关键词：C/S，ADS，综合监控系统
Abstract: The basic principle of Autonomous Decentralized System is introduced in this paper, and the defects of traditional subway supervisory control system that based on Client/Server technology is analyzed. Utilizing the characteristics of ADS technology, one new station control system is designed and analyzed, via which expresses good real-time character、reliability、compatibility、expanding and maintenance on line, it has guidance meaning for the development of future subway monitoring and control system.
Keywords: C/S，ADS，supervisory control system
0 引言
随着社会经济的发展，市场对地铁综合监控系统的要求越来越高，具体表现为传输的信息量越来越大，要求数据处理的速度越来越快，实时性越来越强。地铁监控系统是主控系统与地铁系统的各个子系统互连[1]：集成变电所自动化系统（PSCADA）、火灾报警系统（FAS）、机电设备监控系统（EMCS）、屏蔽门系统（PSD）、防淹门系统（FG），并且与广播系统（PA）、闭路电视系统（CCTV）、车载信息系统（TIS）、车站信息系统（SIS）、自动控制系统（ACS）、自动售检票系统（AFC）、信号系统（SIG）和时钟系统（CLK）等互连，以实现资源信息共享，设备集中管理和维护以及对子系统故障的监测。但是目前通信用主/从（master/slave）结构，主控机任务繁重，不能满足系统动态变化和扩展的要求，而且各厂家开发C/S之间应用层协议不尽相同，软件和硬件难以实现集成。此外C/S结构存在系统负荷集中于服务器的问题，随着系统规模的扩大，信息量增多，必然会使得服务器访问激增，增加服务器负担，影响监控进程。
1 ADS介绍
1.1概念。自律分散系统[2]（Autonomous Decentralized System，简称ADS），是近年来才逐渐发展起来的一个新的系统概念。它突破了原来传统集中式分布式的C/S模型，建立了全新的系统模型。自律分散系统假设系统中的故障是正常现象，并且系统是由子系统组成。在这一系统中所有的单元（子系统）都是独立平等的，它们之间不存在任何隶属关系。各个单元都能独立完成各自的任务而不受其他单元的干预。同时各个单元之间也能协调工作来实现整个系统的运行。基于ADS的网络监控示意图1如下：
除总线型网络外还可以用环形网代替。
自律分散系统的具有两大特性：
（1）自律可控性。即系统中有任何子系统出现故障，正在维修或刚刚加入，这都不能影响其他子系统的自我管理及功能的运行。
（2）自律可协调性。即系统中有任何子系统出现故障，正在维修或刚刚加入，其他子系统之间能够协调各自的任务并以协作方式运行以实现各自功能。
这两个特性保证了系统的在线扩展、在线维护和容错。因此要求每一个子系统都能有“智能”管理自己而又不干涉其他子系统的事务并且也不受其他子系统干涉，但它还能和其他子系统进行协调工作。
实现这一系统模型的关键概念是数据域和广播的通讯方式。系统中的每个单元都主动地向数据域广播其内部处理信息同时根据各自的需求从数据域中接收信息。各个子系统都只同数据域打交道，它们相互之间没有直接的耦合关系。这就较好地保证了在线扩展、在线维护及容错。
1.2特性。
自律可控性和自律可协调性的实现要求每个子系统必须满足：
（1）平等性。每个子系统都能管理自己并不能被其他系统管理。子系统之间没有主从关系。这符合地铁综合监控子系统特性，地铁各个子系统之间是相对独立的，如广播系统，闭路电视系统、车载信息系统等。
