地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)應用技術研究

1 車站運行管理機制

　　根據(jù)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(lián)接多采用雙環(huán)網(wǎng)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(wèi)星站方式，其車站設備之間的聯(lián)接多采用兩層星型網(wǎng)結構。深圳地鐵3號線兩層星型網(wǎng)結構如圖1所示。車站組群運營模式既可節(jié)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(guī)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(wèi)星站。軸心站設有冗余服務器。衛(wèi)星站不設置服務器，功能由所屬軸心站服務器實現(xiàn)。

　　一般情況下，軸心站綜合監(jiān)控系統(tǒng)具有本站及所管轄衛(wèi)星站設備的監(jiān)視、確認報警和控制功能;而衛(wèi)星站綜合監(jiān)控系統(tǒng)只對本站設備進行監(jiān)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(wèi)星站后，衛(wèi)星站綜合監(jiān)控系統(tǒng)可監(jiān)視和控制本站設備以及確認報警，而軸心站綜合監(jiān)控系統(tǒng)對該衛(wèi)星站設備只有監(jiān)視功能，不能進行控制及確認報警。軸心站綜合監(jiān)控系統(tǒng)可個別選取本站及所管轄的衛(wèi)星站的車站控制權;而衛(wèi)星站綜合監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)硬件組成

　　系統(tǒng)主要由中央綜合監(jiān)控系統(tǒng)、車站綜合監(jiān)控系統(tǒng)（包括綜合后備盤）及綜合監(jiān)控骨干網(wǎng)等組成。

　　2.1 中央綜合監(jiān)控系統(tǒng)

　　中央綜合監(jiān)控系統(tǒng)由中央監(jiān)控網(wǎng)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(huán)調工作站、維調工作站）、冗余的互聯(lián)系統(tǒng)的網(wǎng)關裝置（FEP前端處理器或通信控制器）、不間斷電源、打印機、網(wǎng)絡管理系統(tǒng)（NMS）、大屏幕系統(tǒng)（OPS）等組成，用于監(jiān)視全線各車站（包括車輛段）的各個子系統(tǒng)的運行狀態(tài)，完成中央級的操作控制功能。地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)在中央監(jiān)控中心設立中央級監(jiān)控網(wǎng)絡管理工作站。中央級監(jiān)控網(wǎng)絡的核心是冗余配置的以太網(wǎng)交換機。中央監(jiān)控網(wǎng)絡為冗余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 車站綜合監(jiān)控系統(tǒng)

　　車站級監(jiān)控系統(tǒng)與車輛段監(jiān)控系統(tǒng)分別位于車站、車輛段。車站綜合監(jiān)控系統(tǒng)由車站監(jiān)控網(wǎng)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(lián)系統(tǒng)的網(wǎng)關裝置（FEP）、打印機、綜合后備盤（IBP）等組成，用于監(jiān)視車站各子系統(tǒng)的運行狀態(tài)，完成車站級的操作控制功能。車站監(jiān)控網(wǎng)絡為冗余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(jiān)控骨干網(wǎng)

　　通信骨干網(wǎng)是連接車站級監(jiān)控系統(tǒng)和中央級監(jiān)控系統(tǒng)的主干傳輸通道，它將中央級監(jiān)控系統(tǒng)、車站級監(jiān)控系統(tǒng)和車輛段監(jiān)控系統(tǒng)連接為一有機整體。早期國內地鐵監(jiān)控網(wǎng)絡大多基于同步數(shù)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(fā)展，大多采用單獨光纖通道組建綜合監(jiān)控系統(tǒng)骨干網(wǎng)，即開放式傳輸網(wǎng)（OTN）通信方式。根據(jù)地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求，現(xiàn)地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的骨干網(wǎng)大多采用數(shù)據(jù)傳輸速率為1 000 Mbit/s的以太網(wǎng)交換機作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€網(wǎng)絡節(jié)點。

　　2.4 綜合后備盤

　　車站車控室設置綜合后備盤（IBP），實現(xiàn)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(jù)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(jù)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(tǒng)集成方案

　　早期地鐵車站控制室的各系統(tǒng)都有自己的管理工作站，一般包括常規(guī)機電設備監(jiān)控系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、旅客信息系統(tǒng)（PIS）、防災報警系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)（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(jiān)管如此多的機電設備，需要不斷在各系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)的運用需求。地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用集成和互聯(lián)的體系結構通常，采用集成的子系統(tǒng)主要有：電力監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA），環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS），火災報警系統(tǒng)（FAS），屏蔽門（PSD）或安全門（SD）系統(tǒng)，門禁系統(tǒng)（ACS）;采用互聯(lián)的子系統(tǒng)主要有：信號（SIG）系統(tǒng)，自動售檢票（AFC）系統(tǒng)，閉路電視（CCTV）系統(tǒng)，廣播（PA）系統(tǒng)，PIS，車載信息與安全防災系統(tǒng)，無線通信系統(tǒng)，時鐘（CLK）系統(tǒng)。

