地铁综合监控系统应用技术研究摘 要 综合监控系统为地铁车站提供了一个集中操作、运营管理的平台。从地铁综合监控系统的概念出发,论述了综合监控系统的组成和系统集成方案。结合深圳地铁3号线的建设和运营,探讨了综合监控系统开发中数据处理与协议转换、人机界面整合、系统时钟同步、系统的可靠性和可扩展性等问题,为地铁综合监控系统的项目决策与前期设计工作提供参考。关键词 地铁;综合监控系统;系统集成 以往国内地铁各机电系统一般是分立设置,独立管理,存在系统资源共享困难,不利于维护管理等缺点。随着自动化技术的发展,越来越多的地铁线路开始考虑和实施综合监控系统;通过综合监控系统统一的软硬件平台,实现资源共享、互联互通、设备集中管理和维护,以及对子系统故障的监测,并为紧急情况下事件的处理提供全面而及时的信息和控制能力,提高地铁整体运营调度管理水平。1 车站运行管理机制 根据车站运营使用的需要,车站管理一般有两种方式:一种为车站平行运营模式,其车站设备之间的联接多采用双环网结构;另一种为车站组群运营模式,即中央级管理轴心站、轴心站管理卫星站方式,其车站设备之间的联接多采用两层星型网结构。深圳地铁3号线两层星型网结构如图1所示。车站组群运营模式既可节省运营人员,提高运营工作效力,还可降低建设成本。如深圳地铁3号线车站组群运营模式设计,选取规模大、客流量高的车站为轴心站。每一轴心站将会管理2~3个邻近卫星站。轴心站设有冗余服务器。卫星站不设置服务器,功能由所属轴心站服务器实现。 一般情况下,轴心站综合监控系统具有本站及所管辖卫星站设备的监视、确认报警和控制功能;而卫星站综合监控系统只对本站设备进行监视,不能进行控制及确认报警。在特殊情况下,当轴心站授予控制权给卫星站后,卫星站综合监控系统可监视和控制本站设备以及确认报警,而轴心站综合监控系统对该卫星站设备只有监视功能,不能进行控制及确认报警。轴心站综合监控系统可个别选取本站及所管辖的卫星站的车站控制权;而卫星站综合监控系统只可选取本站的车站控制权,并需要轴心站先授予控制权。这样可确保操作员的合法唯一性,可避免不同地点的操作员同时操作而产生冲突。2 系统硬件组成 系统主要由中央综合监控系统、车站综合监控系统(包括综合后备盘)及综合监控骨干网等组成。2.1 中央综合监控系统 中央综合监控系统由中央监控网络、运营控制中心(OCC)冗余实时服务器、冗余历史服务器、磁盘阵列、磁带记录装置、各类操作员工作站(总调工作站、电调工作站、环调工作站、维调工作站)、冗余的互联系统的网关装置(FEP前端处理器或通信控制器)、不间断电源、打印机、网络管理系统(NMS)、大屏幕系统(OPS)等组成,用于监视全线各车站(包括车辆段)的各个子系统的运行状态,完成中央级的操作控制功能。地铁综合监控系统在中央监控中心设立中央级监控网络管理工作站。中央级监控网络的核心是冗余配置的以太网交换机。中央监控网络为冗余1 000/10 000 Mbit/s交换机构成的以太网,符合IEEE 802.3标准,采用TCP/IP协议。
2.2 车站综合监控系统 车站级监控系统与车辆段监控系统分别位于车站、车辆段。车站综合监控系统由车站监控网络、车站服务器、车站(或车辆段)操作员工作站、前端处理器、双屏值班站长操作站、双屏值班员操作站、车站互联系统的网关装置(FEP)、打印机、综合后备盘(IBP)等组成,用于监视车站各子系统的运行状态,完成车站级的操作控制功能。车站监控网络为冗余1 000 Mbit/s交换机构成的以太网,符合IEEE802.3标准,采用TCP/IP协议。2.3 综合监控骨干网 通信骨干网是连接车站级监控系统和中央级监控系统的主干传输通道,它将中央级监控系统、车站级监控系统和车辆段监控系统连接为一有机整体。早期国内地铁监控网络大多基于同步数字分级(SDH)或异步传输模式(ATM)通信方式。而今随着通讯技术的发展,大多采用单独光纤通道组建综合监控系统骨干网,即开放式传输网(OTN)通信方式。根据地铁综合监控系统的数据传输要求,现地铁综合监控系统的骨干网大多采用数据传输速率为1 000 Mbit/s的以太网交换机作为数据传输的一个网络节点。