轨道专用 篇1
关键词：轨道交通,专用通信,集中告警
0 引言
随着社会的飞速发展,交通拥挤问题日益突出,严重影响了人们的生活和国家经济建设,轨道交通是缓解交通拥挤问题的一个强有力的交通工具。
轨道交通是一个复杂的系统,其可靠高效运营需要众多相关系统相互协作和大力支持。专用通信系统在其中发挥举足轻重的作用,它为地铁运营提供通信保障。专用通信系统主要包括:传输、无线、公务电话、专用电话、闭路电视、时钟、广播、电源、集中告警等至少9个子系统[1]。
集中告警系统是轨道交通专用通信系统中一个重要的组成部分,它实时监控其他各子系统的运行状况,为维护人员提供全网络运行视图,是专用通信系统的运维支撑系统。
1 总体设计
集中告警系统整体结构如图1所示。
集中告警系统采用分层设计,主要包括前置机、告警解析服务器、应用服务器和客户端。
前置机负责采集各子系统的告警数据,将不同协议的告警数据转换成系统内部统一格式并存入数据库。
告警解析服务器根据不同设备类型的告警状态匹配规则进行告警分析定位,将分析结果提交给应用服务器。
应用服务器将告警结果转发给客户端显示,并响应客户端的各种操作指令。
客户端主要提供人机操作界面,通过监控拓扑视图来显示网络及设备的运行状态。
2 需要解决的难点问题
集中告警系统的建设难点在于:① 管理设备类型众多,接口协议繁杂;② 监控场景视图千变万化。
专用通信系统至少包含8个子系统,不同的子系统由不同的设备供应商提供,各子系统告警接口协议一般都由设备供应商自己定义,而且多采用私有接口协议[3]。
不同子系统功能不同,设备组网方式及配置情况差异巨大,因此抽象出的监控场景视图也不同,且随时可能发生改变。
通常解决这种问题最简单的方案就是定制系统,为每个项目开发一套集中告警系统,这样做存在如下缺陷:① 项目通用性差,不能一劳永逸解决同一个问题,每个项目都需要重新投入人力物力;② 项目后期维护成本增加,版本管理困难,每个项目一个版本,对于共性的bug解决需要n份雷同工作。该系统要解决上述难点问题并避免定制系统带来的缺陷[4]。
3 设计实现
3.1前置机实现
前置机直接与被监控系统通信,采集设备告警,需要设计成接口可灵活扩充的软件结构[5]。前置机软件结果如图2所示。
前置机接口适配层设计成横向可扩充结构,接口实体间没有任何耦合,接入新协议只需横向扩充一个全新接口实体即可[6]。接口实体将不同格式规约的告警数据转换成内部可识别的统一格式,然后存入数据库,并通知告警解析服务器。
前置机与告警解析服务器间采用面向连接TCP私有协议通信。
前置机各接口实体通过DLL的方式实现,前置机初始化时动态加载DLL。新增设备类型时只需增加一个全新的DLL接口实体。
3.2告警解析服务器、应用服务器实现
前置机虽然将告警转换成统一格式[7],但不同设备的告警状态匹配规则不同,有的通过告警级别匹配(如1～4级表示故障,5级表示恢复);有的通过“告警类/告警号”匹配(如“通信故障/1”表示故障,“通信故障/2”表示恢复)。
告警解析服务器主要根据不同设备类型的告警状态匹配规则进行告警分析定位,产生内部告警数据结构,程序结构如图3所示。
告警解析服务器从数据库提取告警数据,根据设备类型进行数据调度,把告警数据分发到对应的告警解析实体,告警解析实体通过DLL的形式实现,在程序初始化时动态加载进来。新增设备类型时除了前置机上增加一个DLL接口实体,告警解析服务器也需增加一个全新的DLL解析实体。
内部告警数据结构是一个内存链表,数据保存在数据库中,程序启动后加载到内存,其内按告警级别记录着系统每个故障单元对应的故障告警个数及恢复告警个数。
告警解析实体根据告警状态匹配规则进行告警分析。如为故障状态告警则把对应故障单元的故障告警数加1;如为恢复状态告警则清除之前存在的相匹配的故障告警(假设故障告警n个,n≥0),把对应故障单元的故障告警数减n,恢复告警数加n+1,产生内部告警数据结构,将数据入库并通知应用服务器。告警解析服务器与应用服务器间采用面向连接TCP私有协议通信。
应用服务器负责将内部告警数据结构转发给在线客户端;同时对客户端提交的数据进行后台分析处理并入库,将处理结果返回给客户端。
3.3客户端实现
