高速鐵路車站設(shè)備綜合監(jiān)控系統(tǒng)研究

王耀午

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司， 武漢 430063)

0 引言

隨著現(xiàn)代化鐵路的飛速發(fā)展，高速鐵路里程不斷增加，高鐵車站建筑智能化研究也日益受到專家、學(xué)者的高度重視。為了提高高鐵車站客運服務(wù)的效率，車站中往往配備了大量的先進設(shè)備設(shè)施，這無形中增加了設(shè)備運營管理的難度。高鐵車站設(shè)備高強度、高頻率的運行使用，對設(shè)備的監(jiān)控與管理提出了更高的要求[1]。目前鐵路車站普遍采用的機電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(簡稱BAS系統(tǒng))，可實現(xiàn)對站房環(huán)境、暖通空調(diào)系統(tǒng)、自動電扶梯系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)的監(jiān)控與管理等，同時可以實現(xiàn)安全防范、信息聯(lián)網(wǎng)等功能[2]，但卻無法兼顧自動售票、取票機等客票設(shè)備和車站廣播等旅服設(shè)備，存在一定的局限性。

本文研究了一種高速鐵路車站設(shè)備綜合監(jiān)控系統(tǒng)，可克服一般建筑監(jiān)控系統(tǒng)的局限性，擴大監(jiān)控對象的范圍，優(yōu)化監(jiān)控性能，同時對車站機電設(shè)備、客票設(shè)備、廣播設(shè)備的運行工況、故障情況、能源消耗等信息進行實時監(jiān)視、控制、測量和記錄，并利用網(wǎng)絡(luò)連接進行信息的傳遞、交互和共享，實現(xiàn)監(jiān)控中心和就地控制管理相結(jié)合，達到對車站設(shè)備的運維管理、故障監(jiān)測、節(jié)能控制等目標(biāo)，為設(shè)備運維的成本計算、故障分析和能源管理提供數(shù)據(jù)支撐，進一步提高設(shè)備使用效益，改善車站客運服務(wù)質(zhì)量。

1 車站設(shè)備綜合監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在總體結(jié)構(gòu)上，車站設(shè)備綜合監(jiān)控系統(tǒng)按照兩級管理(中央、車站)和三級控制(中央、車站、現(xiàn)場)的原則設(shè)計，其結(jié)構(gòu)示意如圖 1 所示。

圖1 綜合監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)收集與處理的核心，負責(zé)對各個子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集與保存，并結(jié)合設(shè)備基礎(chǔ)信息和運維情況，按“集中分布式數(shù)據(jù)處理原則”，將匯總后的數(shù)據(jù)上傳至中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)，提供基礎(chǔ)的實時數(shù)據(jù)。還可以通過人機系統(tǒng)的操作界面，實時控制設(shè)備的運行狀態(tài)，達到最優(yōu)運行效果，獲取最高運行效益。

設(shè)于綜合控制中心的中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)，通過對線路所管轄全部下屬車站級提供的數(shù)據(jù)進行收集整合、集中存儲、綜合分析等操作，實時反映現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)的變化并生成報表，得到基于設(shè)備實際運行情況的一手?jǐn)?shù)據(jù)，為優(yōu)化設(shè)備監(jiān)控管理及細化設(shè)備政策提供決策依據(jù)。同時可以根據(jù)實際需求對下級監(jiān)控系統(tǒng)下達監(jiān)控指令和運行模式指令，更改設(shè)備運行參數(shù)、調(diào)整設(shè)備運行工況。

車站設(shè)備綜合監(jiān)控系統(tǒng)從軟件邏輯上可分為三層：數(shù)據(jù)接口層、數(shù)據(jù)處理層和人機接口層，其軟件邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 綜合監(jiān)控系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)接口層主要包括數(shù)據(jù)采集和協(xié)議轉(zhuǎn)換兩個功能單元。其中，數(shù)據(jù)采集單元由遠程I/O模塊、傳感器組成，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集和控制功能。協(xié)議轉(zhuǎn)換單元主要指車站前端處理器(FEP)。FEP在實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互與協(xié)議轉(zhuǎn)換功能的同時，可以對監(jiān)控設(shè)備進行數(shù)據(jù)隔離，保證子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的獨立[3]。數(shù)據(jù)處理層包括車站控制器、車站服務(wù)器和中央服務(wù)器三部分，主要負責(zé)數(shù)據(jù)管理和提供設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用功能。