2.4 综合后备盘 车站车控室设置综合后备盘(IBP),实现紧急情况下(灾害及阻塞)相关重要设备的后备控制功能。根据不同站设备配置和车控室布置不同,宜采用一站一设计构思。每个车站控制室IBP柜、工作台的形状尺寸都应根据房间尺寸专门定制,控制室不仅要有高效的车站控制功能,而且在整体美观方面也有很高的标准。3 系统集成方案 早期地铁车站控制室的各系统都有自己的管理工作站,一般包括常规机电设备监控系统、信号系统、自动售检票系统、门禁系统、旅客信息系统(PIS)、防灾报警系统、广播系统(PAS)等的工作站。而一般的地铁车站通常只设置2名车站值班人员,要负责监管如此多的机电设备,需要不断在各系统工作站的液晶显示(LCD)间切换,工作强度大。为了方便运营的集中操作,产生了地铁综合监控系统的运用需求。地铁综合监控系统采用集成和互联的体系结构通常,采用集成的子系统主要有:电力监控系统(SCADA),环境与设备监控系统(BAS),火灾报警系统(FAS),屏蔽门(PSD)或安全门(SD)系统,门禁系统(ACS);采用互联的子系统主要有:信号(SIG)系统,自动售检票(AFC)系统,闭路电视(CCTV)系统,广播(PA)系统,PIS,车载信息与安全防灾系统,无线通信系统,时钟(CLK)系统。根据笔者对目前国内轨道交通综合监控系统实施情况的调研来看,从集成系统的范围和集成深度,系统集成方案可分为以下4种。可根据建设规模、成本控制以及运营模式的需要选择实施不同的方案。3.1 信息集成方案 信息集成就是保留目前各系统的分立局面,利用各系统提供的开放式数据接口,增加相应的数据收集、存储、分发和处理系统,实现信息共享和系统间的快速指挥。如南京地铁2号线采用信息集成方案,暂考虑只监视不控制。3.2 部分浅集成方案 该方案对部分软硬件平台接近的系统进行集成,其优点是技术成熟、容易实施、工程投资增加不大。该方案以满足各集成系统的正常功能为主,但由于集成的范围有限,对提高地铁系统整体运营操作方便效果不大。如重庆轻轨的FAS、BAS系统,深圳地铁一期工程的FAS+机电设备监控系统(EMCS)+SCADA都可以看做这种集成方式。3.3 准集成方案 准集成是将除通信、信号和自动售检票系统外的大多数支撑系统集成为一个系统。该集成方案中各设备系统的软硬件平台接近,容易实施,改善了目前各系统分散零乱的局面。如广州市轨道交通3、4号线已采用了这种集成方式,为这种集成方式提供了实施经验。3.4 深度集成方案 该集成将地铁的全部配套系统和支撑系统集成为一个系统,是一种理想的集成方式,但涉及面太广,工程实施难度大。该方案中综合监控系统完成各子系统的操作、管理功能,使各子系统真正融入综合监控系统,简化了各子系统与综合监控系统的传输环节和系统间的接口,有利于系统的接口标准化和保证实时性。正在实施中的广州地铁5号线、北京地铁5号线、成都地铁1号线、深圳地铁3号线等均采用这种集成模式,但目前还未建成投入运营。香港地铁、新加坡地铁有较成功的完全深度集成实施运用经验,可供内地地铁建设借鉴。 对于以上4种集成方案,笔者认为:与安全有关的系统宜采用准集成或深度集成的方式,在一个工作站界面上报警时弹出图形界面并有声光提示,能完成相关的操作;只与运营管理有关的系统人机界面,宜采用信息集成或部分浅集成的方式,用辅助工作站实现对地铁全局各子系统实时信息的掌握。4 综合监控系统需重点解决的问题及策略4.1 数据处理与协议转换 综合监控系统中所有集成与互连的系统数据都统一接入综合监控系统的前端处理器(FEP)。前端处理器负责综合监控系统与各相连系统的接口管理,完成规约转换、数据初始处理、周期访问和协议转换,并将不同格式的实时数据转换为综合监控系统统一的内部数据对象格式,提交到系统车辆段、车站级和中央实时服务器。但这样易造成前端处理器通信瓶颈,随着系统的扩大,信息传输的实时性将会受到影响。因此,对FEP的技术指标等级要求较高,如深圳地铁3号线前置数据处理机采用专用工业级产品或高性能、高速度、高可靠性的知名品牌主流服务器,前置数据处理器独立装置不与其他设备合并。