城市軌道交通綜合監控系統的技術發展

近些年來，計算機軟硬件技術、自動化技術、網絡技術的快速發展給地鐵綜合監控系統的發展提供了強有力的支撐，而不斷提升的調度與運營管理需求也直接推動了綜合監控系統的功能提升。筆者有幸在城市軌道交通的快速發展歷程中參與了諸多城市的綜合監控系統建設，對綜合監控系統的快速發展深深感慨，并對綜合監控系統的后續發展充滿期翼。

1 綜合監控系統的起源與發展

20年前，計算機及自動化控制技術的發展與應用，大大提升了軌道交通自動化監控管理水平，并直接推動形成了諸多分散自律的機電控制系統，如BAS（環境與設備監控系統）、FAS（火災報警系統）、SCADA（數據采集與監視控制）系統等。最典型的就是采用調度主站及變電所兩級計算機控制的應用符合IEC（國際電工委員會）電力規約控制體系的SCADA系統，以及采用PLC（可編程邏輯控制器）及遠程I/O的BAS系統。綜合監控系統的后續發展絕大多數也以這兩個系統的成熟為基礎。這些分立的機電系統大多數各自為政，在一定程度上進行簡單而重要的信息溝通，如火災信息會通過干接點或總線形式告知并觸發其余系統啟動災害模式。

由于分立系統信息關聯度不夠且調度效率不高，15年前國內開始向集成系統方向嘗試。2002年的北京城鐵13號線采用了統一的IT結構及軟件，初步集成了BAS、FAS和SCADA三個系統，雖然規模小且只有一個地下站，但不失為一次成功的探索；深圳地鐵1號線一期工程也基于此種模式做了集成，并互聯了一些其它系統信息。這些都可算作綜合監控系統的初探。而廣州地鐵3號線主控系統的設計與實施，則基本標志著綜合監控系統的形成，并以此為基礎向前發展。該系統集成互聯了幾乎所有的機電系統。應該說，還是計算機系統的進步與網絡技術的進一步發展使得系統的深度“集成-互聯”成為可能，并有效打破了各分立系統建設所導致的信息孤島。此階段，BAS、FAS和SCADA是深度集成的幾個關鍵系統，并有效互聯了CCTV（視頻監控）系統、PA（廣播）系統和PIS（乘客信息系統）等功能。除了有效的監控功能外，聯動成為綜合監控系統最重要的功能之一。綜合監控系統開始向機電系統的一體化調度指揮方向發展，并提供到站廣播、視頻控制、信息播報等與乘客服務相關的內容。此階段，行業專家魏曉東先生主編的《城市軌道交通自動化系統與技術》成為了綜合監控系統的導論，也影響了業內一代綜合監控系統的探索者和實踐者。

隨著調度管控及運營需求的不斷提升，不斷促使綜合監控系統進行更加有效的前臺數據處理（調度功能）和后臺數據應用（數據分析及運維支持）。綜合監控系統不再糾結于對各子系統是集成還是互聯，而是更有效地提升系統應用功能及使用效率。在此過程中，綜合監控系統除了聯動功能的不斷完善之外，還在以下幾方面做了大量的嘗試：集成多媒體系統以提供更加一致的調度服務、集成車載信息及視頻以有效監視車輛狀況、應用電力并行程控卡片以提升停送電效率、建設調度-維護數據的分級處理及設備管理系統以支撐運維管理等，均取得了較好的成果。

除了IT技術的進步及運營需求的推動之外，主流系統集成商對于綜合監控系統建設需求把握度的提升以及軟件平臺的國產化也是此期間最重要的推動力。軟件平臺是實現綜合監控系統功能的核心，其國產化不僅打破了國外產品對該系統早期的壟斷，更重要的是：國外產品的應用無法滿足中國自身的國情和管理特點，同時其產品更新和發展也跟不上國內軌道交通建設的節奏。國產化軟件平臺的應用則很自然地解決了這些問題。一方面，它使得綜合監控系統面向調度指揮更加順暢和高效，功能更加豐富，尤其是涉及電力調度、各種模式下的環境控制，以及應急指揮、聯動等方面；另一方面，它使得系統面向設備管理更加清晰自如，綜合監控系統不僅能夠靈活進行分系統分車站采用點控、順控、模式控制等控制策略，同時還能夠靈活地分拆應用系統中的調度指揮數據及運營維保數據，有效地支撐設備在線監測及后臺的系統運維；同時，對CCTV、PA、PIS等系統的功能集成及聯動也使之能夠更好地提供乘客服務。在此基礎上，綜合監控系統由單純的調度監控系統向著以調度監控為主，并支撐線路運營管理功能及乘客服務功能的綜合自動化系統方向快速發展。同時，也有力地解決了各城市運營管理的個性化需求問題。

此種模式維系了大約8年時間，使綜合監控系統成為一個成熟、有效的系統，其兩級管理、三級控制體系至今仍然沿用，如圖1所示。

圖1 傳統的綜合監控體系結構

2 綜合監控系統的效率提升

業內一直爭論的焦點是，如何使綜合監控系統更好地發揮出其最佳的管理效率。毛宇豐先生認為：綜合監控系統承載了線路大量的設備數據，雖然其發揮著重要作用，但其數據的有效性仍然未能得到充分利用，管理的有效性也未能得到充分施展。筆者深深贊同此觀點，筆者所在的團隊根據所參與的十多個城市、數十個軌道交通綜合監控系統建設經驗和運營需求，根據普渡模型也大致勾勒出軌道交通信息系統模型，如圖2所示。

