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

1、城市軌道交通自動化系統(tǒng)再認(rèn)識-概念、體系結(jié)構(gòu)與技術(shù)摘要：本文在對城市軌道交通系統(tǒng)的特點進行分析的基礎(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化系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)理念和方法。通過對傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進行分析比較，指出自律分布體系結(jié)構(gòu)是城市軌道交通自動化系統(tǒng)的理想結(jié)構(gòu)。最后對自律分布系統(tǒng)技術(shù)進行了綜述，并從技術(shù)成熟性和技術(shù)特點的角度對其進行了分析和討論。關(guān)鍵詞：城市軌道交通 自動化 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)的特點及其技術(shù)需求 在討論城市軌道交通系統(tǒng)自動化系統(tǒng)之前，對城市軌道交通系統(tǒng)的特點進行分析是十分必要的。下面從七個方面逐一進行分析。1 城市軌道交通規(guī)劃的可持續(xù)性 隨著中國城市化進程的發(fā)展，主城區(qū)向外擴展、主城區(qū)和衛(wèi)星城連成一體是一個明顯的趨勢。城市軌道交通系統(tǒng)規(guī)劃要能適應(yīng)這一不斷發(fā)展和擴展的需求。然而，存在的主要問題是：準(zhǔn)確地預(yù)測未來的發(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。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、一次建設(shè)，需要分階段地建設(shè)和實施，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)運行帶來很大的挑戰(zhàn)。對于分階段實施的系統(tǒng)而言，很明顯要求系統(tǒng)具有擴充性。對于能夠一次建成的系統(tǒng)，建成后的系統(tǒng)升級和改造，要求不中斷系統(tǒng)的運行，從這個角度看，要求系統(tǒng)具有在線特性，即邊測試，邊運行。此外，還應(yīng)考慮系統(tǒng)運用過程中的在線培訓(xùn)。系統(tǒng)的擴充性和在線特性對于降低系統(tǒng)的開發(fā)成本，運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)的靈活性和可擴展性。3 運輸組織的多樣

6、化和高密度化 運輸組織的多樣化是指根據(jù)節(jié)假日和重大活動適時地調(diào)整運輸計劃并付諸實施。這就要求建立在線實時的運輸計劃系統(tǒng)，即運行圖系統(tǒng)，實現(xiàn)小時級計劃的調(diào)整。 在上下班的高峰期實現(xiàn)列車的高密度運行是必須的，比如120秒的運行間隔。高密度運行與列車自動控制方式（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營。因此，新干線的運輸調(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）。 需強調(diào)指出是信息集中是指列車計劃信息（運行圖）的集中，以及列車運行實績（在線狀態(tài)）的集中。控制分散是指列車進路控制由各個車站的系統(tǒng)程序進路控制裝置（PRC）完成。站間協(xié)調(diào)的準(zhǔn)則就是列車運行圖。 從上面的分析中可以看出，車站PRC只要有運行圖信息就可以實施進路控制。在正常情況下，由調(diào)度中心向車站PRC傳送運行圖信息；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，只需收集列車運行狀態(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多個車站和2000多公里線路。實現(xiàn)了行車指揮、設(shè)備監(jiān)控和旅客信息服務(wù)綜合自動化，實現(xiàn)了列車的高密度運行（120秒），實現(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；一個是地面系統(tǒng)只發(fā)送停車點信息，列車根據(jù)這一信息和自身的位置以及制動性能自律地生成平滑的制動曲線

9、。后一種模式也可以稱為（列車位置）信息集中（制動）控制分散，可以適應(yīng)不同車輛不同的制動性能，最大限度地實現(xiàn)高密度運行。 因此，實現(xiàn)運輸組織的多樣化和高密度化時，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)的實效性 為旅客提供列車運行信息的顯示和廣播是基本的要求。在非正常運行情況下，實時地發(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)實現(xiàn)互連。5 維護作業(yè)管理模式 系統(tǒng)的維護模式是一個較少探討的問題，面前維護作業(yè)管理很難實現(xiàn)自動化。系統(tǒng)維護模式也決定著系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)方式。 第一個問題涉及系統(tǒng)自身的維護。是不中斷運行維護，還是在線維護與測試。即系統(tǒng)是否具備在線維護的能力。這又與系統(tǒng)的體