FEP应具有支持多种协议转换、支持多种通信接口的模块;应具有足够的网络口、串口,以接入相应系统;各功能模块应具有自诊断功能。每个FEP通过1 000 Mbit/s以太网接口与综合监控系统交换机相联。FEP是冗余配置,单点故障不应影响系统功能,以保证数据流的处理与传输。4.2 人机界面整合 综合监控系统集成范围较大,集成软件完全取代了被集成子系统的软件,并实现被集成子系统的全部功能,极大地提高了集成系统的性能。因此,集成软件人机界面图形层次多,软件开发工作量很大,特别是数据库的二次开发和数据结构统一规划,有的专业系统需要建独立的数据库,而有的专业系统可利用其他专业的数据库。例如:对于信号ATS的集成,由于信号系统是涉及行车安全的设备,并有专用的软件和通讯协议,如果通讯协议的开放条件许可,则可在综合监控系统的人机界面中嵌入其系统的图形人机界面,实现复视管理功能,方便运营人员在统一的平台上操作人机界面。而另外一些单系统所特有的功能,由于综合监控系统实现此功能需要较高的成本(无法利用成熟的软件,需要在新平台上进行开发),因此综合监控系统工作站利用串口接入,通过互联来实现此功能。4.3 系统时钟同步 车站级综合监控系统需向与之集成和互联的系统即时主动发布时钟信息,而不需要指出具体的接收者,需要这种时钟信息的系统可以有选择性地接收该时钟信息,从而更好地保证了系统的实时性。但监控网络规模扩大后,传输时时钟延迟必然加大,且众多信息通过中央路由器时可能会产生拥塞,影响实时性要求严格的故障诊断信息传输(如电力系统监控和数据采集(PSCADA)等),严重的话还会造成数据报文的丢失,影响监控中心做出正确及时的决策。因此,实时性要求严格的系统(如PSCA-DA)应接受通讯母时钟的信息。4.4 系统的可靠性与容错性 综合监控系统一旦故障对整个系统影响较大,因此其服务器、交换机等应采用冗余方式。如深圳地铁3号线采用了后备线控站方式提高系统的可靠性:当控制中心发生事故时,后备线控站的综合监控系统工作站以中央级用户登录使用,可监控全线车站常规设备;后备线控站能提供与中心级系统同样的功能,直至原控制中心恢复,转交控制权。此外,在综合监控系统中安置多个复制的软件模块,可以通过“故障代码”及“发生事件”使用这些复制的备份软件,来实现系统的容错。4.5 系统的可扩展性 地铁综合监控系统的服务器、交换机等关键设备应预留20%~40%的容量或插槽;软件宜采用无限点可扩展软件,为今后系统扩展打下基础。这样,如果是同构系统的扩展,只需简单将其数据域合并;而异构系统的扩展则建立网关。地铁综合监控系统的体系结构应适合系统动态扩展,可在线修改、扩充子系统而不干扰已经运作的其它子系统。新加入的子系统调试通过后,可以和原有的系统无缝地集成,共同实现整个地铁的各项任务。参考文献[1]GB 50157—2003地铁设计规范[S].[2]张越,徐小燕.地铁综合自动化系统的研究[J].南京林业大学学报:自然科学版, 2007(5):97.[3]魏晓东.城市轨道交通自动化系统与技术[M].北京:电子工业出版社,2004.[4]彭辉,徐志修,周文华,等.城市轨道交通智能综合监控系统设计[J].铁道工程学报,2006(1):15.[5]王开满,张慎明,江平.轨道交通自动化监控系统的特点及其发展趋势[J].城市轨道交通研究,2006(2):1.[6]王开满,王军,张慎明.城市轨道交通自动化综合监控系统的集成模式[J].城市轨道交通研究,2007(3):57.
