軌道交通車站一體化操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

秦 健，沈逸文

(上海地鐵第二運(yùn)營有限公司)

1 引 言

隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展，越來越多的自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)施被應(yīng)用到軌道交通車站運(yùn)營管理之中，成為車站值班人員執(zhí)行日常管理任務(wù)的技術(shù)支撐和管理工具。各類自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)施在有效提高車站運(yùn)營管理水平和管理效率的同時(shí)，也造成了車站控制室監(jiān)控終端繁多、布局擁擠、操作復(fù)雜等負(fù)面效應(yīng)，不僅增加車站值班人員的操作難度和工作強(qiáng)度，帶來誤操作風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也影響車站控制室的整體布局和美觀，給車站值班人員帶來身心上的壓抑。如何優(yōu)化軌道交通車站機(jī)電系統(tǒng)集成方案、平衡技術(shù)與管理兩方面需求，是現(xiàn)代軌道交通建設(shè)管理中面臨的、迫切需要解決的難題。

作為國內(nèi)最早開展地鐵建設(shè)的實(shí)踐者之一，上海申通地鐵集團(tuán)始終致力于車站機(jī)電系統(tǒng)集成方案優(yōu)化的研究。2009年和2010年先后建成通車的上海軌道交通7 號(hào)線和10 號(hào)線，均采用國際先進(jìn)的綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)的技術(shù)方案，通過系統(tǒng)集成技術(shù)把電力監(jiān)控系統(tǒng)(PSCADA)、機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(EMCS)等十余個(gè)專業(yè)有機(jī)地融合在一起，并為車站值班人員提供統(tǒng)一風(fēng)格的集成操作界面，從而簡化了車站控制室的布局，降低了值班員操作管理的復(fù)雜度。但是，由于運(yùn)營管理模式上的差異，綜合監(jiān)控系統(tǒng)在上海地鐵的應(yīng)用效果并不理想。

如何根據(jù)上海地鐵運(yùn)營管理的特點(diǎn)，提出適應(yīng)性的車站機(jī)電系統(tǒng)集成優(yōu)化方案，成為上海地鐵建設(shè)和運(yùn)營管理部門共同研究的重點(diǎn)內(nèi)容。本文通過需求分析和技術(shù)方案研究，最終提出了車站一體化操作系統(tǒng)(SIOS)的設(shè)計(jì)方案。

2 設(shè)計(jì)原則和目標(biāo)

(1)遵循集中管理、分散控制、資源共享的總體原則，不斷優(yōu)化車站機(jī)電系統(tǒng)集成方案，提高車站運(yùn)營管理水平和管理效率。

(2)遵循總體規(guī)劃、分步實(shí)施、試點(diǎn)先行的指導(dǎo)思想，通過示范工程建設(shè)，不斷完善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。

(3)基于車站運(yùn)營管理模式和業(yè)務(wù)范圍，合理確定系統(tǒng)的集成范圍和集成方式，確保前期系統(tǒng)建設(shè)與后期維護(hù)管理之間的協(xié)調(diào)。

(4)采用統(tǒng)一的系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)，提供統(tǒng)一的用戶操作界面，有效降低車站值班員的操作難度。

(5)通過車站運(yùn)營管理流程的梳理，提供基于流程管理的用戶操作界面，簡化值班員操作流程，提升車站運(yùn)營管理的標(biāo)準(zhǔn)化水平。

(6)關(guān)鍵設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)采用熱備冗余方式設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)的可靠性和可用性。

(7)采用物理隔離與軟件過濾相結(jié)合的技術(shù)，確保系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全。

3 系統(tǒng)構(gòu)成方案

3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

軌道交通車站一體化操作系統(tǒng)(SIOS)采用分層架構(gòu)體系，由車站網(wǎng)絡(luò)層和現(xiàn)場控制層組成。其中，車站網(wǎng)絡(luò)層由數(shù)據(jù)服務(wù)器、值班員工作站、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、打印機(jī)和集成接口單元等設(shè)備構(gòu)成;現(xiàn)場控制層由相關(guān)集成子系統(tǒng)的現(xiàn)場控制設(shè)備構(gòu)成。集成子系統(tǒng)的現(xiàn)場控制設(shè)備一般包括車站級(jí)主控制器、就地控制單元和現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等。根據(jù)專業(yè)的不同，集成子系統(tǒng)的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成方式和設(shè)備名稱略有差異。SIOS 系統(tǒng)基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 SIOS 系統(tǒng)基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