其中，L1—L2為過程自動化控制層，由車站及線路運行控制所設置的生產系統（包括綜合監控系統）來把控，L3—L4為線網管理和集團管控的管理系統。L3為生產過程執行系統，下達L1/L2層的作業計劃，向上傳達生產實績，并通過技術與管理手段保障和優化L1/L2層的正常運轉；L4為企業ERP（企業資源計劃）及DSS（決策支持系統）層面，保障企業運營并為企業中長期發展進行宏觀調控。

隨著各大城市地鐵運營線路的增多，單靠人力、物力難以高效支撐線網化運營管理和集團化管控，需要體系化的系統管控實現自上而下的管理支撐，并得到自下而上的實績反饋，從而不斷進行系統改善。在實際的操作過程中，圖2所示的L2層與L3層的數據與管理聯系則至關重要。近些年行業內在不斷推進線網管理系統以及信息化系統建設，但其根本還是要根據生產系統所管控的現場實際運營情況來盡量量化地調節和規范。

圖2 軌道交通信息系統模型

基于云計算的IT建設模式為此種應用及管理的融合提供了有想象力的技術手段。2016年溫州市域鐵路S1線在業內率先進行了探索，采用了基于云計算的綜合監控體系。這是一個典型的“大拆小”的虛擬化技術應用。筆者認為，它的價值不在于硬件結構的精簡或者基于硬件成本的考量（事實上也并非如此），更重要的是它使基于云桌面的移動監控、智能運維（系統自身的集中維護以及對運維信息化系統的支撐）、集中部署（有力地支撐系統功能改善及延伸線建設）、L2與L3層次數據的有機融合成為最大的可能。“分散自律”的車站機電系統也為云計算技術的應用提供了可靠性保障。當然，隨之而來的是系統的安全設計和管控，筆者認為對于此類重要的生產系統適合采用私有云。

同時，近兩年快速興起的無人駕駛技術模式，也將有力地推動綜合監控系統的發展，推動整條線路的運營管控效率提升。長期以來，行車監控系統、車輛信息系統、綜合監控系統、通信系統、信息化系統等均分而治之，這些系統同屬于線路調度及運營管理系統的重要組成部分，雖然有著橫向的信息交互和聯動，但卻難以做到數據和管理的高效融合。無人駕駛模式下，行車指揮、車輛、關聯機電設備以及對乘客的管理和響應將融為一體，車輛也將成為移動的車站來統一管控。對此，上海申通地鐵集團有限公司提出的無人駕駛系統的三個維度的參考標準非常有價值，即行車自動化、運維智能化、乘客服務自主化。在以此為目標的建設模式下，將極大限度地推動幾個系統之間的有機融合并實現更高效的一體化的線路調度指揮和場景聯動控制。除此之外，對影響行車和乘客安全的關鍵系統和設備的在線監測和預警技術應用、基于圖像識別的人工智能技術應用或許也將隨著運營要求的提升逐步登上綜合監控的舞臺。這些也是無人駕駛模式下的重要保障和支撐功能。

3 綜合監控系統依舊面臨的問題

隨著行業的快速發展及運營效率的不斷提升，綜合監控系統依舊面臨著不少挑戰。最重要的當然就是如何與行車監控系統、車輛信息系統的有機融合，并在調度中心實現對線路運營的一體化管控，提升管控效率和乘客服務質量。其次，綜合監控系統接入了絕大多數車站機電設備，從設備管控及數據應用的角度而言，如何全面與運維及信息化系統貫通，在對大數據分析的同時，從根本上理順設備、物資、資產這幾個維度的屬性關系，做到數據與管理的深度融合，從而真正實現設備或系統的全生命周期管理，最大限度支撐調度指揮與運維管理。同時，對于乘客服務能力的提升，除了管理體系的保障，也需要更多的從線網管理系統、線路綜合監控系統上做文章。比如通過高效的前端視頻處理并結合大數據分析的人工智能技術應用，不僅可對客流進行實時監控和疏導，也能夠對安防提供有力的支撐。最后，就是如何能夠更加有效地支撐線網管控系統，正如筆者前面所述：脫離實際生產系統的管理系統是不切實際的。而綜合監控系統、指揮行車的信號系統、AFC（自動售檢票）及清分系統是線網管控最重要的生產數據源，也是最直接的管控對象。這幾個系統的接入標準也將直接影響線網系統的成敗。

4 結語

作為近10多年來的行業新系統，綜合監控系統在技術更新和運營管理需求的推動下不斷發展和完善。究其根源，“面向調度、面向設備、服務乘客”依舊是其內在的幾個根本要素和價值所在，綜合監控系統的進步也將圍繞這幾個要素不斷深入。而云計算技術模式、大數據技術的發展、物聯網智能感知技術的不斷更新、基于視頻分析的人工智能技術應用以及無所不在的網絡所提供的移動應用，也將為綜合監控系統的發展提供更好的技術支撐。近期網絡上風靡一時的李金龍先生的一張基于云化、線網化的全機電系統一體化集成管控設計圖也是對綜合監控系統發展的最佳展望。屆時，無論是線路層面的深入，還是線網化的延伸，綜合監控系統也必將包含更豐富、更有價值的內涵。