軌道交通車載綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

蔣衛(wèi)中

(國電南瑞科技股份有限公司 南京 210061)

計算機(jī)、通信、自動控制等技術(shù)的不斷發(fā)展及在軌道交通領(lǐng)域的廣泛深入應(yīng)用，城市軌道交通列車運行控制系統(tǒng)從最初基本的自動監(jiān)督和防護(hù)功能，到提供部分的自動控制功能，最終完全替代列車駕駛員的職能，實現(xiàn)無人駕駛。目前，在很多國內(nèi)外城市規(guī)劃、建設(shè)及既有軌道交通線路改造中，有相當(dāng)部分采用無人駕駛系統(tǒng)。

全自動無人駕駛系統(tǒng)作為先進(jìn)的城市公共交通系統(tǒng)，代表了城市軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展方向，它要求系統(tǒng)具有高度的可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性，具有完善的控制功能，具備快速、準(zhǔn)確的故障檢測與排除功能。控制中心直接面向乘客、直接服務(wù)乘客，可指導(dǎo)乘客處理緊急事務(wù);通信系統(tǒng)具備高度可靠的、大容量的實時傳輸功能，可實現(xiàn)列車與控制中心的實時聯(lián)系，提供視頻信息，并具有較為完善的維護(hù)輔助功能。

1 綜合監(jiān)控系統(tǒng)概述

綜合監(jiān)控系統(tǒng)(integrated supervisory control system，ISCS)對于實現(xiàn)無人駕駛至關(guān)重要，它直接服務(wù)于運營管理及非常事件的處理，起著重要的作用。ISCS通過機(jī)電系統(tǒng)的集成及互聯(lián)，構(gòu)成ISCS的集成方案。從傳統(tǒng)系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)獨立分散監(jiān)控，到為集成的機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行綜合監(jiān)控，并與車輛、信號系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，這是技術(shù)的飛躍。上海軌道交通10號線綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用完全分布式體系結(jié)構(gòu)，由車站綜合監(jiān)控系統(tǒng)、車載綜合監(jiān)控系統(tǒng)、控制中心綜合監(jiān)控系統(tǒng)、備用中心綜合監(jiān)控系統(tǒng)等組成;每個節(jié)點都是一套獨立的小綜合監(jiān)控系統(tǒng)，能自治獨立運行，相互共享數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)工作，共同構(gòu)成一個大綜合監(jiān)控系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 綜合監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

上海軌道交通10號線綜合監(jiān)控集成了電力監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控、閉路電視監(jiān)控、廣播、乘客信息、門禁、維修支持、車載綜合監(jiān)控等系統(tǒng)，以及互聯(lián)火災(zāi)報警，列車自動監(jiān)控、自動售檢票和屏蔽門等系統(tǒng)，可實現(xiàn)對全線各車站和區(qū)間內(nèi)設(shè)備及其相關(guān)系統(tǒng)的全面集中監(jiān)視、報警、遙控、時間同步、信息匯總、報表、網(wǎng)絡(luò)管理等功能。根據(jù)無人駕駛的特殊功能要求，10號線在常規(guī)ISCS的要求上增加了車載綜合監(jiān)控(TISCS)的集成，確保在全自動無人駕駛運營時，實現(xiàn)地面對列車的乘客保護(hù)、車載信息通信及乘客監(jiān)控，這在國內(nèi)尚屬首次。

2 車載綜合監(jiān)控系統(tǒng)的組成及原理

為實現(xiàn)對列車的乘客保護(hù)、車載信息通信及乘客監(jiān)控功能，上海軌道交通10號線車載綜合監(jiān)控系統(tǒng)囊括了車載閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)(TCCTV)及車載乘客信息系統(tǒng)(TPIS)，由車載綜合監(jiān)控服務(wù)器統(tǒng)一管理，見圖2。