10、系結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。 第二個問題是維護的管理模式。是集中還是分擔(dān)?，F(xiàn)有的維護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)的維護管理模式是指由調(diào)度中心、車站和現(xiàn)場作業(yè)人員共同完成維護作業(yè)。在這種模式下，調(diào)度中心負責(zé)信息（維護作業(yè)計劃）集中，車站負責(zé)進路控制，現(xiàn)場作業(yè)人員負責(zé)維護作業(yè)時的進路申請和作業(yè)實施。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)場作業(yè)人員。各個環(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)的各個環(huán)節(jié)如通信信號、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)上講是一種被動的技術(shù)措施。如何保證運輸服務(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，但代價往往是高的。有時由于外界因素（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)是一個關(guān)鍵。 在高密度運行區(qū)間，為防止列車故障或事故時引發(fā)混亂、盡量減小列車晚點，需要靈活快捷的列車群自動控制系統(tǒng)。在正常情況下，列車群自動控制依賴于運行圖；在非正常情

12、況下，要實現(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，難于實現(xiàn)快速的事故恢復(fù)。 為保證運輸服務(wù)的可用性，快捷的列車群自動控制系統(tǒng)是必不可少的。從技術(shù)上講，實現(xiàn)可用性也有兩條技術(shù)路線：容錯和防錯。防錯主要采用冗余技術(shù)，100%的備用，系統(tǒng)的成本太高。容錯是真正容許模塊的錯誤和故障的發(fā)生，采用模塊級備用方式，實現(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方面：（1） 系統(tǒng)的在線擴展性（2） 系統(tǒng)的在線維護和測試性（3） 系統(tǒng)的在線容錯性（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、 城市軌道交通自動化系統(tǒng)的設(shè)計開發(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)計開發(fā)理念和方法。提出如下觀點和方法供參考。1信息集中、控制分散的技術(shù)路線 為實現(xiàn)城市軌道交通系統(tǒng)運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)場作業(yè)人員協(xié)同的業(yè)務(wù)分擔(dān)模式 這一模式對實現(xiàn)城市軌道交通系統(tǒng)的高效協(xié)同運行有重要意義。3城市軌道交通自動化系統(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)。對于大規(guī)模城市軌道交通自動化系統(tǒng)而言，集中式的體系結(jié)構(gòu)已不能滿足系統(tǒng)動態(tài)變化和擴展的要求，而客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)又存在著系統(tǒng)負荷過于

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化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，以滿足系統(tǒng)動態(tài)擴展的要求是一項重大課題。4系統(tǒng)設(shè)計方法學(xué) 目前，系統(tǒng)設(shè)計大多采用自頂向下的方法，包括結(jié)構(gòu)化設(shè)計和面向?qū)ο笤O(shè)計等方法。這些方法假定在設(shè)計階段系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、規(guī)模和功能是確定的。系統(tǒng)的擴展和變化，必將引起整個系統(tǒng)的變化，可謂“牽一發(fā)動全身”。對于大規(guī)模系統(tǒng)而言，不可能一次設(shè)計、一次建成，需要分階段地設(shè)計和建設(shè)實施。采用自底向上，由子系統(tǒng)逐步構(gòu)成整個系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計方法學(xué)勢在必行。5系統(tǒng)容錯技術(shù)(可靠性) 目前的雙機或多機冗余備用技術(shù)從根本上講是一種防錯技術(shù)，即防止錯誤的發(fā)生。在實際應(yīng)用中，存在著成本高，防不勝防等

