廣播系統與綜合監控系統接口分析

劉曉曠，范二鵬

0 引言

地鐵綜合監控系統主要通過集成地鐵多個弱電系統，形成統一的監控層計算機硬件和軟件平臺，從而實現對地鐵主要弱電設備的集中監控和管理功能，無論是電力監控、設備監控、信號監控、行車調度監控、廣播電視監控，都是建立在統一的用戶界面上，通過軟件系統支持，實現相關各系統之間的信息共享和協調互動。廣播系統作為綜合監控相關機電子系統之一，通過互聯實現信息交換和聯動等功能。

1 系統集成方案

地鐵綜合監控系統的主要特點是對地鐵各專業子系統的“綜合”，即將各子系統接入綜合監控系統。對子系統的接入主要分為集成和互聯2大類型。綜合監控系統通過對車站各相關機電系統的集成和互聯，實現信息互通和協調互動。集成和互聯在具體的數據接口協議上并不存在區別。兩者的區別僅在于綜合監控系統與子系統的功能劃分上。

對子系統集成是指綜合監控系統取代了各接入子系統的監控層系統，各子系統的數據處理、監控功能、人機界面通過綜合監控系統完成，被集成的子系統完全融入綜合監控系統中，被集成的子系統成為綜合監控系統的一部分。正常情況下集成子系統依賴綜合監控系統實現正常操作功能。

對子系統的互聯是指綜合監控系統與各子系統之間存在數據交換，但其數據處理相對獨立，被互聯子系統具有獨立的傳輸網絡。綜合監控系統與它們在不同的監控級別（中央或在車站）存在接口，與它們交換必要的信息，實現聯動等功能，互聯系統相對獨立，能脫離綜合監控系統獨立運行。本文論述的廣播系統與綜合監控系統就是采用互聯的方式。

廣播系統與綜合監控系統的集成互聯是地鐵運營管理、服務乘客的現代化配套設備。一般與乘客信息系統、閉路電視監視系統（含車站視頻及車輛視頻）統一互聯綜合監控系統的前端處理器。在緊急情況下協助救災和引導乘客疏散，確保安全、正點地運送旅客，同時提高軌道交通的運營服務水平。PIS、PA、CCTV作為獨立系統宜與綜合監控在不同層級進行互聯，實現信息共享和系統間的協同聯動。

2 廣播系統集成方案比選

從目前國內外城市軌道交通綜合監控系統設置情況看，雖然系統集成與互聯的構成有較大的差異，但就集成平臺的選擇來說主要以機電設備監控（含 SCADA、BAS、FAS）為核心的集成方案為主。例如北京、上海、杭州、廣州、西安、成都等地已建和在建地鐵工程項目中綜合監控系統都采用了這種平臺構成方式。

在采用以機電設備監控為核心的集成平臺及上述集成和互聯范圍下，各集成系統的接入方式、工程實施界面劃分也存在不同的選擇。本文就集成系統的接入方式進行比選。方案1為透明集成接入方式，方案2為隔離集成接入方式。

2.1 透明集成接入方式（方案1）

該接入方式可使網絡設備能夠在不需要修改或設置網絡拓撲的情況下接入網絡，其指導思想就是協議透明，將原來分層設置的多個監控系統作為一個大規模的綜合自動化系統進行統一設計，并在實施過程中進行統一搭建與調試。采用透明系統集成模式的弱電綜合自動化系統的內容也相應擴大，其中包括綜合監控系統（ISCS）、電力監控系統（SCADA）、環境與設備監控系統（BAS）和火災自動報警系統（FAS）等多個部分。使多個控制層設備（例如SCADA控制器、BAS控制器和FAS站級設備等）直接接入到綜合監控系統的站級局域網絡上。而廣播系統（PA）只需要將音頻信號經過數字編碼以數據包形式按TCP/IP協議在局域網上傳送，通過綜合監控前端處理器（FEB）接口管理，完成規約轉換、數據初始處理、周期訪問和協議轉換，并將不同格式的實時數據轉換為綜合監控系統統一的內部數據對象格式，提交到系統車輛段、車站級和中央實時服務器。透明集成接入方式下各系統劃分示意如圖1所示。

圖1 透明集成接入方式示意圖

2.2 隔離集成接入方式（方案2）

采用該接入方式的綜合監控系統的服務對象是車站值班人員和中央調度人員。綜合監控系統在中央、車站、停車場和車輛段將所集成系統和互聯系統的重要監控信息統一匯集處理，然后再顯示到中央和車站的圖形化人機界面上。其實質是將早期分立監控模式下各子系統的上下位機結構拆分成2個獨立部分進行設計、實施和調試。其特點是在各站點將原來分立的各集成子系統分為2部分，上位機監控部分功能由綜合監控系統完成，下位控制器部分功能由各集成子系統完成，建立在該結構上的綜合監控系統通常會設置專門的網關接口設備（例如前端處理器FEP）實現與各接入系統的數據通信和信息隔離，將電力監控系統（SCADA）、環境與設備監控系統（BAS）、火災自動報警系統（FAS）和廣播系統（PA）等多個系統全部與前端處理器（FEP）互聯。在這樣的系統劃分方式下，綜合監控系統獨享上層已搭建的網絡資源。隔離集成接入方式下各系統劃分示意如圖2所示。