圖2 車載綜合監(jiān)控系統(tǒng)組成

車載綜合監(jiān)控系統(tǒng)由車載攝像機(jī)、視頻編碼器、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、車載網(wǎng)路錄像機(jī)、TISCS服務(wù)器(兼車載視頻服務(wù)器)、司機(jī)室液晶觸摸顯示屏等設(shè)備組成。

TISCS服務(wù)器是車載綜合監(jiān)控系統(tǒng)的核心設(shè)備，由車頭、車尾兩臺同時工作的冗余熱備服務(wù)器組成。TISCS的兩臺車載服務(wù)器通過其自身的10/100 Mbit/s自適應(yīng)以太網(wǎng)端口與車載局域網(wǎng)連接，通過車載局域網(wǎng)保持工作、信息同步。在系統(tǒng)運行時，兩臺服務(wù)器均處于工作狀態(tài)，但其中一臺為主TISCS服務(wù)器，另外一臺為從TISCS服務(wù)器，主服務(wù)器和從服務(wù)器之間通過“心跳”連接機(jī)制，保持同步、“握手”和數(shù)據(jù)交換。

在正常情況下，只有主服務(wù)器可以被其他系統(tǒng)訪問，接受或拒絕與TCCTV、TPIS連接及信息交換。當(dāng)主服務(wù)器發(fā)生故障、不能與從服務(wù)器維持心跳連接時，從服務(wù)器會接管TISCS的控制權(quán)，并打開服務(wù)端口供其他系統(tǒng)連接。當(dāng)主服務(wù)器恢復(fù)到正常工作狀態(tài)并能夠維持心跳檢測時，從服務(wù)器就交還控制權(quán)，并關(guān)閉服務(wù)端口。當(dāng)TPIS與車載綜合監(jiān)控系統(tǒng)建立連接時，主TISCS服務(wù)器打開TPIS的服務(wù)端口，從TISCS服務(wù)器關(guān)閉TPIS的服務(wù)端口。當(dāng)主TISCS服務(wù)器故障、TISCS需要切換時，從TISCS服務(wù)器會打開TPIS的連接端口。此時，當(dāng)TPIS發(fā)現(xiàn)無法連接到主TISCS服務(wù)器時，也會嘗試連接從TISCS服務(wù)器。同時，TPIS的切換不影響TISCS。另外，TCCTV系統(tǒng)與車載綜合監(jiān)控系統(tǒng)建立連接的工作方式與此類似。

TISCS服務(wù)器提供車載綜合監(jiān)控系統(tǒng)與其他相關(guān)系統(tǒng)的接口，包括車輛管理系統(tǒng)TMS、無線集群系統(tǒng)Tetra、無線寬帶系統(tǒng)WRF及控制中心信息接入等。

對于TMS，TISCS服務(wù)器同時響應(yīng)TMS的請求，并由主服務(wù)器來處理，從服務(wù)器會根據(jù)其同步來的設(shè)備狀態(tài)應(yīng)答TMS。從TISCS服務(wù)器會將所有來自于TMS的請求轉(zhuǎn)發(fā)到主服務(wù)器，進(jìn)行相應(yīng)的處理。當(dāng)TMS與TISCS主服務(wù)器發(fā)生通信故障時，TISCS從服務(wù)器將接管對TMS的鏈接控制權(quán)，并發(fā)送帶主標(biāo)志位的數(shù)據(jù)給TMS。當(dāng)TISCS發(fā)生切換時，對TMS沒有影響。

對于TETRA系統(tǒng)，TISCS服務(wù)器同時響應(yīng)TETRA系統(tǒng)的請求，從TISCS服務(wù)器會將所有來自于TETRA的請求轉(zhuǎn)發(fā)到主服務(wù)器進(jìn)行處理。當(dāng)TETRA系統(tǒng)發(fā)生切換時，對TISCS沒有影響。

