地鐵綜合監控系統應用技術(shù)研究

1 車(chē)站運行管理機制

　　根據車(chē)站運營(yíng)使用的需要，車(chē)站管理一般有兩種方式：一種為車(chē)站平行運營(yíng)模式，其車(chē)站設備之間的聯(lián)接多采用雙環(huán)網(wǎng)結構;另一種為車(chē)站組群運營(yíng)模式，即中央級管理軸心站、軸心站管理衛星站方式，其車(chē)站設備之間的聯(lián)接多采用兩層星型網(wǎng)結構。深圳地鐵3號線(xiàn)兩層星型網(wǎng)結構如圖1所示。車(chē)站組群運營(yíng)模式既可節省運營(yíng)人員，提高運營(yíng)工作效力，還可降低建設成本。如深圳地鐵3號線(xiàn)車(chē)站組群運營(yíng)模式設計，選取規模大、客流量高的車(chē)站為軸心站。每一軸心站將會(huì )管理2~3個(gè)鄰近衛星站。軸心站設有冗余服務(wù)器。衛星站不設置服務(wù)器，功能由所屬軸心站服務(wù)器實(shí)現。

　　一般情況下，軸心站綜合監控系統具有本站及所管轄衛星站設備的監視、確認報警和控制功能;而衛星站綜合監控系統只對本站設備進(jìn)行監視，不能進(jìn)行控制及確認報警。在特殊情況下，當軸心站授予控制權給衛星站后，衛星站綜合監控系統可監視和控制本站設備以及確認報警，而軸心站綜合監控系統對該衛星站設備只有監視功能，不能進(jìn)行控制及確認報警。軸心站綜合監控系統可個(gè)別選取本站及所管轄的衛星站的車(chē)站控制權;而衛星站綜合監控系統只可選取本站的車(chē)站控制權，并需要軸心站先授予控制權。這樣可確保操作員的合法唯一性，可避免不同地點(diǎn)的操作員同時(shí)操作而產(chǎn)生沖突。

2 系統硬件組成

　　系統主要由中央綜合監控系統、車(chē)站綜合監控系統（包括綜合后備盤(pán)）及綜合監控骨干網(wǎng)等組成。

　　2.1 中央綜合監控系統

　　中央綜合監控系統由中央監控網(wǎng)絡(luò )、運營(yíng)控制中心（OCC）冗余實(shí)時(shí)服務(wù)器、冗余歷史服務(wù)器、磁盤(pán)陣列、磁帶記錄裝置、各類(lèi)操作員工作站（總調工作站、電調工作站、環(huán)調工作站、維調工作站）、冗余的互聯(lián)系統的網(wǎng)關(guān)裝置（FEP前端處理器或通信控制器）、不間斷電源、打印機、網(wǎng)絡(luò )管理系統（NMS）、大屏幕系統（OPS）等組成，用于監視全線(xiàn)各車(chē)站（包括車(chē)輛段）的各個(gè)子系統的運行狀態(tài)，完成中央級的操作控制功能。地鐵綜合監控系統在中央監控中心設立中央級監控網(wǎng)絡(luò )管理工作站。中央級監控網(wǎng)絡(luò )的核心是冗余配置的以太網(wǎng)交換機。中央監控網(wǎng)絡(luò )為冗余1 000/10 000 Mbit/s交換機構成的以太網(wǎng)，符合IEEE 802.3標準，采用TCP/IP協(xié)議。

　　2.2 車(chē)站綜合監控系統

　　車(chē)站級監控系統與車(chē)輛段監控系統分別位于車(chē)站、車(chē)輛段。車(chē)站綜合監控系統由車(chē)站監控網(wǎng)絡(luò )、車(chē)站服務(wù)器、車(chē)站（或車(chē)輛段）操作員工作站、前端處理器、雙屏值班站長(cháng)操作站、雙屏值班員操作站、車(chē)站互聯(lián)系統的網(wǎng)關(guān)裝置（FEP）、打印機、綜合后備盤(pán)（IBP）等組成，用于監視車(chē)站各子系統的運行狀態(tài)，完成車(chē)站級的操作控制功能。車(chē)站監控網(wǎng)絡(luò )為冗余1 000 Mbit/s交換機構成的以太網(wǎng)，符合IEEE802.3標準，采用TCP/IP協(xié)議。

　　2.3 綜合監控骨干網(wǎng)

　　通信骨干網(wǎng)是連接車(chē)站級監控系統和中央級監控系統的主干傳輸通道，它將中央級監控系統、車(chē)站級監控系統和車(chē)輛段監控系統連接為一有機整體。早期國內地鐵監控網(wǎng)絡(luò )大多基于同步數字分級（SDH）或異步傳輸模式（ATM）通信方式。而今隨著(zhù)通訊技術(shù)的發(fā)展，大多采用單獨光纖通道組建綜合監控系統骨干網(wǎng)，即開(kāi)放式傳輸網(wǎng)（OTN）通信方式。根據地鐵綜合監控系統的數據傳輸要求，現地鐵綜合監控系統的骨干網(wǎng)大多采用數據傳輸速率為1 000 Mbit/s的以太網(wǎng)交換機作為數據傳輸的一個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。

