城市軌道交通綜合監控系統集成測試平臺的設計與實現＊

錢存元 王露秋 忻鳴祥 孫 煜

（1.同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海；2.上海申通地鐵集團有限公司技術中心，201103，上海∥第一作者，副教授）

城市軌道交通綜合監控系統將各個分散獨立的子系統集成于一體，在突發情況下，能夠在有限時間內通過接口將信息傳遞給控制臺，各系統能觸發聯動效應，從而增強各系統間的協調和配合能力，將災害損失降到最低。然而，城市軌道交通綜合監控系統技術的研究與應用目前尚處于起步階段，相關的設計、施工及運營管理缺乏統一的技術規范和執行標準，也沒有權威的第三方測評機構，給設計院和建設單位的選型帶來了困難。此外，綜合監控系統涉及城市軌道交通全部機電設備及其系統，接口數量繁多，接口方式各異，任何接口協調上的問題都可能導致工程進度的拖延。

鑒于此，以同濟大學軌道交通綜合試驗線（以下簡為“試驗線”）為依托，構建了一個包括火災報警系統（FAS）、環境與機電設備監控系統（BAS）、閉路電視監控（CCTV）、廣播（PA）、屏蔽門（PSD）等子系統在內的城市軌道交通綜合監控系統集成測試平臺，以期以第三方的身份，對國內城市軌道交通系統集成商的綜合監控系統功能和性能提供測試驗證的技術服務，促進我國城市軌道交通綜合監控系統的規范和健康發展。

1 綜合監控系統集成測試平臺的結構

1.1 集成測試平臺的設計原則

根據試驗線分期建設的特點，綜合監控系統集成測試平臺的設計遵循如下原則：

（1）按照總體規劃、分步實施的原則，首期建設示范性的城市軌道交通綜合監控系統集成測試平臺，預留后期擴展的接口條件；

（2）綜合監控系統的結構應同時滿足示范演示功能要求和接口測試功能要求；

（3）綜合監控系統至少能提供PSCADA（電力監控）、BAS、FAS、PSD、PA、CCTV等系統的實際操作模擬，能提供行車監控有關的聯動運行模擬；

（4）綜合監控系統的設計以簡單實用為指導思想，并體現一定的先進性；

（5）綜合監控系統的設備構成應盡量采用模塊化，以便于今后擴展或重新組合。

1.2 綜合監控系統的集成方式

城市軌道交通綜合監控系統的集成方式一般分為集中式和分層式。

集中式又稱為頂層集成模式，如圖1所示。數據庫位于中央，車站級控制中心通過前端處理器收集各系統的運行狀態信息，匯總后上傳到中央級控制中心；中央控制系統通過分析處理這些信息，產生相應的控制信號，通過網關及接口發送到車站級控制中心，由車站級控制中心轉發到各個就地系統。該集成方式的特點是：各子系統可以獨立工作；所有數據均由中央級服務器處理，保證各車站級接收到的同類型數據的一致性。但由于城市軌道交通的數據信息量十分大，集中式對傳輸的帶寬、數據庫容量和計算機處理數據能力等的要求較高，成本也較高。除此之外，各站級子系統之間的通信需要另外組網而不通過骨干網，會造成一定的資源浪費；同時，各子系統的接口較多且不統一，運行聯動較為復雜。

圖1 集中式綜合監控系統集成模式示意圖

分層式又稱深度集成模式，如圖2所示。服務器數據庫不僅置于中央級控制中心，各車站級控制中心也配備，形成一個冗余結構；中央級監控系統通過車站局域網直接獲取就地集成系統的信息；互聯系統仍通過前端處理器接入車站級局域網，由車站級監控系統進行篩選后上傳到中央級監控系統；中央級監控系統接收信息并存儲到數據庫，以便隨時調用。這樣的模式簡化了網絡的結構層次，且相關子系統能充分利用骨干網的帶寬進行異地通信。在遇到突發情況時，中央級控制中心將權力下放到車站級控制中心，車站級監控系統可以根據自身數據庫所做的記錄采取相應措施。該集成模式不僅提高了控制中心的處理速率，也降低了設備成本。

1.3 集成測試平臺的結構

基于集成測試平臺的設計原則，試驗線綜合監控系統集成測試平臺采用分層分布式網絡結構：頂層為OCC（運營控制中心）控制層，第二層為車站級控制層，第三層為各子系統的基礎自動化層網絡和設備。綜合考慮試驗環境及建設條件等因素，對集成測試平臺的控制中心系統與車站系統進行融合，簡化了控制中心的網絡結構；控制中心的操作調度與車站值班員復用一套工作站，控制中心的數據處理與車站數據處理復用一套服務器。考慮到系統測試的要求，集成測試平臺由設置在中央控制室的操作調度系統和設置在設備機房的車站級綜合監控系統構成，采用冗余網絡結構。其中，車站級綜合監控系統包括FAS、BAS、PSD、CCTV、PA等子系統。集成測試平臺結構如圖3所示。

通信骨干網絡由2套冗余配置的100M／1000 M工業級以太網交換機及配線構成，具有較高的可靠性。中央級／車站級綜合監控系統由2套前端處理器、數據服務器、操作員工作站、綜合顯示屏、打印機、綜合后備盤（IBP）等設備構成。其中，1套前端處理器用于綜合監控平臺各集成子系統的接入，另1套前端處理器為新的子系統接入預留接口，用于進行接口測試。

