軌道交通監控系統集中式和分布式結構研究

程 暢

（上海寶信軟件股份有限公司，201900，上海∥工程師）

軌道交通監控系統的對象包括電力系統（PSCADA）設備、環控與樓宇系統（BAS）設備、火災報警系統（FAS）設備，以及其它機電設備，如屏蔽門（PSD）系統、自動售檢票（AFC）系統、門禁系統（ACS）等的設備。系統實現兩級管理（控制中心級（即中央級）、車站級）、三級控制（控制中心級（即中央級）、車站級、就地級）的方式，要求軟硬件的設計充分考慮系統的可靠性、可維護性、可擴展性、通用性和先進性。

根據建設成本、監控對象、環境等情況的不同，國內軌道交通監控系統在構成和技術方案上有不同的選擇，包括集中式、分布式等。目前，很多監控系統已投入運營，效果良好，但也存在一定的問題。為此，必須對系統構成方案進行合理的優化。

無論是硬件還是軟件，系統設計者都需要根據實際運營需求對系統結構進行全面的考慮，在實現系統功能的同時，保證系統的可靠性，提高系統的可維護性，并達到降本增效的目的。本文通過分析典型的集中式結構和分布式結構，結合不同運營管理模式下的運營需求，提出適用的監控系統構成方案。

1 集中式系統結構

集中式系統的典型軟件模型如圖1所示，包括中央級監控系統、車站級監控系統、車輛段監控系統及主干通信傳輸網等。

1.1 中央級監控系統

集中式系統在中央服務器設置實時數據庫和歷史數據庫，用于采集并保存全線所有機電系統的數據信息，全線所有的實時數據、歷史數據、報警事件均集中在中央服務器進行處理和存儲。

在主干通信傳輸網正常運轉的情況下，為了保證集中式系統的可靠性，一般在中央級設置冗余服務器；當在線服務器出現故障時，數據處理和應用可以切換到另一臺服務器。以BAS監控系統為例，假設全線有20個車站，每個車站的BAS有5 000點的規模，中央大樓按車站級考慮，中央級計算機的實時數據規模將達到21×5 000＝105 000點，同時還需設置歷史數據庫。這就意味著中央級必須使用較高配置的冗余服務器，針對海量數據存儲的需求，還應配置磁盤陣列。

中央級工作站設置HMI（人機界面）用于對設備進行監視和控制。

圖1 集中式系統軟件模型

1.2 車站級監控系統

在主干通信傳輸網正常的情況下，車站級計算機僅用于對設備進行監視和控制，車站的實時數據、歷史數據、報警事件集中在中央級進行處理和存儲。

當中央級監控系統與車站級監控系統的網絡通信中斷時，為了保證系統的可靠性，車站級計算機必須設置實時數據庫以獨立完成本車站的數據信息采集和保存。這種情況稱為降級運營模式。此時車站級計算機作為服務器使用，必須設置服務器級別的計算機而不是一般的操作員工作站。由于實時數據規模僅包括本車站數據，硬件配置可采用低配。

1.3 車輛段監控系統

車輛段監控系統主要用于維修。車輛段維修工作站設置HMI用于對設備故障報警進行監視，同時設置維修軟件對設備進行在線故障診斷和維護。

2 分布式系統結構

分布式系統在中央級（中央大樓也作為車站級考慮）和各車站級服務器設置實時數據庫，用于采集本站點的機電系統數據信息，歷史數據庫可分布到各車站服務器，也可以在中央級統一考慮。一般要求車站服務器存儲本站點3個月的歷史數據，中央服務器集中存儲全線1～2年的歷史數據。

分布式系統在中央、車站、車輛段設置工作站，實現運營各崗位的監控需求。工作站的數據信息均來源于各車站級服務器的實時數據庫。

在主干通信傳輸網正常運轉的情況下，為了保證分布系統的可靠性，一般在各站點均設置冗余服務器；當在線服務器出現故障時，數據處理和應用可以切換到另一臺服務器。

當中央級監控系統與車站級監控系統的網絡通信中斷時，分布式系統可立即進入降級運營模式，因為車站級監控系統是獨立運行的。各車站級服務器實時數據規模僅包括本車站數據，硬件配置可采用低配，但需要配置2臺。中央級需單獨配置歷史服務器和磁盤陣列，用于實現海量數據存儲。

分布式系統的典型軟件模型如圖2所示。

3 單一的應用

對于一個接口設備，監控系統在實時服務器設置實時數據庫采集數據信息并下發控制指令，監控工作站通過該實時數據庫實現監控功能，稱之為“一個應用”。當另一臺實時服務器也設置實時數據庫采集相同設備的數據信息并下發控制指令時，稱之為“另一個應用”。兩個應用必然會對系統產生以下影響：①兩個應用產生的歷史數據、報警、事件時間戳不同且不同步；②操作員對兩個應用分別進行報警確認，確認時間和數量都不同；③操作員可能會在同一時刻對同一設備發送不同的控制指令。

如果在兩個服務器之間建立冗余同步機制解決了以上3個問題，那么系統仍然能夠保證單一的應用；如果兩個服務器完全獨立設置，那么系統存在多次應用。單一的應用和多次應用的典型數據流如圖3所示。

