地鐵自動(dòng)化集成系統(tǒng)車站群組監(jiān)控模式探討

江 偉 袁礦輝

(1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電控制系，510650，廣州;

2.長沙市軌道交通運(yùn)營有限公司車輛部，410000，長沙∥第一作者，講師)

目前，越來越多的地鐵線路開始考慮和實(shí)施綜合監(jiān)控系統(tǒng)［1-3］。隨著自動(dòng)化集成系統(tǒng)(AIS)［4］的成熟，國內(nèi)地鐵項(xiàng)目逐漸開始通過綜合監(jiān)控系統(tǒng)建立統(tǒng)一的軟硬件平臺(tái)，既實(shí)現(xiàn)資源共享、互聯(lián)互通、設(shè)備集中管理和維護(hù)，還可對子系統(tǒng)進(jìn)行故障監(jiān)測，并為緊急情況下事件的處理提供全面、及時(shí)的信息和控制能力，提高地鐵整體運(yùn)營調(diào)度管理水平。

1 傳統(tǒng)的車站監(jiān)控模式

圖1所示為傳統(tǒng)車站監(jiān)控模式:各個(gè)車站設(shè)置功能獨(dú)立的車控室，運(yùn)營管理人員在各自車站完成機(jī)電設(shè)備監(jiān)控;運(yùn)營控制中心(OCC)直接連接所有車站，另外加設(shè)后備控制中心與每個(gè)車站連接;當(dāng)OCC設(shè)備發(fā)生故障或需緊急撤離時(shí)，后備控制中心接替OCC負(fù)責(zé)全線。該監(jiān)控模式的不足之處是設(shè)備投資與維護(hù)成本較高。

圖1 傳統(tǒng)車站監(jiān)控模式

2 車站群組監(jiān)控模式

2.1 硬件架構(gòu)

圖2所示為車站群組監(jiān)控模式。深圳地鐵4號線采用了該監(jiān)控模式?？紤]到設(shè)備投資與維護(hù)成本，港鐵(深圳)有限公司將深圳地鐵4號線沿線車站分為若干群組，每一群組大約3～5個(gè)車站。每一群組中有一指定的軸心站，其它車站則為衛(wèi)星站。衛(wèi)星站不設(shè)置車站控制室，只有軸心站才設(shè)置車站控制室。

軸心站的選擇尤為關(guān)鍵，除了考慮車站的重要性，還要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。即列出在線路緊急運(yùn)營和降級運(yùn)營服務(wù)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)考慮因素，并進(jìn)行評分，得出各站對線路運(yùn)營的風(fēng)險(xiǎn)影響程度，然后比較選出軸心站。一般來說.終點(diǎn)站和換乘站都會(huì)被選為軸心站。

圖2 群組車站監(jiān)控模式

軸心站設(shè)置車站冗余服務(wù)器，并在控制室設(shè)雙工作站。衛(wèi)星站不設(shè)冗余服務(wù)器，只需在其他機(jī)房提供維護(hù)工作站，且衛(wèi)星站不設(shè)車站控制室，故整體系統(tǒng)設(shè)備也減少了。衛(wèi)星站的設(shè)備主要通過綜合監(jiān)控系統(tǒng)在軸心站控制。由于綜合監(jiān)控系統(tǒng)分散式處理的結(jié)構(gòu)，監(jiān)控內(nèi)容是以控制權(quán)指派，并且全線聯(lián)網(wǎng)，因此可將綜合監(jiān)控系統(tǒng)操作員的控制權(quán)也配置成群組的模式，由軸心站的運(yùn)營人員一并控制群組內(nèi)其它衛(wèi)星站設(shè)備，這樣，一個(gè)車站群組只需一個(gè)軸心站控制室(GSCR)就足夠了。整個(gè)車站群組監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 車站群組監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在此基礎(chǔ)上，指定其中一個(gè)軸心站控制室充當(dāng)線路的后備控制中心，當(dāng)OCC設(shè)備發(fā)生故障或需緊急撤離時(shí)，可將中央控制權(quán)移交各線路指定軸心站控制室的運(yùn)營人員，這樣就省卻了設(shè)置一個(gè)獨(dú)立后備控制中心的需要。

