是在地面系統(tǒng)生成速度指令，發(fā)送到軌道電路上，列車按速度指令行車；一個(gè)是地面系統(tǒng)只發(fā)送停車點(diǎn)信息，列車根據(jù)這一信息和自身的位置以及制動(dòng)性能自律地生成平滑的制動(dòng)曲線

9、。后一種模式也可以稱為（列車位置）信息集中（制動(dòng)）控制分散，可以適應(yīng)不同車輛不同的制動(dòng)性能，最大限度地實(shí)現(xiàn)高密度運(yùn)行。 因此，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸組織的多樣化和高密度化時(shí)，采用何種技術(shù)路線是必須認(rèn)真研究解決的問題。4 旅客服務(wù)的實(shí)效性 為旅客提供列車運(yùn)行信息的顯示和廣播是基本的要求。在非正常運(yùn)行情況下，實(shí)時(shí)地發(fā)布信息是關(guān)鍵。要求旅客服務(wù)系統(tǒng)和行車指揮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互連。5 維護(hù)作業(yè)管理模式 系統(tǒng)的維護(hù)模式是一個(gè)較少探討的問題，面前維護(hù)作業(yè)管理很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。系統(tǒng)維護(hù)模式也決定著系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)方式。 第一個(gè)問題涉及系統(tǒng)自身的維護(hù)。是不中斷運(yùn)行維護(hù)，還是在線維護(hù)與測(cè)試。即系統(tǒng)是否具備在線維護(hù)的能力。這又與系統(tǒng)的體

10、系結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。 第二個(gè)問題是維護(hù)的管理模式。是集中還是分擔(dān)。現(xiàn)有的維護(hù)管理模式可以說是一種集中模式，一切均在調(diào)度人員管制下完成。分擔(dān)的維護(hù)管理模式是指由調(diào)度中心、車站和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員共同完成維護(hù)作業(yè)。在這種模式下，調(diào)度中心負(fù)責(zé)信息（維護(hù)作業(yè)計(jì)劃）集中，車站負(fù)責(zé)進(jìn)路控制，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員負(fù)責(zé)維護(hù)作業(yè)時(shí)的進(jìn)路申請(qǐng)和作業(yè)實(shí)施。可以說，將過去調(diào)度中心的相當(dāng)權(quán)限下放給了車站和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員。各個(gè)環(huán)節(jié)具有相當(dāng)?shù)淖灾鳈?quán)并相互協(xié)調(diào)。支持這一維護(hù)管理模式，需要相應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和技術(shù)。6 安全性 安全性是城市軌道交通系統(tǒng)的基本要求。具體地講就是在軌道交通系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)如通信信號(hào)、行車指揮、列車控制、牽引供電和車輛等領(lǐng)域采

11、用故障-安全設(shè)計(jì)原則。故障-安全涉及硬件、軟件和通信編碼等方面。如何應(yīng)用故障-安全的理論和方法是我們面臨的問題。7 可用性 對(duì)城市軌道交通系統(tǒng)而言，故障-安全是不夠的。故障-安全從本質(zhì)上講是一種被動(dòng)的技術(shù)措施。如何保證運(yùn)輸服務(wù)的連續(xù)穩(wěn)定性，即可用性是我們的首要目標(biāo)。做到100%的可用在技術(shù)上是可行的，但代價(jià)往往是高的。有時(shí)由于外界因素（如災(zāi)害、人身傷亡事故等）的影響導(dǎo)致服務(wù)中斷是不可避免的，但不是無限期的。非正常情況下的快速恢復(fù)是一個(gè)關(guān)鍵。 在高密度運(yùn)行區(qū)間，為防止列車故障或事故時(shí)引發(fā)混亂、盡量減小列車晚點(diǎn)，需要靈活快捷的列車群自動(dòng)控制系統(tǒng)。在正常情況下，列車群自動(dòng)控制依賴于運(yùn)行圖；在非正常情