人機接口層主要由操作員工作站構(gòu)成，通過從車站級和中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，在工作站上顯示人機界面，為車站用戶和中央(路局)用戶服務(wù)，實現(xiàn)對車站設(shè)備的監(jiān)控和管理等業(yè)務(wù)。

2 車站設(shè)備綜合監(jiān)控系統(tǒng)的功能

2.1 運營維護

(1)根據(jù)設(shè)備廠家提供的設(shè)備基礎(chǔ)信息，建立設(shè)備檔案，并制定完整的設(shè)備編碼標(biāo)準(zhǔn)，對設(shè)備關(guān)鍵部位進行編號統(tǒng)計，保證設(shè)備檔案的完整性與獨立性，做到“一設(shè)一檔”。

(2)針對不同設(shè)備設(shè)計合理的巡檢方法與故障參數(shù)，結(jié)合對設(shè)備故障等級判斷情況，采取合理的應(yīng)急措施，并通過系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)測和手工錄入兩種方式進行故障采集，上傳故障信息入網(wǎng)以供后續(xù)分析統(tǒng)計。

Android用戶端一方面與用戶交互，提供良好的用戶界面，另一方面與服務(wù)端進行數(shù)據(jù)交換。用戶端應(yīng)用軟件基于An?droid系統(tǒng)開發(fā)，采用MVC的開發(fā)模式進行設(shè)計，視圖層采用XML文件進行界面設(shè)計，使用Activity活動類，實現(xiàn)人機的交互。

(3)針對不同設(shè)備配置不同的維修參數(shù)，根據(jù)參數(shù)配置信息自動生成維修計劃，維修后將維修情況錄入綜合系統(tǒng)更新設(shè)備信息。

(4)結(jié)合設(shè)備數(shù)量及設(shè)備故障率、維修率等信息，確定合理的備件庫存數(shù)量，將備件信息錄入系統(tǒng)完善系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

2.2 狀態(tài)監(jiān)測

統(tǒng)一配置車站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測信息，包括運行狀態(tài)、監(jiān)測參數(shù)、故障等級、報警情況等。通過3D模式展示客站設(shè)備分布位置，通過顯示客戶端實時反映設(shè)備運行狀態(tài)、故障情況、報警情況、運行參數(shù)等信息，并通過安裝在設(shè)備終端的軟件或控制器遠程操控設(shè)備的啟/停。通過傳感器收集指定區(qū)域的溫度、濕度、照度、CO2濃度、通風(fēng)量等各種參數(shù)信息，并對其變化規(guī)律進行分析，為設(shè)備智能控制提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2.3 能源管控

通過外接電氣儀表采集車站設(shè)備的各種電能參數(shù)，并在客戶端實時顯示電力運行情況；實時監(jiān)測車站系統(tǒng)電能質(zhì)量，計算諧波電度、K系數(shù)等參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)異常情況并報警處理；通過分析電能中各次諧波的分布估計設(shè)備的劣化程度，預(yù)測設(shè)備的異常時間和壽命周期，為故障原因分析和維修參數(shù)制定提供數(shù)據(jù)支撐。

3 車站設(shè)備綜合監(jiān)控系統(tǒng)的對象

隨著自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，車站設(shè)備綜合監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)已獲得了良好的技術(shù)支撐。綜合監(jiān)控系統(tǒng)通過對客票設(shè)備、廣播設(shè)備以及機電設(shè)備的監(jiān)控，實現(xiàn)對車站設(shè)備的智能化控制與管理，保證設(shè)備運行的可靠性與穩(wěn)定性。車站設(shè)備綜合監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對象及接口框架如圖3所示。

3.1 客票設(shè)備

高鐵車站客票設(shè)備主要包括自動檢票機、自動售票機、自動取票機和實名制閘機等，綜合監(jiān)控系統(tǒng)主要負責(zé)對設(shè)備的整機及其核心模塊和系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)信息、運行狀態(tài)、故障情況、網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通情況等數(shù)據(jù)進行監(jiān)控[4]，監(jiān)控內(nèi)容如表1所示。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控客票設(shè)備的工作原理為：在客票設(shè)備終端安裝狀態(tài)監(jiān)測程序，實時采集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，利用TCP/IP承載+XML擴展協(xié)議的接口方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)連通，在車站級通過接口服務(wù)器實現(xiàn)對客票設(shè)備的監(jiān)測。具體工作流程為：將設(shè)備廠家提供的設(shè)備基礎(chǔ)信息以串口或動態(tài)鏈接庫等方式錄入綜合監(jiān)控系統(tǒng)，并將設(shè)備運行狀態(tài)、故障情況等信息生成本地XML文件；通過設(shè)備終端的狀態(tài)監(jiān)測程序，利用TCP/IP協(xié)議，將數(shù)據(jù)信息傳遞到上級系統(tǒng)以供存儲及分析，上級系統(tǒng)根據(jù)客票網(wǎng)與鐵路綜合信息網(wǎng)之間的信息互聯(lián)互通，按需求對設(shè)備進行定時或?qū)崟r的在線監(jiān)測。