客户端可以实现系统告警的图形化管理,告警可以定位到板卡或者端口级别。但不同集中告警系统管理的设备不同,设备外观及配置也各不相同,这就为系统图形化管理带来了困难。为了不走定制路线,系统需要提供一个设备无关的拓扑场景[8]编辑工具,可以根据设备组网及配置情况利用各种形状的图元进行拓扑编辑。拓扑编辑原理如图4所示。
一个监控拓扑由若干个图层构成,图层间有严格的隶属关系,一个图层可有多个子层,子层下还可再有子层,依此类推。拓扑编辑采用图4所示的倒树型拓扑编辑结构,由一个根节点可以扩充出不同的子图层构成一个完整的监控拓扑。每个图层有唯一的图层索引,图层索引代表了该图层在整个拓扑中的位置信息。如1-1的父层是1;1-2-1的父层是1-2;1-1有2个子层1-1-1和1-1-2。
可以在一个图层中添加设备网元,设备网元的属性包括设备类型、设备名称、目的图层和通信参数等。在该图层的子层中编辑设备的机架图,每个设备网元都有一个目的图层,目的图层指向机架图所在的图层。这样点击设备网元就可以切换到目的图层(机架图),一般机架图层都是设备图层的子层。机架图层主要通过图元的组合来描述设备的详细构成,如模块、板卡和端口等信息,机架图层内的每个组成图元代表一个故障单元,故障单元的属性包括所属设备、单元名称和告警位置等。
系统通过图层索引保存拓扑结构,通过图元数据流保存图层内数据信息,并提取图层内的设备信息及故障单元信息另表保存。
系统初始化时读取所有故障单元信息,依此建立内部告警数据结构内存链表,用来保存每个故障单元的告警个数。
客户端收到服务器转发的内部告警数据结构后,将对应的内存链表更新,然后根据新数据刷新监控拓扑上的告警指示,把指示定位到对应图层的对应故障单元上,根据不同告警级别通过不同颜色来显示告警状态。告警显示具有向上传递性,当一个故障单元产生告警后,会逐层反应到父层对应的网元上,直至最顶层拓扑。维护人员见到告警指示后,可以由设备网元点击逐层深入,直到最底层查看具体的故障位置及故障详细信息。
客户端收到告警数据结构后除了在监控拓扑上进行颜色指示外,还可将告警信息送给告警箱,由告警箱进行灯光显示及声音提示;还可以通过声卡播放告警提示音。
客户端还为维护管理人员提供各种应用功能接口,如:告警清除、告警受理、告警查询、告警打印、告警统计以及告警报表等。
4 系统性能测试
测试的目标是验证通过上述设计方案实现集中告警系统的稳定性、可靠性及系统扩充能力。
测试设备的网络配置结构如图5所示。
测试需要的设备包括:服务器、客户端和各子系统接口测试Demo。为了简化测试环境,在一个服务器上部署前置机程序、告警解析程序及应用服务器程序;各子系统接口测试Demo通常由子系统厂家提供,各接口测试Demo可以部署在同一台计算机上,也可分开部署。
按照各子系统提供的组网及设备配置资料进行拓扑编辑测试,拓扑编辑工具可以灵活方便建立监控拓扑,形象描述设备网络及设备机架图。证明了该系统拓扑编辑的设备无关性与灵活性。
根据各子系统提供的接口协议文档,在集中告警系统上扩充前置机的接口实体DLL和告警解析的解释实体DLL。DLL实现后可以动态加载到集中告警平台里,证明了接口管理的实用性与灵活性。
通过各子系统接口Demo向集中告警系统模拟发送告警,告警可以在监控拓扑上定位并正确显示,可以驱动声光告警。证明了接口实体DLL及解析实体DLL工作正常,与平台结合良好。
各测试Demo定时1 ms向集中告警系统发送告警数据。系统没有弹出异常,告警显示准确,证明了系统的稳定性与可靠性。
测试结果证明,分层设计的集中告警系统稳定可靠,扩充能力极强,设计是可行的。
5 结束语
目前该集中告警系统在国内多条轨道交通系统上部署应用,取得了广泛好评。实践证明了该系统完全达到了预期效果,有效地避免了定制系统带来的缺陷,大大减少了系统后期开发投入,降低了集中告警系统软件维护成本。分层可扩展的架构设计提高了系统的生命力;监控场景动态绘制满足了千变万化的用户现场环境。同时对其他网管类、监控类系统的实现具有很强的参考价值。
参考文献
[1]陈桂汉.综合电信管理解决方案[M].北京:电子工业出版社,2002:10-230.
[2]徐海军.电信网管发展的五大趋势[N].通信产业报,2004,第14期(第39版).
[3]李国宁,刘伯鸿.城市轨道交通综合监控系统及集成[M].北京:西南交通大学出版社,2011:20-330.