12、況下，要實(shí)現(xiàn)列車群的協(xié)調(diào)，如安排列車的避讓或折返、避免列車在站間停車等。傳統(tǒng)的列車群控制大多依賴于調(diào)度員的指揮，難于實(shí)現(xiàn)快速的事故恢復(fù)。 為保證運(yùn)輸服務(wù)的可用性，快捷的列車群自動(dòng)控制系統(tǒng)是必不可少的。從技術(shù)上講，實(shí)現(xiàn)可用性也有兩條技術(shù)路線：容錯(cuò)和防錯(cuò)。防錯(cuò)主要采用冗余技術(shù)，100%的備用，系統(tǒng)的成本太高。容錯(cuò)是真正容許模塊的錯(cuò)誤和故障的發(fā)生，采用模塊級(jí)備用方式，實(shí)現(xiàn)低成本化。綜上所述，城市軌道交通系統(tǒng)的技術(shù)需求可以歸納為如下幾個(gè)方面：（1） 系統(tǒng)的在線擴(kuò)展性（2） 系統(tǒng)的在線維護(hù)和測(cè)試性（3） 系統(tǒng)的在線容錯(cuò)性（4） 信息集中、控制分散的技術(shù)路線（5） 調(diào)度中心-車站-現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員協(xié)同的業(yè)務(wù)分

13、擔(dān)模式二、 城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)理念和方法 為滿足城市軌道交通系統(tǒng)的技術(shù)需求，需要建立新的設(shè)計(jì)開發(fā)理念和方法。提出如下觀點(diǎn)和方法供參考。1信息集中、控制分散的技術(shù)路線 為實(shí)現(xiàn)城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)輸組織的多樣化和高密度化，采用信息集中、控制分散的技術(shù)路線是一種理想選擇。2調(diào)度中心-車站-現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員協(xié)同的業(yè)務(wù)分擔(dān)模式 這一模式對(duì)實(shí)現(xiàn)城市軌道交通系統(tǒng)的高效協(xié)同運(yùn)行有重要意義。3城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 目前廣泛采用的是集中式體系結(jié)構(gòu)和客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)。對(duì)于大規(guī)模城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)而言，集中式的體系結(jié)構(gòu)已不能滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化和擴(kuò)展的要求，而客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)又存在著系統(tǒng)負(fù)荷過于

14、集中在服務(wù)器方等問題。因此，研究適合于大規(guī)模城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，以滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的要求是一項(xiàng)重大課題。4系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法學(xué) 目前，系統(tǒng)設(shè)計(jì)大多采用自頂向下的方法，包括結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)和面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)等方法。這些方法假定在設(shè)計(jì)階段系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、規(guī)模和功能是確定的。系統(tǒng)的擴(kuò)展和變化，必將引起整個(gè)系統(tǒng)的變化，可謂“牽一發(fā)動(dòng)全身”。對(duì)于大規(guī)模系統(tǒng)而言，不可能一次設(shè)計(jì)、一次建成，需要分階段地設(shè)計(jì)和建設(shè)實(shí)施。采用自底向上，由子系統(tǒng)逐步構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法學(xué)勢(shì)在必行。5系統(tǒng)容錯(cuò)技術(shù)(可靠性) 目前的雙機(jī)或多機(jī)冗余備用技術(shù)從根本上講是一種防錯(cuò)技術(shù)，即防止錯(cuò)誤的發(fā)生。在實(shí)際應(yīng)用中，存在著成本高，防不勝防等

15、問題。針對(duì)城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn)，研究開發(fā)低成本的、實(shí)現(xiàn)真正意義上的容錯(cuò)技術(shù)是必要的。6故障-安全技術(shù) 對(duì)于軌道交通電氣化自動(dòng)化系統(tǒng)這類要求故障-安全特性的系統(tǒng)，需要從硬件、軟件和通信等層面對(duì)故障-安全技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，并重點(diǎn)解決工程實(shí)用化問題。目前這一方面的研究相對(duì)薄弱。三、 城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1體系結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)用成敗的影響 在討論城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)之前，先以CTC系統(tǒng)為例，說明體系結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)用成敗的影響。 鐵路行車調(diào)度指揮系統(tǒng)采用CTC已有漫長的歷史。美國1927年開發(fā)了第一套CTC系統(tǒng)，以單線無人站為控制對(duì)象，以增加區(qū)間列車運(yùn)行數(shù)為目標(biāo)。實(shí)踐證明，其投

