軌道交通車站一體化操作系統的設計與應用

秦 健，沈逸文

(上海地鐵第二運營有限公司)

1 引 言

隨著計算機和通信技術的發展，越來越多的自動化監控設施被應用到軌道交通車站運營管理之中，成為車站值班人員執行日常管理任務的技術支撐和管理工具。各類自動化監控設施在有效提高車站運營管理水平和管理效率的同時，也造成了車站控制室監控終端繁多、布局擁擠、操作復雜等負面效應，不僅增加車站值班人員的操作難度和工作強度，帶來誤操作風險，同時也影響車站控制室的整體布局和美觀，給車站值班人員帶來身心上的壓抑。如何優化軌道交通車站機電系統集成方案、平衡技術與管理兩方面需求，是現代軌道交通建設管理中面臨的、迫切需要解決的難題。

作為國內最早開展地鐵建設的實踐者之一，上海申通地鐵集團始終致力于車站機電系統集成方案優化的研究。2009年和2010年先后建成通車的上海軌道交通7 號線和10 號線，均采用國際先進的綜合監控系統(ISCS)的技術方案，通過系統集成技術把電力監控系統(PSCADA)、機電設備監控系統(EMCS)等十余個專業有機地融合在一起，并為車站值班人員提供統一風格的集成操作界面，從而簡化了車站控制室的布局，降低了值班員操作管理的復雜度。但是，由于運營管理模式上的差異，綜合監控系統在上海地鐵的應用效果并不理想。

如何根據上海地鐵運營管理的特點，提出適應性的車站機電系統集成優化方案，成為上海地鐵建設和運營管理部門共同研究的重點內容。本文通過需求分析和技術方案研究，最終提出了車站一體化操作系統(SIOS)的設計方案。

2 設計原則和目標

(1)遵循集中管理、分散控制、資源共享的總體原則，不斷優化車站機電系統集成方案，提高車站運營管理水平和管理效率。

(2)遵循總體規劃、分步實施、試點先行的指導思想，通過示范工程建設，不斷完善系統結構和功能。

(3)基于車站運營管理模式和業務范圍，合理確定系統的集成范圍和集成方式，確保前期系統建設與后期維護管理之間的協調。

(4)采用統一的系統監控平臺，提供統一的用戶操作界面，有效降低車站值班員的操作難度。

(5)通過車站運營管理流程的梳理，提供基于流程管理的用戶操作界面，簡化值班員操作流程，提升車站運營管理的標準化水平。

(6)關鍵設備和網絡采用熱備冗余方式設計，確保系統的可靠性和可用性。

(7)采用物理隔離與軟件過濾相結合的技術，確保系統網絡安全。

3 系統構成方案

3.1 系統網絡結構

軌道交通車站一體化操作系統(SIOS)采用分層架構體系，由車站網絡層和現場控制層組成。其中，車站網絡層由數據服務器、值班員工作站、網絡交換機、打印機和集成接口單元等設備構成;現場控制層由相關集成子系統的現場控制設備構成。集成子系統的現場控制設備一般包括車站級主控制器、就地控制單元和現場網絡通信設備等。根據專業的不同，集成子系統的現場網絡構成方式和設備名稱略有差異。SIOS 系統基本網絡結構如圖1 所示。

圖1 SIOS 系統基本網絡結構圖

其中，集成接口單元(IIU)是SIOS 網絡的核心部件，承擔著數據采集、數據處理和網絡安全的功能。IIU 采集相關集成子系統的實時狀態信息，經工程量轉換和有效性檢查后，更新系統實時數據庫，為數據服務器和值班員工作站提供當前有效的設備運行信息。數據服務器接收IIU 的實時數據，完成設備運行信息的存貯、統計等歷史數據庫管理功能和系統參數配置管理功能。值班員工作站通過調閱IIU的實時數據或數據服務器的歷史數據，為用戶提供車站機電設備監控的操作界面。

IIU 采用嵌入式系統結構，模塊化設計，支持低速串行通信接口(EIA－ RS232/422/485)、以太網通信接口(IEEE 802.3)和現場總線通信接口(Profibus，ControlNet)，接口數量可以根據需要靈活配置，以滿足工程現場的應用需求。

相關集成子系統通過IIU 的通信接口接入SIOS，從而在物理上把集成子系統的現場網絡與SIOS 的車站網絡隔離開來，確保SIOS 車站網絡的安全。IIU 可以為每個通信接口配置通信協議，IIU 只處理指定通信協議的報文，其它無關數據報文將被過濾，從而確保外部網絡故障不會對SIOS 網絡造成影響。

