OPC UA在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)互聯(lián)互通中的應(yīng)用研究

陳海歡

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 611756）

互聯(lián)互通是當(dāng)前城市軌道交通的發(fā)展方向，對(duì)提高運(yùn)輸效率、改善乘車環(huán)境、縮短出行時(shí)間起著重要的作用。但因各信號(hào)廠家采用的信號(hào)系統(tǒng)總體架構(gòu)、通信協(xié)議、接口標(biāo)準(zhǔn)存在一定差異，需要制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和接口規(guī)范，以實(shí)現(xiàn)車輛及不同地域地面設(shè)備互通互換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)列車跨線聯(lián)通聯(lián)運(yùn)，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)目的。OPC UA是OPC基金會(huì)為過程自動(dòng)化及其它領(lǐng)域數(shù)據(jù)通信提供的新標(biāo)準(zhǔn)，旨在為企業(yè)制造模型創(chuàng)建統(tǒng)一對(duì)象和架構(gòu)定義[1]，在工業(yè)制造領(lǐng)域有著大量應(yīng)用?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)對(duì)信號(hào)系統(tǒng)互聯(lián)互通研究與實(shí)施還處于起步階段，對(duì)OPC UA在城軌信號(hào)系統(tǒng)互聯(lián)互通中的應(yīng)用研究極少，本文對(duì)其在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)互聯(lián)互通中的應(yīng)用展開研究。

1 OPC UA簡(jiǎn)介

OPC（OLE for Process Control）通信標(biāo)準(zhǔn)的核心是互通性和標(biāo)準(zhǔn)化?；谖④浀腃OM/DCOM技術(shù)，采用服務(wù)器/客戶端模式，定義了一些用于數(shù)據(jù)訪問、事件和報(bào)警處理、歷史數(shù)據(jù)訪問的接口[2]，在控制級(jí)別很好地解決了硬件設(shè)備間互通性的問題。但隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)OPC技術(shù)不夠靈活、平臺(tái)局限性等問題逐步突顯，OPC基金會(huì)提出了最新的數(shù)據(jù)通信統(tǒng)一方法——OPC統(tǒng)一架構(gòu)（OPC UA，OPC Unified Architecture）。

OPC UA集成現(xiàn)有的OPC規(guī)范，包括OPC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)訪問規(guī)范OPC DA、OPC報(bào)警事件訪問規(guī)范OPC A&E、OPC歷史數(shù)據(jù)訪問規(guī)范OPC HAD、命令、復(fù)雜數(shù)據(jù)和對(duì)象類型等，采用統(tǒng)一的地址空間和服務(wù)模型，使得同一系統(tǒng)能被統(tǒng)一訪問；通過經(jīng)管理員開放的端口進(jìn)行通信，提升傳輸性能；支持多種消息編碼格式和多種傳輸協(xié)議[3]，如TCP和HTTP協(xié)議；自糾正特性提高其可靠性，標(biāo)準(zhǔn)冗余模型也使得來自不同廠商的軟件應(yīng)用可以同時(shí)被采納并彼此兼容；底層通信通過加密算法，保證消息完整性；跨平臺(tái)技術(shù)使得數(shù)據(jù)能靈活交換。

2 城軌信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)分析

典型的城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)由列車自動(dòng)監(jiān)控（ATS）、聯(lián)鎖、區(qū)域控制器（ZC）、車載列車自動(dòng)防護(hù)/列車自動(dòng)運(yùn)行（ATP/ATO）以及數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（DCS，Data Communication System）等組成。ATS主要實(shí)現(xiàn)線路監(jiān)督、列車調(diào)度、時(shí)刻表管理等監(jiān)督管理功能；聯(lián)鎖負(fù)責(zé)線路設(shè)備（例如，信號(hào)機(jī)、區(qū)段、道岔、屏蔽門、防淹門、緊急停車按鈕等）狀態(tài)的采集及依據(jù)需要對(duì)軌旁設(shè)備進(jìn)行控制；ZC主要完成列車的跟蹤、移動(dòng)授權(quán)計(jì)算等；車載ATP/ATO實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的控制，防止列車超速、冒進(jìn)、倒溜、未停準(zhǔn)等非安全因素。它們之間通過DCS連接起來，實(shí)現(xiàn)相互之間的信息傳遞及控制。體系架構(gòu)如圖1所示[4]，簡(jiǎn)化后得到如圖2所示的系統(tǒng)框架。

