城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

錢存元 王露秋 忻鳴祥 孫 煜

（1.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海；2.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，201103，上?！蔚谝蛔髡撸苯淌冢?/p>

城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)將各個(gè)分散獨(dú)立的子系統(tǒng)集成于一體，在突發(fā)情況下，能夠在有限時(shí)間內(nèi)通過(guò)接口將信息傳遞給控制臺(tái)，各系統(tǒng)能觸發(fā)聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，從而增強(qiáng)各系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)和配合能力，將災(zāi)害損失降到最低。然而，城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的研究與應(yīng)用目前尚處于起步階段，相關(guān)的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)管理缺乏統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，也沒(méi)有權(quán)威的第三方測(cè)評(píng)機(jī)構(gòu)，給設(shè)計(jì)院和建設(shè)單位的選型帶來(lái)了困難。此外，綜合監(jiān)控系統(tǒng)涉及城市軌道交通全部機(jī)電設(shè)備及其系統(tǒng)，接口數(shù)量繁多，接口方式各異，任何接口協(xié)調(diào)上的問(wèn)題都可能導(dǎo)致工程進(jìn)度的拖延。

鑒于此，以同濟(jì)大學(xué)軌道交通綜合試驗(yàn)線（以下簡(jiǎn)為“試驗(yàn)線”）為依托，構(gòu)建了一個(gè)包括火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)（FAS）、環(huán)境與機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、閉路電視監(jiān)控（CCTV）、廣播（PA）、屏蔽門（PSD）等子系統(tǒng)在內(nèi)的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成測(cè)試平臺(tái)，以期以第三方的身份，對(duì)國(guó)內(nèi)城市軌道交通系統(tǒng)集成商的綜合監(jiān)控系統(tǒng)功能和性能提供測(cè)試驗(yàn)證的技術(shù)服務(wù)，促進(jìn)我國(guó)城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)范和健康發(fā)展。

1 綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成測(cè)試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)

1.1 集成測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)原則

根據(jù)試驗(yàn)線分期建設(shè)的特點(diǎn)，綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)遵循如下原則：

（1）按照總體規(guī)劃、分步實(shí)施的原則，首期建設(shè)示范性的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成測(cè)試平臺(tái)，預(yù)留后期擴(kuò)展的接口條件；

（2）綜合監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)同時(shí)滿足示范演示功能要求和接口測(cè)試功能要求；

（3）綜合監(jiān)控系統(tǒng)至少能提供PSCADA（電力監(jiān)控）、BAS、FAS、PSD、PA、CCTV等系統(tǒng)的實(shí)際操作模擬，能提供行車監(jiān)控有關(guān)的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行模擬；

（4）綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)單實(shí)用為指導(dǎo)思想，并體現(xiàn)一定的先進(jìn)性；

（5）綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成應(yīng)盡量采用模塊化，以便于今后擴(kuò)展或重新組合。

1.2 綜合監(jiān)控系統(tǒng)的集成方式

城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的集成方式一般分為集中式和分層式。

集中式又稱為頂層集成模式，如圖1所示。數(shù)據(jù)庫(kù)位于中央，車站級(jí)控制中心通過(guò)前端處理器收集各系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息，匯總后上傳到中央級(jí)控制中心；中央控制系統(tǒng)通過(guò)分析處理這些信息，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)及接口發(fā)送到車站級(jí)控制中心，由車站級(jí)控制中心轉(zhuǎn)發(fā)到各個(gè)就地系統(tǒng)。該集成方式的特點(diǎn)是：各子系統(tǒng)可以獨(dú)立工作；所有數(shù)據(jù)均由中央級(jí)服務(wù)器處理，保證各車站級(jí)接收到的同類型數(shù)據(jù)的一致性。但由于城市軌道交通的數(shù)據(jù)信息量十分大，集中式對(duì)傳輸?shù)膸?、?shù)據(jù)庫(kù)容量和計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)能力等的要求較高，成本也較高。除此之外，各站級(jí)子系統(tǒng)之間的通信需要另外組網(wǎng)而不通過(guò)骨干網(wǎng)，會(huì)造成一定的資源浪費(fèi)；同時(shí)，各子系統(tǒng)的接口較多且不統(tǒng)一，運(yùn)行聯(lián)動(dòng)較為復(fù)雜。

圖1 集中式綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成模式示意圖

分層式又稱深度集成模式，如圖2所示。服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)不僅置于中央級(jí)控制中心，各車站級(jí)控制中心也配備，形成一個(gè)冗余結(jié)構(gòu)；中央級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)車站局域網(wǎng)直接獲取就地集成系統(tǒng)的信息；互聯(lián)系統(tǒng)仍通過(guò)前端處理器接入車站級(jí)局域網(wǎng)，由車站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行篩選后上傳到中央級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)；中央級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)接收信息并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，以便隨時(shí)調(diào)用。這樣的模式簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)層次，且相關(guān)子系統(tǒng)能充分利用骨干網(wǎng)的帶寬進(jìn)行異地通信。在遇到突發(fā)情況時(shí)，中央級(jí)控制中心將權(quán)力下放到車站級(jí)控制中心，車站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)自身數(shù)據(jù)庫(kù)所做的記錄采取相應(yīng)措施。該集成模式不僅提高了控制中心的處理速率，也降低了設(shè)備成本。

