地鐵綜合監控系統應用技術研究摘 要 綜合監控系統為地鐵車站提供了一個集中操作、運營管理的平臺。從地鐵綜合監控系統的概念出發,論述了綜合監控系統的組成和系統集成方案。結合深圳地鐵3號線的建設和運營,探討了綜合監控系統開發中數據處理與協議轉換、人機界面整合、系統時鐘同步、系統的可靠性和可擴展性等問題,為地鐵綜合監控系統的項目決策與前期設計工作提供參考。關鍵詞 地鐵;綜合監控系統;系統集成 以往國內地鐵各機電系統一般是分立設置,獨立管理,存在系統資源共享困難,不利于維護管理等缺點。隨著自動化技術的發展,越來越多的地鐵線路開始考慮和實施綜合監控系統;通過綜合監控系統統一的軟硬件平臺,實現資源共享、互聯互通、設備集中管理和維護,以及對子系統故障的監測,并為緊急情況下事件的處理提供全面而及時的信息和控制能力,提高地鐵整體運營調度管理水平。1 車站運行管理機制 根據車站運營使用的需要,車站管理一般有兩種方式:一種為車站平行運營模式,其車站設備之間的聯接多采用雙環網結構;另一種為車站組群運營模式,即中央級管理軸心站、軸心站管理衛星站方式,其車站設備之間的聯接多采用兩層星型網結構。深圳地鐵3號線兩層星型網結構如圖1所示。車站組群運營模式既可節省運營人員,提高運營工作效力,還可降低建設成本。如深圳地鐵3號線車站組群運營模式設計,選取規模大、客流量高的車站為軸心站。每一軸心站將會管理2~3個鄰近衛星站。軸心站設有冗余服務器。衛星站不設置服務器,功能由所屬軸心站服務器實現。 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行監視,不能進行控制及確認報警。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,不能進行控制及確認報警。軸心站綜合監控系統可個別選取本站及所管轄的衛星站的車站控制權;而衛星站綜合監控系統只可選取本站的車站控制權,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,可避免不同地點的操作員同時操作而產生沖突。2 系統硬件組成 系統主要由中央綜合監控系統、車站綜合監控系統(包括綜合后備盤)及綜合監控骨干網等組成。2.1 中央綜合監控系統 中央綜合監控系統由中央監控網絡、運營控制中心(OCC)冗余實時服務器、冗余歷史服務器、磁盤陣列、磁帶記錄裝置、各類操作員工作站(總調工作站、電調工作站、環調工作站、維調工作站)、冗余的互聯系統的網關裝置(FEP前端處理器或通信控制器)、不間斷電源、打印機、網絡管理系統(NMS)、大屏幕系統(OPS)等組成,用于監視全線各車站(包括車輛段)的各個子系統的運行狀態,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絡管理工作站。中央級監控網絡的核心是冗余配置的以太網交換機。中央監控網絡為冗余1 000/10 000 Mbit/s交換機構成的以太網,符合IEEE 802.3標準,采用TCP/IP協議。
2.2 車站綜合監控系統 車站級監控系統與車輛段監控系統分別位于車站、車輛段。車站綜合監控系統由車站監控網絡、車站服務器、車站(或車輛段)操作員工作站、前端處理器、雙屏值班站長操作站、雙屏值班員操作站、車站互聯系統的網關裝置(FEP)、打印機、綜合后備盤(IBP)等組成,用于監視車站各子系統的運行狀態,完成車站級的操作控制功能。車站監控網絡為冗余1 000 Mbit/s交換機構成的以太網,符合IEEE802.3標準,采用TCP/IP協議。2.3 綜合監控骨干網 通信骨干網是連接車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、車站級監控系統和車輛段監控系統連接為一有機整體。早期國內地鐵監控網絡大多基于同步數字分級(SDH)或異步傳輸模式(ATM)通信方式。而今隨著通訊技術的發展,大多采用單獨光纖通道組建綜合監控系統骨干網,即開放式傳輸網(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大多采用數據傳輸速率為1 000 Mbit/s的以太網交換機作為數據傳輸的一個網絡節點。2.4 綜合后備盤 車站車控室設置綜合后備盤(IBP),實現緊急情況下(災害及阻塞)相關重要設備的后備控制功能。根據不同站設備配置和車控室布置不同,宜采用一站一設計構思。每個車站控制室IBP柜、工作臺的形狀尺寸都應根據房間尺寸專門定制,控制室不僅要有高效的車站控制功能,而且在整體美觀方面也有很高的標準。3 系統集成方案 早期地鐵車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、自動售檢票系統、門禁系統、旅客信息系統(PIS)、防災報警系統、廣播系統(PAS)等的工作站。而一般的地鐵車站通常只設置2名車站值班人員,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。