廣播系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)接口分析

劉曉曠，范二鵬

0 引言

地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)主要通過集成地鐵多個弱電系統(tǒng)，形成統(tǒng)一的監(jiān)控層計算機(jī)硬件和軟件平臺，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，無論是電力監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控、信號監(jiān)控、行車調(diào)度監(jiān)控、廣播電視監(jiān)控，都是建立在統(tǒng)一的用戶界面上，通過軟件系統(tǒng)支持，實現(xiàn)相關(guān)各系統(tǒng)之間的信息共享和協(xié)調(diào)互動。廣播系統(tǒng)作為綜合監(jiān)控相關(guān)機(jī)電子系統(tǒng)之一，通過互聯(lián)實現(xiàn)信息交換和聯(lián)動等功能。

1 系統(tǒng)集成方案

地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的主要特點是對地鐵各專業(yè)子系統(tǒng)的“綜合”，即將各子系統(tǒng)接入綜合監(jiān)控系統(tǒng)。對子系統(tǒng)的接入主要分為集成和互聯(lián)2大類型。綜合監(jiān)控系統(tǒng)通過對車站各相關(guān)機(jī)電系統(tǒng)的集成和互聯(lián)，實現(xiàn)信息互通和協(xié)調(diào)互動。集成和互聯(lián)在具體的數(shù)據(jù)接口協(xié)議上并不存在區(qū)別。兩者的區(qū)別僅在于綜合監(jiān)控系統(tǒng)與子系統(tǒng)的功能劃分上。

對子系統(tǒng)集成是指綜合監(jiān)控系統(tǒng)取代了各接入子系統(tǒng)的監(jiān)控層系統(tǒng)，各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控功能、人機(jī)界面通過綜合監(jiān)控系統(tǒng)完成，被集成的子系統(tǒng)完全融入綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，被集成的子系統(tǒng)成為綜合監(jiān)控系統(tǒng)的一部分。正常情況下集成子系統(tǒng)依賴綜合監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)正常操作功能。

對子系統(tǒng)的互聯(lián)是指綜合監(jiān)控系統(tǒng)與各子系統(tǒng)之間存在數(shù)據(jù)交換，但其數(shù)據(jù)處理相對獨立，被互聯(lián)子系統(tǒng)具有獨立的傳輸網(wǎng)絡(luò)。綜合監(jiān)控系統(tǒng)與它們在不同的監(jiān)控級別（中央或在車站）存在接口，與它們交換必要的信息，實現(xiàn)聯(lián)動等功能，互聯(lián)系統(tǒng)相對獨立，能脫離綜合監(jiān)控系統(tǒng)獨立運行。本文論述的廣播系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)就是采用互聯(lián)的方式。

廣播系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)的集成互聯(lián)是地鐵運營管理、服務(wù)乘客的現(xiàn)代化配套設(shè)備。一般與乘客信息系統(tǒng)、閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)（含車站視頻及車輛視頻）統(tǒng)一互聯(lián)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的前端處理器。在緊急情況下協(xié)助救災(zāi)和引導(dǎo)乘客疏散，確保安全、正點地運送旅客，同時提高軌道交通的運營服務(wù)水平。PIS、PA、CCTV作為獨立系統(tǒng)宜與綜合監(jiān)控在不同層級進(jìn)行互聯(lián)，實現(xiàn)信息共享和系統(tǒng)間的協(xié)同聯(lián)動。

2 廣播系統(tǒng)集成方案比選

從目前國內(nèi)外城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置情況看，雖然系統(tǒng)集成與互聯(lián)的構(gòu)成有較大的差異，但就集成平臺的選擇來說主要以機(jī)電設(shè)備監(jiān)控（含 SCADA、BAS、FAS）為核心的集成方案為主。例如北京、上海、杭州、廣州、西安、成都等地已建和在建地鐵工程項目中綜合監(jiān)控系統(tǒng)都采用了這種平臺構(gòu)成方式。