其中，集成接口單元(IIU)是SIOS 網(wǎng)絡(luò)的核心部件，承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)安全的功能。IIU 采集相關(guān)集成子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，經(jīng)工程量轉(zhuǎn)換和有效性檢查后，更新系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，為數(shù)據(jù)服務(wù)器和值班員工作站提供當(dāng)前有效的設(shè)備運(yùn)行信息。數(shù)據(jù)服務(wù)器接收IIU 的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，完成設(shè)備運(yùn)行信息的存貯、統(tǒng)計(jì)等歷史數(shù)據(jù)庫管理功能和系統(tǒng)參數(shù)配置管理功能。值班員工作站通過調(diào)閱IIU的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)服務(wù)器的歷史數(shù)據(jù)，為用戶提供車站機(jī)電設(shè)備監(jiān)控的操作界面。

IIU 采用嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計(jì)，支持低速串行通信接口(EIA－ RS232/422/485)、以太網(wǎng)通信接口(IEEE 802.3)和現(xiàn)場總線通信接口(Profibus，ControlNet)，接口數(shù)量可以根據(jù)需要靈活配置，以滿足工程現(xiàn)場的應(yīng)用需求。

相關(guān)集成子系統(tǒng)通過IIU 的通信接口接入SIOS，從而在物理上把集成子系統(tǒng)的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)與SIOS 的車站網(wǎng)絡(luò)隔離開來，確保SIOS 車站網(wǎng)絡(luò)的安全。IIU 可以為每個(gè)通信接口配置通信協(xié)議，IIU 只處理指定通信協(xié)議的報(bào)文，其它無關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)文將被過濾，從而確保外部網(wǎng)絡(luò)故障不會(huì)對(duì)SIOS 網(wǎng)絡(luò)造成影響。

3.2 系統(tǒng)軟件構(gòu)成

SIOS 系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由支撐軟件、平臺(tái)軟件和應(yīng)用軟件構(gòu)成。SIOS 系統(tǒng)軟件構(gòu)成及其層次結(jié)構(gòu)由圖2給出。

圖2 SIOS 系統(tǒng)軟件構(gòu)成及其層次結(jié)構(gòu)

SIOS 支撐軟件采用COTS 的第三方軟件，包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等。支撐軟件為SIOS 平臺(tái)軟件和應(yīng)用軟件提供基本的運(yùn)行環(huán)境，是平臺(tái)軟件和應(yīng)用軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)。

SIOS 平臺(tái)軟件是SIOS 系統(tǒng)軟件的核心，由分布式引擎和基礎(chǔ)自動(dòng)化模塊組成。分布式引擎以通用中間件為基礎(chǔ)，為上層應(yīng)用提供一個(gè)統(tǒng)一的、開放的、可擴(kuò)展的分布式應(yīng)用開發(fā)環(huán)境?；A(chǔ)自動(dòng)化模塊包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和控制三大基礎(chǔ)模塊以及數(shù)據(jù)庫管理、網(wǎng)絡(luò)管理、報(bào)警管理、日志管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表和打印等基本應(yīng)用模塊。基礎(chǔ)自動(dòng)化模塊基于分布式引擎設(shè)計(jì)，為上層應(yīng)用軟件提供基礎(chǔ)的、可擴(kuò)展的應(yīng)用服務(wù)。

SIOS 應(yīng)用軟件是SIOS 系統(tǒng)功能的載體，是直接面向用戶的圖形操作軟件。SIOS 應(yīng)用軟件以平臺(tái)軟件為基礎(chǔ)，通過調(diào)用平臺(tái)軟件提供的基礎(chǔ)應(yīng)用服務(wù)，實(shí)現(xiàn)SIOS 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能。

SIOS 應(yīng)用軟件主要包括綜合監(jiān)控、專業(yè)管理和任務(wù)管理等三個(gè)應(yīng)用模塊。其中綜合監(jiān)控模塊充分融合集成子系統(tǒng)的車站管理需求，為用戶提供車站機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的綜合監(jiān)控界面。綜合監(jiān)控界面涵蓋車站運(yùn)營管理所需的全部重要監(jiān)控信息，車站值班員無須切換畫面，通過該綜合監(jiān)控界面就可以全面掌握車站機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

專業(yè)管理模塊以集成子系統(tǒng)的功能需求為依據(jù)，為用戶提供相關(guān)專業(yè)管理的操作界面。專業(yè)管理界面的監(jiān)控內(nèi)容原則上與集成子系統(tǒng)原有界面內(nèi)容一致。

