西安地鐵2號線綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成設(shè)計

地鐵是城市軌道交通的一部分，隨著社會、經(jīng)濟及科技的高速發(fā)展，為了緩解城市交通的緊張狀況地鐵應(yīng)運而生。地鐵是在城市中修建的快速，且大量用電力牽引的軌道交通，它的線路通常設(shè)在地下隧道內(nèi)，有的也在城市中心以外的地區(qū)從地下轉(zhuǎn)到地面或高架橋上。地鐵與城市其他交通工具相比，具有以下特點：1)地鐵是在人口密集區(qū)的地下封閉隧道中運行的，而在郊外人口不密集區(qū)則是在高架或地面封閉環(huán)境中運行的，其占用地面面積較少，能夠避免城市地面擁擠，節(jié)約城市用地；2)地鐵的客運量為4～6萬人／小時以上，其運輸能力比一般地面交通工具大7～1O倍；3)地鐵列車以電力作為動力，對空氣污染程度比較小。而其他的地面交通工具一般采用的是汽油、柴油等，不僅消耗能源，還會造成大量污染。地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)作為保證地鐵正常運行的管理系統(tǒng)具有非常重要的作用，這里提出了主要針對西安地鐵2號線的綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案。

1 地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)
    地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成了地鐵各專業(yè)自動化系統(tǒng)，它采用統(tǒng)一的計算機硬件和軟件平臺。無論是電力監(jiān)控還是設(shè)備監(jiān)控，無論是行車調(diào)度還是通信監(jiān)控，它們都是建立在一個統(tǒng)一的計算機網(wǎng)絡(luò)平臺上，由統(tǒng)一的軟件系統(tǒng)支持。
    地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了電力監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS)、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)(FAS)、屏蔽門(PSD)等系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)了信號系統(tǒng)(SIG)、自動售檢票系統(tǒng)(AFC)、廣播系統(tǒng)(PA)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)(CCTV)、乘客信息系統(tǒng)(PIS)和時鐘系統(tǒng)(CLK)的互聯(lián)。圖1為地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖。

    電力監(jiān)控子系統(tǒng)可實現(xiàn)控制、遙信及信息處理、遙測及數(shù)據(jù)處理、遙調(diào)以及模塊操作等功能，而環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)則實現(xiàn)監(jiān)控、正常顯示、故障顯示以及運營統(tǒng)計等功能。

2 地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成
    系統(tǒng)集成就是通過結(jié)構(gòu)化的綜合布線系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將各個分離的設(shè)備(如個人電腦)、功能和信息等集成到相互關(guān)聯(lián)的、統(tǒng)一和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)之中，使資源達到充分共享，實現(xiàn)集中、高效、便利的管理。
    綜合監(jiān)控系統(tǒng)從集成的深度來劃分，有現(xiàn)場層集成——完全集成(深度集成)、執(zhí)行層集成——準集成、管理層集成——表層集成(頂層集成)3種集成方案。
    1)頂層集成  在OCC和車站的監(jiān)控層將子系統(tǒng)集成。綜合監(jiān)控系統(tǒng)在管理層面匯集，處理各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)各子系統(tǒng)間的信息共享、交互及系統(tǒng)聯(lián)動功能。這種方案的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，但仍然存在車站級設(shè)備及接口種類多、實現(xiàn)聯(lián)動困難等缺點，這種方案集成度最低。
    2)準集成  現(xiàn)場采集、驅(qū)動設(shè)備與執(zhí)行層之間的通信協(xié)議均為系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)議，二層設(shè)備密不可分，一般綜合監(jiān)控系統(tǒng)不選擇在此層面進行集成。
    3)深度集成  采用統(tǒng)一軟件平臺將被集成的子系統(tǒng)完全集成在一起。被集成子系統(tǒng)的中央層、車站監(jiān)控層和控制層被集成在綜合監(jiān)控平臺上，它們的功能都由綜合監(jiān)控軟件來實現(xiàn)。系統(tǒng)應(yīng)用軟件完全統(tǒng)一，數(shù)據(jù)處理簡約、迅速，系統(tǒng)間聯(lián)動功能種類多、安全、簡潔，綜合監(jiān)控系統(tǒng)與各子系統(tǒng)之間配合協(xié)調(diào)工作，由綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成商來完成，減輕了建設(shè)方的工程管理工作。
    深度集成的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，是我國地鐵工程實踐中自主創(chuàng)新出的一種類型。它克服了頂層集成的缺點，采用同一種軟件平臺將被集成子系統(tǒng)完全融入綜合監(jiān)控系統(tǒng)，軟件平臺可延伸至現(xiàn)場級，可完成實時控制與互動功能，系統(tǒng)的有效性、響應(yīng)性好。