圖1 互聯(lián)互通信號(hào)系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

圖2 互聯(lián)互通信號(hào)系統(tǒng)簡(jiǎn)化架構(gòu)示意圖

車站ATS通過gateway實(shí)現(xiàn)與相關(guān)設(shè)備（如ZC、本地控制器（LC，Local Controller）、車載控制器（CC，Carborne Controller））之間的信息交互。

3 OPC UA實(shí)現(xiàn)

通過以上分析可知，gateway作為信息交互的主要設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)互聯(lián)互通的關(guān)鍵。但因各家信號(hào)公司采取的通信協(xié)議存在一定的差異，因此，需將它們進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能相互訪問，gateway正好能解決這個(gè)問題。可行的解決方案是：建立滿足OPC UA協(xié)議的UA Server，gateway通過TCP異步通信，作為server發(fā)送信息給UA Server，同時(shí)，外部廠商應(yīng)是全滿足OPC UA的客戶端，通過訪問UA Server即可實(shí)現(xiàn)信息互傳。其架構(gòu)如圖3所示。

圖3 采用OPC UA的信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

3.1 消息類實(shí)體設(shè)計(jì)

ATS主要功能包括列車運(yùn)行情況的集中監(jiān)視、自動(dòng)排列進(jìn)路、自動(dòng)列車運(yùn)行調(diào)整、自動(dòng)生成時(shí)刻表、自動(dòng)記錄列車運(yùn)行軌跡、自動(dòng)進(jìn)行運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及報(bào)表生成、自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等，輔助調(diào)度人員對(duì)全線列車進(jìn)行管理。

對(duì)于ATS子系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容，通過TCP方式傳遞給UA Server，此時(shí)，可將ATS子系統(tǒng)當(dāng)作是server進(jìn)行處理，而UA Server此時(shí)當(dāng)作是client進(jìn)行處理。ATS監(jiān)控的內(nèi)容主要包括有：聯(lián)鎖信息、信號(hào)機(jī)信息、區(qū)段信息、道岔信息、屏蔽門信息、站間閉塞信息、緊急停車按鈕狀態(tài)信息、命令信息等。對(duì)于消息傳遞實(shí)體，定義消息類CMessageEntity。

class CMessageEntity

{

Public CTrackState TrackState;//軌道占用

狀態(tài)

Public CRouteState RouteState;//進(jìn)路狀態(tài)

Public CVehicleState VehicleState;//列車

運(yùn)行狀態(tài)

Public CSignalState SignalState; //信號(hào)機(jī)

狀態(tài)

Public CTurnoutState TurnoutState; //道岔

狀態(tài)

Public CPlatformDoorState PlatformDoor-

Sate;//屏蔽門狀態(tài)

Public CTrainIdentificationNum Train-

Identi-ficationNum;//列車識(shí)別號(hào)

public CIsDeflected IsDeflected;//是否與實(shí)

際偏離

public CDegradationProcessing Degra

dation-Processing;//降級(jí)處理信息

public CToPassengerInfo ToPassenger-

Info;//給旅客提供的信息

}

其中，CTrackState、CRouteState、CVehicleState、CSignalState、CTurnoutState、CPlatformDoorState、CTrainIdentificationNum、CIsDeflected、CDegradationProcessing、CToPassen-gerInfo均為在外部定義的類，包含各自的信息，例如，ID、顏色、位置、狀態(tài)等信息，CTrainIdentificationNum（列車識(shí)別號(hào)）中應(yīng)包含列車服務(wù)號(hào)、列車目的地號(hào)、列車車體號(hào)等信息。

class CTrainIdentificationNum

{

public long serviceNum { get; set; }//列車服

務(wù)號(hào)

public long destinationNum { get; set; }//列

車目的地號(hào)

public long trainBodyNum { get; set; }//列

車車體號(hào)

}

消息傳遞到UA Server后，滿足OPC UA的client可以對(duì)其進(jìn)行訪問。此時(shí)，UA Server作為滿足OPC UA協(xié)議的服務(wù)器，而滿足OPC UA的外部廠商作為客戶端對(duì)其進(jìn)行訪問、接入控制和安全校驗(yàn)等操作。