（2）局所性。每个子系统在只依靠本地信息的情况下就可以管理自己并与其他子系统进行协调。地铁综合监控系统本身并不干预各子系统内部事务，各子系统独立完成自己的信息传递和处理功能（如自动化系统、火灾报警系统、机电设备监控系统等等），然后将监测信息传送给中央服务器。
（3）自足性。每个子系统管理自己和协调他人的功能是自足的。即各个系统之间既能独立处理自己的事务又能与其它子系统相互协调，实现资源共享，信息整合。
以上三个特点表明了即使其他子系统都出现故障或者终止了与某子系统的通讯，该子系统仍能进行工作。地铁综合监控系统具备ADS的平等性、局所性、自足性特点，从而使得ADS对地铁综合监控系统具有适应性。
1.3自律分散系统的模型
最基本的ADS系统是由原子节点（Atom）和数据域（Data Field）组成。原子节点可对应的物理实体为计算机、智能设备或其他硬件。数据域是ADS中信息传播的空间。从物理概念上讲，它相当于网络或存储器。
各个原子发出的信息在数据域中循环同时各个原子又从数据域中提取信息。原子之间没有直接连接关系，它们只对数据域中的信息内容感兴趣而不必知道此信息来自何处。因此，在数据域中流动的信息都包含一个内容码（Content Code）来标志其属性，各个原子也正是通过识别内容码来决定自己是否需要此信息的。
1.3.1数据域。在自律分散系统中所有的原子节点都是一个自律单元，它们之间的联系仅仅是通过数据域来实现的。所有的数据都以广播方式发送到数据域中并在其中循环。数据域就相当于通信网络或存储器，节点主动的向数据域发送信息,同时又根据自己所需从数据域中取走信息以完成内部模块的功能。
数据域延伸至原子内部的一部分称之为原子数据域（Atom Data Field），其中流动的是原子的系统或应用程序模块所需的数据。所有信息都带有一内容码（Content Code）规定了其属性。内容码在网络通信中相当于报文的标识（如序列号，流标识等等），计算机终端根据自己的需要对依据CC对信息进行过滤接收。
1.3.2原子节点。每个原子节点都是一个自律的子系统，它能够根据一个内置的内容码表来选取其所需的数据信息。已被选取的数据信息进一步在内部数据域（ADF）中流动。原子中的所有系统、应用程序模块都使用同样的机制，即一旦模块所需的所有数据全部到齐，系统或应用程序软件就会自动开始执行，我们称之为数据驱动机制。没有一个模块能够控制其他模块、指示其他模块接收处理数据。各模块之间只有松散的藕合关系，不存在控制和被控制的关系，都能独
立判断管理自己的行为。对于一个具体的网络通信实体而言，原子节点就相当于计算机处理终端，每个终端都能够处理自己的内部事务，终端接受报文或者数据帧之后按照驱动机制进行相应处理。
由于系统的结构随着自身扩展、缩小或部分故障而发生变更，为了保证子系统的运行不受干扰，每一子系统都以广播方式发送带有CC的信息，由于其不具有目的地址，则接收者只能根据CC来选择信息而不知道其发送者。这种基于内容码的通讯方式保证了每个子系统的自律信息发送和自律信息接收。即每个子系统不必知道信息来源和目的地之间的关系，因而它实现了每个子系统的局所性。
2 地铁监控系统构成
地铁综合监控系统[3]通过通信骨干网将中央及监控系统、车站级监控系统和车辆段监控系统连接接为一有机整体。通信骨干网是一个广域网，它是连接车站级监控网络和中央及监控网络的主干。车站级系统和车辆段系统分别位于车站段、车辆段。
地铁监控网络的体系结构图3所示：
中央级监控系统位于中央监控中心（Operating Control Center，OCC）。以64位UNIX冗余实时服务器为基础。该层系统包括冗余实时数据服务器、历史服务器、操作员工作站、前端处理器（Front End Proeessor，FEP）、外围设备和中央级监控网等。地铁综合监控系统在中央监控中心设立中央级监控网络，中央级监控网络的核心是冗余配置的以太网交换机。
车站级监控系统、车辆段监控系统分别位于车站、车辆段。以64位UNIX冗余实时服务器为基础，包括前端处理器、车站/车辆段操作员工作站及外围设备、车站/车辆段TCP/PI局域网等。
