（系统理论专业论文）铁路安全综合监控系统开放式集成架构及应用.pdf

中文摘要 摘要：本文研究了国外发达铁路的行车安全保障技术的发展和我国的现状， 提出了建立综合性安全监控系统的迫切需求。由于铁路安全综合监控系统需要全 方位的对各类铁路安全因素采取控制和管理，系统的建设是极其复杂的，而且在 我国尚无先例可参照。因此在典型集成体系的指导下，针对铁路安全综合监控系 统的特点，本文提出了一个六层的开放式集成架构一一0 蝴c m c s ( o p e n i n t e g r a t i o na r c h i t e c t u r eo fr a i l w a ys a f e t yc o m p r e h e n s i v em o n i t o ra n dc o n t r o l s y s t e m ，铁路安全综合监控系统开放式集成架构) ，并详细描述了各层的功能定 义和技术实现，并从理论上给出这种分层结构的优点。同时对于服务的规范进行 了语义描述，针对不同实现技术的服务互操作问题进行研究，提出了一种通用的 服务代理模式，并将服务组合划分为同构服务组合和异构服务组合，提出了服务 组合的优化算法。 展后，本文给出了一个集成架构的实例青藏铁路安全综合监控系统。从 本项目的来源与背景入手，分析了安全综合监控的业务需求，并且基于前文的研 究成果确定了该系统的设计方案和实现。从而验证了o i a r s c m c s 在技术上的可 行性。 关键词：铁路安全：监控系统；集成架构 分类号； a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h i sp a p e ra n a l y z e dt h es t a t u so f f o r e i g nm i l w a ys a f e g u a r d t e c h n o l o g ya n dt h ep r e s e n tc o n d i t i o ni no u rc o u n t r y t h en e e do fr a i l w a ys a f e t y c o m p r e h e n s i v em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e me s t a b l i s h m e n ti sa l r e a d ym o r ea n dm o r e u r g e n t b e c a u s er a i l w a ys a f e t yc o m p r e h e n s i v em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mn e e dt o c o n l r o la n dm a n a g ee a c hk i n do ff a c t o rw i t hs a f er a i l r o a d t h es y s t e m se s t a b l i s h m e n ti s v e r yc o m p l i c a t e d , a n di no u rc o u n t r ys t i l lh a v et l ot h ep r e c e d e n tt os i m u l a t e t h e nw i m t h eg u i d a n c eo ft h e s et y p i c a li n t e g r a t e ds t r u c t u r e s ，a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e m i l r o a ds a f e t yc o m p r e h e n s i v em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m , t h ep a p e rp u tf o r w a r da n o p e ni n t e g r a t i o na r c h i t e c t u r e - - - - o i a r s c m c s ( o p e ni n t e g r a t i o na r c h i t e c t u r eo f r a i l w a ys a f e t yc o m p r e h e n s i v em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m ) ，w h i c hh a s6l a y e r s ，a n d d e s c r i b e df u n c t i o nd e f i n i t i o na n dt h et e c h n i q u eo fe a c h l a y e ri nd e t a i l ，a n a l y s e dt h e a d v a n t a g eo ft h i sl a y e r i n gs t r u c