3.2 系統軟件構成

SIOS 系統軟件采用模塊化設計，由支撐軟件、平臺軟件和應用軟件構成。SIOS 系統軟件構成及其層次結構由圖2給出。

圖2 SIOS 系統軟件構成及其層次結構

SIOS 支撐軟件采用COTS 的第三方軟件，包括操作系統、數據庫等。支撐軟件為SIOS 平臺軟件和應用軟件提供基本的運行環境，是平臺軟件和應用軟件運行的基礎。

SIOS 平臺軟件是SIOS 系統軟件的核心，由分布式引擎和基礎自動化模塊組成。分布式引擎以通用中間件為基礎，為上層應用提供一個統一的、開放的、可擴展的分布式應用開發環境?；A自動化模塊包括數據采集、數據處理和控制三大基礎模塊以及數據庫管理、網絡管理、報警管理、日志管理、統計報表和打印等基本應用模塊?；A自動化模塊基于分布式引擎設計，為上層應用軟件提供基礎的、可擴展的應用服務。

SIOS 應用軟件是SIOS 系統功能的載體，是直接面向用戶的圖形操作軟件。SIOS 應用軟件以平臺軟件為基礎，通過調用平臺軟件提供的基礎應用服務，實現SIOS 系統的設計功能。

SIOS 應用軟件主要包括綜合監控、專業管理和任務管理等三個應用模塊。其中綜合監控模塊充分融合集成子系統的車站管理需求，為用戶提供車站機電設備運行狀態的綜合監控界面。綜合監控界面涵蓋車站運營管理所需的全部重要監控信息，車站值班員無須切換畫面，通過該綜合監控界面就可以全面掌握車站機電設備的運行狀態。

專業管理模塊以集成子系統的功能需求為依據，為用戶提供相關專業管理的操作界面。專業管理界面的監控內容原則上與集成子系統原有界面內容一致。

任務管理模塊基于車站運營管理職責，為車站值班員提供基于流程設計的任務管理手段。車站值班員每天的運營管理任務被固化在SIOS 軟件中，車站值班員只要按照指定的流程點擊相關按鈕，即可輕松完成每天的車站運營管理任務。任務管理模塊設計的管理流程包括早間啟運、晚間停運、日常運營、高峰運營、災害管理、阻塞管理、故障管理和節能管理等八個方面。

3.3 集成范圍和集成方式的選擇

SIOS 以車站運營管理單位的管理職責為依據，合理確定系統集成的范圍，確保系統集成范圍與車站運營管理單位的維護范圍相一致。

根據相關集成子系統的專業特點，合理確定系統集成的方式。對于FAS、EMCS、ACS、PSD 等專業，其車站管理操作界面宜全部集成到SIOS 之中;對于AFC 等有特殊要求的專業，其設備運行狀態和客流信息宜集成到SIOS 之中，保留其專業管理功能。

4 上海游泳館站示范工程應用

上海游泳館站SIOS 示范工程于2013年8月建成投入使用。投運以來，系統運行穩定，功能完備，使用效果良好。

上海游泳館站SIOS 采用雙網熱備冗余的網絡架構，關鍵節點設備均采用冗余設計，確保任意單個節點故障不會影響系統正常的使用功能。

根據上海游泳館站運營單位的管理范圍，確定上海游泳館SIOS 的集成范圍包括FAS、EMCS、ACS、AFC、PSD 和智能照明等六個專業，其中，EMCS、ACS、PSD 和智能照明等四個專業的車站操作管理功能全部集成到SIOS 系統，取消原設計方案中四個專業的監控工作站設置。FAS 專業的消防聯動相關信息、AFC 專業的設備狀態和客流信息集成到SIOS，保留FAS 圖形工作站和AFC 車站計算機。

圖3 給出上海游泳館站SIOS 網絡拓撲結構。其中車站網絡采用兩臺工業級以太網交換機構建熱備冗余的快速以太網絡。冗余配置的服務器、值班員工作站和集成接口單元均通過物理獨立的兩個以太網接口接入車站網絡。

圖3 上海游泳館站SIOS 網絡拓撲結構圖

結合集成子系統的接口條件，SIOS 采用不同的通信接口方式實現與集成子系統的信息交互。其中，EMCS、ACS 和AFC 專業通過以太網通信接口接入SIOS，FAS 和PSD 專業通過低速串行通信接口接入SIOS，而智能照明專業通過現場總線通信接口接入SIOS。

5 結 語

軌道交通車站機電系統集成方案優化是上海地鐵近年來探索研究的重要內容。SIOS 設計成果及其在上海游泳館站的示范應用，簡化了車站運營管理流程，優化了車站控制室布局，提升了車站運營管理水平和管理效率，為構建上海特色的軌道交通車站機電設備系統提供了可復制的解決方案。

［1］姜臻祺.軌交車站運營監控與管理標準化研究［J］.地下工程與隧道，2013，(3):20－23.

［2］姜臻祺.適合軌道交通綜合監控系統(ISCS)運營組織體系相關問題的探討［J］.地下工程與隧道，2009，(4):9－10.

［3］魏曉東.地鐵綜合監控系統建設關鍵問題分析［J］.現代城市軌道交通，2009，(6):10－12.