3 西安地鐵2號線綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成設(shè)計
3．1 系統(tǒng)功能
    綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)是一個高度集成的綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)，其目的主要是通過集成地鐵多個主要弱電系統(tǒng)，形成統(tǒng)一的監(jiān)控層硬件平臺和軟件平臺，從而實現(xiàn)對地鐵主要弱電設(shè)備的集中監(jiān)控和管理功能，實現(xiàn)對列車運行情況和客流統(tǒng)計數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)監(jiān)視功能，最終實現(xiàn)相關(guān)各系統(tǒng)之間的信息共享和協(xié)調(diào)互動功能。通過綜合監(jiān)控系統(tǒng)的統(tǒng)一用戶界面，運營管理人員能夠更加方便、有效地監(jiān)控管理整條線路的運作情況。
3．2 系統(tǒng)設(shè)計
    綜合監(jiān)控系統(tǒng)由位于控制中心的中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)和系統(tǒng)仿真測試平臺、位于車站的車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)，位于車輛段的車輛段綜合監(jiān)控系統(tǒng)等多個部分組成。通過全線通信傳輸網(wǎng)把車站、車輛段與中央的各級綜合監(jiān)控系統(tǒng)連接到一起，從而形成一個有機的整體，如圖2所示。

3．2．1 系統(tǒng)層次劃分
    綜合監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對象主要是行車和行車指揮、防災(zāi)和安全、乘客服務(wù)等相關(guān)內(nèi)容。為了滿足兩級制監(jiān)控和調(diào)度指揮的需求，綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用兩級管理三級控制的分層分布式結(jié)構(gòu)。兩級管理分別是中央級管理和車站級管理，三級控制分別是中央級控制、車站級控制和現(xiàn)場級控制。綜合監(jiān)控系統(tǒng)的整體層次劃分如圖3所示。