t u r ei nt h e o r y t h e nt h i sp a p e rd c s c r i b e dt h es e r v i c e c r i t e r i o nb a s e do ns e m a n t i c a ng e n c r o l 涮- v i c ea g e n c ym o d ei s p r o p o s e dt os o l v e s e r v i c ei n t e r o p e r a t i o np r o b l e m , w h i c hi m p l e m e n tw i t hd i f f e r e n tt e c h n o l o g y t h i sp a p e r d i v i d e ds e r v i c ec o m p o s i t i o ni n t oi s o m o r p h i cs e r v i c ec o m p o s i t i o na n di s o m c r o u ss e r v i c e c o m p o s i t i o n ，t h e np r e s e n t e das e r v i c ec o m p o s i t i o na l g o r i t h m f i l l a l l y ，b a s e do nt h eo i a r s c m ，ap r o t o t y p ei sd e s i g n e da n dr e a l i z e d q i n g z a n gr a i l w a ys a f e t yc o m p r e h e n s i v em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m c o m m e n c i n gf r o m s o u l c ea n db a c k g r o u n do ft h i sp r o j e c t , t h ep a p e ra n a l y z e dt h eb u s i n e s sn e e do fs a f e t y c o m p r e h e n s i v em o n i t o ra n dc o n t r o l ，d e s i g n e da n dr e a l i z e dt h es y s t e ma c c o r d i n gt ot h e r e s e a r c hr e s u l to f p r e c e d i n gp a r a g r a p h s nv e r i f yt h et e c h n o l o g i c a lf e a s i b i l i t yo f t h eo i a r s c m c s 。 k e y w o r d s ：r a i l w a ys a f e t y ；m o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m ；i n t e g r a t i o nf r a m e w o r k c l a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 学位论文作者签名： 上初 导师签名： 勿纭 签字日期：妒7 年，钥t 日签字日期：矽力年，。朋j 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文储签名上杨 签字日期 妒7 年伽上日 致谢 本论文的工作是在我的导师贾利民教授的悉心指导下完成的，贾利民教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢近三年 来贾利民老师对我的关心和指导。 秦勇教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向秦老师表示衷心的谢意。 王艳辉教授、王卓教授、蔡国强教授对于我的科研工作和论文都提出了许多 的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，李文杰、仇宁海等同学对我论文的研究工作 给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 拙 塞銮 亟 太 堂 臻 堂 焦 盗 塞 蟹监 1 1 选题背景和意义 1 绪论 随着铁路现代化步伐的加快，行车设备科技含量和列车速度的逐步提高，对 铁路运输安全提出了新的要求。通过本文2 1 的分析，国外发达铁路的安全保障对 策最为显著的特点就是建立了一体化的行车安全综合指挥中心，这个中心把对旅 客服务、机车、车辆、线路、电力、通信信号、环境信息、行车安全信息等集中 在一起，形成了直接面对现场的高度集中和高效率的行车安全指挥中枢。 