圖2 隔離集成接入方式示意圖

2.3 方案比較

方案1，各被集成系統直接接入車站局域網，各相關系統為實現自身站間的通信功能不需要另外尋求全線其他通道，因此可節約投資成本。該方案在簡化網絡層次的同時還滿足相關子系統設備異地通信和遠程訪問等功能需求，使車站監控層次簡化，接口復雜程度降低，系統響應快。

方案2，各被集成系統首先集成到各系統自身的控制器，再連接到綜合監控系統的前端處理器（FEP），采用FEP將綜合監控系統與各系統隔離開。該方案工程實施物理界面較清晰，有利于施工管理。但不足之處在于中間數據處理環節較多，響應時間及實時性受到影響。

基于以上分析和比較，目前國內地鐵廣播系統適合采用透明集成接入方式，且符合現階段地鐵實際情況，系統功能滿足運營需求，同時也與國內技術發展水平相適應，由于簡化了中間環節，能有效縮短調試周期，減少了前置處理器（FEP）轉換和再處理環節，系統整體實時響應性得到提高，工程難度適中，性價比較高。

3 綜合監控系統集成與互聯帶寬估算

以某城市軌道交通綜合監控系統為例，主干網上傳輸的數據包括各接入系統用于監控和維修管理的實時數據，這些數據按類型可分為開關量（I/O數據）、模擬量和SOE量。綜合監控系統傳輸數據以上行為主，下行的命令數據很少，可以忽略不計。系統采用基于TCP/IP的以太網，TCP/IP是一組協議的總稱，IP協議包括TCP、UDP、FTP、SMTP等，其中 TCP適合文件傳輸，但不適合實時數據傳輸，工業控制系統大多采用UDP協議。

以太網每個數據幀前導碼8個字節，目的地址和源地址各6字節，數據長度2個字節，幀校驗序列4個字節，數據46～1500個字節。必須的幀頭尾開銷共26字節。IP協議需要20個字節的固定開銷，采用UDP協議需要12個字節的固定開銷。工業以太網宜采用短幀數據進行傳輸，每個信息包宜不大于1024 bit。因此對I/O數據包、模擬量數據包和SOE數據包的封裝長度按如下進行設計：

（1）每個I/O數據包承載23個點，每個點按2字節計算，加上各層封裝開銷，則每個包長度為

（2）每個模擬量數據包承載5個點，每個點按10字節計算，加上各層封裝開銷，則每個包長度為

（3）每個SOE量數據包承載4個點，每個點按15字節計算，加上各層封裝開銷，則每個包長度為

骨干傳輸網數據傳遞量主要由集成系統監控點數決定，集成系統單站接入監控點數估算：變電所綜合自動化系統單站接入點數3000；環境與設備監控系統單站接入點數2500；火災自動報警系統單站接入點數2000；屏蔽門系統單站接入點數800；廣播和其余系統單站接入點數600。

以上合計單站接入規模為8900點。全線站點數27個，其中車站24個，車輛段1個，停車場1個，控制中心1個。監控點數按預留20%考慮，則綜合監控系統總監控總點數為：27×8900×1.2 =28.836萬點。系統規模按30萬計算。其中按數字量約占總監控點數的 85%，SOE量約占總數的12%，模擬量約占總數的 3%計算。根據集中分布式監控數據的傳輸網鏈路容量估算公式：監控數據的傳輸網鏈路容量 C=綜合監控系統總監控點數×信息包長度/信息單向傳遞延時。

則數字量傳輸鏈路容量：

則模擬量傳輸鏈路容量：

則SOE量傳輸鏈路容量：

此外，綜合監控系統傳輸數據還包括各相關系統以事件觸發的方式主動上傳至維修中心的維修信息，按單個子系統的維修信息量不超過 5 Mb/s計，同時考慮到大部分設備同時發生故障的可能性很小，因此估算各集成系統維修信息所需傳輸網鏈路容量c約為10 Mb/s。

綜合監控系統傳輸鏈路總容量 C＝C1+ C2+C3+c＝46.76 Mb/s。

4 廣播系統與綜合監控系統接口權責范圍

綜合監控負責的工作有：提供綜合監控接線箱里的端子排供廣播系統的串口電纜線的接線；接受廣播系統上傳的信息并顯示；提供綜合監控對廣播系統的控制功能；在控制中心，車站發送火災自動報警系統的報警信息；預留轉發信號跳站，回庫信息；負責接口調試。