3．2．2 中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)(CISCS)設(shè)計
    中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)在控制中心設(shè)置中央級局域網(wǎng)絡(luò)，通過全線網(wǎng)絡(luò)將各車站監(jiān)控網(wǎng)的監(jiān)控信息傳送到控制中心，并在控制中心與PI-S、AFC、PA、CCTV、CLK、SIG、綜合網(wǎng)絡(luò)管理等系統(tǒng)進行互聯(lián)，從而實現(xiàn)對多個相關(guān)接入系統(tǒng)的集中監(jiān)控功能。
    1)系統(tǒng)組成  中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)在控制中心設(shè)置中央級局域網(wǎng)絡(luò)，通過全線的主干網(wǎng)絡(luò)將各車站監(jiān)控網(wǎng)的監(jiān)控信息傳送到控制中心，并在控制中心與SIG、AFC、PA、CCTV、PIS、CLK和綜合網(wǎng)絡(luò)管理等系統(tǒng)進行互聯(lián)，從而實現(xiàn)對多個相關(guān)接入系統(tǒng)的集中監(jiān)控功能。
    中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)對全線重要監(jiān)控對象的狀態(tài)、性能等數(shù)據(jù)進行實時的收集與處理，通過各種調(diào)度員工作站和綜合顯示屏以圖形、表格和文本的形式顯示出來，供調(diào)度人員參考和使用，并且可根據(jù)一定的邏輯關(guān)系自動或由調(diào)度員人工向分布在各站點的被監(jiān)控對象或系統(tǒng)發(fā)送模式、程控、點控等相關(guān)控制命令，從而實現(xiàn)對全線各弱電系統(tǒng)的集中監(jiān)控。
    2)中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)的接入系統(tǒng)  在控制中心，綜合監(jiān)控系統(tǒng)中央級一方面必須實現(xiàn)供電設(shè)備、車站機電設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測、火災(zāi)報警、屏蔽門等的主要監(jiān)控功能，另一方面可按照系統(tǒng)工作模式實現(xiàn)必要的聯(lián)動功能。在中央實現(xiàn)的互聯(lián)系統(tǒng)包括：信號系統(tǒng)(SIG)、自動售檢票系統(tǒng)(AFC)、廣播系統(tǒng)(PA)、閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)(CCTV)、乘客信息系統(tǒng)(PIS)、綜合網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、時鐘系統(tǒng)(CLK)。
    3)中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備組成  在控制中心，中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備由2臺實時服務(wù)器(冗余配置)、2臺歷史服務(wù)器(冗余配置)、1套RAID5磁盤陣列、1套LTO磁帶機、2臺帶路由功能的工業(yè)級以太網(wǎng)交換機(冗余配置)、2套前端處理器(FEP)(冗余配置)、2套在線式后備電源(UPS)、6套調(diào)度員工作站(其中環(huán)調(diào)、電調(diào)各1套，行調(diào)2套，維調(diào)和值班調(diào)度各1套)、4套CCTV監(jiān)視器(其中行調(diào)2套，環(huán)調(diào)和值班調(diào)度各1套)、6臺事件打印機、1臺報表打印機、1臺彩色打印機和綜合顯示屏等組成。
3．2．3 車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)(SISCS)設(shè)計
    車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)通過分布在本站(或車輛段)范圍內(nèi)的站級局域網(wǎng)絡(luò)，將本站范圍內(nèi)的各有關(guān)機電系統(tǒng)(SCADA、BAS、FAS和PSD等)集成在一起，并與站點的PA、CCTV、AFC和PIS等系統(tǒng)互聯(lián)，使它們能相互協(xié)調(diào)工作。其中，車輛段范圍內(nèi)的機電系統(tǒng)只包括SCADA、BAS和FAS，無互聯(lián)系統(tǒng)。
    1)系統(tǒng)組成  車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)包括西安市城市快速軌道交通二號線(鐵路北客站——韋曲段)工程各車站的車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)，車輛段是作為一個特殊站點考慮，車輛段綜合監(jiān)控系統(tǒng)、控制中心大樓綜合監(jiān)控系統(tǒng)屬于站級監(jiān)控系統(tǒng)的范疇。在主變電站所集成系統(tǒng)就近接入相鄰車站的車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)。
    車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)通過分布在本站點范圍內(nèi)的站級局域網(wǎng)絡(luò)，將本站點范圍內(nèi)的各有關(guān)機電系統(tǒng)集成在一起，并與車站PA、CCTV和PIS等系統(tǒng)互聯(lián)，使它們能相互協(xié)調(diào)工作。車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)對本站范圍內(nèi)監(jiān)控對象的狀態(tài)、性能等數(shù)據(jù)進行實時的收集，通過車站操作員工作站以圖形、表格和文本的形式顯示出來，供車站值班人員參考和使用，并且可根據(jù)一定的邏輯關(guān)系自動或由調(diào)度員人工向分布在本站的被監(jiān)控對象或系統(tǒng)發(fā)送模式、程控、點動控制等相關(guān)控制命令。
    當車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)工作在正常模式時，車站級的各種狀態(tài)信息均上傳至中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)，控制命令主要由中央級直接下達。除個別需要車站監(jiān)控的控制命令外，車站級僅進行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視，無控制權(quán)。當綜合監(jiān)控系統(tǒng)工作在災(zāi)害模式、故障模式及阻塞模式時，控制中心視具體情況下放控制權(quán)限，使車站級可以在一定權(quán)限范圍內(nèi)對車站設(shè)備進行控制。系統(tǒng)恢復(fù)正常工作模式后，車站級以上控制權(quán)限應(yīng)上交或由中央級收回。
    2)車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)接入的系統(tǒng)  在車站和車輛段，綜合監(jiān)控系統(tǒng)中央級一方面必須實現(xiàn)車站機電設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測、火災(zāi)報警、屏蔽門等的主要監(jiān)控功能，另一方面可按照系統(tǒng)工作模式實現(xiàn)必要的聯(lián)動功能。這些需要在站級的接入系統(tǒng)包括集成系統(tǒng)和互聯(lián)系統(tǒng)，而前者具有：電力監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS)、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)(FAS)、屏蔽門(PSD)。而后者則具有廣播系統(tǒng)(PA)、閉路電視系統(tǒng)(CCTV)、乘客信息系統(tǒng)(PIS)、自動售檢票系統(tǒng)(AFC)。
    3)車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備組成  車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)在車站設(shè)置2臺工業(yè)級以太網(wǎng)交換機(冗余配置)、2套實時服務(wù)器(冗余配置)、2套前端處理器(FEP)(冗余配置)、1臺工作站、1臺事件打印機、1臺報表打印機、1套在線式后備電源(UPS)、1臺CCTV監(jiān)視器和1套車站綜合后備盤(IBP)等。
3．2．4 維護管理系統(tǒng)設(shè)計
    綜合監(jiān)控系統(tǒng)對所監(jiān)控設(shè)備的維護管理功能分別在控制中心及車輛段維修中心實現(xiàn)?？刂浦行牡木C合監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能采集處理集成系統(tǒng)的必要設(shè)備故障分類信息，此類信息主要采用設(shè)備分類故障報警的方式，從而方便中央維調(diào)人員的維護管理方面的指揮工作：車輛段維修中心設(shè)置維護管理系統(tǒng)(MMS)，應(yīng)能采集、匯總和處理綜合監(jiān)控系統(tǒng)所監(jiān)控的主要設(shè)備的故障信息，此類信息主要采用單體設(shè)備故障報警的方式，從而以方便車輛段各相關(guān)專業(yè)的維護管理人員的日常設(shè)備維護管理的工作。通過MMS交換機組成MMS局域網(wǎng)，MMS局域網(wǎng)通過網(wǎng)絡(luò)端口接入綜合監(jiān)控系統(tǒng)全線網(wǎng)絡(luò)。維護管理系統(tǒng)將包括以下主要設(shè)備：1套MMS服務(wù)器(配置與車站服務(wù)器類似，不用冗余配置)、1套MMS外置磁盤陣列、1套網(wǎng)絡(luò)管理工作站(配置與車站工作站類似，設(shè)置在控制中心)、1套網(wǎng)絡(luò)管理便攜式計算機、1臺MMS報表打印機(配置與車站報表打印機類似)、4臺MMS工作站(配置與車站工作站類似)、4套維護管理便攜式計算機、4臺MMS報表打印機(配置與車站報表打印機類似)、1套UPS(配置與車站UPS類似)。
3．2．5 培訓(xùn)管理系統(tǒng)設(shè)計
    在車輛段的綜合監(jiān)控系統(tǒng)培訓(xùn)室內(nèi)設(shè)置培訓(xùn)管理子系統(tǒng)(TMS)。設(shè)置TMS的目的是使學員處于模擬仿真的ISCS操作環(huán)境，對學員進行各種ISCS的培訓(xùn)操作，包括仿真單點的設(shè)置、遙控、組控、模式控制等功能。TMS系統(tǒng)是獨立的系統(tǒng)，配置有獨立的培訓(xùn)系統(tǒng)軟件，TMS系統(tǒng)不接入綜合監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)。培訓(xùn)管理系統(tǒng)(TMS)將包括以下主要設(shè)備：培訓(xùn)服務(wù)器1臺(培訓(xùn)服務(wù)器硬件配置與車站服務(wù)器類似，可不考慮冗余)、TMS工作站4臺，其中培訓(xùn)教師工作站1臺。學員工作站3臺(配置與車站工作站類似)、1套TMS專用的前端處理器(FEP)、報表打印機、事件打印機各1臺(配置與車站報表和事件打印機類似)、1套相關(guān)系統(tǒng)的仿真模擬器、以太網(wǎng)交換機(配置與站級以太網(wǎng)交換機類似)。
3．3 綜合監(jiān)控系統(tǒng)與其子系統(tǒng)接口
    對于地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)來說，除PA、PIS、CCTV采用的是RS-422接口外，其他子系統(tǒng)都采用的是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信接口。