我国行车安全保障工作也取得了较大进展，各类安全技术装备的应用已经趋 于成熟，自然灾害监测和预报系统的建立逐步完善，与此同时各类安全系统集成 的需求更加迫切，特别是铁路长期规划发展目标中明确提出“加强铁路运输安全 设施建设，建立集监测、控制和管理为一体的高度信息化的安全监控网络”，因此 建立铁路安全综合监控系统的需求更加迫切。安全监控信息的及时交换、综合利 用，将大大提高安全保障工作水平。 铁路安全综合监控系统是项复杂的系统工程，它需要全方位的对各种铁路 安全因素采取控制与管理措施。但目前还没有一个具体的集成架构指导这类系统 的建设，并且在我国建立综合的铁路安全监控系统尚处在初级阶段，缺乏丰富的 理论支持和实践，因此本文在分析了铁路安全综合监控系统特点和现有集成体系 的基础上，提出需要建立一种针对性强、适应性好的开放式集成架构。 在o s i 、e a i 、o g c 等典型的集成体系的指导下，用分层的概念构造 o 姗c m c s 开放式集成架构具有高安全性和可靠性、多时空尺度、分布性、松 散耦合性等优点，满足了铁路安全综合监控系统的特点，并为既有铁路线、新线 以及客运专线安全综合监控系统的建设提供一个有益的指导和标准实施模式，从 信息技术的角度为铁路运输安全提供有力保障。 1 2 论文研究内容及其组成 本文分析了国内外铁路行车安全保障技术的现状，初步探讨了我国建立铁路 综合安全监控系统的迫切需求和系统的复杂性，在研究铁路安全综合监控系统特 点的基础上，以现有集成体系为指导，提出了一种铁路安全综合监控系统开放式 集成架构( o i a r s c m c s ，o p i 锄i n t e g r a t i o na r c h i t e c t u r e o fr a i l w a ys a f e t y 韭塞窑适盍堂亟堂焦监奎 绫监 c o m p r e h e n s i v em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m ) ，并讨论了各层的技术实现。最后以 此为指导开发了青藏铁路安全综合监控系统。本论文的主要研究成果和创新点包 括： ( 1 ) 分析了目前发达铁路的行车安全技术现状，国外铁路的建设基本上是集 运输计划，运营管理，车辆、设备管理，维修管理，电力控制，环境灾害监测以 及信息集中管理等于一体，相继建设了比较完善的人机环境安全系统。 ( 2 ) 目前我国各类安全技术装备已经趋于成熟，自然灾害监测和预报系统的 建立逐步完善，铁路各部门对安全监控信息提出了集成需求，在我国建立综合的 安全监控系统的需求已经越来越迫切。综合监控系统的建立将有利于信息的共享， 协调调度和统一指挥，及时的应急响应和安全因素的综合分析。 ( 3 ) 由于铁路安全综合监控系统需要全方位的对各类铁路安全因素采取控制 和管理，系统的建设是极其复杂的，而且在我国尚无先例可参照，因此需要一个 科学的体系架构指导进行。 ( 4 ) 本文分析了目前典型的集成架构：o s l 、e a i 、o c , - c ，这些集成体系都是 从宏观的角度提出的一种通用的集成架构，针对铁路安全综合监控系统的网络结 构复杂、系统平台异构、安全报警及时性以及监控对象时空性等特点，需要建立 一种具体的适应性更好、针对性更强的开放式架构。 ( 5 ) 在典型集成体系的指导下，针对铁路安全综合监控系统的特点，本文提 出了一个六层的开放式集成架构o i a i l s c m c s ( o p e ni n t e g r a t i o na r c h i t e c t u r e o f r a i l w a ys a f e t yc o m p r e h e n s i v em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m ，铁路安全综合监控系 统开放式集成架构) ，并详细描述了各层的功能定义和技术实现，并从理论上给 出这种分层结构的优点。 ( 6 ) 针对服务层的实现，本文对于服务的规范进行了语义描述，并针对不同 实现技术的服务互操作问题进行研究，提出了一种通用的服务代理模式。最后将 服务组合问题划分为同构服务组合和异构服务组合，并提出了服务组合的优化算 法。 ( 7 ) 最后，本文给出了一个集成架构的实例青藏铁路安全综合监控系统。 从本项目的来源与背景入手，分析了安全综合监控的业务需求，并且基于前文的 研究成果确定了该系统的设计方案和实现。从而验证了o i a r s c m c s 在技术上的 可行性。 2 2 相关问题研究 本章分析了国外和国内安全保障技术现状，发现在我国建立综合的铁路安全 监控系统需求已经越来越迫切，但还没有一个具体的集成架构指导该系统的建设， 因此在分析了铁路安全综合监控系统复杂性和典型集成体系o s i 、e a i 、o g c 特点 基础上，提出建立铁路安全综合监控系统开放式集成架构的必要性和紧迫性。 2 1 国外发达铁路安全保障技术 近年来随着人工智能技术、计算机及相关技术的飞速发展，世界各国都开展 了用高薪技术改造传统铁路的研究，为保障铁路行车安全采取了一系列的安全保 障对策。最为显著的特点就是建立了一体化的行车安全综合指挥中心【1 】1 2 1 。通常这 个中心把对旅客服务、机车、车辆、线路、电力、通信信号、环境信息、行车安 全信息等集中在一起，形成直接面对现场的高度集中和高效率的行车安全指挥中 枢，其主要工作表现在以下方面： ( 1 ) 设备检查与诊断。