3 传统C/S通信方式
传统的地铁监控网络基于C/S通信方式，所有集成与互连的的系统数据都统一介入综合监控系统的前端处理器。前端处理器负责与相连的的系统进行周期访问和协议转换，将不同格式的实时数据转换为地铁综合监控系统的内部数据对象格式，提交到系统车辆段、车站级和中央实时服务器。这样易造前端处理器通信瓶颈，随着系统的扩大，信息传输的实时性将会受到影响，下面结合某地铁中央级监控网络实例来分析（图4）：
该中央级监控系统实现火灾自动报警系统（FAS）、电力监控系统（SCADA）、机电设备监控系统（EMCS）、屏蔽门系统（PSD）、防淹门系统（FG）等中央级监控功能。并实现车载信息显示系统、车站信息显示系统、信号系统、广播系统、通信系统和有线电话系统的互连和控制。
采用工业级环形100M冗余交换以太网及TCP/IP协议，C/S访问方式。中央级监控系统设置冗余的中央实时服务器和历史服务器支持全面系统工作；设置总调度工作站、电力调度工作站、行车调度工作站、程师维护和系统管理工作站、环控调度工作站、中央售票中心、管理中心、维护工作站、网站管理工作站等，还设置双屏幕工作站作为操作员监控工作站，互为备用。
由于采用C/S访问方式，其存在以下缺点：
1）扩展性弱。
随着地铁系统的不断发展和完善，越来越需要一个大型的广域监控网络实现系统集成与互连， C/S这种方式远程访问需要专门的技术，同时要对系统进行专门的设计来处理分布式的数据，业务的变更，需要重新设计和开发，增加了维护和管理的难度，系统扩展性不强。
2）客户端需安装专用的客户端软件。
首先涉及到安装的工作量，其次任何一台电脑出问题，如病毒、硬件损坏，都需要进行安装或维护。还有，系统软件升级时，每一台客户机需要重新安装，其维护和升级成本非常高。
3）操作系统限制。对客户端的操作系统一般也会有限制。可能适应于Win98, 但不能用于win2000或Windows XP。或者不适用于微软新的操作系统等等，更不用说Linux、Unix等。
4）实时性能。监控网络规模扩大以后传输时延迟必然加大，而且众多信息通过中央路由器时候可能会产生拥塞，会影响实时性要求严格的故障诊断信息传输（如PSCADA）等，严重的话造成数据报文的丢失。影响监控中心做出正确及时的决策。
5）负荷集中。基于C/S访问方式的服务系统负荷过于集中于服务器，系统规模的扩大会导致信息量的增多，必然会加大服务器负担（如图中的FEP、中央服务器等），重情况下会发生由于某段时间访问量激增，服务器会响应不及，影响系统可靠性。
6）容错性。图中的双机冗余技术从根本上讲是一种防错技术（如双FEP冗余、双路由器冗余、双打印机冗余等），实际应用中存在着成本高，低可靠性的问题。
4 ADS通信方式
针对地铁网络监控系统的需求，必须突破C/S模式集中在服务器处理的弊端。依据ADS技术自身的特点，可以对地铁监控系统采用对等式的体系结构。同时实施发布/定购（publish/subscribe）的通信模型。
车站级ADS监控系统互连了AFC、PSD、ACS、CLK、PA、SIG、PA、CCTV、SCADA、TIS、EMCS、SCI、FAS等监控系统以及其它辅助管理维护设备。在此设计中，每个子系统相当于原子节点，每个节点都能管理自己并不能被其他节点管理，原子节点之间没有主从关系。
4.1可靠性。传统系统的控制中心一旦故障，整个系统将瘫痪。车站服务器作为特殊的原子节点保留了控制中心功能，但没有采用冗余方式，一旦其故障，系统点会自动起用选举竞争的办法，在正常的原子节之间选举一个新的控制中心（如SCADA监控系统、TIS监控系统等），直至原控制中心恢复，转交控制权。这大大提高了传统系统的灵活性和可靠性。各子系统内部以及骨干网仍采取同样的设计理念，不再赘述。
4.2实时性。在车站级ADS监控系统，信息生产者（如EMCS原子节点、FAS原子节点等）即时发布信息,而不需要指出具体的接收者,有需要这种信息的节点（如车站服务器）就可以有选择性地接收数据,从而更好地保证了系统的实时性。服务器不需要定期的访问每个原子节点，只需要按照一定的算法在数据域中获取自己感兴趣的数据，缓解了访问压力。对于没有原子节点接收的数据，系统将自动丢弃。