1.3 集成測(cè)試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)

基于集成測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)原則，試驗(yàn)線綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成測(cè)試平臺(tái)采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：頂層為OCC（運(yùn)營(yíng)控制中心）控制層，第二層為車站級(jí)控制層，第三層為各子系統(tǒng)的基礎(chǔ)自動(dòng)化層網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備。綜合考慮試驗(yàn)環(huán)境及建設(shè)條件等因素，對(duì)集成測(cè)試平臺(tái)的控制中心系統(tǒng)與車站系統(tǒng)進(jìn)行融合，簡(jiǎn)化了控制中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；控制中心的操作調(diào)度與車站值班員復(fù)用一套工作站，控制中心的數(shù)據(jù)處理與車站數(shù)據(jù)處理復(fù)用一套服務(wù)器?？紤]到系統(tǒng)測(cè)試的要求，集成測(cè)試平臺(tái)由設(shè)置在中央控制室的操作調(diào)度系統(tǒng)和設(shè)置在設(shè)備機(jī)房的車站級(jí)綜合監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成，采用冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其中，車站級(jí)綜合監(jiān)控系統(tǒng)包括FAS、BAS、PSD、CCTV、PA等子系統(tǒng)。集成測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

通信骨干網(wǎng)絡(luò)由2套冗余配置的100M／1000 M工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)及配線構(gòu)成，具有較高的可靠性。中央級(jí)／車站級(jí)綜合監(jiān)控系統(tǒng)由2套前端處理器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、操作員工作站、綜合顯示屏、打印機(jī)、綜合后備盤（IBP）等設(shè)備構(gòu)成。其中，1套前端處理器用于綜合監(jiān)控平臺(tái)各集成子系統(tǒng)的接入，另1套前端處理器為新的子系統(tǒng)接入預(yù)留接口，用于進(jìn)行接口測(cè)試。

圖2 分層式綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成模式示意圖

圖3 綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

中央級(jí)／車站級(jí)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器和操作員工作站分別配置綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件，數(shù)據(jù)服務(wù)器采用Unix操作系統(tǒng)，工作站W(wǎng)indows操作系統(tǒng)。前端處理器采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，配置通信管理軟件，完成與集成子系統(tǒng)／被測(cè)試系統(tǒng)之間的接口數(shù)據(jù)交互。

2 集成測(cè)試平臺(tái)的功能

2.1 綜合監(jiān)控系統(tǒng)的示范功能

試驗(yàn)線綜合監(jiān)控集成測(cè)試平臺(tái)具有一般綜合監(jiān)控系統(tǒng)的通用功能，包括：

（1）單點(diǎn)和順序控制。單點(diǎn)控制包括對(duì)單個(gè)設(shè)備對(duì)象的控制；順序控制是將多個(gè)單點(diǎn)控制組成一個(gè)系列控制，簡(jiǎn)化操作員的工作。

（2）閉鎖控制。在控制命令發(fā)出前所進(jìn)行的檢查，用于核查控制條件是否滿足，以確定此次控制命令被執(zhí)行或被取消，防止誤操作。

（3）預(yù)案。具有預(yù)案的建立、調(diào)用、修改和查詢等功能，且預(yù)案執(zhí)行過(guò)程中能自動(dòng)生成操作記錄。

（4）報(bào)警管理。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到異常情況時(shí)，可通過(guò)聲光報(bào)警設(shè)備及桌面彈出式告示窗口向相關(guān)的調(diào)度員或值班員發(fā)出分級(jí)預(yù)警信息，并根據(jù)需要提出相應(yīng)的處理預(yù)案。

（5）權(quán)限管理。登錄系統(tǒng)時(shí)，操作人員需要提供相應(yīng)的賬號(hào)和密碼，以保證綜合監(jiān)控系統(tǒng)的安全控制和安全審計(jì)功能。

（6）自檢和自恢復(fù)。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，各服務(wù)器和工作站均進(jìn)行自檢，若自檢出錯(cuò)，在對(duì)應(yīng)的顯示器上給予提示。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)軟件和硬件設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)；出現(xiàn)故障時(shí)，實(shí)現(xiàn)熱備設(shè)備的自動(dòng)切換（包括主備通道的相互切換）；當(dāng)軟件因某些原因處于死機(jī)狀態(tài)時(shí)，能自動(dòng)恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行。

（7）時(shí)鐘同步。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)NTP（Network Time Protocol）方式與時(shí)間服務(wù)器對(duì)時(shí)同步，使綜合監(jiān)控系統(tǒng)各車站設(shè)備與中央服務(wù)器進(jìn)行軟件對(duì)時(shí)同步。