15、問題。針對城市軌道交通自動化系統(tǒng)的特點，研究開發(fā)低成本的、實現(xiàn)真正意義上的容錯技術(shù)是必要的。6故障-安全技術(shù) 對于軌道交通電氣化自動化系統(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故障-安全技術(shù)進行系統(tǒng)研究，并重點解決工程實用化問題。目前這一方面的研究相對薄弱。三、 城市軌道交通自動化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1體系結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)運用成敗的影響 在討論城市軌道交通自動化系統(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)對系統(tǒng)運用成敗的影響。 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象，以增加區(qū)間列車運行數(shù)為目標(biāo)。實踐證明，其投

16、資效果是明顯的，到1955年所有干線基本實現(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)，對于大規(guī)模城市軌道交通自動化系統(tǒng)而言，集中式的體系結(jié)構(gòu)已不能滿足系統(tǒng)動態(tài)變化和擴展的要求，而客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)又存在著系統(tǒng)負荷過于集中在服務(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，不能實現(xiàn)自動化；（2）發(fā)生故障恢復(fù)運行時相當(dāng)費時；（3）維護作業(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)度中心負責(zé)信息集中，車站負責(zé)進路控制，現(xiàn)場作業(yè)人員負責(zé)維護作業(yè)時的進路申請和作業(yè)實施?？梢哉f，將過去調(diào)度中心的相當(dāng)權(quán)限下放給了車站和現(xiàn)場作業(yè)人員。各個環(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) 在自動化系統(tǒng)中，廣泛采用的是集中式結(jié)構(gòu)。對于城市軌道交通自動化系統(tǒng)而言，集中式的體系結(jié)構(gòu)已不能滿足系統(tǒng)動態(tài)變化和擴展的要求。在運行過程中，其缺點表現(xiàn)為：圖1 集中式體系結(jié)構(gòu)（1） 所有的現(xiàn)場設(shè)備信息必須匯總到通訊前置機后再由通訊前置機發(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)場設(shè)備的擴展，增加了通訊前置機的負擔(dān)，通訊前置機是現(xiàn)場設(shè)備和控制中心交互的咽喉，如果它出現(xiàn)故障，則整個監(jiān)控系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。（2）現(xiàn)場的所有信息都是最終匯總到控制中心，控

19、制中心的計算機進行各種數(shù)據(jù)處理，最后由操作員工作站的屏幕上顯示出來。同時將各種控制信息發(fā)送給現(xiàn)場設(shè)備，進行統(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)模的不斷擴大，必將大大加大控制中心的負擔(dān)。（3）若要對集中式結(jié)構(gòu)的監(jiān)控系統(tǒng)增加新的設(shè)備時，必須停止整個系統(tǒng)的運 行，并且還必須將控制中心的軟件進行修改，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)，方便了動態(tài)擴充，卻又存在著系統(tǒng)負荷過于集中在服務(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)模不斷擴大的情況下，對服務(wù)容量要求必然會迅速增加，負荷進一步加重，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行性能，但必須對服務(wù)器進行調(diào)整修改，服務(wù)器軟件也將被修改后才能使得整個系統(tǒng)運行正常，這時，修改服務(wù)器將導(dǎo)致服務(wù)器部分失效或全部停止運行。其它客戶端無法交換信息進行連接，必然影響到整個監(jiān)控系統(tǒng)的正常運行。（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”結(jié)構(gòu)下的兩層結(jié)構(gòu)。它面臨的一個主要的問題

21、是系統(tǒng)的擴展及安裝維護困難。開發(fā)人員寫出的程序在客戶端運行，占用了大量的系統(tǒng)資源和網(wǎng)絡(luò)資源。而在分布式實時控制系統(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)來處理請求，Server定位通常需要網(wǎng)絡(luò)細節(jié)，Server必須是活動的（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)的實時性，系統(tǒng)可擴展性差（無法實現(xiàn)在線維護和在線擴展），容錯性差，對多數(shù)據(jù)類型的應(yīng)用支持較差。由一個中心服務(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、不是直接的點對點的方式，從而增加了不必要的延時。這種模式在服務(wù)器具備所有需要的信息的時候可以正常工作，而當(dāng)數(shù)據(jù)來源于多個節(jié)點且同時又被多個節(jié)點使用的時候就顯得力不從心了。而且服務(wù)器還是整個系統(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)無法滿足分布式實時應(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)器采用定時輪詢技術(shù)，控制中心發(fā)出信息后，各個客戶端是