2.1.1 中央級 AIS

中央級AIS用于監(jiān)控全線各車站子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。在中央級AIS中，設(shè)置冗余實(shí)時(shí)服務(wù)器作為全線的信息中心，匯集各車站AIS信息，支持各調(diào)度員工作站的監(jiān)管功能;設(shè)置冗余通信前置機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換在通信前置機(jī)內(nèi)通過各種通用協(xié)議(OPC/MODBUS/PROFIBUS/ODBC/API/CICODE/VBA等)開發(fā)完成;設(shè)置歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器存儲(chǔ)及管理系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)，以減輕實(shí)時(shí)服務(wù)器的負(fù)擔(dān);設(shè)置電調(diào)工作站實(shí)現(xiàn)全線的電力監(jiān)控;設(shè)置環(huán)調(diào)工作站實(shí)現(xiàn)全線的環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控。中央級AIS同軸心站及衛(wèi)星站的AIS通過100 M/1 000 M工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無縫連接。中央級AIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.1.2 軸心站 AIS

軸心站AIS用于監(jiān)控群組中各車站子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。在軸心站AIS中，設(shè)置冗余通信前置機(jī)和冗余實(shí)時(shí)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)群組各車站的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)交換，并支持各操作工作站的監(jiān)管功能;設(shè)置值班站長工作站和維護(hù)工作站，允許管理員進(jìn)行系統(tǒng)信息查詢和對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)操作。軸心站AIS同衛(wèi)星站及中央級的AIS通過100 M/1 000 M工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無縫連接。軸心站AIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.1.3 衛(wèi)星站 AIS

衛(wèi)星站AIS用于監(jiān)控車站各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。在衛(wèi)星站AIS中，設(shè)置冗余通信前置機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，車站各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換在通信前置機(jī)內(nèi)通過各種通用協(xié)議(OPC/MODBUS/PROFIBUS/ODBC/API/CICODE/VBA等)開發(fā)完成;設(shè)置值班員工作站，允許管理員進(jìn)行系統(tǒng)信息查詢以及對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)操作。衛(wèi)星站AIS同軸心站及中央級的AIS通過100 M/1 000 M工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無縫連接。衛(wèi)星站AIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖4 中央級AIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 軸心站AIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖6 衛(wèi)星站AIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件架構(gòu)

監(jiān)控軟件采用比較成熟的Cirect。中央級AIS和軸心站AIS的冗余通信前置機(jī)、冗余實(shí)時(shí)服務(wù)器、工程師站、維護(hù)工作站、值班站長工作站均配置Citect全功能無限點(diǎn)服務(wù)器版軟件包(每臺(tái)一套)。衛(wèi)星站AIS的冗余通信前置機(jī)和值班員工作站均配置Citect全功能15 000點(diǎn)服務(wù)器版軟件包(每臺(tái)一套)。整個(gè)軟件架構(gòu)采用C/S結(jié)構(gòu)，支持TCP/IP協(xié)議，建立在3個(gè)層次上，如圖7所示。

圖7 AIS軟件架構(gòu)

現(xiàn)場接口層主要由冗余通信前置機(jī)構(gòu)成，完成數(shù)據(jù)采集、協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)交換功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)隔離。冗余通信前置機(jī)是軸心站和衛(wèi)星站必不可少的設(shè)備，用于連接各個(gè)車站的子系統(tǒng)，包括 SCADA、BAS、FAS、AFC、PSD、PA、CCTV 等。通過各種通用協(xié)議開發(fā)完成各設(shè)備子系統(tǒng)的集成和數(shù)據(jù)交換。

網(wǎng)絡(luò)層主要由冗余實(shí)時(shí)服務(wù)器、Web服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器等構(gòu)成。冗余實(shí)時(shí)服務(wù)器作為冗余通信前置機(jī)的客戶端，完成數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)和處理;Web服務(wù)器用于中央級AIS向車站級AIS和各種工作站提供Web服務(wù);歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器用于存放歷史數(shù)據(jù)和事件信息，向冗余實(shí)時(shí)服務(wù)器提供歷史事件查詢和數(shù)據(jù)服務(wù)。

應(yīng)用層主要由各種工作站構(gòu)成，收集冗余實(shí)時(shí)服務(wù)器提供的數(shù)據(jù)和信息，完成各種任務(wù)指令的下達(dá)，實(shí)現(xiàn)用戶輸入、指令操作，以及設(shè)備狀態(tài)、故障和報(bào)警信息顯示等。接收到故障和報(bào)警信息時(shí)，可進(jìn)行相應(yīng)的處理操作。用戶可隨時(shí)查看各項(xiàng)操作的進(jìn)度和狀態(tài)。