[4]张利彪.城市轨道交通信号与通信系统[M].北京:人民交通出版社,2010:5-90.
[5]贾毓杰.城市轨道交通通信与信号[M].北京:机械工业出版社,2009:45-160.
[6]李晓江.城市轨道交通技术规范实施指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2009:50-280.
[7]李千日.软件体系结构设计[M].北京:清华大学出版社,2008:30-370.
轨道专用 篇2
1、研究空天车地立体环境下的信号传输机理，突破空间大范围、长距离宽带通信技术（1）研究空、天、车、地立体环境下的传输机制和传输原理，确定适合轨道交通安全保障的专用网络架构。
（2）研究不同通信基站的大范围、长距离通信技术，实现一体化专用网络的高覆盖、大带宽及分层通信。
（3）研究专用网络内卫星、平流层飞艇、无人机、列车及地面基站间的通信方式，确定高可靠通信协议与通信制式。
（4）研究专网在不同应用场景下，通过对组网方式、传输协议等软硬件技术综合优化传输性能，有效提高专网信息传输的稳定性、鲁棒性及使用寿命等。
大家可以看见每个任务下可能有若干个小技术点，用（1）、（2）……标明。每个小技术点按照“大致分析每个内容中的技术难点，然后看看现有解决技术手段有哪些？株洲所是否具备技术基础、是否能对该问题进行研究或解决？株洲所不具备的话哪些公司过高校可能具备？”的思路，写个两三百字即可。
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研究空天车地立体环境下的信号传输机理，突破空间大范围、长距离宽带通信技术；
1、研究空天车地立体环境下的信号传输机理，突破空间大范围、长距离宽带通信技术 技术难点：
天地一体化存在多个问题：
A，拓扑结果是动态变化的；链路误码率高、链路切换不可预知、路由时间有限、链路传输时延长；
B，网络存在物理环路：子网是网状结构、星座间存在着多路径传输的问题、存在物理环路； C，计算能力有限：需要宇航级的芯片处理能力、处理能力有限、存储能力有限；
D，间距较远，易受干扰：上下不对称、传输时延大、易受外界干扰、安全威胁和攻击大。
对于网络协议体系，是采用IP交换还是采用其他的交换方式，不仅要考虑现有的系统，更重要的是要兼顾未来的发展，传输协议，路由协议和接入机制都要进行有针对性的设计和开发。目前，天地一体化网络路由协议正处于“百家争鸣”阶段，普适性较差；现有传输协议主要面向深空段、空间段或邻近空间段的星际间或星地间通信。针对未来大量用户的按需接入机制还没有一个完整的解决方案。
安全问题同样重要。“从网络的物理层到应用层，天地一体化网络都存在安全隐患，并呈现出与地面网络不同的安全特征，信息安全保障的任务艰巨。”刘立祥对记者说，天地一体化网络的无线传输特性、复杂组网结构、软硬件设计和实现缺陷、空间环境恶劣等特点，使得它更容易受到窃听、假冒、信息重放、物理损伤等手段的攻击和破坏。
此外，由于地面设备、卫星和其他航天航空设备距离较远，相互之间通信时延较大，通信链路也容易受到来自外界的干扰（如宇宙射线、电磁信号等），可能会加大信号传输中的错误率。
光通信技术的发展，为综合传送各种业务信息提供了必要的带宽和传输质量
1）、需要研究空、天、车、地立体环境下的传输机制和传输原理，确定采用何种适合轨道交通安全保障的专用网络架构；
现有的技术手段:现有的技术手段是，这个是重点，我需要在这个方面重点调研一下，比如采用****传输方法，导致****； 第二:这是基础、、研究，株洲所在基础研究上面非常薄弱，以前就没有专门的研究过。只是拿来进行实践。所以最好说不行，否则谁来搞？
株洲所在这个方面技术储备非常少，正在起步和积累阶段，如果投入足够的人力和资源，可以对该问题进行研究和解决。株洲所不具备的，航天科技有限公司具备该项基础，此为基础技术研究，需要长时积累，我司可以通过发挥我们的专长：网络控制方法，列车实时传输协议等方案，推荐与第三方机构进行合作。可以合作的单位有:
一：中国航天科技集团公司第五研究院第五O三研究所（航天恒星科技有限公司），其已经建立天地一体化信息技术国家重点实验室； 二：北京航空航天大学 电子信息工程学院
现有技术:
我国天地一体化天基与地基信息网络 1．天地一体化天基与地基通信网络 天地一体化天基与地基通信网络即天地一体化卫星通信网与地面通信网。卫星通信网与地面通信网一体化即为彼此综合或融合，它是通信网的重要发展方向，其典型综合示例如图4所示。国际电联（ITU）对移动卫星通信业务与地面移动通信业务IMT—2000（International Mobile Telecommunication-2000)的综合，根据卫星系统与地面系统之间实现综合的程度不同，把综合划分为五个层次：第一层为地理综合；第二层为业务综合；第三层为网络综合；第四层为设备综合；第五层为系统综合。
图4 卫星通信网与地面通信网综合示意图 卫星通信网与地面通信网综合，促使天地一体化通信网发展。随着卫星固定业务、卫星移动业务、卫星广播业务三种业务融合，地面电信网、互联网和有线电视网三网融合，各种卫星通信网与各种地面通信网互联互通，各个国家之间通信网互联互通，未来的通信网，将是一个包括地下的光缆，地面的微波中继和蜂窝移动通信，低轨道、中轨道以及静止轨道的通信卫星系统组成的服务于全球的综合通信网。它们之间既可以单独组成通信系统，又可以在不同系统间互联互通，最后构成全球无缝覆盖的天地一体化的海、陆、空、天共用的能够提供各种带宽和多种业务的全球综合通信网。
2．天地一体化天基与地基遥感网络
包含天、空、地的各种平台和各种遥感传感器资源的融合构想示例见图5。此图是天、空、地一体化的地球空间信息智能传感器网络(Geoinfo-Sensor-Web, GSW)。智能传感器是具有信息处理、环境适应和自我修复功能的传感器，可采集、处理、交换信息，并自动恢复受环境影响而降低了的感知性能。智能传感器一般与微处理器和无线发送装置集于一体，称作无线网络传感器节点。节点一般置于观测对象的附近，或与观测对象直接接触，甚至埋于感兴趣观测对象当中。
图5 地球空间信息智能传感器网络架构
GSW的天、空、地协同式骨干网络包括5层感知网络平台：①太空平台，由遥感卫星和卫星地面接收站组成，卫星含各种光学、微波、红外的对地影像获取传感器或重力、磁力、大气、电离层的传感器；②高空平台，由平流层气球组成，含所需的光学、微波、红外等传感器载荷和定位及通信装置；③中空平台，由载人航空摄影测量和航空大地测量设备组成，含通信装置和时空、姿态传感器；④低空平台，由无人机装载的摄影测量、工程测量和大地测量设备组成，也含通信设备和时空、姿态传感器；⑤地基平台，由CORS（Continuously Operating Reference Stations)网与各种专业的智能传感网以及地面地理域情智能传感网组成，近地或就地感知地理域情信息，它是地球空间信息智能传感网的地基基础设施。上述每一种传感网络平台都有自己的智能化数据处理中心，这些处理中心实现互联、互通、共享互操作，向用户提供“所要即所得”的服务。
其次是光通信技术的发展，为综合传送各种业务信息提供了必要的带宽和传输质量；最后最重要的是TCP/IP协议的普遍采用，使得以IP为基础的业务都能在不同的网上实现互通。于是，形成了以宽带IP网络即互联网为基础三大网络融合。
本文以保障数据可靠传输为前提,以大范围持续性中继通信为应用,针对空天信息网络的特点和信息传输需求,在网络层面进行数据传输策略的研究。重点针对网络正常运行时的数据可靠转发和网络资源优化,以及突发状况时的网络维护等问题设计相应策略,为空天信息网络实现可靠、高效的数据传输提供解决方案。本文的主要工作和贡献包括以下几个方面:
(1)为保障空天信息网络数据的可靠转发,针对网络高动态特点,设计了空天信息网络的总体路由策略。本文根据网络中各类节点的特点建立了空天信息网络的体系结构模型,明确了数据传输过程中各类节点的功能和任务,并对网络特点进行了详细分析。针对空天信息网络的特点,确定了总体路由机制。在此基础上针对网络拓扑的动态变化,尤其是高动态用户的位置变化,提出了路由转发策略。在路由转发策略中,通过网络地址和包头的设计以及用户位置查询方法,实现用户高速移动情况下路由的快速建立,并通过路由维护策略保证用户频繁切换时数据转发的可靠性,为高动态环境下的数据转发提供了总体的技术框架。
(2)为实现对业务需求的保障和网络资源的优化利用,对网络路由协议进行了优化设计。本文在分析网络业务类型和网络资源的基础上,提出了跨层资源优化模型,明确了网络各层协议的协作和信息共享方式。然后针对网络资源受限、网络状态动态变化和业务多样等特点提出了基于跨层资源优化的 QoS路由协议。该协议设计了网络状态信息库、各类业务的路由协议优化模型以及计算优化路径所需的路由算法,根据应用层提供的业务类型、QoS需求以及应用层、链路层共同提供的网络状态信息进行路由的优化。在数据可靠转发的基础上,提高了数据传输效率。