23、按照與控制中心聯(lián)接的順序來接收信息并對控制中心的信息做出反應(yīng)，例如在Master對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，在這個過程中如若其中某一個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大量的時間，對于監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和實時性造成很大的障礙。（2） 請求/應(yīng)答通信模型（Request/Reply）則對應(yīng)于客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)。 請求/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)點在于無需各客戶端按照順序來進行應(yīng)答，從而節(jié)省了大量的時間，但是如若一旦服務(wù)器發(fā)生故障，則通信就無法進行，也將影響到監(jiān)控系統(tǒng)的正常運行。 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)的動態(tài)擴展及可靠性，需要有新的通信模型來加以改進。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、實現(xiàn)系統(tǒng)的擴展方面是一個很大

25、的進步。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，每個細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)的各個節(jié)點具有相同的潛在能力，任何一個節(jié)點可以從其他節(jié)點接收信息，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)點將數(shù)據(jù)與表示其內(nèi)容的功能碼組成一對，向數(shù)據(jù)域（池）發(fā)送。接收數(shù)據(jù)的節(jié)點從數(shù)據(jù)域中讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)一個程序所需的數(shù)據(jù)到達數(shù)據(jù)域時，由系統(tǒng)自動啟動該程序。這種方式稱為數(shù)據(jù)驅(qū)動方式。數(shù)據(jù)域、功能碼通信、數(shù)據(jù)驅(qū)動是自律分布系統(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)雜性和實現(xiàn)系統(tǒng)在線擴展、在線維護和在線容錯方面是有效的。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)模不斷擴大的趨勢表明，在設(shè)計自動化系統(tǒng)時，不可能一次性將各個部分、各個環(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)不斷擴充規(guī)模、不斷完善功能?，F(xiàn)有的自動化系統(tǒng)都是一次性建設(shè)完畢，如要進行擴充和維護，只能終止整個系統(tǒng)的運行，這必然會給運輸造成極大的經(jīng)濟損失。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)在一旦某個子系統(tǒng)出現(xiàn)故障、進行維修或剛剛加入，其它子系統(tǒng)可以不受干擾地管理和運行自己的功能。(2)自我協(xié)調(diào)是指一旦某個子系統(tǒng)出現(xiàn)故障、進行維修或剛剛加入，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)的這兩個特點保證了整個系統(tǒng)的在線擴展、在線維護和容錯。因此根據(jù)ADS 思路設(shè)計的自動化系統(tǒng)體現(xiàn)了以下優(yōu)點： 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，可以自主運作，但這并不表明它們不

28、與外界交換信息。實際上，各個子系統(tǒng)不斷向外界以廣播方式發(fā)送信息，同時又根據(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)化工作正在進行之中。 日本東京圈自律交通運行控制系統(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多個車站和2000多公里線路。實現(xiàn)了行車指揮、設(shè)備監(jiān)控和旅客信息服務(wù)綜合自動化，實現(xiàn)了列車的高密度運行（120秒），實現(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)化工作正在進行之中。（3）ADS有成功的應(yīng)用實踐日本東京圈自律交通運行控制系統(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多個車站和2000多公里線路。實現(xiàn)了行車指揮、設(shè)備監(jiān)控和旅客信息服務(wù)綜合自動化。實現(xiàn)了列車的高密度運行（90秒），實現(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化系統(tǒng)主要特點31 在線可擴展性（1）在系統(tǒng)中假如有新節(jié)點（車站）加入，在數(shù)據(jù)域中的所有節(jié)點都將接收這一信息，同時可在控制中心看見這個新站加入系統(tǒng)中。（2）假如在線的車站突然因為網(wǎng)絡(luò)故障退出了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其他所有節(jié)點都會知道這一狀況，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障被排除以后，節(jié)點重新加入系統(tǒng)，并且自動向控制中心發(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、維護性 運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車站控制子系統(tǒng)。在節(jié)點在線的情況下可以自由地對軟件系統(tǒng)內(nèi)容進行修改和維護。33 在線容錯性（1）假如控制中心主機發(fā)生了故障，在控制中心的其它備用主機就會自動取得控制中心的控制權(quán)，同時系統(tǒng)中的其它節(jié)點也會重新確認(rèn)新的控制中心節(jié)點，向它傳輸最新的信息。當(dāng)發(fā)生故障的原控制中心主機重新加入系統(tǒng)以后，系統(tǒng)會自動的接納它，同時它也會確認(rèn)為新的控制中心。（2）處于遠程控制模式下的車站節(jié)點，在發(fā)生本地網(wǎng)絡(luò)故障時，該節(jié)點會將自己升級為控制中心并且由遠程控制模式切換為本地控制模式。（3）在發(fā)生災(zāi)害時普通節(jié)點可以通過請求應(yīng)答的方式來向控制中心請求成為控制