為了方便運營的集中操作,產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),環境與設備監控系統(BAS),火災報警系統(FAS),屏蔽門(PSD)或安全門(SD)系統,門禁系統(ACS);采用互聯的子系統主要有:信號(SIG)系統,自動售檢票(AFC)系統,閉路電視(CCTV)系統,廣播(PA)系統,PIS,車載信息與安全防災系統,無線通信系統,時鐘(CLK)系統。根據筆者對目前國內軌道交通綜合監控系統實施情況的調研來看,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。可根據建設規模、成本控制以及運營模式的需要選擇實施不同的方案。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放式數據接口,增加相應的數據收集、存儲、分發和處理系統,實現信息共享和系統間的快速指揮。如南京地鐵2號線采用信息集成方案,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行集成,其優點是技術成熟、容易實施、工程投資增加不大。該方案以滿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、信號和自動售檢票系統外的大多數支撐系統集成為一個系統。該集成方案中各設備系統的軟硬件平臺接近,容易實施,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號線已采用了這種集成方式,為這種集成方式提供了實施經驗。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系統,是一種理想的集成方式,但涉及面太廣,工程實施難度大。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,簡化了各子系統與綜合監控系統的傳輸環節和系統間的接口,有利于系統的接口標準化和保證實時性。正在實施中的廣州地鐵5號線、北京地鐵5號線、成都地鐵1號線、深圳地鐵3號線等均采用這種集成模式,但目前還未建成投入運營。香港地鐵、新加坡地鐵有較成功的完全深度集成實施運用經驗,可供內地地鐵建設借鑒。 對于以上4種集成方案,筆者認為:與安全有關的系統宜采用準集成或深度集成的方式,在一個工作站界面上報警時彈出圖形界面并有聲光提示,能完成相關的操作;只與運營管理有關的系統人機界面,宜采用信息集成或部分淺集成的方式,用輔助工作站實現對地鐵全局各子系統實時信息的掌握。4 綜合監控系統需重點解決的問題及策略4.1 數據處理與協議轉換 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、周期訪問和協議轉換,并將不同格式的實時數據轉換為綜合監控系統統一的內部數據對象格式,提交到系統車輛段、車站級和中央實時服務器。但這樣易造成前端處理器通信瓶頸,隨著系統的擴大,信息傳輸的實時性將會受到影響。因此,對FEP的技術指標等級要求較高,如深圳地鐵3號線前置數據處理機采用專用工業級產品或高性能、高速度、高可靠性的知名品牌主流服務器,前置數據處理器獨立裝置不與其他設備合并。FEP應具有支持多種協議轉換、支持多種通信接口的模塊;應具有足夠的網絡口、串口,以接入相應系統;各功能模塊應具有自診斷功能。每個FEP通過1 000 Mbit/s以太網接口與綜合監控系統交換機相聯。FEP是冗余配置,單點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,軟件開發工作量很大,特別是數據庫的二次開發和數據結構統一規劃,有的專業系統需要建獨立的數據庫,而有的專業系統可利用其他專業的數據庫。例如:對于信號ATS的集成,由于信號系統是涉及行車安全的設備,并有專用的軟件和通訊協議,如果通訊協議的開放條件許可,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,實現復視管理功能,方便運營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現此功能需要較高的成本(無法利用成熟的軟件,需要在新平臺上進行開發),因此綜合監控系統工作站利用串口接入,通過互聯來實現此功能。4.3 系統時鐘同步 車站級綜合監控系統需向與之集成和互聯的系統即時主動發布時鐘信息,而不需要指出具體的接收者,需要這種時鐘信息的系統可以有選擇性地接收該時鐘信息,從而更好地保證了系統的實時性。但監控網絡規模擴大后,傳輸時時鐘延遲必然加大,且眾多信息通過中央路由器時可能會產生擁塞,影響實時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),嚴重的話還會造成數據報文的丟失,影響監控中心做出正確及時的決策。因此,實時性要求嚴格的系統(如PSCA-DA)應接受通訊母時鐘的信息。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系統影響較大,因此其服務器、交換機等應采用冗余方式。