通过热轴探测与报警、钢轨超声波操作、信号设备故 障遥测监视等技术对机车、车辆、轨道、道口等进行全面地监测和诊断。以预防 重大事故的发生。 ( 2 ) 列车安全控制。通过完善通信信号设备和防止列车冒进装置等，提高列 车自动控制能力，减少人为错误，提高行车安全。 ( 3 ) 自然防灾。通过在自然灾害易发生的地方安装自动雨量记录仪、风速针、 水位观测仪、地震仪等设备，以监视雨量、风速、洪水、地震等自然灾害的发生。 ( 4 ) 旅客服务。通过旅客引导广播设施，旅客通知系统等提高旅客服务水平。 ( 5 ) 信息集中管理和综合分析。将机车、车辆、线路、电力、通信信号、环 境信息、行车安全信息等集中在一起，利于信息的共享，协调调度和统一指挥， 及时的应急响应和安全因素的综合分析。 发达国家中，最具代表性的就是日本的安全保障综合系统。日本新干线的行 车安全保障系统经过几十年的不断改进和完善，已经逐步发展成为一个行车管理 的综合系统。在日本第一条高速铁路东海道新干线投入运用时，作为行车安 全保障的系统主要依靠列车自动控制系统，在行车指挥方面只是采取集中调度指 挥措施。而当第二条高速铁路山阳新干线投入运用时，就增加了行车安全管 理系统，引入了计算机辅助的行车指挥系统，即c o m t r a c 系统，利用计算机进 行辅助操作，实现全线调度系统统一指挥，从而进一步提高了行车安全性。 2 0 世纪9 0 年代以来，日本对于铁路安全保障系统又进行了系统化改造，并作 为运行管理自动化的一部分纳入新的综合系统。该综合系统集运输计划、运营管 理、车辆、设备管理、维修管理、电力控制以及信息集中管理等于一体，以确保 行车安全。他把原来铁路的一些分散和各自独立的系统综合为一个系统，这就是 1 9 9 5 年1 1 月1 0 日在东日本铁路上开通的计算机管理行车调度，设备维修和行车 安全的综合系统( 简称c o s m o s 系统) 。它既包括设备检查与诊断、供电系统控 制与检测，以及车站进路安全控制，又包括环境灾害的监测，是一个比较完善的 人机环境安全系统。 国外安全综合系统的建立具有以下几个方面优点： ( 1 ) 信息利用方面 在既有监控系统下，各专业系统独立运行，缺少相互之阃的信息共享，管理 员无法全面掌握系统的运行状况。而安全综合监控系统的建立将打破这种信息孤 岛的局面，将各子系统纳入一个网络平台，形成信息资源共享、集中监控的大系 统。 ( 2 ) 应急响应方面 在既有监控系统下，一旦出现故障，管理员只能从某个方面着手分析、解决， 因而故障处理时间长。而在综合安全监控系统中，各系统信息一目了然，为管理 员全面了解情况、及时做出正确判断提供了有力的支持。另外，不同专业的管理 员同处一间调度室，有利于及时沟通及在紧急情况下商讨对策，以做出快速反应。 ( 3 ) 管理维护方面 既有监控系统中，每个子系统都需要配备专职人员对系统进行监控管理，而 在综合安全监控模式下，管理员可以同时调阅多个子系统的信息，这样有利于协 调调度、统一指挥，从而提高管理的有效性和效率。 ( 4 ) 综合分析优势方面 通过建立铁路综合安全监控系统，工作人员可方便地获得各专业安全设备的 安全信息，通过对这些历史信息和统计信息的整合，又便于综合安全预警模型的 研究和建立，以进一步发挥综合分析的优势，为行车安全提供可靠保证，为管理 部门决策提供依据。 2 2 我国铁路安全保障技术现状 2 2 1 各类安全技术装备的应用趋于成熟 4 目前安全技术设备的发展大体上可以分为四个方面1 9 1 ：一是防止和排除人为错 误的设备，如自动停车、自动报警、列车无线通信、机车信号、速度测录表、车 站进路办理的监督设备等；二是对各种固定和移动设备的技术状态进行监测和诊 断的设备，如热轴探测与报警、钢轨超声波操作、轨道状态检测车、信号设备故 障遥测监视、列车分离保护装置、列车制动主管压力遥测、超限界报警、各种自 然报警等；三是兼有扩展和安全设备的装置，如自动闭塞、电气集中、调度集中、 列车自动控制、列车自动操纵等；四是救援抢险设备，如救援列车、牵引车、复 轨器等。 铁路运输各部门都安装了适宜的技术设备，来提高本部门的安全运输水平， 从而为整个铁路安全运输奠定坚实的基础。例如工务部门研制采用新型轨道检查 车、超声波探伤车及其他各种监测装置；在轨道车上装设先进的电子仪表或电视 系统，对铁路状态的各种参数，以及机车车辆纵向和横向作用的影响等进行监测 0 0 1 1 1 1 。机务部门在机车上装设防止列车冒进的司机警惕装置，确保机车乘务组处 于睡眠状态或前方信号机显示禁止信号时，列车能自动停车。车辆部门安装与列 车进路有关的全部作业和程序进行监督的专用设备，从而消除车站值班人员作业 时人为失误；建立列车调度员和车站值班员之间的通话录音自动记录电话，从而 提高行车调度指挥水平和工作可靠性。电务部门强化通信信号设备，大力发展自 动闭塞和电气集中，建立列车速度监督和运行调度指挥自动化系统，提高机车信 号作用，减少人为错误，提高行车安全。 2 2 2 自然灾害监测和预报系统的建立逐步完善 铁路处于全天候的自然环境中，风、水、雪、泥石流、滑坡塌方，无一不对 运输安全造成危害。