圖2 分層式綜合監控系統集成模式示意圖

圖3 綜合監控系統集成測試平臺結構圖

中央級／車站級綜合監控系統的數據服務器和操作員工作站分別配置綜合監控系統軟件，數據服務器采用Unix操作系統，工作站Windows操作系統。前端處理器采用嵌入式Linux操作系統，配置通信管理軟件，完成與集成子系統／被測試系統之間的接口數據交互。

2 集成測試平臺的功能

2.1 綜合監控系統的示范功能

試驗線綜合監控集成測試平臺具有一般綜合監控系統的通用功能，包括：

（1）單點和順序控制。單點控制包括對單個設備對象的控制；順序控制是將多個單點控制組成一個系列控制，簡化操作員的工作。

（2）閉鎖控制。在控制命令發出前所進行的檢查，用于核查控制條件是否滿足，以確定此次控制命令被執行或被取消，防止誤操作。

（3）預案。具有預案的建立、調用、修改和查詢等功能，且預案執行過程中能自動生成操作記錄。

（4）報警管理。當系統檢測到異常情況時，可通過聲光報警設備及桌面彈出式告示窗口向相關的調度員或值班員發出分級預警信息，并根據需要提出相應的處理預案。

（5）權限管理。登錄系統時，操作人員需要提供相應的賬號和密碼，以保證綜合監控系統的安全控制和安全審計功能。

（6）自檢和自恢復。在系統啟動時，各服務器和工作站均進行自檢，若自檢出錯，在對應的顯示器上給予提示。在系統運行過程中，對軟件和硬件設備的狀態進行實時檢測；出現故障時，實現熱備設備的自動切換（包括主備通道的相互切換）；當軟件因某些原因處于死機狀態時，能自動恢復系統運行。

（7）時鐘同步。通過網絡NTP（Network Time Protocol）方式與時間服務器對時同步，使綜合監控系統各車站設備與中央服務器進行軟件對時同步。

此外，系統還具備數據采集與處理、數據庫管理、時間表調度、日志管理、打印及畫面拷貝、人機界面操作和聯動等功能。

2.2 綜合監控系統的測試功能

由于具備開放性的接口，集成測試平臺可以為綜合監控系統集成商或設備制造商提供第三方的接口測試。根據GB／T 50732—2011《城市軌道交通綜合監控系統工程施工與質量驗收規范》，綜合監控系統的測試主要分為系統硬件檢查、軟件配置與信息通信測試、系統功能測試、系統安全性與可靠性測試等四大部分。

（1）系統硬件檢查：主要檢查系統各控制柜硬件設備及元件的規格、數量、外觀是否符合要求，安裝位置是否與圖紙相符，電源系統中各回路的絕緣性能、供電電源是否滿足各設備要求，熔斷器的熔芯是否安裝，箱柜內接線及箱柜與被監控設備的接線線纜標志是否正確，接地與防雷是否符合要求等。

（2）軟件配置與信息通信測試：主要檢測軟件配置是否正確，PLC（可編程邏輯控制器）版本及其軟件是否符合運行環境，設備的軟件配置、網絡地址設置和預置參數是否符合設計要求。為了減小網絡負荷，增加網絡的穩定性，保證數據傳輸的可靠性及控制響應的實時性，需要合理設置網絡參數。此外，還要檢查各CPU（中央處理單元）、控制網卡及輸入輸出模塊配置是否正確。

（3）系統功能測試：主要針對環境與設備監控功能和火災自動報警功能兩大部分進行檢測。功能測試的內容主要包括：各調度工作站和綜合顯示屏的人機界面是否能夠顯示全線所需監控對象的狀態參數及監控系統總畫面和設備運行工況圖畫面，各系統間是否能夠按照聯動觸發條件實現設備聯動；是否能監控本試驗線范圍內的環境與機電設備、防災設備運行情況，是否能對其子系統和互聯系統監控畫面進行選擇和分屏顯示，在設定的權限范圍內能否遙控遙調各設備；對于互聯系統（主要是指PA系統、CCTV系統、信號系統等），主要檢查通信鏈路的狀態及發送信息的正確性。另外，信息是否能夠記錄顯示打印備份也是功能測試的一項內容。

（4）系統安全性與可靠性測試：系統安全性測試包括交換機環網單點斷開時系統是否正常運行、單個模塊或接口故障時的影響區及相關信息、系統電力回復后是否能夠自動重啟并正常運行等。可靠性測試主要是在一段時間內（通常選24h、48h或72h）對系統進行不間斷運行測試。實時可靠的報警系統可及時發現故障，減少系統故障時間，因此要確保三級系統均具備在發生問題時及時觸動報警和保護復歸的能力。

3 結語

試驗線綜合監控系統集成測試平臺的建設與運用，一方面可針對工程項目中突出的接口管理難題，為系統集成商或設備制造商提供第三方的接口測試和認證服務，規范系統接口標準，為我國城市軌道交通建設又好又快發展提供技術層面的基礎保障；另一方面也必將促進同濟大學“潔凈能源地面交通工具”學科群的發展，從而進一步提高同濟大學在城市軌道交通領域的影響力。

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