公路机电工程综合网管系统方案设计研究

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　　摘要：针对公路机电工程综合网管系统的实际需求，结合“运行监护、系统协作、指挥调度”的原则，本文设计了公路机电工程综合网管系统方案，详细介绍综合网管的体系结构、系统功能、传输协议、平台构建的设计原则及框架。。
　　
　　关键词：公路机电工程综合网管
　　
　　1 概述
　　 近年来我国公路路网的骨架基本建成，相应的各路段收费、监控、通信等机电系统建设取得了阶段性的成果。但公路机电系统的运行维护管理存在如下缺陷：
　　 1、现有的公路机电系统设计主要是针对自身系统管理的需求设计，没有全面考虑整个路网机电系统的管理需求。
　　 2、现有的系统在应用层面相互独立，各系统都集成了相应的平台，并且包括了不同厂家、公司的设备、软件等，这使得网络故障的出现更加频繁、排除更加困难。
　　 3、每个系统都配备独立的管理人员，但是这也带来了各系统信息交互时间延迟、漏报和误报的弊端，并且导致系统维护成本直线上升。由于以上的具体状况，新的公路机电设备综合网管系统建设需求由此产生。
　　2 需求分析
　　 在进行公路机电工程综合网管系统应用研究时，需针对路网内现有公路机电系统信息平台的组成、功能进行深入的分析和现场调研，结合现有交通机电工程软硬件设施和管理模式对公路机电工程综合网管系统的业务流程和内容进行分析，提出详细的功能需求。具体包括：1、公路网基础资料的收集与分析，如：已建公路名称、所属区域、里程、车流量、管理单位的体制与营运状况等资料。2、公路机电工程网管系统基础资料的收集与分析，如：系统的体系结构、功能、设备现状和布设位置以及通信系统的传输与扩展能力等。
　　3 体系结构设计
　　 在管理需求和业务需求分析的基础上，提出公路机电工程综合网管系统的体系结构。根据公路建设的现状和发展趋势，结合公路智能交通控制与管理需求，分析公路机电工程综合网管系统功能和系统用户功能以及公路管理维护的业务流程，提出适合公路需求的、智能控制与智能管理的、一体化分层次的体系结构。
　　 管理层次上分为四个层次，即路段中心、通信网络、各机电系统（收费、监控、通信、电力监控系统）和机电设备。体系结构上也分为四个层次：被管设备层、网元管理层、网络管理层、系统管理层。
　　
　　
　　 位于最低层是被管设备层，它由多个网管代理和被管设备组成，网管代理负责收集被管设备的信息和响应网元管理者发过来的轮询信息，同时还要在被管设备出现故障时产生Trap信息，向网元管理者发出告警。网络管理协议包括支持TCP/IP的简单网络管理协议SNMP、命令行接口协议CLI和基于OSI的通用网络管理协议CMIP。
　　 网元管理层由多个网元管理系统（NEM）组成。一个NEM可以管理一个单一机电系统网络，提供基本网络功能，如进行拓扑发现、MIB浏览和MIB修改等。
　　 网络管理层由一个或多个综合管理系统（INM）以及资源库和策略库组成。一个INM管理一个大型异构网络，跨多个管理域，支持多种网管协议。INM能提供丰富的基于WEB的网络管理功能，并提供INMAPI和资源服务，为应用系统管理提供支持。
　　 系统管理层由多个应用系统管理代理（SMA）组成。每个应用系统对应一个SMA。系统管理层还包含一个应用依赖性分析（ADA）。
　　4 功能设计
　　 公路的机电设备、机电系统、通信网络、路段中心为公路机电设备综合网管系统发挥作用提供了一个硬件支撑环境。然而，如何直接对网络实施管理效能，抑制异常情况的出现，减少故障的发生，制定控制优化方案，下传控制指令，实现对网络的监控管理，形成综合网管系统方案是本项目研究的重要环节。
　　 1、故障信息的采集与分析
　　 当设备上出现故障时，系统通过算法确定故障成因并迅速定位故障，通过多种途径通知管理者，并尝试修复。故障主要分为设备故障、网络故障和系统故障。
　　 系统负责总体协调异构域信息，提供统一的网络状态视图。通过对象请求获得来自网络设施的事件请求。