　　2.4 綜合后備盤(pán)

　　車(chē)站車(chē)控室設置綜合后備盤(pán)（IBP），實(shí)現緊急情況下（災害及阻塞）相關(guān)重要設備的后備控制功能。根據不同站設備配置和車(chē)控室布置不同，宜采用一站一設計構思。每個(gè)車(chē)站控制室IBP柜、工作臺的形狀尺寸都應根據房間尺寸專(zhuān)門(mén)定制，控制室不僅要有高效的車(chē)站控制功能，而且在整體美觀(guān)方面也有很高的標準。

3 系統集成方案

　　早期地鐵車(chē)站控制室的各系統都有自己的管理工作站，一般包括常規機電設備監控系統、信號系統、自動(dòng)售檢票系統、門(mén)禁系統、旅客信息系統（PIS）、防災報警系統、廣播系統（PAS）等的工作站。而一般的地鐵車(chē)站通常只設置2名車(chē)站值班人員，要負責監管如此多的機電設備，需要不斷在各系統工作站的液晶顯示（LCD）間切換，工作強度大。為了方便運營(yíng)的集中操作，產(chǎn)生了地鐵綜合監控系統的運用需求。地鐵綜合監控系統采用集成和互聯(lián)的體系結構通常，采用集成的子系統主要有：電力監控系統（SCADA），環(huán)境與設備監控系統（BAS），火災報警系統（FAS），屏蔽門(mén)（PSD）或安全門(mén)（SD）系統，門(mén)禁系統（ACS）;采用互聯(lián)的子系統主要有：信號（SIG）系統，自動(dòng)售檢票（AFC）系統，閉路電視（CCTV）系統，廣播（PA）系統，PIS，車(chē)載信息與安全防災系統，無(wú)線(xiàn)通信系統，時(shí)鐘（CLK）系統。

　　根據筆者對目前國內軌道交通綜合監控系統實(shí)施情況的調研來(lái)看，從集成系統的范圍和集成深度，系統集成方案可分為以下4種?？筛鶕ㄔO規模、成本控制以及運營(yíng)模式的需要選擇實(shí)施不同的方案。

　　3.1 信息集成方案

　　信息集成就是保留目前各系統的分立局面，利用各系統提供的開(kāi)放式數據接口，增加相應的數據收集、存儲、分發(fā)和處理系統，實(shí)現信息共享和系統間的快速指揮。如南京地鐵2號線(xiàn)采用信息集成方案，暫考慮只監視不控制。

　　3.2 部分淺集成方案

　　該方案對部分軟硬件平臺接近的系統進(jìn)行集成，其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、容易實(shí)施、工程投資增加不大。該方案以滿(mǎn)足各集成系統的正常功能為主，但由于集成的范圍有限，對提高地鐵系統整體運營(yíng)操作方便效果不大。如重慶輕軌的FAS、BAS系統，深圳地鐵一期工程的FAS+機電設備監控系統（EMCS）+SCADA都可以看做這種集成方式。

　　3.3 準集成方案

　　準集成是將除通信、信號和自動(dòng)售檢票系統外的大多數支撐系統集成為一個(gè)系統。該集成方案中各設備系統的軟硬件平臺接近，容易實(shí)施，改善了目前各系統分散零亂的局面。如廣州市軌道交通3、4號線(xiàn)已采用了這種集成方式，為這種集成方式提供了實(shí)施經(jīng)驗。

　　3.4 深度集成方案

　　該集成將地鐵的全部配套系統和支撐系統集成為一個(gè)系統，是一種理想的集成方式，但涉及面太廣，工程實(shí)施難度大。該方案中綜合監控系統完成各子系統的操作、管理功能，使各子系統真正融入綜合監控系統，簡(jiǎn)化了各子系統與綜合監控系統的傳輸環(huán)節和系統間的接口，有利于系統的接口標準化和保證實(shí)時(shí)性。正在實(shí)施中的廣州地鐵5號線(xiàn)、北京地鐵5號線(xiàn)、成都地鐵1號線(xiàn)、深圳地鐵3號線(xiàn)等均采用這種集成模式，但目前還未建成投入運營(yíng)。香港地鐵、新加坡地鐵有較成功的完全深度集成實(shí)施運用經(jīng)驗，可供內地地鐵建設借鑒。

　　對于以上4種集成方案，筆者認為：與安全有關(guān)的系統宜采用準集成或深度集成的方式，在一個(gè)工作站界面上報警時(shí)彈出圖形界面并有聲光提示，能完成相關(guān)的操作;只與運營(yíng)管理有關(guān)的系統人機界面，宜采用信息集成或部分淺集成的方式，用輔助工作站實(shí)現對地鐵全局各子系統實(shí)時(shí)信息的掌握。