在采用以機(jī)電設(shè)備監(jiān)控為核心的集成平臺及上述集成和互聯(lián)范圍下，各集成系統(tǒng)的接入方式、工程實施界面劃分也存在不同的選擇。本文就集成系統(tǒng)的接入方式進(jìn)行比選。方案1為透明集成接入方式，方案2為隔離集成接入方式。

2.1 透明集成接入方式（方案1）

該接入方式可使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠在不需要修改或設(shè)置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞那闆r下接入網(wǎng)絡(luò)，其指導(dǎo)思想就是協(xié)議透明，將原來分層設(shè)置的多個監(jiān)控系統(tǒng)作為一個大規(guī)模的綜合自動化系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計，并在實施過程中進(jìn)行統(tǒng)一搭建與調(diào)試。采用透明系統(tǒng)集成模式的弱電綜合自動化系統(tǒng)的內(nèi)容也相應(yīng)擴(kuò)大，其中包括綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）、電力監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）和火災(zāi)自動報警系統(tǒng)（FAS）等多個部分。使多個控制層設(shè)備（例如SCADA控制器、BAS控制器和FAS站級設(shè)備等）直接接入到綜合監(jiān)控系統(tǒng)的站級局域網(wǎng)絡(luò)上。而廣播系統(tǒng)（PA）只需要將音頻信號經(jīng)過數(shù)字編碼以數(shù)據(jù)包形式按TCP/IP協(xié)議在局域網(wǎng)上傳送，通過綜合監(jiān)控前端處理器（FEB）接口管理，完成規(guī)約轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)初始處理、周期訪問和協(xié)議轉(zhuǎn)換，并將不同格式的實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為綜合監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一的內(nèi)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(wù)器。透明集成接入方式下各系統(tǒng)劃分示意如圖1所示。

圖1 透明集成接入方式示意圖

2.2 隔離集成接入方式（方案2）

采用該接入方式的綜合監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)對象是車站值班人員和中央調(diào)度人員。綜合監(jiān)控系統(tǒng)在中央、車站、停車場和車輛段將所集成系統(tǒng)和互聯(lián)系統(tǒng)的重要監(jiān)控信息統(tǒng)一匯集處理，然后再顯示到中央和車站的圖形化人機(jī)界面上。其實質(zhì)是將早期分立監(jiān)控模式下各子系統(tǒng)的上下位機(jī)結(jié)構(gòu)拆分成2個獨立部分進(jìn)行設(shè)計、實施和調(diào)試。其特點是在各站點將原來分立的各集成子系統(tǒng)分為2部分，上位機(jī)監(jiān)控部分功能由綜合監(jiān)控系統(tǒng)完成，下位控制器部分功能由各集成子系統(tǒng)完成，建立在該結(jié)構(gòu)上的綜合監(jiān)控系統(tǒng)通常會設(shè)置專門的網(wǎng)關(guān)接口設(shè)備（例如前端處理器FEP）實現(xiàn)與各接入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信和信息隔離，將電力監(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）和廣播系統(tǒng)（PA）等多個系統(tǒng)全部與前端處理器（FEP）互聯(lián)。在這樣的系統(tǒng)劃分方式下，綜合監(jiān)控系統(tǒng)獨享上層已搭建的網(wǎng)絡(luò)資源。隔離集成接入方式下各系統(tǒng)劃分示意如圖2所示。

圖2 隔離集成接入方式示意圖

2.3 方案比較

方案1，各被集成系統(tǒng)直接接入車站局域網(wǎng)，各相關(guān)系統(tǒng)為實現(xiàn)自身站間的通信功能不需要另外尋求全線其他通道，因此可節(jié)約投資成本。該方案在簡化網(wǎng)絡(luò)層次的同時還滿足相關(guān)子系統(tǒng)設(shè)備異地通信和遠(yuǎn)程訪問等功能需求，使車站監(jiān)控層次簡化，接口復(fù)雜程度降低，系統(tǒng)響應(yīng)快。

方案2，各被集成系統(tǒng)首先集成到各系統(tǒng)自身的控制器，再連接到綜合監(jiān)控系統(tǒng)的前端處理器（FEP），采用FEP將綜合監(jiān)控系統(tǒng)與各系統(tǒng)隔離開。該方案工程實施物理界面較清晰，有利于施工管理。但不足之處在于中間數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)較多，響應(yīng)時間及實時性受到影響。