这种外部环境变化是难以预防的，也是铁路运输无法躲避的， 为此我国重点铁路线路都在逐步完善各种监测和报警系统，在环境变化达到临界 状态以前给出报警，此外还制定了在异常气候条件下的行车规则。 2 2 3 铁路各部门对安全监控信息的集成需求 随着各部门自身专业设备的完善，其对于其他部门信息的需求也越来越迫切， 如运营部门、调度部门、车辆部门、机务部和工务部都存在对于环境信息的需求， 以便更好的完善自身功能。表2 1 为我们调研的铁路各部门对各类信息的需求。 表2 1 各部门信息需求表 t a b 2 1 i n f o r m a t i o nr e q u i r e m e n to f a l ld e p a r t m e n t 蕊 应急 拶， ； ： # 。# 沓”。 ， ? 。l 救援安应急管 工 电机车调运， 指挥监理办公务务务辆度营” i 相关数据。缸焉， 中心 部。童。部 部都靓所 觏 铁路地理信息 心心00_ 、厂、厂、l 铁路视频静图信息、厂00 一 、30心0、3 救援资源相关信息、厂、l 、厂 环境信息 、厂、j0 、j、j、厂0、厂0 电力监测信息、厂、lq 列车运行状态、l、l、l0 事故预案信息 越、厂、厂0 、j0、3 心0 线路毁坏信息 心 、厂、厂0 电务设备信息、厂心0心 机车故障信息0心00 机车基本信息000 机车设备视频监视信息、i、厂 机车走行部实时监测信 、厂 息 电力监测信息 心00 、3 红外线轴温监测信息00心 货车运行状态地面安全 监测信息 0 货车运行故障动态监测 、厂 信息 货车滚动轴承轨边早期 、厂 故障声学诊断信息 车辆轮对尺寸动态监测 、厂 信息 6 2 2 4 铁路安全综合监控系统的建设需求 根据我国铁路几个五年发展计划的指导，铁路在路网建设、装备现代化、既 有线提速扩能改造、投融资改革、节能、环保等方面均取得了重大成就。随着我 国铁路现代化步伐的加快，行车设备科技含量和旅客列车速度的逐步提高，对铁 路运输安全提出了新的要求。特别是在铁路科技发展“十五”计划和2 0 1 5 年长 期规划发展目标中就明确提出“加强铁路运输安全设施建设，建立集监测、控 制和管理为一体的高度信息化的安全监控网络”，因此建立综合的安全监控系统的 需求已经越来越迫切。 2 3 铁路安全综合监控系统的复杂性 2 3 1 集成的各类安全监控系统的特点 铁路安全监控系统中进行集成的系统可以分为两类：控制系统和信息系统【1 2 】。 这两种系统在以下三方面存在主要差异： ( 1 ) 驱动方式不同。信息系统主要是事件驱动，也就是说当有信息到达时执 行；控制系统主要是时间驱动，对于控制系统来说，时间是非常重要的。 ( 2 ) 处理方式不同。信息系统必须接收来自应用程序的所有信息。例如必须 接收其它程序传过来的所有信息，处理信息，储存结果。控制系统不必接收所有 的信息，它只接收表明它所控制的机器的当前状态的信息来控制机器的正常运行。 ( 3 ) 传输时间不同。信息系统传输长的信息，有时需要几秒钟的时间来传输 数据。控制系统传输短的信息，传输只需要几毫秒。 以上差异就造成了铁路安全综合监控系统建设的复杂性，表现在以下方面： ( 1 ) 网络结构的复杂性 铁路安全监控的各个系统类别不同，而且分布在不同的铁路部门，涉及车、 机、工、电等多种业务，其可能部署在内部办公网、安全生产网甚至独立的内网 中，具有不同的网络拓扑结构、传输介质和传输协议。 ( 2 ) 系统平台的多样性 各安全监控系统存在于不同的操作系统平台中，其开发工具、数据库平台、 数据传输和接口协议平台、接口组件平台有很大不同，因此对这些业务系统进行 集成时须考虑兼容多种平台。 7 j b 塞窑通盔堂亟堂僮途塞扭羞回屡班珏 ( 3 ) 通信协议的多样性 信息系统和控制系统的信息交互协议是不同的，各种监控系统又部署在不同 的网络中，造成了通信协议的多样性，包括传统的t c p l l a 协议、控* i i o p c 协议、 w e b s e r v i c e 协议等。 ( 4 ) 系统数据的异构性 由于进行集成的系统有信息系统和监控系统，其传输的数据种类有很大差别， 而且不同部门的信息系统、控制系统的数据也存在差异。如信息系统可能传递图 像数据、文档文件数据，数据长度可能超过几兆字节：而控制系统则发送数字或 者模拟输入输出数据等及时的控制指令，多数数据少于两个字节。 2 3 2 铁路安全综合监控系统的特点 2 3 2 1 系统功能特点 ( 1 ) 应用对象的层次性 铁路安全综合监控系统的建立应该面向部门、路局、部级三个层次。不同级 别对监控数据的需求，安全信息的响应，事故救援工作的指导等都有很大的区别。 如何快速规范化的建立不同层次的安全监控系统，需要一个科学的指导。 ( 2 ) 接入系统的独立性 根据以上分析，面向不同层次或者同一层次的应用，进行集成的业务系统类 别不同，其对安全性的要求有很大区别。其中既包括给组织管理部门提供决策支 持的信息系统，对各种固定和移动设备的状态进行监测和诊断的系统，又包括对 列车自动控制、自动操作的扩展的安全设备等系统。对这些系统进行集成时，系 统之间必须保持高度独立，系统之间互不影响，特别是当一个系统发生问题时， 不能影响其它系统的正常运行。 ( 3 ) 安全报警的及时性 各系统的业务不同，其安全报警的及时性也有很大差别，如对固定或移动设 备的监测和诊断对报警的及时性要求较高，而各类统计信息的报警则需要相对长 的时间。安全综合监控系统建设应满足不同安全报警的时间需求。 不同系统间的交流，即不同数据格式的地理数据系统通过以基本模型 中概括的o p e n g i s 规范接口在高于程序语言层实现交流。 分布式计算平台系统( d c p s ) 间的交流，即基本模型为不同d c p s 的 执行规范定义最相近的接口，借此实现不同d c p s 间的交流。 不同信息群体间的交流，即基本模型为通过网络搜索、访问提供了一 个全面服务体系的框架，以实现信息群体间的交流。 o g c 的实现规范 o g c 的实现规范是基于抽象规范在具体的计算机互操作技术上( 如 o l e c o m 、c o r b a 和s q l 等) 的一套接口机制，实现规范的作用是在特定d c p 环境中明确即将被执行的o p c n g i s 接口和服务的功能。o g c 的实现规范主要包 括基于0 l e c o m 的简单要素实现规范、基于c o r b a 的简单要素实现规范，基 于s q l 的简单要素实现规范、目录服务实现规范、g r i d 实现规范，坐标变换实现 规范、w 曲m 冲服务实现规范、g m l 实现规范、基于w e b 的c o v e r a g e 服务规范 和基于w e b 地物要素的服务规范等1 0 个规范。除上述规范外，o g c 目前仍在制 定大量的其他实现规范。 ( 2 ) o g c 互操作程序服务模型 o g c 互操作程序服务模型( i p s m ) 描述了一个针对o p e n g i s 服务的计算模 型。该模型的目的在于详细说明如何把空间软件服务融入到更为广阔的互操作基 础设施中，以利用松耦合的模式来使用和扩展各种数据和服务资源。o g c 互操作 程序服务模型建立在o g c 服务体系结构的基础上，但是更加强调如何利用现有的 技术、平台和机制来实现具有可互操作性的服务。该模型关注的主要是描述创建 动态、松耦合系统的原则和基本模型。 服务角色与操作 一个服务就是一个操作集合，能够通过接口被访问f 2 s 1 2 9 1 。一个服务能够被一 个客户通过网络利用标准的协议来调用，且该调用与客户所采用的平台、语言以 及对象模型无关。在o g c 互操作程序服务模型中主要有以下几个基本角色： 服务供应商：在中介处发布服务，并为服务请求者提供服务； 服务请求者：在服务中介处执行查找操作以发现所需的服务供应商， 然后访问该服务供应商以获得所需的服务； 服务中介：帮助服务供应商和服务请求者发现对方，就象一个服务及 其内容的注册库或信息交换中心。 ( 供应商 、 图2 3o g e 互操作程序服务模型的服务类型与操作 f i g 2 3 s e r v i c eb ea n do p e r a t i o no fo g ci p s m 在o g c 互操作程序服务模型中，服务供应商、服务请求者和服务中介之间所 发生的操作主要包括三个基本操作和一个可选操作，如图2 3 所示。该计算模型是 基于开放分布式处理参考模型( r b i o d p ) 的。o g c 互操作程序服务模型把服务 的描述和服务的实现分离了开来，这使得服务请求者能够在开发期间或者运行期 间与某个服务供应商的某个特定实现绑定起来。 发布：发布操作就是在中介处为数据和服务做广告。一个服务供应商 1 6 可以与服务中介中心建立连接以发布服务或撤销服务的发布，一般情 况下服务供应商在服务中介发布的元数据包括服务的功能以及网络地 址等信息。 发现：服务请求者和服务中介联合起来以执行发现操作。服务请求者 向服务中介描述所需服务的类型，而服务中介把匹配的结果反馈给服 务请求者。服务请求者通常都利用发布的元数据来发现感兴趣的服务 供应商。 绑定：绑定操作发生在服务请求者和服务供应商之间。两者可以进行 协商，以便请求者能够访问和调用供应商的服务。一个服务请求者通 常情况下都利用服务中介所提供的服务元数据来绑定服务。 链接：链接操作是可选操作。一个链接操作可以把一系列的服务都绑 定在一起，每个链接关联着一对服务，其中第一个动作的执行必须早 于第二个动作的执行。 元素 o g c 互操作程序服务模型中主要涉及了服务、接口、操作、消息和绑定等基 本构建模块( 元素) 。下面是关于这些基本构建模块的简要解释。 一个服务是一个命名的具体接口的集合，这些接口在一起提供了一个 独特的功能集合。事实上一个服务就是若干个接口的实现。 一个接口是一个能够体现服务行为的抽象命名的操作集合。当指定的 接口独立于绑定时，该接口是抽象的；当一个接口通过绑定和一个服 务联系起来时，该接口是具体的。一个接口可以有一个或多个具体的 接口。一个或多个服务可以实现同一个接口，接口定义了其操作的范 围。 一个操作是一个服务可能被要求执行的动作的抽象的命名规范。一个 操作拥有一个有若干个输入消息和输出消息的列表。一个操作的范围 局限在其接口之内，也就是说同样的操作( 包括名称和相关的消息) 可以被用于多个接口之中，即使在不同的接口中该操作具有不同的语 义。具体的操作被定义为具体接口的一部分。 