3 運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)及問題

目前，深圳地鐵4號線和3號線都采用了車站群組監(jiān)控模式。從幾年的運(yùn)營情況來看，車站群組監(jiān)控模式相對于傳統(tǒng)車站監(jiān)控模式具有以下優(yōu)勢:衛(wèi)星站無需設(shè)置車站控制室，也不需要設(shè)置后備控制中心，因而減少了相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備的投資，降低了設(shè)備維護(hù)成本;站務(wù)員無需長時(shí)間駐守車站控制室，能有效利用資源，改善服務(wù)水平;可有效縮短列車運(yùn)行調(diào)度時(shí)間和信號系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。

運(yùn)營過程中也發(fā)現(xiàn)了一系列較突出的問題，如:系統(tǒng)的故障－安全性不夠高，中央級AIS系統(tǒng)故障會(huì)造成一些子系統(tǒng)出現(xiàn)聯(lián)鎖故障;軸心站AIS系統(tǒng)出現(xiàn)特殊情況時(shí)，群組內(nèi)相應(yīng)的衛(wèi)星站無法正常管理;整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備能耗較高，造成能源的極大消耗;緊急事故處理不夠及時(shí)，跟城市公交的融合不夠緊密等。

3.1 注重系統(tǒng)的安全性

地鐵AIS冗余復(fù)雜、造價(jià)高，一旦出現(xiàn)故障，對各個(gè)子系統(tǒng)的正常使用存在一定的威脅。目前新建或在建的很多地鐵項(xiàng)目中，AIS系統(tǒng)的集成多采用分散式的“小綜合”方式來解決監(jiān)控過程中的安全問題，使得系統(tǒng)集成的安全性和可靠性得到很大的提高。從應(yīng)用的角度出發(fā)，AIS如采用基于IP的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開放通信協(xié)議，將使得系統(tǒng)集成變得更簡便。

3.2 注重系統(tǒng)的節(jié)能減排

發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、大力倡導(dǎo)節(jié)能減排已成為我國的一項(xiàng)基本國策。在地鐵行業(yè)，機(jī)組一般要按照建筑物最大熱負(fù)荷的110% ～120%設(shè)計(jì);冷凍水泵、冷卻水泵都會(huì)按空調(diào)機(jī)組額定工況匹配，同時(shí)末端系統(tǒng)按總負(fù)荷量的110%～120%匹配。從目前的技術(shù)來看，采用環(huán)境整體節(jié)能控制系統(tǒng)，利用主機(jī)群控與能效管理中心對控制設(shè)備進(jìn)行啟停，對冷卻水泵、空調(diào)風(fēng)柜等設(shè)備進(jìn)行變頻控制，將有效降低地鐵機(jī)電設(shè)備的耗能。

3.3 注重系統(tǒng)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化與開放性

模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化與開放性的設(shè)計(jì)理念有利于項(xiàng)目完成的效率。地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化，這將大大提高設(shè)備間的信息共享效率，并提升設(shè)備的可靠性。同時(shí)，設(shè)計(jì)之初應(yīng)進(jìn)行周全考慮，為系統(tǒng)預(yù)留盡量多的接口，以便在緊急情況下系統(tǒng)能按照預(yù)定的程序正常運(yùn)行。

3.4 注重線網(wǎng)融合

地鐵作為城市交通的重要組成部分，與其他運(yùn)輸方式的配合十分關(guān)鍵。如果地鐵AIS能夠與道路公交等其他公共交通系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全集成，當(dāng)?shù)罔F出現(xiàn)故障時(shí)，客流量通報(bào)、人員疏散、公交調(diào)度等問題將迎刃而解。

4 結(jié)語

地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)是城市軌道交通機(jī)電設(shè)備管理從單純的面向設(shè)備管理，向面向運(yùn)營管理為主、提升地鐵服務(wù)理念方向發(fā)展的必然結(jié)果，也是地鐵信息化建設(shè)的核心內(nèi)容。隨著我國城市軌道交通線網(wǎng)的逐漸形成，綜合監(jiān)控系統(tǒng)或AIS必然朝著面向運(yùn)營管理、面向乘客服務(wù)、面向整個(gè)城市交通綜合指揮管理的方向發(fā)展。

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