4.3容错性。ADS监控系统结构及其数据驱动机制使软件模块可以自由地异步执行。应用中根据每一软件的重要程度来决定其复制数量。因此在监控系统的的不同子系统中安置多个复制的软件模块,所有这些相同的软件模块都在独立运行并独立接收和发送信息。其中某些故障状态模块故发送的信息可能错误,而另外一些正常模块发送信息正确。使用这些信息的软件可以通过内容代码（“事件序号机制”）及发生事件的数目（“投票机制”）来选择区分正确信息供自己使用。这种处理方式很好地解决了以往使用备用容错技术出现的问题,即本身切换装置出现故障无法使用备用。ADS系统在处理容错问题时,故障软件可和正常软件同时运行,运用谁的信息的决定权完全取决于接收者。从这一意义上讲,它实现了真正的容错。
4.4在线扩展。系统在线扩展包括系统和节点两个层次上的扩展。对于系统级的扩展,含有两种类型。同构的系统扩展只需简单将其数据域合并,而异构系统的扩展则需要网关。本例并不涉及，故简要介绍。对于节点内部软件模块的扩充,它只需在系统内部的内容码表中注册上新的内容码而不需报告给其他节点。如门禁系统的在线修改不会影响到其他节点的运行,并且也不会影响节点内部其他软件模块的执行。
4.5在线维护。自律分散系统在运行的同时可进行部分子系统或其内部软件模块的测试。运行的节点发出的信息分为两类:在线信息和测试信息。相对应地,运行的节点也分为在线和测试两种状态。并且规定在线节点只接收在线信息,而测试节点两种信息都接收。因而处于测试状况的节点不会干扰在线节点的正常运行,同时它又可以接收在线信息进行单个测试或接收测试信息进行联合测试。利用这一优点子系统之间可以相互检测是否在线（即故障），然后将故障情况报告给服务器。
以上5个优点使得基于ADS概念组建的监控系统非常适合于地铁监控系统的体系结构以满足系统动态扩展。地铁监控系统的组建可随着各个部门的建设一步步完成。有多少部门投入,与之相应的控制子系统就可先行自主并协调地运行。随着系统规模的逐渐扩大,可以在线地扩充子系统而不会干扰已经运作的部门环节。一旦新加入的子系统调试通过,它可以和原有的系统无缝地集成为更大系统,共同实现整个地铁的各项任务。
6 结束语
现代工业生产规模的不断扩大和计算机技术的日益发展,对地铁监控系统提出了更新的要求。传统地铁监控系统已不能满足用户的某些要求。自律分散系统以其独特的数据域结构和数据驱动机制实现了其子系统的自律可控性和自律可协调性，使整个系统具有实时性、可靠性、容错性、在线扩展及在线维护的特点，这些特点满足了不断发展变化的监控系统的要求。
参考文献：
[1] 刘德强.地铁主控系统研究与实现[J].电力自动化设备,2004,24（9）:45-48.
LIU De-qiang. The research and coming true of subway main control systerm[J]. Electric Power Automatization Equipment, 2004, 24（9）: 45-48.
[2] Mori K. Autonomous decentralized systems: Concept, Data field Architecture and Future trends. In: Proceedings of Autonomous Decentralized Systems, ISADS’93.Los Alamitos （CA）: IEEE Computer Society,1993:28-34.
[3] 吴超.地铁综合监控系统可靠性评估方法研究[D].西南交通大学优秀硕士论文,2006:6-8.
WU Chao. Research of reliability evaluation method of subway main control system[D]. Southwest Jiaotong University excellence Master Degree Thesis, 2007:6-8.
作者简介：杨晶（1983-），男，湖北宜昌人，硕士研究生，研究方向为轨道交通综合监控系统可靠性
