現代有軌電車綜合智能控制系統的開發與應用

孫軍峰，張立鵬，林 立，劉華祥

（卡斯柯信號有限公司，上海 200071）

1 現代有軌電車控制系統簡介

現代有軌電車近年來以其低建設成本、節能環保、形象美觀和較高運輸效率的特點，在我國迎來一個規劃和建設的高峰期。隨著地鐵建設門檻的提高，有軌電車會有一個更好的發展前景。

一條現代有軌電車線路主要由軌行線路、車輛、供電、控制系統及運營單位組成。其中控制系統對于保障行車安全、提升運營效率、提高乘客乘坐體驗有著至關重要的作用，有軌電車建設單位也越來越重視控制系統的建設。

為了便于闡述，車輛的牽引制動控制、變電所供電控制不作為本文控制系統的范圍（分別屬于車輛和供電專業）。把有軌電車的控制系統定義為弱電各個專業系統的統稱，包括信號系統、通信系統、電力監控（PSCADA）系統、機電設備監控系統（BAS）、乘客信息（PIS）系統、廣播（PA）系統、售檢票（AFC）系統、安防監控（CCTV）系統等。

在以往現代有軌電車控制系統的招標建設過程中，業主往往單獨招標各個控制系統，有時也會把通信系統、PA、PIS?等整合為一個通信包或者綜合監控（ISCS）包來招標建設。在這種招標建設方式中，可以看到一些弊端：①建設成本較高，因為每個弱電系統都需要有服務器、工作站和網絡設備，招標建設方式決定了無法進行有效的資源整合；②各個子系統信息共享不足，各個系統間接口方式大多為點對點的通信協議，信息共享不夠充分，聯動響應效率不足，不能達到跨業務聯動、應急快速響應的效果；③建設單位協調工作量大，建設單位（或其委托的設計院）負責協調各個子系統的供貨商進行系統間接口設計、發貨、安裝和聯調等工作，花費過多的精力；④運營和維護效率不高，這種建設方式在運營維護期間，會設置獨立的維護工區，負責分別維護這些子系統，沒有做到人力資源充分利用。

目前在國內地鐵建設中，有的城市將信號系統和綜合監控系統作為一個整體行車綜合自動化系統（TIAS）來建設，比如北京地鐵?6?號線和燕房線，但在現代有軌電車的建設中還沒有過。

現代有軌電車由于中運量的定位，決定了其各個子系統的規模與地鐵相比會小很多。如果能夠將這些弱電子系統集成為一個綜合系統來招標和建設，由一家總集成商來負責總體系統需求和架構設計，從電車公司整體運營角度出發，設計出一個綜合智能控制系統，構建統一的硬件平臺、軟件平臺、網絡通信平臺和數據平臺，必將大大提升傳統模式的建設和運營效率。

現代有軌電車綜合智能控制系統就是以此為出發點提出的下一代有軌電車控制系統解決方案，并通過深圳龍華現代有軌電車示范線工程的建設，證明此方案是比較成功的。

2 有軌電車綜合智能控制系統組成和特點簡介

從深圳龍華現代有軌電車示范線招標建設形式上可以看出，深圳有軌電車公司把綜合智能控制系統作為一個整體標的，通過唯一一個系統集成商完成建設，進行整體設計、采購、安裝和聯調，對于其中一些非常專業的子系統，由系統集成商再尋求分包商。在開通運營以后，由集成商負責對口業主的售后服務，對于由分包商提供的產品或服務子系統，由集成商負責協調其提供服務，整個過程中業主只對應一家集成商。這種方式在國內現代有軌電車領域尚屬首創，代表了未來現代有軌電車的招標建設方向。

卡斯柯信號有限公司作為該項目的總集成商，為深圳龍華現代有軌電車示范線工程提供的?SmarTram?綜合智能控制系統包括：綜合智能控制系統軟件平臺、信號子系統、PSCADA?子系統、CCTV?子系統、?PIS?子系統、PA?子系統、時鐘子系統、有線電話和車地無線?4G?通信和電話子系統、售檢票?AFC?子系統、OA?子系統（含乘務管理、施工管理、資產管理等）等，具體如圖?1?所示。

從圖?1?的系統結構圖中，可以看到綜合智能控制系統采用整體設計的系統架構，各個子系統共享硬件平臺和網絡平臺，調度員工作站采用一套綜合智能控制系統控制終端軟件，對各個子系統進行運營控制。