基于以上分析和比較，目前國內(nèi)地鐵廣播系統(tǒng)適合采用透明集成接入方式，且符合現(xiàn)階段地鐵實際情況，系統(tǒng)功能滿足運營需求，同時也與國內(nèi)技術(shù)發(fā)展水平相適應(yīng)，由于簡化了中間環(huán)節(jié)，能有效縮短調(diào)試周期，減少了前置處理器（FEP）轉(zhuǎn)換和再處理環(huán)節(jié)，系統(tǒng)整體實時響應(yīng)性得到提高，工程難度適中，性價比較高。

3 綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成與互聯(lián)帶寬估算

以某城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)為例，主干網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括各接入系統(tǒng)用于監(jiān)控和維修管理的實時數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)按類型可分為開關(guān)量（I/O數(shù)據(jù)）、模擬量和SOE量。綜合監(jiān)控系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)以上行為主，下行的命令數(shù)據(jù)很少，可以忽略不計。系統(tǒng)采用基于TCP/IP的以太網(wǎng)，TCP/IP是一組協(xié)議的總稱，IP協(xié)議包括TCP、UDP、FTP、SMTP等，其中 TCP適合文件傳輸，但不適合實時數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)控制系統(tǒng)大多采用UDP協(xié)議。

以太網(wǎng)每個數(shù)據(jù)幀前導(dǎo)碼8個字節(jié)，目的地址和源地址各6字節(jié)，數(shù)據(jù)長度2個字節(jié)，幀校驗序列4個字節(jié)，數(shù)據(jù)46～1500個字節(jié)。必須的幀頭尾開銷共26字節(jié)。IP協(xié)議需要20個字節(jié)的固定開銷，采用UDP協(xié)議需要12個字節(jié)的固定開銷。工業(yè)以太網(wǎng)宜采用短幀數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，每個信息包宜不大于1024 bit。因此對I/O數(shù)據(jù)包、模擬量數(shù)據(jù)包和SOE數(shù)據(jù)包的封裝長度按如下進(jìn)行設(shè)計：

（1）每個I/O數(shù)據(jù)包承載23個點，每個點按2字節(jié)計算，加上各層封裝開銷，則每個包長度為

（2）每個模擬量數(shù)據(jù)包承載5個點，每個點按10字節(jié)計算，加上各層封裝開銷，則每個包長度為

（3）每個SOE量數(shù)據(jù)包承載4個點，每個點按15字節(jié)計算，加上各層封裝開銷，則每個包長度為

骨干傳輸網(wǎng)數(shù)據(jù)傳遞量主要由集成系統(tǒng)監(jiān)控點數(shù)決定，集成系統(tǒng)單站接入監(jiān)控點數(shù)估算：變電所綜合自動化系統(tǒng)單站接入點數(shù)3000；環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)單站接入點數(shù)2500；火災(zāi)自動報警系統(tǒng)單站接入點數(shù)2000；屏蔽門系統(tǒng)單站接入點數(shù)800；廣播和其余系統(tǒng)單站接入點數(shù)600。

以上合計單站接入規(guī)模為8900點。全線站點數(shù)27個，其中車站24個，車輛段1個，停車場1個，控制中心1個。監(jiān)控點數(shù)按預(yù)留20%考慮，則綜合監(jiān)控系統(tǒng)總監(jiān)控總點數(shù)為：27×8900×1.2 =28.836萬點。系統(tǒng)規(guī)模按30萬計算。其中按數(shù)字量約占總監(jiān)控點數(shù)的 85%，SOE量約占總數(shù)的12%，模擬量約占總數(shù)的 3%計算。根據(jù)集中分布式監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸網(wǎng)鏈路容量估算公式：監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸網(wǎng)鏈路容量 C=綜合監(jiān)控系統(tǒng)總監(jiān)控點數(shù)×信息包長度/信息單向傳遞延時。