4 綜合監(jiān)控系統(tǒng)的維護管理
    綜合監(jiān)控系統(tǒng)的維修管理按照定期檢修、故障維護和在線檢修等模式。
    1)定期維護  綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備定期維護由維修工作人員根據(jù)檢修日程安排，定期(如周、月、季、年等)對設(shè)備進行維護。這些維護包括線路檢查、設(shè)備運行情況檢查、計算機設(shè)備磁盤清理等。
    2)故障維護  綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備故障維護由維修工作人員根據(jù)維修調(diào)度人員或值班人員報告的設(shè)備故障信息進行設(shè)備更換、線纜更換或現(xiàn)場維修等。此種維護主要是針對設(shè)備突發(fā)故障進行的修護操作。
    3)在線維護  綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備在線維護主要是指軟件的維護。由技術(shù)工作人員根據(jù)地鐵運營的需要進行一些功能調(diào)整，或監(jiān)控對象的變化導(dǎo)致修改綜合監(jiān)控軟件。這些檢修一般由軟件工程師來完成，但在正常運營期間不能對軟件進行修改，由軟件測試平臺編制并測試通過在非運營段(如夜間)進行下載更新。
    另外，綜合監(jiān)控的維修人員可以通過維護管理系統(tǒng)的終端了解設(shè)備運行狀況，可以查看的設(shè)備模塊級別的相關(guān)信息，通過這些信息進行組織相應(yīng)的維修。