圖2 分布式系統軟件模型

圖3 單一的應用和多次應用的數據流

4 集中式結構和分布式結構的比較

4.1 可靠性及成本

集中式系統一般在中央級設置較高配置的冗余服務器；在車站級只需設置配置較低的服務器或工控機實現單站獨立運行和車站監控功能，所以為了保證系統可靠性，數據規模不宜過大。在保證系統可靠性的前提下，集中式系統成本較低。例如點數較多的BAS系統，中央級的點數規模有10萬點左右，高配置的服務器可以與數據規模相匹配；車站級點數規模僅5 000點，即使采用低配置的服務器，CPU占用率也不會很高，所以車站級無需再配置工作站，監控功能和HMI也可在車站級計算機上運行。集中式系統可以充分利用硬件資源。

分布式系統通常在各車站級均設置冗余服務器，即使系統設計者為了節約成本，在單車站只設置一臺服務器而在相鄰車站的服務器設置冗余同步機制，但仍然需要設置單獨的車站級工作站用于監控，成本顯然比集中式系統高。如果數據規模龐大，分布式系統將系統負荷分散到各車站，即實現了負載均衡，系統可靠性較高；如果數據規模較小，分布式系統的實用性不如集中式系統。

4.2 實時性及可擴展性

集中式系統在中央級處理的數據較多，數據的傳輸都由中央服務器保證，負荷較大，可以選擇配置較高的計算機和集中處理能力較強的系統軟件。其實時數據響應和控制響應以滿足具體的監控需求為設計依據和目的，與分布式系統的實時性響應相同。

當建設延伸線時，分布式系統可方便地在延伸線車站增加硬件設備和軟件應用，所有的系統調試均在車站內完成，只需在中央工作站增加延伸線的監控功能，不影響已建成的系統運行；集中式系統卻需要在中央與延伸線車站進行系統調試，同時在中央服務器增加延伸線的數據應用，在中央工作站增加延伸線的監控功能。顯然，分布式系統的可擴展性優于集中式系統。

4.3 可維護性及單一的應用

從道路分析的角度看，分布式系統雖然將系統負荷分散到了各車站，但同時增加了各車站的系統維護工作量；集中式系統只需重點維護中央服務器，可維護性優于分布式系統。但系統設計者和維護人員往往忽略了一個問題，那就是單一的應用和多次應用在可維護性方面的差異。

集中式系統在中央服務器設置了一個應用，車站計算機獨立運行的實時數據庫又設置了一個應用，然而其無法在中央服務器和所有車站計算機間都建立冗余同步機制，違反了“單一的應用”原則，增加了系統的維護難度。這也是集中式系統結構的一個缺陷。為盡量避免該問題，可作兩點考慮以提高系統的可維護性：其一，影響運營服務能力且可控設備較多的系統如BAS、AFC可考慮降級運營模式，即在車站設置獨立運行的實時數據庫，已有后備控制的系統如PSD、PSCADA（所內）可不考慮車站獨立監控。其二，在主干通信傳輸網正常運轉時，車站計算機作為客戶機使用，而車站的實時數據庫處于備用狀態；當降級運營開始后，車站才啟用后備實時數據庫；當降級運營結束后，車站實時數據庫應切換到備用狀態。一般降級運營的切換由人工操作，系統需要一定的時間將設備操作權降級到車站，所以車站的實時數據庫可采用熱備用方式。在數據庫啟動性能較快的情況下，車站的實時數據庫也可采用冷備用方式。

分布式系統在各車站設置冗余服務器采集本車站的數據信息，中央不再對數據信息進行多次應用，是完全的“單一的應用”。

5 不同運營管理模式的系統構成方案

盡管軌道交通建設者在設計和實施監控系統時都提出了兩級管理的需求，但仍然存在兩種常見的運營管理模式：①每個機電系統單獨設置監控系統，如PSCADA、BAS、AFC等；②統一設置綜合監控系統，PSCADA、BAS、AFC等系統作為子系統接入。不同的運營管理模式適合采用不同的系統結構。

5.1 單獨設置監控系統的管理模式

各機電系統分別在中央級、車站級和車輛段設置監控系統，系統數量較多，每個系統的數據規模較小，為了降低總的建設成本和總的維護工作量，宜采用集中式的系統結構。

由于數據規模較小，集中式系統的實時性也可以保證。各監控系統之間的關聯依賴于單系統的雙方，在系統擴展時，應采用逐系統、多車站的調試方法，使得對集中式系統的影響最小。

5.2 以綜合監控系統為主的管理模式

在中央級、車站級和車輛段設置綜合監控系統，各機電系統均設置接口實現數據通信，單站和總的數據規模較大，為了保證系統的可靠性，宜采用分布式的系統結構。

為了降低成本，系統設計者可采用相鄰車站冗余或集中站冗余的方式，既減少各車站硬件設備和軟件模塊的數量，也降低了系統維護的工作量。

6 結語

無論是單系統監控還是設置綜合監控系統，都需滿足軌道交通的三大運營需求，即面向崗位的運營管理需求，面向設備的運營監控需求，面向乘客的運營安全需求，同時保證整個系統的可靠性、實時性、可擴展性及可維護性。

系統構成方案是實施監控系統的基礎。系統設計者需結合軌道交通具體線路的運營管理模式和成本規劃，全方位考慮運營需求，科學分析可靠性、實時性、可擴展性、可維護性的標準以及在系統中所占的比重，深入研究集中式、分布式結構的優缺點，為每個監控系統設計合理、最優的系統結構方案。

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