城市軌道交通綜合監(jiān)控集成平臺策略研究

■ 梁 奕 江 平

城市軌道交通綜合監(jiān)控集成平臺策略研究

■ 梁 奕 江 平

城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)和列車自動監(jiān)控系統(tǒng)都具有監(jiān)控系統(tǒng)的典型特點，隨著標準的完善和系統(tǒng)開放性的提高，綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成列車自動監(jiān)控將成為發(fā)展方向。設計綜合監(jiān)控集成平臺框架，將列車自動監(jiān)控系統(tǒng)作為框架中的專業(yè)，研究集成策略，針對數(shù)據(jù)模型、冗余策略、安全策略進行分析，并提出解決方案。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)；列車自動監(jiān)控系統(tǒng)；集成平臺；城市軌道交通

0 引言

近年來，隨著我國城市化進程的加快，為了改善城市交通狀況、減少環(huán)境污染，大中城市積極發(fā)展城市軌道大眾交通體系；與此同時，以計算機、網(wǎng)絡通信等信息通信技術為動力的信息化，改變了以往城市軌道交通的監(jiān)控方式。

城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)（Integrated Supervisory Control System，ISCS）作為城市軌道交通的核心裝備，由現(xiàn)場設備、現(xiàn)場網(wǎng)絡、車站監(jiān)控系統(tǒng)、通信骨干網(wǎng)絡、中心監(jiān)控系統(tǒng)組成，集成各分立的自動化系統(tǒng)，對自動化設備進行監(jiān)視與控制，實現(xiàn)信息互通、資源共享和高效聯(lián)動。然而，目前國內(nèi)綜合監(jiān)控系統(tǒng)大多是機電設備的監(jiān)控，主要針對電調(diào)、環(huán)調(diào)等除信號系統(tǒng)以外的子系統(tǒng)，沒有真正地將信號系統(tǒng)有機地聯(lián)系在一起進行綜合。

城市軌道交通信號系統(tǒng)中的列車自動監(jiān)控子系統(tǒng)（Automatic Train Supervision，ATS）實現(xiàn)列車監(jiān)督、控制和調(diào)整，具有監(jiān)控系統(tǒng)的典型特點。隨著標準的完善和系統(tǒng)開放性的提高，將ATS整合進ISCS，實現(xiàn)真正意義上的綜合，是軌道交通綜合監(jiān)控集成的發(fā)展方向。目前國內(nèi)軌道交通正在逐步開展ATS與綜合監(jiān)控系統(tǒng)的集成。下面對城市軌道交通綜合監(jiān)控集成平臺策略進行系統(tǒng)研究。

1 綜合監(jiān)控集成平臺架構

監(jiān)控系統(tǒng)一般分為監(jiān)控層和設備層。監(jiān)控層可以使用成熟的軟硬件技術，實現(xiàn)標準或約定的協(xié)議、靈活的配置、可視化的操作；設備層只需要提供可以滿足條件的調(diào)用方式即可。不管是ATS還是傳統(tǒng)ISCS，都屬于頂層的監(jiān)控層，所要面對的是下面的設備層；設備層提供采集的基本數(shù)據(jù)，可以是聯(lián)鎖、區(qū)域控制器，也可以是供電設備、環(huán)控設備。

1.1 列車自動監(jiān)控功能分析

ATS系統(tǒng)主要是實現(xiàn)對列車運行及控制的道岔、信號等設備運行狀態(tài)的監(jiān)督和控制，給行車調(diào)度員顯示全線列車的運行狀態(tài)，監(jiān)督和記錄運行圖的執(zhí)行情況，輔助行車調(diào)度人員完成對全線列車運行的管理，并為整個信號系統(tǒng)的故障診斷和系統(tǒng)維護提供幫助。

ATS功能見圖1，主要包括：

（1）信號設備的監(jiān)視：顯示全線的線路布局、信號設備狀態(tài)、進路狀態(tài)、列車位置、控制模式、調(diào)整模式等。

（2）列車識別與追蹤：自動完成正線控制區(qū)段內(nèi)的列車識別號跟蹤，采用列車識別號的移動和有關信號設備的狀態(tài)來描述在線列車的實際運行。

圖1 ATS功能示意圖

（3）列車進路控制：根據(jù)列車的運行數(shù)據(jù)信息，按預先排列進路的原則和運營方案，進行自動或人工排列進路。

（4）列車運行調(diào)整：依據(jù)時刻表或行車間隔，自動檢測和調(diào)整列車的運行。

（5）列車運行圖編制及管理：根據(jù)線路的參數(shù)和行車組織要求，由運行圖編制人員輸入基本數(shù)據(jù)，由計算機輔助自動編制基本列車時刻表和運行圖。