5 地鐵的運營管理模式
    設(shè)備監(jiān)控與管理系統(tǒng)主要服務(wù)于地鐵車站及地面控制中心的調(diào)度管理部門，因此它與地鐵的運營管理模式密不可分。
    1)分散管理模式  目前國內(nèi)地鐵運營管理普遍采用的是分散管理模式，各管理部門基本獨立，互不干涉。該管理體制與系統(tǒng)各個獨立的自動化解決方案是吻合的。這種管理模式制約了地鐵運營管理科學化、現(xiàn)代化的步伐，加大了運營成本和設(shè)備投資。
    2)集中管理模式  國內(nèi)地鐵自動化技術(shù)和管理水平的提高，使運營管理理念和運營模式發(fā)生了根本的改變。通過機構(gòu)重組，地鐵運營管理部門開始由分散向著集中管理的發(fā)展方向發(fā)展，為滿足地鐵新的管理模式，地鐵綜合自動化逐步在地鐵領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用，并且是未來地鐵自動化的首選方案。實現(xiàn)地鐵無人化管理、通過減員增效，降低設(shè)備和運營成本是地鐵設(shè)計者和管理者追求的目標。

6 總 結(jié)
    地鐵不僅具有運量大、速度快、安全、準時。而且有節(jié)省能源、不污染環(huán)境等優(yōu)點，更可以在建筑群密集而不便于發(fā)展地面和高架軌道交通的地區(qū)發(fā)展。西安地鐵的修建和開通將擴大城市規(guī)模，優(yōu)化城市布局，減少中心市區(qū)人口密度，緩解城市交通供需矛盾。西安地鐵2號線為西安市南北向主客流走廊，是南北向?qū)ν獾慕煌ㄒ?。本文設(shè)計的地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)了包括信號系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、綜合網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、時鐘系統(tǒng)等，實現(xiàn)地鐵系統(tǒng)信息互通、資源共享，提升自動化水平，提高地鐵運營的安全性、可靠性和響應(yīng)性。