此外，系統(tǒng)還具備數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、時(shí)間表調(diào)度、日志管理、打印及畫面拷貝、人機(jī)界面操作和聯(lián)動(dòng)等功能。

2.2 綜合監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)試功能

由于具備開(kāi)放性的接口，集成測(cè)試平臺(tái)可以為綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成商或設(shè)備制造商提供第三方的接口測(cè)試。根據(jù)GB／T 50732—2011《城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)工程施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》，綜合監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)試主要分為系統(tǒng)硬件檢查、軟件配置與信息通信測(cè)試、系統(tǒng)功能測(cè)試、系統(tǒng)安全性與可靠性測(cè)試等四大部分。

（1）系統(tǒng)硬件檢查：主要檢查系統(tǒng)各控制柜硬件設(shè)備及元件的規(guī)格、數(shù)量、外觀是否符合要求，安裝位置是否與圖紙相符，電源系統(tǒng)中各回路的絕緣性能、供電電源是否滿足各設(shè)備要求，熔斷器的熔芯是否安裝，箱柜內(nèi)接線及箱柜與被監(jiān)控設(shè)備的接線線纜標(biāo)志是否正確，接地與防雷是否符合要求等。

（2）軟件配置與信息通信測(cè)試：主要檢測(cè)軟件配置是否正確，PLC（可編程邏輯控制器）版本及其軟件是否符合運(yùn)行環(huán)境，設(shè)備的軟件配置、網(wǎng)絡(luò)地址設(shè)置和預(yù)置參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)要求。為了減小網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，增加網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约翱刂祈憫?yīng)的實(shí)時(shí)性，需要合理設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。此外，還要檢查各CPU（中央處理單元）、控制網(wǎng)卡及輸入輸出模塊配置是否正確。

（3）系統(tǒng)功能測(cè)試：主要針對(duì)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控功能和火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警功能兩大部分進(jìn)行檢測(cè)。功能測(cè)試的內(nèi)容主要包括：各調(diào)度工作站和綜合顯示屏的人機(jī)界面是否能夠顯示全線所需監(jiān)控對(duì)象的狀態(tài)參數(shù)及監(jiān)控系統(tǒng)總畫面和設(shè)備運(yùn)行工況圖畫面，各系統(tǒng)間是否能夠按照聯(lián)動(dòng)觸發(fā)條件實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)動(dòng)；是否能監(jiān)控本試驗(yàn)線范圍內(nèi)的環(huán)境與機(jī)電設(shè)備、防災(zāi)設(shè)備運(yùn)行情況，是否能對(duì)其子系統(tǒng)和互聯(lián)系統(tǒng)監(jiān)控畫面進(jìn)行選擇和分屏顯示，在設(shè)定的權(quán)限范圍內(nèi)能否遙控遙調(diào)各設(shè)備；對(duì)于互聯(lián)系統(tǒng)（主要是指PA系統(tǒng)、CCTV系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)等），主要檢查通信鏈路的狀態(tài)及發(fā)送信息的正確性。另外，信息是否能夠記錄顯示打印備份也是功能測(cè)試的一項(xiàng)內(nèi)容。

（4）系統(tǒng)安全性與可靠性測(cè)試：系統(tǒng)安全性測(cè)試包括交換機(jī)環(huán)網(wǎng)單點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)系統(tǒng)是否正常運(yùn)行、單個(gè)模塊或接口故障時(shí)的影響區(qū)及相關(guān)信息、系統(tǒng)電力回復(fù)后是否能夠自動(dòng)重啟并正常運(yùn)行等?？煽啃詼y(cè)試主要是在一段時(shí)間內(nèi)（通常選24h、48h或72h）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行不間斷運(yùn)行測(cè)試。實(shí)時(shí)可靠的報(bào)警系統(tǒng)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，減少系統(tǒng)故障時(shí)間，因此要確保三級(jí)系統(tǒng)均具備在發(fā)生問(wèn)題時(shí)及時(shí)觸動(dòng)報(bào)警和保護(hù)復(fù)歸的能力。

3 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)線綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成測(cè)試平臺(tái)的建設(shè)與運(yùn)用，一方面可針對(duì)工程項(xiàng)目中突出的接口管理難題，為系統(tǒng)集成商或設(shè)備制造商提供第三方的接口測(cè)試和認(rèn)證服務(wù)，規(guī)范系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)，為我國(guó)城市軌道交通建設(shè)又好又快發(fā)展提供技術(shù)層面的基礎(chǔ)保障；另一方面也必將促進(jìn)同濟(jì)大學(xué)“潔凈能源地面交通工具”學(xué)科群的發(fā)展，從而進(jìn)一步提高同濟(jì)大學(xué)在城市軌道交通領(lǐng)域的影響力。

［1］GB／T 50732—2011城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)工程施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范［S］.

［2］田徑.城市軌道交通自動(dòng)化綜合監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成及施工方法［J］.四川建材，2009，35（3）：262.

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