一个消息或者说消息类型是一个抽象的、类型化的数据定义，能够在 服务之间传递消息，能够被多个操作利用。具体的消息被定义为具体 接口的一部分。 一个绑定是一个特定接口实现的具体协议和数据格式规范。一个绑定 能够被用来关联一个接口和一个具有网络地址的服务。 服务互操作层次 图2 4 给出了服务的互操作层次结构，描述了实现与配置服务的技术和标准层 次结构。最底层实现的是软件构件的连通性，能够允许软件构件之间相互绑定、 接收和发送消息。而更高层次允许的是互操作性，使得软件构件能够通过发布、 发现和绑定机制，以更加完整而动态的方式透明地整合在一起。 互操作层次结构的基础是通信协议，包括t c p 口、h r r p 、s m r p 、i i o p 和兀 p 等。纯二进制数据、结构化数据将用x m l 编码。数据编码的格式将由模式语言来 描述，包括d t d 、x m l s c h e m a 、r d f 或者x m i 等。o g c 已经定义了一系列的模 式，例如编码简单要素的w k b 和w k t ，以及用x m l 编码要素的g m l 。 互操作层次互操作标准 互操作 w s f l ，x l a n g ，l s 0 1 9 1 1 9 u d d i ，o g c c a t a l o g 等 w s d l ，i s 0 1 9 11 9 o g c s f ，w m s ，w f s ，w c s ，c t s 等 哪，s o a p ，c o m ，c o r b a ，s q l 等 a s c i i ，a s n i d e r ，吼等 t c p i p ，h t r p ，s s l ，s 甲，f r _ p ，i i o p 等 图2 ao g c 空间信息w e b 服务协议栈 f i g 2 4 w e bs e r v i c ep r o t o c o lo fo g cg i s 分布式计算平台层主要关注的是能够允许分布式服务的基础设施。一个分布 式计算平台是一个能够允许分布式计算的标准软件环境，能够支持运行在多台计 算机上的软件的相互协作，这些计算机通过通信网络实现通信。为了达到能够通 过可重用的软件构件来构建服务，需要用到c o m 、c o r b a 、j 2 e e 和s q l 等分布 式计算平台。同样，h t t p 和s o a p 也是使得在网络上配置的服务能够绑定在一起 的基础设施技术。 在服务层，o g c 已经定义了很多规范【2 9 l 。例如几种访问和操作简单对象的实 现规范，包括c o m 、c o r b a 和s q l 等平台。o g c 后续的工作将会产生更多的 规范。 服务描述层通过提供服务的基本信息以实现服务的发现、绑定和互操作。 服务发现层是一组用于发布和发现服务供应商的标准和技术。服务描述关注 一一一一一一一一 j e 塞窑适盔堂亟堂鱼论塞担羞回照盟殛 的是如何访问w e b 服务，而服务发现则使得服务请求者能够发现和利用服务的相 关描述。o g c 的目录服务实现觌范则定义了支持发现地理空间内容和服务的服务。 服务集成与工作流层关注的是允许服务整合的标准和技术，用以支持在组织 和信息团体之内的决策制定、建模，以及工作流和商业处理整合等。 2 4 4 典型集成体系的不适应性 通过以上分析，o s i 模型超越了具体的物理实体或软件，从理论上解决了不同 计算机及外设，不同的计算机网络中间的相互通信的问题，成为计算机网络通信 标准。e a i 模型重点研究如何实现企业业务过程一体化，以分层的方式解决企业中 不同层次的集成，从而优化企业内部流程，增强供应链联系。o g c 提供了一系列 的互操作和服务规范，将地理信息系统技术、分布式处理技术、面向对象技术、 数据库设计及实时信息处理方法有效地结合起来，实现分布式异构平台上g i s 互 操作和实现地理空间信息资源的全球共享。这些典型的集成体系都处在宏观的层 次，旨在对于不同的应用提出一种通用的集成方案，而铁路安全综合监控系统的 建设主要有两方面的特点：一个是系统自身特点，进行集成的各个系统包含信息 系统和控制系统，系统的时效性不同，同时各类集成系统之间需保持高度的独立， 以保证系统的安全性和可靠性；二是系统数据性质的特点，由于集成系统的不同， 其数据的时间尺度也不同，包含从秒级的动态数据以至月份级的统计数据，时问 跨度大：同时铁路安全综合监控系统中的数据既有属性数据又有空间数据，对于 不同的监控对象，其空间尺度也有很大区别。针对这些特点，上述典型集成模型 没有提供一个具体的，具备业务适应性的集成模型。因此需要建立一种对于这类 系统建设针对性更强、适应性更好的开放式集成架构。 1 9 3 铁路安全综合监控系统开放式集成架构 本章在分析了铁路安全综合监控系统建设特点的基础上，以o s i 、e a i 、o g c 等典型的集成体系为指导，提出了铁路安全综合监控系统开放式集成架构 o i a r s c m c s ( o p e ni n t e g r a t i o na r c h i t e c t u r e o fr a i l w a ys a f e t yc o m p r e h e n s i v e m o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m ) ，使铁路安全综合监控系统的建立可以有步骤、规范 化的进行。 