廣播系統負責的工作有：提供廣播系統電纜接入到綜合監控接線箱里的端子排外端；提供當前各廣播區的信源類型，后備控制啟動/不啟動狀態等數據；接受綜合監控的控制命令，實現廣播播放；在控制中心，車站接受火災自動報警系統的報警信息；預留接收綜合監控轉發信號跳站、回庫信息；配合綜合監控系統組織的接口測試與調試（含測試設備等）。

5 綜合監控系統與廣播系統

5.1 接口模式

在車站，綜合監控前端處理器和廣播系統通過串口進行通訊。綜合監控系統提供端子排基于廣播系統 1根帶編號電纜連接到綜合監控設備室內的端子排上，采用 RS422自適應串行接口標準，接口類型是四線電口。

在控制中心，綜合監控和廣播系統同樣通過串口進行通訊。綜合監控系統提供端子排基于廣播系統 1根帶編號電纜連接到綜合監控設備室內的端子排上，接口類型與車站相同為 RS422串行接口標準，速率為9.6 kb/s。

綜合監控系統與廣播系統是主從關系，只有當綜合監控系統訪問廣播系統時，廣播系統才將顯示內容傳送到綜合監控系統。綜合監控系統向廣播提供的所有控制指令均應加入操作等級識別碼，以便廣播系統判別發生控制命令的優先等級。廣播系統在脫離綜合監控系統情況下具有獨立運行能力。

圖3為接口結構圖。

圖3 PA與ISCS接口結構圖

5.2 軟件協議

綜合監控與廣播采用的是標準、通用、開放的軟件解碼的串口ModBus for RTU協議。對于輸入信號采用輪詢方式，每500 ms更新輸入數據一次并監測與廣播系統的通訊通道狀態，由綜合監控前端處理器直接從廣播系統獲取數據。廣播系統響應綜合監控系統的ModBus協議輪詢請求，如果廣播系統監測到任何設備狀態變化/報警，應在500 ms內將該信息處理完畢。上文已經提到綜合監控與廣播的主從關系，綜合監控的前置處理器（FEP）被配置為ModBus的主設備，廣播系統為ModBus的從設備，這就是一個ModBus連接，每個廣播服務器都是從設備，回答接收到的所有請求，即串口連通請求和ModBus查詢，只有主設備FEP可以關閉連接，當連接無意中被關閉時，ModBus協議會通知設備，主設備會在觸發串口連接開通程序。

ModBus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過該協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（例如以太網）和其它設備之間可以通信。它作為一種通用工業標準，使得不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡，進行集中監控。ModBus可以支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485等，還可以在各種介質上傳送，如雙絞線、光纖、無線等。目前，支持ModBus的廠家超過400家，支持ModBus的產品超過600種。標準的ModBus協議提供對每次查詢和響應的通信錯誤和信息錯誤檢測，以滿足通信鏈路的監控要求。

5.3 接口測試

綜合監控系統與廣播系統互聯，主要是接受設備運行狀態及告警信息，進行統一的調度管理工作，必要時進行系統功能聯動。廣播系統本身獨立設置，各車站級作為一個獨立的區域廣播，為便于綜合監控系統集中管理，資源共享的原則。廣播系統還要進行必要的接口測試，檢驗接口軟件功能，同時檢驗接口部分是否遵守協議文件，協議的測試應通過實際設備進行，測試包含所有命令和數據的格式、收發的機制和突發情況處理等。檢驗接口特性是否滿足要求，使用測試設備，通過廣播系統供應商模擬器檢驗從綜合監控服務器到相關子系統的控制器/終端的各項功能；從綜合監控系統人機界面到接口系統本地設備之間的功能以及綜合監控系統和被接入系統接口部分的功能和性能是否滿足設計要求。

6 結語

現階段的地鐵廣播系統由車站廣播系統、車輛段/停車場運用庫廣播系統和列車廣播系統 3個獨立的系統組成；其中中央級廣播操作控制功能由中央綜合監控系統通過串行接口與該系統進行數據通信，實現對廣播系統設備的監控功能。中央綜合監控系統控制臺通過廣播系統能為行車調度員、環控調度員、值班主任提供編組廣播、單選廣播、話筒/線路（預留）/語音合成廣播、人工編程、監聽及顯示、遇故障時的后備等功能。廣播系統與綜合監控系統通過開放性網絡互聯，實現相關信息互通、資源共享和快捷的自動化聯動控制功能，提高對地鐵突發事件快速反應能力，為防災、救援和事故處理提供方便，從而進一步提高了地鐵運營管理水平，保證了乘客乘車安全。

[1]郝敬全.城市軌道交通通信系統組網的應用研究[D].山東大學碩士學位論文，2004（9）.

[2]華镕. 從Modbus到透明就緒—施耐德電氣工業網絡的協議、設計、安裝和應用[M].北京：機械工業出版社，2009.

[3]李偉章，徐幼銘，林瑜筠等.城市軌道交通通信[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[4]劉曉娟，林海香，司徒國強.城市軌道交通綜合監控系統[M].成都：西南交通大學出版社，2011.