　　 2、机电设备配置
　　 高速公路机电设备综合网管系统允许用户通过网络和软件平台对设备执行一系列操作。被赋予权限的用户可以使用配置模块对监控系统设备、通信系统设备、收费系统设备和电力监控系统设备进行配置。
　　 如：实时电压、电流、 频率、有功功率、发电机输出电压、电流、频率、水温、启动电池电压、油机、告警、事故紧急停车等。
　　
　　
　　 3、机电设备报警
　　 通过通信线路与设备的通信采用轮询方法，监测设备故障状况，并通过人机界面向操作员发出声光报警，通过基于Web和GIS技术的可视化界面以闪烁的方式弹出设备故障信息。提醒系统管理人员查看并处理。
　　 当某个设备或信号出现故障报警时，这个故障有可能是它本身的问题，也有可能是由前面的设备或信号导致的。举个例子，某个设备报警其信号故障，仅从此报警并不能判断是信号的问题还是设备的问题；而如果前面的（若干）设备同样也报此故障，那么很大的可能性就是信号本身出了问题；换个角度，如果该节点前面的设备没有报错，那第一种可能性是前一个设备的故障导致，其次是这两个设备间的连线断了。因此，对故障的定位需要将故障节点向前相关联的各节点状态进行统一分析才能确定，或是按照不同概率提供的故障判断。提供智能报警后，系统就忽略不必要的重复报警，从而帮助值班人员迅速解决问题。这种逻辑判断通常需要主动式信息查询方式辅助实现。
　　 向前可以进行故障智能定位，向后同样需要逻辑分析。由于故障点的出现，必然导致节点后面相关联的设备和信号发出报警。这种情况下系统利用关联机制主动显示故障影响区域，屏蔽后面的关联报警（已经没有必要了）。根据故障影响评估，监控系统应该提供相应的提示，以提醒值班人员及时处理，实现最快的排险。
　　 在上述智能报警的基础上，智能化应急就成为了可能。也就是在已判定的故障点和影响面的情况下，提供相应的应急解决方案，如跳过故障点、切换备用通道等。应急方案主要是提供故障的规避，而不是故障的处理，因为在线对故障的处理最快速的方法通常是避开，而不是排除。应急方式按照具体情况设置，没有固定模式参考，不过可以提供多级应急操作供选择。这种机制就是建立在设备可控性基础上的。当然，应急方案最终是以人为最高控制权的，因此需要提供自动和手动模式。
　　 4、地理空间数据管理
　　 地理信息系统（Geographic Information System）GIS是集现代计算机科学、地理学、信息科学、管理科学和测绘科学为一体的一门新兴学科。在交通领域，GIS与传统的交通信息分析和处理技术紧密结合，延伸出了交通地理信息系统（Geographic Information System for Transportation），简称GIS-T。
　　 GIS-T应用模块的主要功能包括：地图显示、属性查询和统计、空间查询、专题图等功能。
　　地图显示：
　　 地图浏览工具：基本的放大、缩小、全图显示、漫游、移动、距离测量、历史视图、基本信息查询。
　　 地图显示和控制：根据需要，显示背景地图和各个图层，并可以设定要显示的地图图层，打开、关闭图层，设置图层显示风格（颜色、线性、字体等）。
　　 地图打印和保存：根据业务需要，打印各类路网图、专题图、统计图等，并能保存为特定格式的图形文件，以便插入到Word等文件中。
　　属性查询和统计
　　 查询：直接访问高速公路机电系统的基础信息。
　　 统计：各类汇总统计高速公路机电系统的基础信息。
　　空间查询

　　 在地图上选择地图元素，可以显示相应的地图信息和关联的属性信息。如选中地图中某条路线段，弹出属性显示对话框，各个Tab分页中分别列出路线概况、主要构造物、沿线设施等信息。
　　专题图
　　 在专题图上可以显示：机电设备分布、高速公路沿线设施分布、工程分布等。
　　 5、安全管理
　　 针对高速公路机电工程综合网管系统的特点和要求，以及结合信息安全系统工程（ISSE）的方法和研究，其整体安全体系结构如下所示：
　　
　　
　　 该安全体系架构是一个三维坐标，表示安全体系架构中关注的几个方面：保护内容、被保护系统和保护措施。