（6）控制命令：對信號設備發(fā)送控制命令。

（7）運營記錄與統(tǒng)計報表：記錄列車運行狀況和設備工作狀態(tài)，并進行統(tǒng)計和分析。

（8）故障報警：列車運行狀態(tài)和設備運行狀態(tài)報警的功能。

1.2 綜合監(jiān)控集成平臺框架

根據(jù)上述分析，ATS功能完全可以與綜合監(jiān)控進行集成。根據(jù)ATS與ISCS的集成程度，可以化分為界面集成、ATS控件嵌入、完全集成3種方式。選取集成過程中必須關注的策略，設計城市軌道交通綜合監(jiān)控集成平臺框架（見圖2）。

（1）操作系統(tǒng)層：采用跨平臺結構，支持不同廠家多種UNIX、LINUX、WINDOWS硬件服務器。

（2）平臺服務層：提供通用的服務，包括提供系統(tǒng)管理、實時數(shù)據(jù)庫、消息中間件、歷史數(shù)據(jù)庫、圖形工具、報表工具、告警管理、事件管理、權限管理等服務，是系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的關鍵環(huán)節(jié)。

（3）應用服務層：面向業(yè)務邏輯，系統(tǒng)功能的最終體現(xiàn)。包括傳統(tǒng)的電力專業(yè)、通信專業(yè)和機電專業(yè)等，增加了信號專業(yè)，每個專業(yè)有相應的后臺應用與設備層相聯(lián)系。如信號專業(yè)體現(xiàn)為列車的追蹤、控制和調(diào)整，相應的后臺應用與聯(lián)鎖、區(qū)域控制器、車載設備等進行通信；機電專業(yè)體現(xiàn)在為設備狀態(tài)的采集、監(jiān)視和各種模式的控制，相應后臺應用與機電設備通信。

圖2 城市軌道交通綜合監(jiān)控集成平臺框架

（4）界面層：實現(xiàn)顯示和操作功能。向操作員提供設備狀態(tài)信息、列車運行信息、故障信息、報警信息、統(tǒng)計報表信息等，同時，操作員可借助系統(tǒng)提供的一系列工具，在操作員工作站上對遠程的設備進行監(jiān)視、設置、控制等。

2 綜合監(jiān)控集成平臺關鍵策略

2.1 數(shù)據(jù)建模

為了集成ATS系統(tǒng)，必須建立通用的數(shù)據(jù)模型。綜合監(jiān)控集成平臺采用水平分表，結合星型模型的方式來構建數(shù)據(jù)倉庫模型。具體做法為：將綜合監(jiān)控各個專業(yè)的數(shù)據(jù)結構以功能作為依據(jù)進行分類，其中也包含信號專業(yè)的設備數(shù)據(jù)結構。通過分類，將數(shù)據(jù)記錄分散至各類事實表。每類事實表再根據(jù)具體特性，設計其私有的維度表。通過這種方式，不僅快速地將事實表的數(shù)據(jù)級別從千萬級降至了百萬級，且利用維度表特性，類似于垂直分表的思想，解決了大量的數(shù)據(jù)冗余問題。典型數(shù)據(jù)倉庫數(shù)據(jù)模型見圖3。

以碼位事實表為例說明。碼位事實表是實際接收數(shù)據(jù)源增量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)表，而設備類型維度表、測點位置維度表及設備參數(shù)維度表都可以看作是定義表。在第一次完全加載后無特殊情況，其數(shù)據(jù)量不會產(chǎn)生明顯變化。碼位事實表中的所有增量數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)源中的對應字段直接獲取，而所屬位置鍵、所屬設備鍵及參數(shù)維度鍵，則可以通過數(shù)據(jù)源中的設備綜合維度表進行獲取。通過該設計可以更好地為后續(xù)的數(shù)據(jù)挖掘、聯(lián)機分析等作數(shù)據(jù)支持。