如深圳地鐵3號線采用了后備線控站方式提高系統的可靠性:當控制中心發生事故時,后備線控站的綜合監控系統工作站以中央級用戶登錄使用,可監控全線車站常規設備;后備線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復制的軟件模塊,可以通過“故障代碼”及“發生事件”使用這些復制的備份軟件,來實現系統的容錯。4.5 系統的可擴展性 地鐵綜合監控系統的服務器、交換機等關鍵設備應預留20%~40%的容量或插槽;軟件宜采用無限點可擴展軟件,為今后系統擴展打下基礎。這樣,如果是同構系統的擴展,只需簡單將其數據域合并;而異構系統的擴展則建立網關。地鐵綜合監控系統的體系結構應適合系統動態擴展,可在線修改、擴充子系統而不干擾已經運作的其它子系統。新加入的子系統調試通過后,可以和原有的系統無縫地集成,共同實現整個地鐵的各項任務。參考文獻[1]GB 50157—2003地鐵設計規范[S].[2]張越,徐小燕.地鐵綜合自動化系統的研究[J].南京林業大學學報:自然科學版, 2007(5):97.[3]魏曉東.城市軌道交通自動化系統與技術[M].北京:電子工業出版社,2004.[4]彭輝,徐志修,周文華,等.城市軌道交通智能綜合監控系統設計[J].鐵道工程學報,2006(1):15.[5]王開滿,張慎明,江平.軌道交通自動化監控系統的特點及其發展趨勢[J].城市軌道交通研究,2006(2):1.[6]王開滿,王軍,張慎明.城市軌道交通自動化綜合監控系統的集成模式[J].城市軌道交通研究,2007(3):57.
2.2 車站綜合監控系統 車站級監控系統與車輛段監控系統分別位于車站、車輛段。車站綜合監控系統由車站監控網絡、車站服務器、車站(或車輛段)操作員工作站、前端處理器、雙屏值班站長操作站、雙屏值班員操作站、車站互聯系統的網關裝置(FEP)、打印機、綜合后備盤(IBP)等組成,用于監視車站各子系統的運行狀態,完成車站級的操作控制功能。車站監控網絡為冗余1 000 Mbit/s交換機構成的以太網,符合IEEE802.3標準,采用TCP/IP協議。2.3 綜合監控骨干網 通信骨干網是連接車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、車站級監控系統和車輛段監控系統連接為一有機整體。早期國內地鐵監控網絡大多基于同步數字分級(SDH)或異步傳輸模式(ATM)通信方式。而今隨著通訊技術的發展,大多采用單獨光纖通道組建綜合監控系統骨干網,即開放式傳輸網(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大多采用數據傳輸速率為1 000 Mbit/s的以太網交換機作為數據傳輸的一個網絡節點。2.4 綜合后備盤 車站車控室設置綜合后備盤(IBP),實現緊急情況下(災害及阻塞)相關重要設備的后備控制功能。根據不同站設備配置和車控室布置不同,宜采用一站一設計構思。每個車站控制室IBP柜、工作臺的形狀尺寸都應根據房間尺寸專門定制,控制室不僅要有高效的車站控制功能,而且在整體美觀方面也有很高的標準。3 系統集成方案 早期地鐵車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、自動售檢票系統、門禁系統、旅客信息系統(PIS)、防災報警系統、廣播系統(PAS)等的工作站。而一般的地鐵車站通常只設置2名車站值班人員,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。為了方便運營的集中操作,產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),環境與設備監控系統(BAS),火災報警系統(FAS),屏蔽門(PSD)或安全門(SD)系統,門禁系統(ACS);采用互聯的子系統主要有:信號(SIG)系統,自動售檢票(AFC)系統,閉路電視(CCTV)系統,廣播(PA)系統,PIS,車載信息與安全防災系統,無線通信系統,時鐘(CLK)系統。根據筆者對目前國內軌道交通綜合監控系統實施情況的調研來看,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。可根據建設規模、成本控制以及運營模式的需要選擇實施不同的方案。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放式數據接口,增加相應的數據收集、存儲、分發和處理系統,實現信息共享和系統間的快速指揮。如南京地鐵2號線采用信息集成方案,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行集成,其優點是技術成熟、容易實施、工程投資增加不大。該方案以滿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、信號和自動售檢票系統外的大多數支撐系統集成為一個系統。該集成方案中各設備系統的軟硬件平臺接近,容易實施,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號線已采用了這種集成方式,為這種集成方式提供了實施經驗。