4 綜合監控系統需重點(diǎn)解決的問(wèn)題及策略

　　4.1 數據處理與協(xié)議轉換

　　綜合監控系統中所有集成與互連的系統數據都統一接入綜合監控系統的前端處理器（FEP）。前端處理器負責綜合監控系統與各相連系統的接口管理，完成規約轉換、數據初始處理、周期訪(fǎng)問(wèn)和協(xié)議轉換，并將不同格式的實(shí)時(shí)數據轉換為綜合監控系統統一的內部數據對象格式，提交到系統車(chē)輛段、車(chē)站級和中央實(shí)時(shí)服務(wù)器。但這樣易造成前端處理器通信瓶頸，隨著(zhù)系統的擴大，信息傳輸的實(shí)時(shí)性將會(huì )受到影響。因此，對FEP的技術(shù)指標等級要求較高，如深圳地鐵3號線(xiàn)前置數據處理機采用專(zhuān)用工業(yè)級產(chǎn)品或高性能、高速度、高可靠性的知名品牌主流服務(wù)器，前置數據處理器獨立裝置不與其他設備合并。FEP應具有支持多種協(xié)議轉換、支持多種通信接口的模塊;應具有足夠的網(wǎng)絡(luò )口、串口，以接入相應系統;各功能模塊應具有自診斷功能。每個(gè)FEP通過(guò)1 000 Mbit/s以太網(wǎng)接口與綜合監控系統交換機相聯(lián)。FEP是冗余配置，單點(diǎn)故障不應影響系統功能，以保證數據流的處理與傳輸。

　　4.2 人機界面整合

　　綜合監控系統集成范圍較大，集成軟件完全取代了被集成子系統的軟件，并實(shí)現被集成子系統的全部功能，極大地提高了集成系統的性能。因此，集成軟件人機界面圖形層次多，軟件開(kāi)發(fā)工作量很大，特別是數據庫的二次開(kāi)發(fā)和數據結構統一規劃，有的專(zhuān)業(yè)系統需要建獨立的數據庫，而有的專(zhuān)業(yè)系統可利用其他專(zhuān)業(yè)的數據庫。例如：對于信號ATS的集成，由于信號系統是涉及行車(chē)安全的設備，并有專(zhuān)用的軟件和通訊協(xié)議，如果通訊協(xié)議的開(kāi)放條件許可，則可在綜合監控系統的人機界面中嵌入其系統的圖形人機界面，實(shí)現復視管理功能，方便運營(yíng)人員在統一的平臺上操作人機界面。而另外一些單系統所特有的功能，由于綜合監控系統實(shí)現此功能需要較高的成本（無(wú)法利用成熟的軟件，需要在新平臺上進(jìn)行開(kāi)發(fā)），因此綜合監控系統工作站利用串口接入，通過(guò)互聯(lián)來(lái)實(shí)現此功能。

　　4.3 系統時(shí)鐘同步

　　車(chē)站級綜合監控系統需向與之集成和互聯(lián)的系統即時(shí)主動(dòng)發(fā)布時(shí)鐘信息，而不需要指出具體的接收者，需要這種時(shí)鐘信息的系統可以有選擇性地接收該時(shí)鐘信息，從而更好地保證了系統的實(shí)時(shí)性。但監控網(wǎng)絡(luò )規模擴大后，傳輸時(shí)時(shí)鐘延遲必然加大，且眾多信息通過(guò)中央路由器時(shí)可能會(huì )產(chǎn)生擁塞，影響實(shí)時(shí)性要求嚴格的故障診斷信息傳輸（如電力系統監控和數據采集（PSCADA）等），嚴重的話(huà)還會(huì )造成數據報文的丟失，影響監控中心做出正確及時(shí)的決策。因此，實(shí)時(shí)性要求嚴格的系統（如PSCA-DA）應接受通訊母時(shí)鐘的信息。

　　4.4 系統的可靠性與容錯性

　　綜合監控系統一旦故障對整個(gè)系統影響較大，因此其服務(wù)器、交換機等應采用冗余方式。如深圳地鐵3號線(xiàn)采用了后備線(xiàn)控站方式提高系統的可靠性：當控制中心發(fā)生事故時(shí)，后備線(xiàn)控站的綜合監控系統工作站以中央級用戶(hù)登錄使用，可監控全線(xiàn)車(chē)站常規設備;后備線(xiàn)控站能提供與中心級系統同樣的功能，直至原控制中心恢復，轉交控制權。此外，在綜合監控系統中安置多個(gè)復制的軟件模塊，可以通過(guò)“故障代碼”及“發(fā)生事件”使用這些復制的備份軟件，來(lái)實(shí)現系統的容錯。

　　4.5 系統的可擴展性

　　地鐵綜合監控系統的服務(wù)器、交換機等關(guān)鍵設備應預留20%~40%的容量或插槽;軟件宜采用無(wú)限點(diǎn)可擴展軟件，為今后系統擴展打下基礎。這樣，如果是同構系統的擴展，只需簡(jiǎn)單將其數據域合并;而異構系統的擴展則建立網(wǎng)關(guān)。地鐵綜合監控系統的體系結構應適合系統動(dòng)態(tài)擴展，可在線(xiàn)修改、擴充子系統而不干擾已經(jīng)運作的其它子系統。新加入的子系統調試通過(guò)后，可以和原有的系統無(wú)縫地集成，共同實(shí)現整個(gè)地鐵的各項任務(wù)。