圖3 綜合監(jiān)控系統(tǒng)接口框架圖

客票設(shè)備監(jiān)控內(nèi)容 表1

3.2 廣播設(shè)備

系統(tǒng)監(jiān)控的廣播設(shè)備及監(jiān)控內(nèi)容如表2所示。

廣播設(shè)備監(jiān)控內(nèi)容 表2

針對廣播設(shè)備類型眾多的特殊性，綜合監(jiān)控系統(tǒng)和終端設(shè)備的通信接口支持如SDK(Software Development Kit，軟件開發(fā)數(shù)據(jù)包)、DLL(動態(tài)鏈接庫)和OCX(對象類別擴充組件)等多種接口封裝方式，保證信息數(shù)據(jù)的實時交互，并在設(shè)備故障時上報至綜合監(jiān)控系統(tǒng)。

3.3 機電設(shè)備

高鐵站房的機電設(shè)備及監(jiān)控內(nèi)容如表3所示。

機電設(shè)備監(jiān)控內(nèi)容 表3

高鐵車站機電設(shè)備種類繁多，運行機制各不相同，因此接口方式、通訊協(xié)議和接口內(nèi)容也不盡相同。綜合監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控機電設(shè)備的工作原理為：在設(shè)備終端安裝傳感器實現(xiàn)信息采集，利用不同的接口方式(通信接口、硬線接口等)獲取監(jiān)控信息并上傳至上級網(wǎng)絡(luò)，并通過在機電設(shè)備控制箱內(nèi)安裝控制器最終實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)的控制。

4 車站設(shè)備綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計原則

車站設(shè)備綜合監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)按照創(chuàng)造車站最佳工作環(huán)境、實現(xiàn)最優(yōu)節(jié)能效果、達到設(shè)備最高效運行方式等思路進行系統(tǒng)設(shè)計。監(jiān)控系統(tǒng)的整體功能設(shè)計應(yīng)遵循以下四條基本原則。

(1)以設(shè)備實現(xiàn)最優(yōu)控制為中心的過程控制自動化。

(2)以運行狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集、維護管理為中心的設(shè)備管理自動化。

(3)以安全狀態(tài)監(jiān)測和災(zāi)害預(yù)防為中心的防災(zāi)自動化。

(4)以節(jié)能為中心的能源管控自動化。

具體要求應(yīng)滿足以下六個方面。

(1)綜合監(jiān)控系統(tǒng)按兩級管理、三級控制的原則，負責(zé)管理全線所有車站的設(shè)備，達到環(huán)境調(diào)控和節(jié)約能源的雙重效果。

(2)區(qū)間隧道的暖通通風(fēng)設(shè)備可以直接由中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控管理，也可以授權(quán)給相應(yīng)車站級管理系統(tǒng)監(jiān)管。

(3)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)按照技術(shù)先進、配置合理、擴展便捷、安全可靠、節(jié)能環(huán)保的原則進行設(shè)計，同時還應(yīng)考慮足夠的容量，為功能擴展和線路延伸提供預(yù)留條件，監(jiān)控點規(guī)劃可按照 10%～15%的余量進行預(yù)留。

(4)綜合監(jiān)控系統(tǒng)底層控制網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃應(yīng)與系統(tǒng)規(guī)模相適應(yīng)，系統(tǒng)配置應(yīng)簡單合理，并保證接口具有良好的兼容性。

(5)系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備配備應(yīng)充分考慮防塵、防潮、防霉、防震、防電磁干擾等因素。

(6)綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)該達到工業(yè)級控制產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)要求，硬件、軟件的設(shè)計應(yīng)從系統(tǒng)的先進性、穩(wěn)定性、可維護性、可擴展性、開放性、通用性、兼容性等方面進行綜合考慮，并具備故障診斷、在線修改的功能，同時還應(yīng)具有良好的人機界面。

5 結(jié)束語