16、資效果是明顯的，到1955年所有干線基本實(shí)現(xiàn)了CTC化。歐洲（1943）、日本（1954）開始采用CTC系統(tǒng)，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)車站的無人化和經(jīng)營的效率化。 我國開展CTC的研究已有40余年的歷史，廣深、大秦、鄭武等線裝備了CTC系統(tǒng)而沒有開通或使用。其主要問題是：調(diào)度集中模式下，行車和調(diào)車作業(yè)的矛盾沒有解決。 基于CTC的運(yùn)輸管理模式可以說是一種集中模式，一切均在調(diào)度人員管制下完成。但調(diào)度員的管制能力又是有限的。 從技術(shù)上講，CTC采用的是典型的集中式體系結(jié)構(gòu)，對(duì)于大規(guī)模城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)而言，集中式的體系結(jié)構(gòu)已不能滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化和擴(kuò)展的要求，而客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)又存在著系統(tǒng)負(fù)荷過于集中在服務(wù)

17、器方等問題。 在高密度區(qū)間、客貨混跑條件下，傳統(tǒng)的CTC系統(tǒng)面臨如下問題：（1）大規(guī)模樞紐站仍然由人控制，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；（2）發(fā)生故障恢復(fù)運(yùn)行時(shí)相當(dāng)費(fèi)時(shí)；（3）維護(hù)作業(yè)依賴于人，存在安全隱患。在城市軌道交通系統(tǒng)中，仍然存在上述（2）（3）之問題。 在第一部分已經(jīng)提到，調(diào)度中心-車站-現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員協(xié)同的業(yè)務(wù)分擔(dān)模式。在這種模式下，調(diào)度中心負(fù)責(zé)信息集中，車站負(fù)責(zé)進(jìn)路控制，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員負(fù)責(zé)維護(hù)作業(yè)時(shí)的進(jìn)路申請(qǐng)和作業(yè)實(shí)施。可以說，將過去調(diào)度中心的相當(dāng)權(quán)限下放給了車站和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員。各個(gè)環(huán)節(jié)具有相當(dāng)?shù)淖灾鳈?quán)并相互協(xié)調(diào)。這一業(yè)務(wù)模式可稱為自律分布模式。 以“信息集中、控制分散”為基本理念的自律分布鐵路調(diào)

18、度指揮模式是解決我國CTC系統(tǒng)主要問題的一種理想選擇。支持自律分布模式的體系結(jié)構(gòu)是一種對(duì)等式體系結(jié)構(gòu)，又稱為自律分布體系結(jié)構(gòu)。2集中式體系結(jié)構(gòu) 在自動(dòng)化系統(tǒng)中，廣泛采用的是集中式結(jié)構(gòu)。對(duì)于城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)而言，集中式的體系結(jié)構(gòu)已不能滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化和擴(kuò)展的要求。在運(yùn)行過程中，其缺點(diǎn)表現(xiàn)為：圖1 集中式體系結(jié)構(gòu)（1） 所有的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息必須匯總到通訊前置機(jī)后再由通訊前置機(jī)發(fā)送到控制中心。這增加了信息傳輸中間環(huán)節(jié)，并且隨著現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的擴(kuò)展，增加了通訊前置機(jī)的負(fù)擔(dān)，通訊前置機(jī)是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制中心交互的咽喉，如果它出現(xiàn)故障，則整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。（2）現(xiàn)場(chǎng)的所有信息都是最終匯總到控制中心，控

19、制中心的計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種數(shù)據(jù)處理，最后由操作員工作站的屏幕上顯示出來。同時(shí)將各種控制信息發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)督和控制。這種集中式的監(jiān)控系統(tǒng)隨著監(jiān)控規(guī)模的不斷擴(kuò)大，必將大大加大控制中心的負(fù)擔(dān)。（3）若要對(duì)集中式結(jié)構(gòu)的監(jiān)控系統(tǒng)增加新的設(shè)備時(shí)，必須停止整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn) 行，并且還必須將控制中心的軟件進(jìn)行修改，甚至重新編寫軟件，這也將大大影響 監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行，而且將消耗大量的人力物力。3 客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)雖然減少了中間環(huán)節(jié)，方便了動(dòng)態(tài)擴(kuò)充，卻又存在著系統(tǒng)負(fù)荷過于集中在服務(wù)器的問題。圖2 客戶/服務(wù)器式體系結(jié)構(gòu)（1）客戶端每一次操作必須通過服務(wù)器統(tǒng)一處理。這樣使信息交互中的大量負(fù)擔(dān)集