當(dāng)TISCS發(fā)生切換時，TISCS發(fā)送TISCS與TETRA系統(tǒng)的通信故障信息給TMS。

3 系統(tǒng)的功能實現(xiàn)與軟件設(shè)計

TISCS具備管理控制、監(jiān)控、聯(lián)動等相關(guān)功能。

3.1 管理功能

TISCS具備對TCCTV及TPIS的管理功能。

1)能夠在控制中心的控制下，調(diào)用TCCTV的任意一路或多路圖像，并通過WRF系統(tǒng)，將實時圖像碼流發(fā)送到監(jiān)控中心。

2)能夠?qū)崟r接收由TMS和Tetra傳送過來的實時TPIS信息，并將相關(guān)的實時TPIS信息發(fā)送給TPIS，實現(xiàn)相關(guān)信息在車載LCD屏上的顯示。

3)能夠接收TMS時鐘信息，進(jìn)行TCCTV系統(tǒng)與TPIS的時鐘同步。

3.2 監(jiān)控功能

TISCS具備對自身系統(tǒng)、TCCTV、TPIS的監(jiān)控功能。

1)顯示主從TISCS服務(wù)器的狀態(tài)、主從TISCS服務(wù)器的同步異常等相關(guān)信息。

2)顯示TCCTV系統(tǒng)中的視頻服務(wù)器狀態(tài)、視頻編碼器狀態(tài)、車載攝像機(jī)狀態(tài)、車載交換機(jī)狀態(tài)。

3)顯示TPIS中車載服務(wù)器、車載控制器等的狀態(tài)。

4)TISCS實時匯總各種故障信息，匯報到TMS。

5)TISCS也會將所有故障信息通過WRF系統(tǒng)，傳送給中心ISCS。

3.3 聯(lián)動功能

1)列車客室車門緊急拉手動作/復(fù)位、蓋子動作/復(fù)位時，通過TMS將車門的位置信息和聯(lián)動控制信息發(fā)送給車載TISCS服務(wù)器，報警信息和相關(guān)位置的攝像頭信息將由TISCS服務(wù)器通知到地面控制中心，由控制中心來調(diào)度、調(diào)用和顯示。

2)列車兩端緊急疏散安全門手動裝置或蓋子移動/復(fù)位，通過TMS將相關(guān)位置信息和聯(lián)動控制信息發(fā)送給車載TISCS服務(wù)控制器，報警信息和相關(guān)位置的攝像頭信息將由TISCS服務(wù)器通知到控制中心，由控制中心來調(diào)度、調(diào)用和顯示。

3)車載火災(zāi)報警信息通過TMS發(fā)送給車載TISCS控制器，相關(guān)位置的攝像頭圖像將由TISCS服務(wù)控制器發(fā)送給控制中心。

4)列車上乘客緊急對講(IPH)的信息通過TMS發(fā)送給車載TISCS控制器，報警信息和相關(guān)位置的攝像頭信息將由TISCS服務(wù)器通知到控制中心，由控制中心來調(diào)度、調(diào)用和顯示。