任務(wù)管理模塊基于車站運(yùn)營管理職責(zé)，為車站值班員提供基于流程設(shè)計(jì)的任務(wù)管理手段。車站值班員每天的運(yùn)營管理任務(wù)被固化在SIOS 軟件中，車站值班員只要按照指定的流程點(diǎn)擊相關(guān)按鈕，即可輕松完成每天的車站運(yùn)營管理任務(wù)。任務(wù)管理模塊設(shè)計(jì)的管理流程包括早間啟運(yùn)、晚間停運(yùn)、日常運(yùn)營、高峰運(yùn)營、災(zāi)害管理、阻塞管理、故障管理和節(jié)能管理等八個(gè)方面。

3.3 集成范圍和集成方式的選擇

SIOS 以車站運(yùn)營管理單位的管理職責(zé)為依據(jù)，合理確定系統(tǒng)集成的范圍，確保系統(tǒng)集成范圍與車站運(yùn)營管理單位的維護(hù)范圍相一致。

根據(jù)相關(guān)集成子系統(tǒng)的專業(yè)特點(diǎn)，合理確定系統(tǒng)集成的方式。對(duì)于FAS、EMCS、ACS、PSD 等專業(yè)，其車站管理操作界面宜全部集成到SIOS 之中;對(duì)于AFC 等有特殊要求的專業(yè)，其設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和客流信息宜集成到SIOS 之中，保留其專業(yè)管理功能。

4 上海游泳館站示范工程應(yīng)用

上海游泳館站SIOS 示范工程于2013年8月建成投入使用。投運(yùn)以來，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，功能完備，使用效果良好。

上海游泳館站SIOS 采用雙網(wǎng)熱備冗余的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)備均采用冗余設(shè)計(jì)，確保任意單個(gè)節(jié)點(diǎn)故障不會(huì)影響系統(tǒng)正常的使用功能。

根據(jù)上海游泳館站運(yùn)營單位的管理范圍，確定上海游泳館SIOS 的集成范圍包括FAS、EMCS、ACS、AFC、PSD 和智能照明等六個(gè)專業(yè)，其中，EMCS、ACS、PSD 和智能照明等四個(gè)專業(yè)的車站操作管理功能全部集成到SIOS 系統(tǒng)，取消原設(shè)計(jì)方案中四個(gè)專業(yè)的監(jiān)控工作站設(shè)置。FAS 專業(yè)的消防聯(lián)動(dòng)相關(guān)信息、AFC 專業(yè)的設(shè)備狀態(tài)和客流信息集成到SIOS，保留FAS 圖形工作站和AFC 車站計(jì)算機(jī)。

圖3 給出上海游泳館站SIOS 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中車站網(wǎng)絡(luò)采用兩臺(tái)工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)建熱備冗余的快速以太網(wǎng)絡(luò)。冗余配置的服務(wù)器、值班員工作站和集成接口單元均通過物理獨(dú)立的兩個(gè)以太網(wǎng)接口接入車站網(wǎng)絡(luò)。

圖3 上海游泳館站SIOS 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

結(jié)合集成子系統(tǒng)的接口條件，SIOS 采用不同的通信接口方式實(shí)現(xiàn)與集成子系統(tǒng)的信息交互。其中，EMCS、ACS 和AFC 專業(yè)通過以太網(wǎng)通信接口接入SIOS，F(xiàn)AS 和PSD 專業(yè)通過低速串行通信接口接入SIOS，而智能照明專業(yè)通過現(xiàn)場總線通信接口接入SIOS。

5 結(jié) 語

軌道交通車站機(jī)電系統(tǒng)集成方案優(yōu)化是上海地鐵近年來探索研究的重要內(nèi)容。SIOS 設(shè)計(jì)成果及其在上海游泳館站的示范應(yīng)用，簡化了車站運(yùn)營管理流程，優(yōu)化了車站控制室布局，提升了車站運(yùn)營管理水平和管理效率，為構(gòu)建上海特色的軌道交通車站機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)提供了可復(fù)制的解決方案。

［1］姜臻祺.軌交車站運(yùn)營監(jiān)控與管理標(biāo)準(zhǔn)化研究［J］.地下工程與隧道，2013，(3):20－23.

［2］姜臻祺.適合軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)運(yùn)營組織體系相關(guān)問題的探討［J］.地下工程與隧道，2009，(4):9－10.

［3］魏曉東.地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)關(guān)鍵問題分析［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2009，(6):10－12.