20、中到了服務(wù)器，客戶端只執(zhí)行一些簡單任務(wù)。特別是在如今系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大的情況下，對(duì)服務(wù)容量要求必然會(huì)迅速增加，負(fù)荷進(jìn)一步加重，嚴(yán)重情況下，很可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，服務(wù)器處于癱瘓狀態(tài)。（2）同時(shí)由于客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)中服務(wù)器必須處理大量的信息，且客戶端均由服務(wù)器連接，如若要加入新的客戶端雖不影響其它客戶端的運(yùn)行性能，但必須對(duì)服務(wù)器進(jìn)行調(diào)整修改，服務(wù)器軟件也將被修改后才能使得整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行正常，這時(shí)，修改服務(wù)器將導(dǎo)致服務(wù)器部分失效或全部停止運(yùn)行。其它客戶端無法交換信息進(jìn)行連接，必然影響到整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行。（3）傳統(tǒng)的客戶/服務(wù)器應(yīng)用軟件模式大都是基于“肥客戶機(jī)”結(jié)構(gòu)下的兩層結(jié)構(gòu)。它面臨的一個(gè)主要的問題

21、是系統(tǒng)的擴(kuò)展及安裝維護(hù)困難。開發(fā)人員寫出的程序在客戶端運(yùn)行，占用了大量的系統(tǒng)資源和網(wǎng)絡(luò)資源。而在分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，C/S結(jié)構(gòu)更顯出他的不足： Client與Server直接連接，沒有中間結(jié)構(gòu)來處理請(qǐng)求，Server定位通常需要網(wǎng)絡(luò)細(xì)節(jié)，Server必須是活動(dòng)的（Active），客戶端的應(yīng)用程序嚴(yán)格依賴于服務(wù)器端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和組織方式。應(yīng)用接口的異構(gòu)性嚴(yán)重影響系統(tǒng)間的互操作。許多相同的功能模塊被多次重復(fù)開發(fā)，代碼的重用很困難。無法保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)可擴(kuò)展性差（無法實(shí)現(xiàn)在線維護(hù)和在線擴(kuò)展），容錯(cuò)性差，對(duì)多數(shù)據(jù)類型的應(yīng)用支持較差。由一個(gè)中心服務(wù)器處理所有數(shù)據(jù)，所有的數(shù)據(jù)都必須通過服務(wù)器的中轉(zhuǎn)，而

22、不是直接的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式，從而增加了不必要的延時(shí)。這種模式在服務(wù)器具備所有需要的信息的時(shí)候可以正常工作，而當(dāng)數(shù)據(jù)來源于多個(gè)節(jié)點(diǎn)且同時(shí)又被多個(gè)節(jié)點(diǎn)使用的時(shí)候就顯得力不從心了。而且服務(wù)器還是整個(gè)系統(tǒng)的性能瓶頸，若服務(wù)器由于某種原因出現(xiàn)故障，則整個(gè)系統(tǒng)的通信都將陷入癱瘓。所以，客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)無法滿足分布式實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的需求。4. 系統(tǒng)的通信模型 傳統(tǒng)的通信模型對(duì)應(yīng)于其傳統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，同樣具有一些技術(shù)上的問題需要解決。傳統(tǒng)的通信分為polling型和請(qǐng)求/應(yīng)答型（request/reply）。（1）Polling通信模型 其主要問題在于控制中心的服務(wù)器采用定時(shí)輪詢技術(shù)，控制中心發(fā)出信息后，各個(gè)客戶端是

23、按照與控制中心聯(lián)接的順序來接收信息并對(duì)控制中心的信息做出反應(yīng)，例如在Master對(duì)Slave1發(fā)出信息后，Slave1接收信息并做出反應(yīng)后將發(fā)出回饋信息到Master, Master在接收到Slave1的信息后再向Slave2發(fā)送信息，以此類推，在最末端的Slave i將在最后接收到Master發(fā)出的信息，在這個(gè)過程中如若其中某一個(gè)Slave出現(xiàn)問題或聯(lián)接中斷，則該Slave后的其他客戶端將接收不到信息，無法做出反應(yīng)。并且這種通信方式將花費(fèi)大量的時(shí)間，對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性造成很大的障礙。（2） 請(qǐng)求/應(yīng)答通信模型（Request/Reply）則對(duì)應(yīng)于客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)。 請(qǐng)求/應(yīng)答通