　　根據(jù)筆者對目前國內軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)實施情況的調研來看，從集成系統(tǒng)的范圍和集成深度，系統(tǒng)集成方案可分為以下4種?？筛鶕?jù)建設規(guī)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(tǒng)的分立局面，利用各系統(tǒng)提供的開放式數(shù)據(jù)接口，增加相應的數(shù)據(jù)收集、存儲、分發(fā)和處理系統(tǒng)，實現(xiàn)信息共享和系統(tǒng)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(jiān)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(tǒng)進行集成，其優(yōu)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(tǒng)的正常功能為主，但由于集成的范圍有限，對提高地鐵系統(tǒng)整體運營操作方便效果不大。如重慶輕軌的FAS、BAS系統(tǒng)，深圳地鐵一期工程的FAS+機電設備監(jiān)控系統(tǒng)（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(tǒng)外的大多數(shù)支撐系統(tǒng)集成為一個系統(tǒng)。該集成方案中各設備系統(tǒng)的軟硬件平臺接近，容易實施，改善了目前各系統(tǒng)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(jīng)驗。

　　3.4 深度集成方案

　　該集成將地鐵的全部配套系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)集成為一個系統(tǒng)，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(jiān)控系統(tǒng)完成各子系統(tǒng)的操作、管理功能，使各子系統(tǒng)真正融入綜合監(jiān)控系統(tǒng)，簡化了各子系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸環(huán)節(jié)和系統(tǒng)間的接口，有利于系統(tǒng)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(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：與安全有關的系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)對地鐵全局各子系統(tǒng)實時信息的掌握。

4 綜合監(jiān)控系統(tǒng)需重點解決的問題及策略

　　4.1 數(shù)據(jù)處理與協(xié)議轉換

　　綜合監(jiān)控系統(tǒng)中所有集成與互連的系統(tǒng)數(shù)據(jù)都統(tǒng)一接入綜合監(jiān)控系統(tǒng)的前端處理器（FEP）。前端處理器負責綜合監(jiān)控系統(tǒng)與各相連系統(tǒng)的接口管理，完成規(guī)約轉換、數(shù)據(jù)初始處理、周期訪問和協(xié)議轉換，并將不同格式的實時數(shù)據(jù)轉換為綜合監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一的內部數(shù)據(jù)對象格式，提交到系統(tǒng)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(tǒng)的擴大，信息傳輸?shù)膶崟r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(shù)據(jù)處理機采用專用工業(yè)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(shù)據(jù)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)絡口、串口，以接入相應系統(tǒng);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(wǎng)接口與綜合監(jiān)控系統(tǒng)交換機相聯(lián)。FEP是冗余配置，單點故障不應影響系統(tǒng)功能，以保證數(shù)據(jù)流的處理與傳輸。

　　4.2 人機界面整合

　　綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成范圍較大，集成軟件完全取代了被集成子系統(tǒng)的軟件，并實現(xiàn)被集成子系統(tǒng)的全部功能，極大地提高了集成系統(tǒng)的性能。因此，集成軟件人機界面圖形層次多，軟件開發(fā)工作量很大，特別是數(shù)據(jù)庫的二次開發(fā)和數(shù)據(jù)結構統(tǒng)一規(guī)劃，有的專業(yè)系統(tǒng)需要建獨立的數(shù)據(jù)庫，而有的專業(yè)系統(tǒng)可利用其他專業(yè)的數(shù)據(jù)庫。例如：對于信號ATS的集成，由于信號系統(tǒng)是涉及行車安全的設備，并有專用的軟件和通訊協(xié)議，如果通訊協(xié)議的開放條件許可，則可在綜合監(jiān)控系統(tǒng)的人機界面中嵌入其系統(tǒng)的圖形人機界面，實現(xiàn)復視管理功能，方便運營人員在統(tǒng)一的平臺上操作人機界面。而另外一些單系統(tǒng)所特有的功能，由于綜合監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)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(fā)），因此綜合監(jiān)控系統(tǒng)工作站利用串口接入，通過互聯(lián)來實現(xiàn)此功能。

　　4.3 系統(tǒng)時鐘同步

　　車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)需向與之集成和互聯(lián)的系統(tǒng)即時主動發(fā)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(tǒng)可以有選擇性地接收該時鐘信息，從而更好地保證了系統(tǒng)的實時性。但監(jiān)控網(wǎng)絡規(guī)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(tǒng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（PSCADA）等），嚴重的話還會造成數(shù)據(jù)報文的丟失，影響監(jiān)控中心做出正確及時的決策。因此，實時性要求嚴格的系統(tǒng)（如PSCA-DA）應接受通訊母時鐘的信息。

　　4.4 系統(tǒng)的可靠性與容錯性

　　綜合監(jiān)控系統(tǒng)一旦故障對整個系統(tǒng)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(tǒng)的可靠性：當控制中心發(fā)生事故時，后備線控站的綜合監(jiān)控系統(tǒng)工作站以中央級用戶登錄使用，可監(jiān)控全線車站常規(guī)設備;后備線控站能提供與中心級系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)中安置多個復制的軟件模塊，可以通過“故障代碼”及“發(fā)生事件”使用這些復制的備份軟件，來實現(xiàn)系統(tǒng)的容錯。

　　4.5 系統(tǒng)的可擴展性

　　地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)擴展打下基礎。這樣，如果是同構系統(tǒng)的擴展，只需簡單將其數(shù)據(jù)域合并;而異構系統(tǒng)的擴展則建立網(wǎng)關。地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的體系結構應適合系統(tǒng)動態(tài)擴展，可在線修改、擴充子系統(tǒng)而不干擾已經(jīng)運作的其它子系統(tǒng)。新加入的子系統(tǒng)調試通過后，可以和原有的系統(tǒng)無縫地集成，共同實現(xiàn)整個地鐵的各項任務。