則數(shù)字量傳輸鏈路容量：

則模擬量傳輸鏈路容量：

則SOE量傳輸鏈路容量：

此外，綜合監(jiān)控系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)還包括各相關(guān)系統(tǒng)以事件觸發(fā)的方式主動上傳至維修中心的維修信息，按單個子系統(tǒng)的維修信息量不超過 5 Mb/s計，同時考慮到大部分設(shè)備同時發(fā)生故障的可能性很小，因此估算各集成系統(tǒng)維修信息所需傳輸網(wǎng)鏈路容量c約為10 Mb/s。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)傳輸鏈路總?cè)萘?C＝C1+ C2+C3+c＝46.76 Mb/s。

4 廣播系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)接口權(quán)責(zé)范圍

綜合監(jiān)控負(fù)責(zé)的工作有：提供綜合監(jiān)控接線箱里的端子排供廣播系統(tǒng)的串口電纜線的接線；接受廣播系統(tǒng)上傳的信息并顯示；提供綜合監(jiān)控對廣播系統(tǒng)的控制功能；在控制中心，車站發(fā)送火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的報警信息；預(yù)留轉(zhuǎn)發(fā)信號跳站，回庫信息；負(fù)責(zé)接口調(diào)試。

廣播系統(tǒng)負(fù)責(zé)的工作有：提供廣播系統(tǒng)電纜接入到綜合監(jiān)控接線箱里的端子排外端；提供當(dāng)前各廣播區(qū)的信源類型，后備控制啟動/不啟動狀態(tài)等數(shù)據(jù)；接受綜合監(jiān)控的控制命令，實現(xiàn)廣播播放；在控制中心，車站接受火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的報警信息；預(yù)留接收綜合監(jiān)控轉(zhuǎn)發(fā)信號跳站、回庫信息；配合綜合監(jiān)控系統(tǒng)組織的接口測試與調(diào)試（含測試設(shè)備等）。

5 綜合監(jiān)控系統(tǒng)與廣播系統(tǒng)

5.1 接口模式

在車站，綜合監(jiān)控前端處理器和廣播系統(tǒng)通過串口進(jìn)行通訊。綜合監(jiān)控系統(tǒng)提供端子排基于廣播系統(tǒng) 1根帶編號電纜連接到綜合監(jiān)控設(shè)備室內(nèi)的端子排上，采用 RS422自適應(yīng)串行接口標(biāo)準(zhǔn)，接口類型是四線電口。

在控制中心，綜合監(jiān)控和廣播系統(tǒng)同樣通過串口進(jìn)行通訊。綜合監(jiān)控系統(tǒng)提供端子排基于廣播系統(tǒng) 1根帶編號電纜連接到綜合監(jiān)控設(shè)備室內(nèi)的端子排上，接口類型與車站相同為 RS422串行接口標(biāo)準(zhǔn)，速率為9.6 kb/s。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)與廣播系統(tǒng)是主從關(guān)系，只有當(dāng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)訪問廣播系統(tǒng)時，廣播系統(tǒng)才將顯示內(nèi)容傳送到綜合監(jiān)控系統(tǒng)。綜合監(jiān)控系統(tǒng)向廣播提供的所有控制指令均應(yīng)加入操作等級識別碼，以便廣播系統(tǒng)判別發(fā)生控制命令的優(yōu)先等級。廣播系統(tǒng)在脫離綜合監(jiān)控系統(tǒng)情況下具有獨立運行能力。