　　5 系统数据传输协议研究
　　 由于各条公路中各系统所采用的结构不尽相同，所选用的设备各有特点，采用的通信协议也各不相同，要使得综合网管系统能够及时有效的获取各系统的信息，就需要制定相关的通信协议实现综合网管系统与不同系统组成单元之间的互操作性和共享性。这些数据传输协议，是需要开展研究的重要内容。
　　 1、SNMP技术
　　 SNMP是英文“Simple Network Management Protocol”的缩写，中文意思是“简单网络管理协议”。SNMP首先是由Internet工程任务组织（Internet Engineering Task Force)（IETF）的研究小组为了解决Internet上的路由器管理问题而提出的。
　　 SNMP是目前最常用的环境管理协议。SNMP被设计成与协议无关，所以它可以在IP、IPX、AppleTalk、OSI以及其他用到的传输协议上被使用。SNMP是一系列协议组和规范，它们提供了一种从网络上的设备中收集网络管理信息的方法。SNMP也为设备向网络管理工作站报告问题和错误提供了一种方法。
　　 2、RMON技术
　　 RMON是Remote Monitor的缩写，RMON规范是一套MIB的定义，其作用是定义标准的网络监视功能和接口，使基于SNMP的管理终端和远程监视器之间能够通信，监视器在子网中执行RMON定义的监视功能。
　　 RMON MIB是对SNMP框架的重要补充，它定义了一系列对支持远程监视功能有用的被管理对象。另外，RMON MIB规范为远程监视定义了一系列的功能。RMON的强大之处在于它完全与SNMP框架兼容。
　　 3、CORBA技术
　　 CORBA（Common Object Request Broker Architecture）是OMG组织分布对象处理与集成框架。其基本目的在于开发分布式对象技术及其对象管理规范，建立应用系统的通用集成框架，在分布异构的环境下实现基于对象软件的可重用、可移植和互操作。由于CORBA具有简单对象模型、与实现语言无关以及分布式透明性的特点，并能与SNMP按照既定的标准进行完全的转换，因此CORBA非常适合于计算机网络管理，为计算机网管的分布式发展提供了良好的途径。
　　 4、研究思路
　　 由于CORBA分布式的特点，基于它的网管系统可视被管网络的分布情况分为若干个子域管理者，每一子域管理者管理一子域，并统一由主域管理者调配、控制。主域管理者采用CORBA实现，而子域管理者和代理者都可用CORBA或SNMP实现。
　　
　　
　　6 综合网管系统信息平台构建技术研究
　　 公路机电工程综合网管系统信息平台构建在通信服务和应用服务功能上。通信服务以高速公路通信网络为基础，构建基于计算机的IP网络，形成数据传输通道。应用服务是公路机电工程综合网管系统信息平台各业务和功能的运行环境，是数据和信息的存储、加工、处理平台。通过此平台，形成基于WEB、J2EE和GIS-T技术的可视化界面，访问符合公路机电工程综合网管系统需求的，具有可扩展的，统一表达的管理数据集。
　　 1、基于WEB的网管平台
　　 传统的网络管理系统多数采用基于网络管理命令驱动，必须由专业网络管理人员操作、使用和维护。随着网络规模扩大，网络管理功能越来越复杂，传统网络管理界面的友好程度显得愈来愈差。为了减轻网络管理的复杂性，降低网络管理费用，需要一种跨平台的、方便实用的网络管理模式，基于WEB的网络管理模式便应运而生。这种新的网络管理模式融合了WEB技术和网络管理技术，它允许网络管理人员通过WEB浏览器去监测、管理网络系统，管理人员在网络的任何结点上都可以方便配置、控制及访问网络。基于WEB的网络管理提供比传统网管界面更直接、更易于使用的界面，从而降低了对网络管理操作和维护人员的要求。同时这种新型网络管理模式还可以解决异构平台产生的互操作问题。
　　 2、J2EE技术