5)TISCS接收列車TMS提供的列車運營信息，并傳給TPIS。

6)當(dāng)控制中心調(diào)用TCCTV系統(tǒng)的車頭車尾攝像機(jī)圖像時，TISCS將通知TMS將車頭車尾泛光燈打開。

3.4 軟件功能模塊設(shè)計

TISCS系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)及組成模塊如圖3所示。

圖3 車載綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

TCCTV系統(tǒng)接入模塊用于和TCCTV系統(tǒng)進(jìn)行對接，具有調(diào)用多路圖像、狀態(tài)監(jiān)控等功能;TPIS接入模塊用于和TPIS進(jìn)行對接，將相關(guān)的實時TPIS信息發(fā)送給TPIS，實現(xiàn)相關(guān)信息車載LCD屏上的顯示;TETRA系統(tǒng)接入模塊用于接收TETRA的TPIS命令;WRF系統(tǒng)接入模塊用于和WRF系統(tǒng)進(jìn)行對接，實現(xiàn)和監(jiān)控中心的連接;TMS接入模塊用于和TMS進(jìn)行對接，實現(xiàn)對TISCS的集中控制功能;TCCTV配置管理模塊用于實現(xiàn)TCCTV系統(tǒng)的硬件管理和參數(shù)配置;TCCTV實時圖像控制模塊負(fù)責(zé)對TCCTV的實時圖像進(jìn)行控制和傳輸，并在液晶觸摸屏上提供實時圖像監(jiān)控等功能;系統(tǒng)監(jiān)控和聯(lián)動模塊主要負(fù)責(zé)對系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并對相關(guān)事件進(jìn)行聯(lián)動處理;同步管理模塊負(fù)責(zé)和另一臺TISCS服務(wù)器進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)同步和信息處理。

3.5 數(shù)據(jù)流

在地面控制中心的操作下，控制中心的命令通過WRF無線傳輸系統(tǒng)送至車載TISCS實時圖像控制模塊，該模塊將列車任意一路或多路圖像通過WRF系統(tǒng)，將實時圖像發(fā)送到監(jiān)控中心。TPIS信息系統(tǒng)接入模塊實時接收地面控制中心通過WRF系統(tǒng)傳送的TPIS信息，將相關(guān)的實時TPIS信息發(fā)送給TPIS，實現(xiàn)相關(guān)信息在車載LCD屏上的顯示。車載綜合監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)監(jiān)控和聯(lián)動模塊監(jiān)控主從TISCS服務(wù)器的狀態(tài)與同步異常等信息，并匯報給列車上的TMS。同時，車載綜合監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)監(jiān)控和聯(lián)動模塊還負(fù)責(zé)監(jiān)控TCCTV系統(tǒng)中視頻服務(wù)器、視頻編碼器、車載攝像機(jī)、車載交換機(jī)的狀態(tài)以及TPIS中車載服務(wù)器、車載控制器等的狀態(tài)，并匯報給列車上的TMS。

4 結(jié)語

目前，我國城市軌道交通的車載信息及監(jiān)控系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)尚處于剛剛起步或初始應(yīng)用階段。通過上海軌道交通10號線車載綜合監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)，地面控制中心能夠?qū)崟r掌握列車乘客的相關(guān)信息，在發(fā)生意外時能及時做出響應(yīng)，保護(hù)乘客。車載綜合監(jiān)控系統(tǒng)是無人駕駛模式下一個非常重要的系統(tǒng)，也是未來軌道交通自動化系統(tǒng)建設(shè)的一個重點。

［1］上海市申通地鐵集團(tuán)有限公司，上海軌道交通10號線發(fā)展有限公司.上海市軌道交通10號線工程綜合監(jiān)控系統(tǒng)供貨及服務(wù)項目招標(biāo)文件［G］.上海，2007:5－7.

［2］劉濰清，方鳴，張宇.基于局域網(wǎng)的城軌列車視頻監(jiān)控系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2007(1):18－21.

［3］劉增祥，濮衛(wèi)興.基于數(shù)字化視頻的軌道交通閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)［J］.都市快軌交通，2009，22(1):82 －84.

［4］靳守杰.城市軌道交通綜合自動化系統(tǒng)研究［J］.城市軌道交通研究，2007(5):8－11.

［5］魏曉東.城市軌道交通自動化系統(tǒng)與技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［6］王曰凡.全自動無人駕駛系統(tǒng)——全新理念的城市軌道交通模式［J］.城市軌道交通研究，2006(8):1－5.

［7］上海申通軌道交通研究咨詢有限公司.上海市軌道交通10號線應(yīng)用無人駕駛系統(tǒng)研究論證報告［R］.上海，2005.

［8］上海申通軌道交通研究咨詢有限公司.全自動無人駕駛系統(tǒng)研究之系統(tǒng)集成［R］.上海，2005.