圖3為接口結(jié)構(gòu)圖。

圖3 PA與ISCS接口結(jié)構(gòu)圖

5.2 軟件協(xié)議

綜合監(jiān)控與廣播采用的是標(biāo)準(zhǔn)、通用、開放的軟件解碼的串口ModBus for RTU協(xié)議。對于輸入信號采用輪詢方式，每500 ms更新輸入數(shù)據(jù)一次并監(jiān)測與廣播系統(tǒng)的通訊通道狀態(tài)，由綜合監(jiān)控前端處理器直接從廣播系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)。廣播系統(tǒng)響應(yīng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的ModBus協(xié)議輪詢請求，如果廣播系統(tǒng)監(jiān)測到任何設(shè)備狀態(tài)變化/報警，應(yīng)在500 ms內(nèi)將該信息處理完畢。上文已經(jīng)提到綜合監(jiān)控與廣播的主從關(guān)系，綜合監(jiān)控的前置處理器（FEP）被配置為ModBus的主設(shè)備，廣播系統(tǒng)為ModBus的從設(shè)備，這就是一個ModBus連接，每個廣播服務(wù)器都是從設(shè)備，回答接收到的所有請求，即串口連通請求和ModBus查詢，只有主設(shè)備FEP可以關(guān)閉連接，當(dāng)連接無意中被關(guān)閉時，ModBus協(xié)議會通知設(shè)備，主設(shè)備會在觸發(fā)串口連接開通程序。

ModBus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過該協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。它作為一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使得不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。ModBus可以支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485等，還可以在各種介質(zhì)上傳送，如雙絞線、光纖、無線等。目前，支持ModBus的廠家超過400家，支持ModBus的產(chǎn)品超過600種。標(biāo)準(zhǔn)的ModBus協(xié)議提供對每次查詢和響應(yīng)的通信錯誤和信息錯誤檢測，以滿足通信鏈路的監(jiān)控要求。

5.3 接口測試

綜合監(jiān)控系統(tǒng)與廣播系統(tǒng)互聯(lián)，主要是接受設(shè)備運行狀態(tài)及告警信息，進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度管理工作，必要時進(jìn)行系統(tǒng)功能聯(lián)動。廣播系統(tǒng)本身獨立設(shè)置，各車站級作為一個獨立的區(qū)域廣播，為便于綜合監(jiān)控系統(tǒng)集中管理，資源共享的原則。廣播系統(tǒng)還要進(jìn)行必要的接口測試，檢驗接口軟件功能，同時檢驗接口部分是否遵守協(xié)議文件，協(xié)議的測試應(yīng)通過實際設(shè)備進(jìn)行，測試包含所有命令和數(shù)據(jù)的格式、收發(fā)的機(jī)制和突發(fā)情況處理等。檢驗接口特性是否滿足要求，使用測試設(shè)備，通過廣播系統(tǒng)供應(yīng)商模擬器檢驗從綜合監(jiān)控服務(wù)器到相關(guān)子系統(tǒng)的控制器/終端的各項功能；從綜合監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面到接口系統(tǒng)本地設(shè)備之間的功能以及綜合監(jiān)控系統(tǒng)和被接入系統(tǒng)接口部分的功能和性能是否滿足設(shè)計要求。

6 結(jié)語

現(xiàn)階段的地鐵廣播系統(tǒng)由車站廣播系統(tǒng)、車輛段/停車場運用庫廣播系統(tǒng)和列車廣播系統(tǒng) 3個獨立的系統(tǒng)組成；其中中央級廣播操作控制功能由中央綜合監(jiān)控系統(tǒng)通過串行接口與該系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)對廣播系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)控功能。中央綜合監(jiān)控系統(tǒng)控制臺通過廣播系統(tǒng)能為行車調(diào)度員、環(huán)控調(diào)度員、值班主任提供編組廣播、單選廣播、話筒/線路（預(yù)留）/語音合成廣播、人工編程、監(jiān)聽及顯示、遇故障時的后備等功能。廣播系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)通過開放性網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實現(xiàn)相關(guān)信息互通、資源共享和快捷的自動化聯(lián)動控制功能，提高對地鐵突發(fā)事件快速反應(yīng)能力，為防災(zāi)、救援和事故處理提供方便，從而進(jìn)一步提高了地鐵運營管理水平，保證了乘客乘車安全。

[1]郝敬全.城市軌道交通通信系統(tǒng)組網(wǎng)的應(yīng)用研究[D].山東大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004（9）.

[2]華镕. 從Modbus到透明就緒—施耐德電氣工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議、設(shè)計、安裝和應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3]李偉章，徐幼銘，林瑜筠等.城市軌道交通通信[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[4]劉曉娟，林海香，司徒國強(qiáng).城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2011.