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系統,是一種理想的集成方式,但涉及面太廣,工程實施難度大。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,簡化了各子系統與綜合監控系統的傳輸環節和系統間的接口,有利于系統的接口標準化和保證實時性。正在實施中的廣州地鐵5號線、北京地鐵5號線、成都地鐵1號線、深圳地鐵3號線等均采用這種集成模式,但目前還未建成投入運營。香港地鐵、新加坡地鐵有較成功的完全深度集成實施運用經驗,可供內地地鐵建設借鑒。 對于以上4種集成方案,筆者認為:與安全有關的系統宜采用準集成或深度集成的方式,在一個工作站界面上報警時彈出圖形界面并有聲光提示,能完成相關的操作;只與運營管理有關的系統人機界面,宜采用信息集成或部分淺集成的方式,用輔助工作站實現對地鐵全局各子系統實時信息的掌握。4 綜合監控系統需重點解決的問題及策略4.1 數據處理與協議轉換 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、周期訪問和協議轉換,并將不同格式的實時數據轉換為綜合監控系統統一的內部數據對象格式,提交到系統車輛段、車站級和中央實時服務器。但這樣易造成前端處理器通信瓶頸,隨著系統的擴大,信息傳輸的實時性將會受到影響。因此,對FEP的技術指標等級要求較高,如深圳地鐵3號線前置數據處理機采用專用工業級產品或高性能、高速度、高可靠性的知名品牌主流服務器,前置數據處理器獨立裝置不與其他設備合并。FEP應具有支持多種協議轉換、支持多種通信接口的模塊;應具有足夠的網絡口、串口,以接入相應系統;各功能模塊應具有自診斷功能。每個FEP通過1 000 Mbit/s以太網接口與綜合監控系統交換機相聯。FEP是冗余配置,單點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,軟件開發工作量很大,特別是數據庫的二次開發和數據結構統一規劃,有的專業系統需要建獨立的數據庫,而有的專業系統可利用其他專業的數據庫。例如:對于信號ATS的集成,由于信號系統是涉及行車安全的設備,并有專用的軟件和通訊協議,如果通訊協議的開放條件許可,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,實現復視管理功能,方便運營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現此功能需要較高的成本(無法利用成熟的軟件,需要在新平臺上進行開發),因此綜合監控系統工作站利用串口接入,通過互聯來實現此功能。4.3 系統時鐘同步 車站級綜合監控系統需向與之集成和互聯的系統即時主動發布時鐘信息,而不需要指出具體的接收者,需要這種時鐘信息的系統可以有選擇性地接收該時鐘信息,從而更好地保證了系統的實時性。但監控網絡規模擴大后,傳輸時時鐘延遲必然加大,且眾多信息通過中央路由器時可能會產生擁塞,影響實時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),嚴重的話還會造成數據報文的丟失,影響監控中心做出正確及時的決策。因此,實時性要求嚴格的系統(如PSCA-DA)應接受通訊母時鐘的信息。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系統影響較大,因此其服務器、交換機等應采用冗余方式。如深圳地鐵3號線采用了后備線控站方式提高系統的可靠性:當控制中心發生事故時,后備線控站的綜合監控系統工作站以中央級用戶登錄使用,可監控全線車站常規設備;后備線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復制的軟件模塊,可以通過“故障代碼”及“發生事件”使用這些復制的備份軟件,來實現系統的容錯。4.5 系統的可擴展性 地鐵綜合監控系統的服務器、交換機等關鍵設備應預留20%~40%的容量或插槽;軟件宜采用無限點可擴展軟件,為今后系統擴展打下基礎。這樣,如果是同構系統的擴展,只需簡單將其數據域合并;而異構系統的擴展則建立網關。地鐵綜合監控系統的體系結構應適合系統動態擴展,可在線修改、擴充子系統而不干擾已經運作的其它子系統。新加入的子系統調試通過后,可以和原有的系統無縫地集成,共同實現整個地鐵的各項任務。參考文獻[1]GB 50157—2003地鐵設計規范[S].[2]張越,徐小燕.地鐵綜合自動化系統的研究[J].南京林業大學學報:自然科學版, 2007(5):97.[3]魏曉東.城市軌道交通自動化系統與技術[M].北京:電子工業出版社,2004.[4]彭輝,徐志修,周文華,等.城市軌道交通智能綜合監控系統設計[J].鐵道工程學報,2006(1):15.[5]王開滿,張慎明,江平.軌道交通自動化監控系統的特點及其發展趨勢[J].城市軌道交通研究,2006(2):1.[6]王開滿,王軍,張慎明.城市軌道交通自動化綜合監控系統的集成模式[J].城市軌道交通研究,2007(3):57.