2.2 车站综合监控系统 车站级监控系统与车辆段监控系统分别位于车站、车辆段。车站综合监控系统由车站监控网络、车站服务器、车站(或车辆段)操作员工作站、前端处理器、双屏值班站长操作站、双屏值班员操作站、车站互联系统的网关装置(FEP)、打印机、综合后备盘(IBP)等组成,用于监视车站各子系统的运行状态,完成车站级的操作控制功能。车站监控网络为冗余1 000 Mbit/s交换机构成的以太网,符合IEEE802.3标准,采用TCP/IP协议。2.3 综合监控骨干网 通信骨干网是连接车站级监控系统和中央级监控系统的主干传输通道,它将中央级监控系统、车站级监控系统和车辆段监控系统连接为一有机整体。早期国内地铁监控网络大多基于同步数字分级(SDH)或异步传输模式(ATM)通信方式。而今随着通讯技术的发展,大多采用单独光纤通道组建综合监控系统骨干网,即开放式传输网(OTN)通信方式。根据地铁综合监控系统的数据传输要求,现地铁综合监控系统的骨干网大多采用数据传输速率为1 000 Mbit/s的以太网交换机作为数据传输的一个网络节点。2.4 综合后备盘 车站车控室设置综合后备盘(IBP),实现紧急情况下(灾害及阻塞)相关重要设备的后备控制功能。根据不同站设备配置和车控室布置不同,宜采用一站一设计构思。每个车站控制室IBP柜、工作台的形状尺寸都应根据房间尺寸专门定制,控制室不仅要有高效的车站控制功能,而且在整体美观方面也有很高的标准。3 系统集成方案 早期地铁车站控制室的各系统都有自己的管理工作站,一般包括常规机电设备监控系统、信号系统、自动售检票系统、门禁系统、旅客信息系统(PIS)、防灾报警系统、广播系统(PAS)等的工作站。而一般的地铁车站通常只设置2名车站值班人员,要负责监管如此多的机电设备,需要不断在各系统工作站的液晶显示(LCD)间切换,工作强度大。为了方便运营的集中操作,产生了地铁综合监控系统的运用需求。地铁综合监控系统采用集成和互联的体系结构通常,采用集成的子系统主要有:电力监控系统(SCADA),环境与设备监控系统(BAS),火灾报警系统(FAS),屏蔽门(PSD)或安全门(SD)系统,门禁系统(ACS);采用互联的子系统主要有:信号(SIG)系统,自动售检票(AFC)系统,闭路电视(CCTV)系统,广播(PA)系统,PIS,车载信息与安全防灾系统,无线通信系统,时钟(CLK)系统。根据笔者对目前国内轨道交通综合监控系统实施情况的调研来看,从集成系统的范围和集成深度,系统集成方案可分为以下4种。可根据建设规模、成本控制以及运营模式的需要选择实施不同的方案。3.1 信息集成方案 信息集成就是保留目前各系统的分立局面,利用各系统提供的开放式数据接口,增加相应的数据收集、存储、分发和处理系统,实现信息共享和系统间的快速指挥。如南京地铁2号线采用信息集成方案,暂考虑只监视不控制。3.2 部分浅集成方案 该方案对部分软硬件平台接近的系统进行集成,其优点是技术成熟、容易实施、工程投资增加不大。该方案以满足各集成系统的正常功能为主,但由于集成的范围有限,对提高地铁系统整体运营操作方便效果不大。如重庆轻轨的FAS、BAS系统,深圳地铁一期工程的FAS+机电设备监控系统(EMCS)+SCADA都可以看做这种集成方式。3.3 准集成方案 准集成是将除通信、信号和自动售检票系统外的大多数支撑系统集成为一个系统。该集成方案中各设备系统的软硬件平台接近,容易实施,改善了目前各系统分散零乱的局面。如广州市轨道交通3、4号线已采用了这种集成方式,为这种集成方式提供了实施经验。3.4 深度集成方案 该集成将地铁的全部配套系统和支撑系统集成为一个系统,是一种理想的集成方式,但涉及面太广,工程实施难度大。该方案中综合监控系统完成各子系统的操作、管理功能,使各子系统真正融入综合监控系统,简化了各子系统与综合监控系统的传输环节和系统间的接口,有利于系统的接口标准化和保证实时性。正在实施中的广州地铁5号线、北京地铁5号线、成都地铁1号线、深圳地铁3号线等均采用这种集成模式,但目前还未建成投入运营。香港地铁、新加坡地铁有较成功的完全深度集成实施运用经验,可供内地地铁建设借鉴。 对于以上4种集成方案,笔者认为:与安全有关的系统宜采用准集成或深度集成的方式,在一个工作站界面上报警时弹出图形界面并有声光提示,能完成相关的操作;只与运营管理有关的系统人机界面,宜采用信息集成或部分浅集成的方式,用辅助工作站实现对地铁全局各子系统实时信息的掌握。4 综合监控系统需重点解决的问题及策略4.1 数据处理与协议转换 综合监控系统中所有集成与互连的系统数据都统一接入综合监控系统的前端处理器(FEP)。