24、信模型是基于TCP/IP協(xié)議的一種網(wǎng)絡(luò)化通信模型。它是一種客戶端向服務(wù)器發(fā)出發(fā)送信息的請(qǐng)求后，在得到服務(wù)器應(yīng)答后才能發(fā)送信息的通信模式。與polling通信模型相比較而言，其優(yōu)點(diǎn)在于無需各客戶端按照順序來進(jìn)行應(yīng)答，從而節(jié)省了大量的時(shí)間，但是如若一旦服務(wù)器發(fā)生故障，則通信就無法進(jìn)行，也將影響到監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行。 從上述兩種通信模型來看，兩者都有一些技術(shù)上的問題有待解決，而影響了監(jiān)控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展及可靠性，需要有新的通信模型來加以改進(jìn)。5. 自律分布系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 自律分布系統(tǒng)(Autonomous -Decentralized System-ADS)，在降低系統(tǒng)復(fù)雜程度、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展方面是一個(gè)很大

25、的進(jìn)步。自律分布的思想是向生物學(xué)習(xí)而提出來的。在生物體中，每個(gè)細(xì)胞具有相同的遺傳信息。據(jù)此，自律分布系統(tǒng)認(rèn)為構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)具有相同的潛在能力，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以從其他節(jié)點(diǎn)接收信息，然后選擇必要的信息加以自律地處理。在自律分布系統(tǒng)中，任何程序只與數(shù)據(jù)域(池)發(fā)生聯(lián)系，從而避免了程序之間的直接連接，有效地降低了系統(tǒng)的整體復(fù)雜性。在自律分布系統(tǒng)中，采用功能碼通信方式。發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)與表示其內(nèi)容的功能碼組成一對(duì)，向數(shù)據(jù)域（池）發(fā)送。接收數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)從數(shù)據(jù)域中讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)程序所需的數(shù)據(jù)到達(dá)數(shù)據(jù)域時(shí)，由系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)該程序。這種方式稱為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式。數(shù)據(jù)域、功能碼通信、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)是自律分布系統(tǒng)的三大

26、特征。自律分布系統(tǒng)已從專用控制網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到通用網(wǎng)絡(luò)如以太網(wǎng)。自律分布系統(tǒng)在降低系統(tǒng)復(fù)雜性和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在線擴(kuò)展、在線維護(hù)和在線容錯(cuò)方面是有效的。四、解決方案-自律分布系統(tǒng)（ADS）技術(shù)1ADS技術(shù)綜述 系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大的趨勢(shì)表明，在設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)，不可能一次性將各個(gè)部分、各個(gè)環(huán)節(jié)都考慮完整周全，而必須隨著系統(tǒng)的分階段建設(shè)不斷擴(kuò)充規(guī)模、不斷完善功能?，F(xiàn)有的自動(dòng)化系統(tǒng)都是一次性建設(shè)完畢，如要進(jìn)行擴(kuò)充和維護(hù)，只能終止整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，這必然會(huì)給運(yùn)輸造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。自律分布系統(tǒng)，即ADS（Autonomous Decentralized System）。構(gòu)成自律分布系統(tǒng)的首要條件是子系統(tǒng)的存在性。整個(gè)A

27、DS 系統(tǒng)是不能事先定義的，只能籠統(tǒng)地定義為若干子系統(tǒng)的集成。ADS 系統(tǒng)最關(guān)鍵的特點(diǎn)就是子系統(tǒng)的自我控制和自我協(xié)調(diào)的能力。(1)自我控制表現(xiàn)在一旦某個(gè)子系統(tǒng)出現(xiàn)故障、進(jìn)行維修或剛剛加入，其它子系統(tǒng)可以不受干擾地管理和運(yùn)行自己的功能。(2)自我協(xié)調(diào)是指一旦某個(gè)子系統(tǒng)出現(xiàn)故障、進(jìn)行維修或剛剛加入，其它子系統(tǒng)能夠在在它們內(nèi)部協(xié)調(diào)處理完成各自的任務(wù)。 正是子系統(tǒng)的這兩個(gè)特點(diǎn)保證了整個(gè)系統(tǒng)的在線擴(kuò)展、在線維護(hù)和容錯(cuò)。因此根據(jù)ADS 思路設(shè)計(jì)的自動(dòng)化系統(tǒng)體現(xiàn)了以下優(yōu)點(diǎn)： 首先，它不再基于傳統(tǒng)的C/S 模型，而是由若干子系統(tǒng)構(gòu)成。各個(gè)子系統(tǒng)之間是相互平等的，不存在依附關(guān)系，可以自主運(yùn)作，但這并不表明它們不