3.2 測(cè)試仿真

基于.NET Framework 4.5.2，在VS 2015平臺(tái)上，采用C#編程語(yǔ)言，對(duì)OPC UA客戶端訪問OPC UA服務(wù)器過程進(jìn)行模擬測(cè)試研究。

OPC UA客戶端與服務(wù)器之間的通信應(yīng)滿足較高的安全等級(jí)，以保證信息可靠傳遞，從而確保機(jī)車車輛能安全可靠運(yùn)行。在實(shí)施過程中，需要添加證書，確保信息來自可靠服務(wù)器并且在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中未被截取或偷聽。

利用VS2015中X.509證書制作工具，在“VS2015開發(fā)人員命令提示”中輸入“makecert -r -pe -n“CN=MyServer” -ss My -sky exchange”，制作一個(gè)“CN=MyServer”的服務(wù)器證書，利用IE證書導(dǎo)出工具，導(dǎo)出證書文件“certificate.cer”，并添加給客戶端。采用socket實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器通信，利用SSL實(shí)現(xiàn)客戶端對(duì)服務(wù)器單向認(rèn)證，以字節(jié)流的方式實(shí)現(xiàn)信息交互。

客戶端通過Client Hello消息將其支持的（SSL，Secure Sockets Layer，安全套接層）版本、加密算法、密鑰交換算法、MAC算法等信息發(fā)送給SSL服務(wù)器；服務(wù)器后通過Server Hello消息通知客戶端；同時(shí)，服務(wù)器將攜帶自己的公鑰信息的數(shù)字證書通過Certificate消息發(fā)送給客戶端；后發(fā)送Server Hello Done消息，通知客戶端版本和加密套件協(xié)商結(jié)束，開始進(jìn)行密鑰交換；客戶端驗(yàn)證證書合法后，利用證書中的公鑰加密SSL客戶端隨機(jī)生成的premaster secret，通過Client Key Exchange消息發(fā)送給服務(wù)器；客戶端再發(fā)送Change Cipher Spec消息，通知服務(wù)器后續(xù)報(bào)文將以協(xié)商好的密鑰和加密套件進(jìn)行加密；客戶端計(jì)算已交互握手信息的Hash值，利用協(xié)商好的密鑰和加密套件進(jìn)行加密，通過Finished消息發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器同樣對(duì)交互的握手信息進(jìn)行Hash值計(jì)算，并與客戶端傳過來的Hash值進(jìn)行比較，若二者相同，則證明密鑰和加密套件協(xié)商成功；同樣，服務(wù)器發(fā)送Change Cipher Spec消息，通知客戶端后續(xù)報(bào)文將采用協(xié)商好的密鑰和加密套件進(jìn)行加密；服務(wù)器再將交互的握手信息的Hash值，利用協(xié)商好的密鑰和加密套件進(jìn)行處理，并通過Finished消息傳遞給客戶端，客戶端將其與自身計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，若二者相同，則證明密鑰和加密套件協(xié)商成功，雙方能進(jìn)行正常安全通信[5]。其消息傳遞過程如圖4所示。

圖4 只認(rèn)證服務(wù)器的SSL握手過程

仿真表明，滿足OPC UA的客戶端和服務(wù)器能穩(wěn)定連接并實(shí)現(xiàn)信息互傳，服務(wù)器端仿真結(jié)果如圖5所示。顯示結(jié)果包含有SSlStream的批量加密算法、算法強(qiáng)度、身份驗(yàn)證代碼（MAC）算法、密鑰交換算法等信息。

圖5 server端仿真結(jié)果

客戶端能穩(wěn)定連接服務(wù)器并接收從服務(wù)器傳遞來的消息，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 客戶端仿真結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

信息互傳是實(shí)現(xiàn)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)互聯(lián)互通的基礎(chǔ)，以保證在設(shè)備互換、跨線運(yùn)行過程中，車輛能可靠運(yùn)行。OPC UA在滿足可靠通信和身份驗(yàn)證的前提下，將所需傳遞的信息以TCP方式在客戶端和服務(wù)器之間進(jìn)行交互，表現(xiàn)良好。本次仿真客戶端和服務(wù)器均在Windows平臺(tái)上進(jìn)行部署，并且在之前的測(cè)試中，OPC UA在Linux和Windows通信中同樣表現(xiàn)良好，證明了OPC UA在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)互聯(lián)互通中能有較好的應(yīng)用。