前端处理器负责综合监控系统与各相连系统的接口管理,完成规约转换、数据初始处理、周期访问和协议转换,并将不同格式的实时数据转换为综合监控系统统一的内部数据对象格式,提交到系统车辆段、车站级和中央实时服务器。但这样易造成前端处理器通信瓶颈,随着系统的扩大,信息传输的实时性将会受到影响。因此,对FEP的技术指标等级要求较高,如深圳地铁3号线前置数据处理机采用专用工业级产品或高性能、高速度、高可靠性的知名品牌主流服务器,前置数据处理器独立装置不与其他设备合并。FEP应具有支持多种协议转换、支持多种通信接口的模块;应具有足够的网络口、串口,以接入相应系统;各功能模块应具有自诊断功能。每个FEP通过1 000 Mbit/s以太网接口与综合监控系统交换机相联。FEP是冗余配置,单点故障不应影响系统功能,以保证数据流的处理与传输。4.2 人机界面整合 综合监控系统集成范围较大,集成软件完全取代了被集成子系统的软件,并实现被集成子系统的全部功能,极大地提高了集成系统的性能。因此,集成软件人机界面图形层次多,软件开发工作量很大,特别是数据库的二次开发和数据结构统一规划,有的专业系统需要建独立的数据库,而有的专业系统可利用其他专业的数据库。例如:对于信号ATS的集成,由于信号系统是涉及行车安全的设备,并有专用的软件和通讯协议,如果通讯协议的开放条件许可,则可在综合监控系统的人机界面中嵌入其系统的图形人机界面,实现复视管理功能,方便运营人员在统一的平台上操作人机界面。而另外一些单系统所特有的功能,由于综合监控系统实现此功能需要较高的成本(无法利用成熟的软件,需要在新平台上进行开发),因此综合监控系统工作站利用串口接入,通过互联来实现此功能。4.3 系统时钟同步 车站级综合监控系统需向与之集成和互联的系统即时主动发布时钟信息,而不需要指出具体的接收者,需要这种时钟信息的系统可以有选择性地接收该时钟信息,从而更好地保证了系统的实时性。但监控网络规模扩大后,传输时时钟延迟必然加大,且众多信息通过中央路由器时可能会产生拥塞,影响实时性要求严格的故障诊断信息传输(如电力系统监控和数据采集(PSCADA)等),严重的话还会造成数据报文的丢失,影响监控中心做出正确及时的决策。因此,实时性要求严格的系统(如PSCA-DA)应接受通讯母时钟的信息。4.4 系统的可靠性与容错性 综合监控系统一旦故障对整个系统影响较大,因此其服务器、交换机等应采用冗余方式。如深圳地铁3号线采用了后备线控站方式提高系统的可靠性:当控制中心发生事故时,后备线控站的综合监控系统工作站以中央级用户登录使用,可监控全线车站常规设备;后备线控站能提供与中心级系统同样的功能,直至原控制中心恢复,转交控制权。此外,在综合监控系统中安置多个复制的软件模块,可以通过“故障代码”及“发生事件”使用这些复制的备份软件,来实现系统的容错。4.5 系统的可扩展性 地铁综合监控系统的服务器、交换机等关键设备应预留20%~40%的容量或插槽;软件宜采用无限点可扩展软件,为今后系统扩展打下基础。这样,如果是同构系统的扩展,只需简单将其数据域合并;而异构系统的扩展则建立网关。地铁综合监控系统的体系结构应适合系统动态扩展,可在线修改、扩充子系统而不干扰已经运作的其它子系统。新加入的子系统调试通过后,可以和原有的系统无缝地集成,共同实现整个地铁的各项任务。参考文献[1]GB 50157—2003地铁设计规范[S].[2]张越,徐小燕.地铁综合自动化系统的研究[J].南京林业大学学报:自然科学版, 2007(5):97.[3]魏晓东.城市轨道交通自动化系统与技术[M].北京:电子工业出版社,2004.[4]彭辉,徐志修,周文华,等.城市轨道交通智能综合监控系统设计[J].铁道工程学报,2006(1):15.[5]王开满,张慎明,江平.轨道交通自动化监控系统的特点及其发展趋势[J].城市轨道交通研究,2006(2):1.[6]王开满,王军,张慎明.城市轨道交通自动化综合监控系统的集成模式[J].城市轨道交通研究,2007(3):57.