圖3 典型數(shù)據(jù)倉庫數(shù)據(jù)模型

2.2 部署和冗余

綜合監(jiān)控集成平臺支撐的各個專業(yè)可以靈活部署，并按專業(yè)模塊進行主備劃分的冗余技術。當同樣使用雙機冗余時，在不降低系統(tǒng)可靠性的基礎上，可以充分提高硬件資源利用率，具有一定的先進性。由于集成平臺采用模塊化設計，在運行時可以將不同的模塊分配在不同的服務器上運行。正常情況下，2臺服務器同時處理不同任務，保證工作平均分配到2臺服務器上；當1臺服務器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會自動將另1臺服務器上工作于“備”狀態(tài)的模塊升級成“主”狀態(tài)（見圖4），保證系統(tǒng)正常運行。

當某個專業(yè)出現(xiàn)故障的時候，系統(tǒng)不進行整機的服務切換，只進行單個專業(yè)的主備切換（見圖5）。

2.3 安全性

綜合監(jiān)控集成平臺中的ATS功能，雖然不屬于故障-安全系統(tǒng)，但由于它通過與列車自動保護系統(tǒng)和列車自動駕駛系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，來完成對信號系統(tǒng)的自動化管理和全自動行車調(diào)度指揮控制，所以應該達到安全完整性等級的一定要求。安全需求如下：

圖4 服務器故障切換

圖5 專業(yè)故障切換

（1）道岔和信號封鎖與解除封鎖：包括將道岔封鎖在當前位置，道岔封鎖解除；終端信號機封鎖，終端信號機封鎖解除；軌道封鎖，軌道封鎖解除。

（2）列車在進路中停車與停車解除：人工即時停車功能，使1列、幾列或所有列車實現(xiàn)停車；解除停車指令的人工功能，可以人工解除1列、幾列或所有列車的停車指令。

（3）臨時速度限制：可為CBTC區(qū)域內(nèi)任何區(qū)段上的所有CBTC列車建立/修改/取消臨時限速。

（4）工作區(qū)域：提供建立/撤銷臨時工作區(qū)域的功能。

除了上述的安全需求，有些系統(tǒng)還包括引導、總?cè)私狻⒖側(cè)∠取＞C合監(jiān)控集成平臺對安全需求部分依據(jù)EN50126、EN50128、EN50159等標準進行生命周期管理、安全性設計和開發(fā)。

3 結論

城市軌道交通集成平臺目標是實現(xiàn)監(jiān)控層和設備層完全分離，統(tǒng)一建模，靈活部署，優(yōu)勢在于：

（1）提高系統(tǒng)的配置性和擴展性，同時又不降低安全性；

（2）涵蓋了龐大的、多專業(yè)的各類系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可以充分利用大數(shù)據(jù)的優(yōu)勢更好地為運營服務；

（3）可以減少系統(tǒng)的硬件構成復雜度，一定程度可以縮減工程造價，減少維護工作量；

（4）多專業(yè)數(shù)據(jù)同屏顯示，將關鍵設備數(shù)據(jù)與行車數(shù)據(jù)融合，有利于從整體上把握全線各個系統(tǒng)的運行情況，及早對潛在的危險進行識別，保證列車的平穩(wěn)安全運行；

（5）加深行調(diào)、電調(diào)、環(huán)調(diào)及維調(diào)等各專業(yè)之間的信息融合貫通；（6）可以實現(xiàn)包括ATS在內(nèi)的多專業(yè)之間聯(lián)動功能。

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[4] CENELEC prEn50128 鐵路應用-通信、信號和處理系統(tǒng)-鐵路控制和防護系統(tǒng)件[S]，2011．

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[6] 張延松．大規(guī)模可擴展數(shù)據(jù)分析技術研究[D]．北京：中國人民大學，2010．

梁奕：國電南瑞科技股份有限公司軌道交通技術分公司，高級工程師，江蘇 南京，210061

江平：國電南瑞科技股份有限公司軌道交通技術分公司，研究員，江蘇 南京，210061

責任編輯 王小紅

U239.5；U298

A

1672-061X（2015）04-0094-03