　　 为了降低投入成本，并加快企业应用程序的设计和开发，Sun公司的J2EE平台提供了一个基于组件的方法，来设计、开发、装配及部署企业应用程序。J2EE 平台提供了多层的分布式的应用模型、组件再用、一致化的安全模型以及灵活的事务控制。平台独立的、基于组件的J2EE解决方案不会被束缚在任何一个厂商的产品和API上。
　　 J2EE规范定义了以下种类的组件：
　　应用程序客户端组件（Application client components ）；
　　EJB 组件（Enterprise JavaBeans组件）；
　　Servlets及JavaServer Pages（JSP页面）组件（也被称作Web组件）；
　　Applets（Java小程序）。
　　
　　
　　 一个多层的分布式的应用模型意味着应用逻辑被根据功能而划分成组件，并且可以在同一个服务器或不同的服务器上安装组成J2EE应用的这些不同的组件。一个应用组件应被安装在什么地方，取决于该应用组件属于该多层的J2EE环境中的哪一层。这些层是客户层、Web层、业务层及数据库层。
　　 3、平台结构
　　
　　 其中，客户端主要负责系统的表现逻辑。它同客户交互，为客户提供相应的网管信息，同时将客户的网管请求提交给WEB服务器和其他应用服务器，如故障管理服务器，性能管理服务器等。客户的实现方式表现有三种，一种是纯浏览器客户，这种客户通过HTTP协议同服务器交互，服务器端往往使用动态网页技术如Java Serlet、JSP等。另一种是基于Applet的客户，浏览器和Applet一起工作，完成瘦客户的各项工作。这种客户使用HTTP和RMI、CORBA等技术同服务器通信。最后一种方式是采用单独的网管客户程序的方式，这种方式下的客户可能是Java的Application，它独立地运行，不依赖于浏览器环境，这种方式中客户使用RMI、CORBA等技术同服务器通信。
　　7 结束语
　　 本文根据公路机电工程综合网管系统的特点与需求，介绍了公路机电工程综合网管系统的设计研究方案。给出了综合网管的体系结构、系统功能、传输协议、平台构建的设计原则及框架。由于综合网管受先前机电工程实施的影响较大，在实际工程设计中，应结合实际情况，依照本文给出的设计原则充分考虑上述因素影响进行设计。
　　
　　参考文献：
　　[1] 苏洋，李增智，孟静，《基于CORBA的网管系统的设计与实现》，西安交通大学计算机系统结构与网络研究所，2002.1
　　[2] 孔轶群，杨家玮，《地域通信网网管评估系统的设计与实现》西安电子科技大学信息科学研究所，2004.10。
　　[3] 黄国言，《WEB方式下基于SNMP的网络管理软件的设计和实现》，燕山大学信息科学与工程系。
　　[4] 方杰，袁修贵，《基于J2EE规范的电信综合网管架构设计》，中南大学数学科学与计算技术学院，2005.10。
　　[5] 张登先，王鹏，何希琼，《利用JMX改进网络管理系统中指标实时监控》，中国科学院成都计算机应用研究所，2004。
　　
　　作者简介：
　　 高晓枫，男，汉族，1977年7月4日出生于苏州常熟，1993年9月至1996年7月，毕业于江苏省苏州中学；1996年9月至2000年7月，毕业于南京大学信息管理系，大学本科；2000年8月进入江苏省苏州市公路管理处工作，现任路网调度办公室副主任。
　　
　　 成晟，男，1998年毕业于东南大学电子工程系物理电子专业，同年进入电子工业部第十四研究所，于2004年进入江苏东大智能系统科技有限公司。先后参与并管理了海口美兰机场、南京禄口机场（二期）、北京首都机场（T2）、长沙黄花机场、沈阳桃仙机场航站楼系统集成项目；黄黄高速、楚大高速、成渝高速机电系统；建国50周年大庆阅兵、东风导弹（DF-31）实弹试射、第21届世界大学生运动会；常州常溧高速、太仓疏港高速、淮安金马高速、G204国道、G328国道交通工程设计。
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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