33、中心，這樣控制中心就可以自由的漂移。可見系統(tǒng)有較為理想的在線容錯性。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時性。這里有二層含義：調(diào)度中心實時地得到列車在線信息；各個車站平等地得 到調(diào)度中心發(fā)布的運行圖信息。ADS系統(tǒng)采用的發(fā)布/定購?fù)ㄐ拍Ｐ湍芎芎玫乇ＷC信息的實時性?？刂泼钤诰W(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)脑挘ㄐ啪€路故障或主機故障將導(dǎo)致系統(tǒng)失效。采用ADS技術(shù)實現(xiàn)控制分散可有效避免系統(tǒng)失效的風(fēng)險。 在ADS體系中，由于各個系統(tǒng)節(jié)點是對等的，任何一個節(jié)點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)計階段決定的。這意味著系統(tǒng)中的任何

34、一個節(jié)點隨時可以成為控制中心。這種靈活性對保證系統(tǒng)的可用性是非常有效的，特別是在災(zāi)害發(fā)生時。此外，車站節(jié)點的本地/遠程運行模式能方便地實現(xiàn)調(diào)度中心臨時管制。五、結(jié)論 本文從七個方面對城市軌道交通系統(tǒng)的特點進行了分析，進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)的在線擴展性；2）系統(tǒng)的在線維護和測試性；3） 系統(tǒng)的在線容錯性；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化系統(tǒng)新的設(shè)計開發(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)計開發(fā)理念和方法。為實現(xiàn)城市軌道交通系統(tǒng)運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)場作業(yè)人員協(xié)同的業(yè)務(wù)分擔(dān)模式對實現(xiàn)城市軌道交通系統(tǒng)的高效協(xié)同運行有重要意義；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)成整個系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計方法學(xué)可以支持城市軌道交通自動化系統(tǒng)分階段建設(shè)實施。 最后對自律分布系統(tǒng)技術(shù)進行了綜述，并從技術(shù)成熟性和技術(shù)特點的角度對其進行了分析和討論。采用自律分布系統(tǒng)技術(shù)在技術(shù)上完全可行的，同時自律分布系統(tǒng)能很好地滿足城市軌道交通自動化系統(tǒng)的技術(shù)需求并支持本文提出的設(shè)計開發(fā)理念和方法。參考文獻l F. Kitahara et al. “Distribute

36、d Management for Software Maintenance in a Wide-Area Railway System”, Proc. of ISADS97, Berlin, Germany, 1997, pp. 311-3182 F. Kitahara,et al. “Widely-Distributed Train-Traffic Computer Control System and Its Step by Step Construction”, Proc.of ISADS95, Phoenix, U.S.A., 1995, pp.93-1023 K. Mori, et al. “Autonomous Decentralized Software Structure and its Application”, Proc. of FJCC86, Dallas, U.S.A., 1986, pp. 1056- 10634 K. Mori, “Autonomous Decentralized Systems: Concept, Data Field Architecture and Future Trends”, Proc. of ISADS93, Kawasaki, Jap