28、與外界交換信息。實(shí)際上，各個(gè)子系統(tǒng)不斷向外界以廣播方式發(fā)送信息，同時(shí)又根據(jù)各自需求接收來自外界的信息以為自己服務(wù)。這樣一來，C/S 模式中服務(wù)器大量的負(fù)擔(dān)被有限地分散了，而且加快了子系統(tǒng)間信息的交換速度。 ADS的核心協(xié)議ADP是建立在TCP/IP的UDP協(xié)議之上的一個(gè)應(yīng)用層協(xié)議。因此，只要支持TCP/IP協(xié)議的環(huán)境都可以支持ADS技術(shù)。目前，ADS標(biāo)準(zhǔn)草案（ISO/TC184/SC5/SG5）已提交給國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，即將被采納為國際標(biāo)準(zhǔn)。另外，ADS 與OPC（OLE for Process Control）和CORBA的融合及其標(biāo)準(zhǔn)化工作正在進(jìn)行之中。 日本東京圈自律交通運(yùn)行控制系統(tǒng)（AT

29、OS）是目前世界上最大的自律分布系統(tǒng)，它管理著東京地區(qū)的200多個(gè)車站和2000多公里線路。實(shí)現(xiàn)了行車指揮、設(shè)備監(jiān)控和旅客信息服務(wù)綜合自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)了列車的高密度運(yùn)行（120秒），實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的分階段的建設(shè)。具有典型性和代表性。如下圖所示。2. ADS的技術(shù)成熟性 自律分布系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和相關(guān)技術(shù)是成熟的、可靠的，其理由如下：（1）ADS是一種開放的技術(shù)ADS的核心協(xié)議ADP是建立在TCP/IP的UDP協(xié)議之上的一個(gè)應(yīng)用層協(xié)議。因此，只要支持TCP/IP協(xié)議的環(huán)境都可以支持ADS技術(shù)。（2）ADS即將被采納為ISO國際標(biāo)準(zhǔn)目前，ADS標(biāo)準(zhǔn)草案（ISO/TC184/SC5/SG5）已提交給國際標(biāo)準(zhǔn)化組

30、織，即將被采納為國際標(biāo)準(zhǔn)。另外，ADS 與OPC（OLE for Process Control）和CORBA的融合及其標(biāo)準(zhǔn)化工作正在進(jìn)行之中。（3）ADS有成功的應(yīng)用實(shí)踐日本東京圈自律交通運(yùn)行控制系統(tǒng)（ATOS）是目前世界上最大的自律分布系統(tǒng)，它管理著東京地區(qū)的200多個(gè)車站和2000多公里線路。實(shí)現(xiàn)了行車指揮、設(shè)備監(jiān)控和旅客信息服務(wù)綜合自動(dòng)化。實(shí)現(xiàn)了列車的高密度運(yùn)行（90秒），實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的分階段的建設(shè)。具有典型性和代表性。（4）ADS有較成熟的開發(fā)平臺(tái)和工具目前，自律分布系統(tǒng)的主要開發(fā)工具有：NXDlink, NXDFS, NXConstructor32, NXMaRT-View, NXM

31、aRT-Watch等。均支持目前主流的操作系統(tǒng)平臺(tái)如UNIX, Windows NT, 還支持PLC和設(shè)備網(wǎng)（DeviceNet）。因此，采用自律分布系統(tǒng)在技術(shù)上是完全可行的，其產(chǎn)品是可靠的。3采用ADS技術(shù)的城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)主要特點(diǎn)31 在線可擴(kuò)展性（1）在系統(tǒng)中假如有新節(jié)點(diǎn)（車站）加入，在數(shù)據(jù)域中的所有節(jié)點(diǎn)都將接收這一信息，同時(shí)可在控制中心看見這個(gè)新站加入系統(tǒng)中。（2）假如在線的車站突然因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)故障退出了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其他所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)知道這一狀況，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障被排除以后，節(jié)點(diǎn)重新加入系統(tǒng)，并且自動(dòng)向控制中心發(fā)送自己最新的信息。并且盡力來恢復(fù)故障前的狀態(tài)，可見系統(tǒng)有很好的伸縮性。32 在線可