3 1 系统集成含义 系统集成从本质上讲是系统结构的组织方法【，是将不同软件系统的功能模 块与具体的数据结合成为一个针对最终用户的新系统，这个集成决不是各种软件 功能模块的简单叠加，而是把各个组成部分在不同层次采用不同的技术手段实现 整合、以获得协同效益，从而形成一个完整的针对用户的应用。 系统集成不是产品和设备的简单组合。虽然系统集成的最终表现形式是各种 设备和产品被组合到一个系统中，但这种组合不是产品和设备的简单堆积，而是 经过周密计划、严格配置及精心实施的有机整体，是能够有效实现应用目标的、 提高系统整体性能的结合。集成应包含以下三个方面： ( 1 ) 数据集成 计算机信息系统要进行运作，必须不断获得数据，同时根据这些数据为用户 提供信息，所以一个系统对数据的集成能力对于系统的功能和性能有重要影响， 其数据利用的好坏直接决定系统建设的成败。数据的集成主要体现在三个方面， 一个方面是对数据的运用，即数据如何进入到系统，并且能够把这些数据组织好 来实现功能。另一方面是数据如何在系统内部实现流动和交换，由于系统一般采 用模块化方式组织，所以在各个模块之间有必要进行数据交换。因此，数据集成 的好坏直接影响应用系统内部模块之间的融合程度。最后一个方面，系统处理的 成果往往体现为两种形式：一种是在显示屏幕上显示或打印输出，体现了信息系 统的界面集成：另一种形式是通过数据输出的方式，传送到其它应用中或是信息 发布，所以数据必须在系统设计时全面考虑，以保证数据能够被其它应用很好地 利用起来。因此，数据集成是信息系统集成的内在需求和基础。 ( 2 ) 技术集成 对于计算机系统而言，在相同的软件、硬件、网络设施的基础上，采用不同 韭立銮煎厶堂亟兰僮监童迭堕窒全绽金堕撞丕缝珏越嚣塞送袈趋 的方式组织，产生的性能和功能可能完全不同。信息系统功能目标及需求的实现， 实际上都是通过各种技术之间的集成来实现的。技术的集成一直是一个重要的研 究方面，例如多用户的信息共享，在早期的主机系统，通过中断与主机的联接来 实现各个用户的集成，微机时代，通过c s 等方式来实现微机之间的连接，如今 的互联网时代，则通过i n t e m e t 或i n t r a n e t 来实现用户之间的信息共享的需要。其 实在计算机信息系统本身及其各个组成部分之间都是通过一定的集成技术实现系 统的整合。技术的集成是系统集成的保障和手段，是整个系统集成中的核心。 ( 3 ) 功能和服务集成 在w 3 c 中给出服务定义是：服务提供者完成一组工作，为服务使用者交付所 需的最终结果。最终结果通常是使用者状态发生变化，但也可能是提供者状态发 生变化，或者两者都发生变化。服务集成实质上是功能集成的进一步集成。一 个信息系统是满足用户的应用需求而开发的，所谓应用集成，就是系统开发人员 要深入了解用户的实际需求，协助用户进行系统可行性分析、需求分析、总体方 案设计、网络设计、数据库组织与管理等等，并将这些信息有机地体现在系统集 成方案中。从操作手法上来说，对用户的需求进行细化、抽象、形成具有独立意 义的功能模块，但是各个功能模块之间还存在着数据、逻辑等方面的联系。只有 将这些功能模块集成起来，并统一在友好方便的系统框架中才能为用户提供良好 的服务。由此看出，功能集成是系统满足用户需求的基础，服务集成是系统集成 的最终目的。 3 2 开放式集成架构的分层结构 通过上述对铁路安全综合监控系统建设的复杂性分析，并参照本文2 2 节现有 集成体系的分析，提出下面的分层原则【3 1 】： ( 1 ) 根据功能进行划分，每一层尽量实现相同、相近的功能，减小层与层之 间的耦合程度。 ( 2 ) 保持层与层之间的独立性，当某一层发生了改动，不对其相邻层产生影 响或尽量对其相邻层产生较小的影响，这是为了保证体系结构的可扩展性。 ( 3 ) 每层尽量与其相邻层进行交互操作，减少跨层操作。每一层可以使用下 层提供的服务，并向其上层提供服务。 ( 4 ) 层与层之间接口应尽量简洁，以减少层与层之间的通信量，降低系统复 杂度。 ( 5 ) 层与层之间的交互信息和通信协议应该采用开放的、标准的技术，以保 证整个互操作模型的开放性。 2 1 韭基窑适叁堂亟堂焦诠窑毯堕窒全绽金竖控丕缝珏越式篡麈苤控 在2 4 节典型集成体系的指导下，我们将开放式集成架构分为六层：表示层、 应用服务层、服务管理层、基础服务层、数据交换层、数据层，为了方便描述我 们将应用服务层、服务管理层和基础服务层统一称为服务层。如图3 1 。下面将详 细讨论各层的功能划分和实现方式。 图3 1 开放式集成架构 f i g - 1 1o p e ni n t e g r a t i o na r c h i t e c t n r e 采用这种分层结构的设计可以带来很多好处； ( 1 ) 各层之间是独立的。某一层并不需要知道它的下一层是如何实现的，而 仅仅需要知道该层间的接口所提供的服务。 ( 2 ) 灵活性好。当任何一层发生变化时( 例如技术的变化) ，只要层间接口 关系保持不变，则在这层以上或以下各层均不受影响。 ( 3 ) 易于实现和维护。这种结构