32、維護(hù)性 運(yùn)行圖文件可以在控制中心在線修改，修改后可以下傳到各個(gè)車站控制子系統(tǒng)。在節(jié)點(diǎn)在線的情況下可以自由地對(duì)軟件系統(tǒng)內(nèi)容進(jìn)行修改和維護(hù)。33 在線容錯(cuò)性（1）假如控制中心主機(jī)發(fā)生了故障，在控制中心的其它備用主機(jī)就會(huì)自動(dòng)取得控制中心的控制權(quán)，同時(shí)系統(tǒng)中的其它節(jié)點(diǎn)也會(huì)重新確認(rèn)新的控制中心節(jié)點(diǎn)，向它傳輸最新的信息。當(dāng)發(fā)生故障的原控制中心主機(jī)重新加入系統(tǒng)以后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的接納它，同時(shí)它也會(huì)確認(rèn)為新的控制中心。（2）處于遠(yuǎn)程控制模式下的車站節(jié)點(diǎn)，在發(fā)生本地網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，該節(jié)點(diǎn)會(huì)將自己升級(jí)為控制中心并且由遠(yuǎn)程控制模式切換為本地控制模式。（3）在發(fā)生災(zāi)害時(shí)普通節(jié)點(diǎn)可以通過請(qǐng)求應(yīng)答的方式來向控制中心請(qǐng)求成為控制

33、中心，這樣控制中心就可以自由的漂移?？梢娤到y(tǒng)有較為理想的在線容錯(cuò)性。34 能較好地貫徹信息集中控制分散的技術(shù)路線 信息集中要保證信息的實(shí)時(shí)性。這里有二層含義：調(diào)度中心實(shí)時(shí)地得到列車在線信息；各個(gè)車站平等地得 到調(diào)度中心發(fā)布的運(yùn)行圖信息。ADS系統(tǒng)采用的發(fā)布/定購?fù)ㄐ拍Ｐ湍芎芎玫乇ＷC信息的實(shí)時(shí)性?？刂泼钤诰W(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)脑?，通信線路故障或主機(jī)故障將導(dǎo)致系統(tǒng)失效。采用ADS技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制分散可有效避免系統(tǒng)失效的風(fēng)險(xiǎn)。 在ADS體系中，由于各個(gè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)是對(duì)等的，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有潛在的相同的能力，區(qū)別只是應(yīng)用層的功能不同而已，而且這種區(qū)別是由管理者的方便造成的，而不是設(shè)計(jì)階段決定的。這意味著系統(tǒng)中的任何

34、一個(gè)節(jié)點(diǎn)隨時(shí)可以成為控制中心。這種靈活性對(duì)保證系統(tǒng)的可用性是非常有效的，特別是在災(zāi)害發(fā)生時(shí)。此外，車站節(jié)點(diǎn)的本地/遠(yuǎn)程運(yùn)行模式能方便地實(shí)現(xiàn)調(diào)度中心臨時(shí)管制。五、結(jié)論 本文從七個(gè)方面對(duì)城市軌道交通系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，進(jìn)而提出了軌道交通系統(tǒng)的五大技術(shù)需求，分別是1）系統(tǒng)的在線擴(kuò)展性；2）系統(tǒng)的在線維護(hù)和測(cè)試性；3） 系統(tǒng)的在線容錯(cuò)性；4）信息集中、控制分散的技術(shù)路線；5）調(diào)度中心-車站-現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員協(xié)同的業(yè)務(wù)分擔(dān)模式。 在此基礎(chǔ)上，提出了城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)新的設(shè)計(jì)開發(fā)理念和方法。為滿足城市軌道交通系統(tǒng)的技術(shù)需求，需要建立設(shè)計(jì)開發(fā)理念和方法。為實(shí)現(xiàn)城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)輸組織的多樣化和高密度化，采

35、用信息集中、控制分散的技術(shù)路線是一種理想選擇；調(diào)度中心-車站-現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員協(xié)同的業(yè)務(wù)分擔(dān)模式對(duì)實(shí)現(xiàn)城市軌道交通系統(tǒng)的高效協(xié)同運(yùn)行有重要意義；自律分布體系結(jié)構(gòu)是適合于大規(guī)模城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)的理想選擇；采用自底向上，由子系統(tǒng)逐步構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法學(xué)可以支持城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)分階段建設(shè)實(shí)施。 最后對(duì)自律分布系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行了綜述，并從技術(shù)成熟性和技術(shù)特點(diǎn)的角度對(duì)其進(jìn)行了分析和討論。采用自律分布系統(tǒng)技術(shù)在技術(shù)上完全可行的，同時(shí)自律分布系統(tǒng)能很好地滿足城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)的技術(shù)需求并支持本文提出的設(shè)計(jì)開發(fā)理念和方法。參考文獻(xiàn)l F. Kitahara et al. “Distribute

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