2.1 統一的軟件平臺

綜合智能控制系統采用信號與綜合監控軟件平臺（SSIP）作為統一的平臺，采用統一的實時數據庫存儲各個子系統業務的實時數據，通過平臺的消息訂閱和推送機制，分發給不同的調度客戶端；采用統一的關系型數據庫，設置不同的數據表保存各個子系統的結構化數據，數據結構的統一設計可以實現各種定制的信息共享和報表查詢。

綜合智能控制系統基于?SSIP?平臺深度實現了自動列車監控系統（ATS）功能、PSCADA?功能、BAS?功能這3?個核心功能（也稱為深度集成）；實現了?CCTV?監控功能、PIS?和?PA?的界面監督和控制功能，可以滿足調度員視頻監控和發布乘客信息等功能。通過平臺通信前置機（FEP）與分包商提供的箱式變電站電力控制系統、PIS?和?PA?系統應用服務器，進行基于?MODBUS?協議的通信，將控制命令通過這些子系統發送出去，接受現場設備狀態信息，從而實現對這些子系統的控制與監督功能（也稱界面集成）。對于一些不需要調度員操作的后臺功能，SSIP?平臺通過?FEP?與這些系統互連，獲取設備工作狀態和運營業務數據，供調度員查詢，這些子系統包括時鐘和?AFC?售檢票子系統等。

圖1 現代有軌電車綜合智能控制系統架構

由于采用了統一的實時數據庫和歷史數據庫，綜合智能控制系統可以實現綜合大數據分析決策功能，實現跨業務的數據分析和查詢。這些查詢信息推送到大屏幕子系統上，借助于大數據可視化技術進行展現。

同時基于實時庫里各個不同業務的關鍵閾值變化，可以定義多種跨業務的聯動場景，實現快捷、靈活、可定制的聯動服務，提高了應急響應速度。

2.2 統一的硬件云平臺

綜合智能控制系統從有軌電車公司整體建設角度出發，對所涵蓋的所有子系統硬件進行整體規劃和設計。根據總體功率消耗設計電源子系統；根據各個子系統的功能、性能和數據存儲量設計統一的服務器，從而形成了綜合智能控制系統云平臺服務器。采用云服務器構成私有云架構，虛擬出不同子系統的應用服務器、數據庫服務器、通信前置服務器等。

該云平臺定位為有軌電車公司的整體數據中心，作為有軌電車公司的生產調度系統、OA?管理系統的信息平臺，其良好的擴展性保證了預留出未來有軌電車線網級控制指揮中心的計算能力和存儲能力。同時，該緊湊型的云平臺使得中心機房的面積較傳統服務器機柜形式大幅度降低，其虛擬機技術保證了操作系統和應用軟件具有靈活的部署能力。

云平臺內部根據虛擬局域網絡（VLAN）技術，劃分為智能控制系統生產運營調度云和辦公云，以保證關鍵業務的安全隔離。

2.3 統一的網絡通信平臺

綜合智能控制系統采用統一的網絡通信平臺，所有子系統統一掛接在這個骨干網絡上。深圳龍華項目采用了由工業級赫茲曼交換機組成的雙環以太環網，將控制中心、正線和車輛段統一組成一個骨干網，在骨干網絡上劃分?VLAN，實現各個業務之間的隔離，提高網絡系統的可靠性。

無線通信采用租用聯通公網?4G?的方式，在控制中心和每列電車上分別設置?4G?網關，作為車地之間數據交換和語音通話的統一無線通信平臺。

2.4 統一的界面操作和報警

綜合智能控制系統為調度員提供了專用的調度指揮工作站終端，由于各個子系統的實時數據構建在統一的實時數據庫上，使為調度員提供一個綜合各個業務監控功能的綜合調度臺終端成為可能。利用?SSIP?平臺的高性能界面設計工具，設計了統一的多工種操作界面。根據登錄賬號的權限不同，不同的工作站有不同的操控權限，但都具有相同的跨業務查詢功能。

該系統的一個優點是支持信號子系統的道岔、信號機、站臺等信息與?PSCADA、CCTV、PIS?等子系統信息的融合組態顯示，讓調度員一目了然。圍繞電車的動態運行位置，隨時監督和控制電車周圍的其他外圍服務設備和監控設備。在?ATS?站場平臺圖上，同時設計了?PIS屏幕、PA?揚聲器和?CCTV?攝像頭圖標，調度員可在?ATS站場平面圖上點擊查詢和控制這些設備，提高了調度員的操作效率。

各個子系統的報警根據類別及優先級同步顯示在工作站上，不同的調度工種根據其權限進行報警確認或相應的故障處理。

該系統另一個優點是調度崗位的減員增效。高峰期時，設置行車調度、設備調度和客運調度?3?個崗位；高峰期過后，行車調度可以切換角色為綜合調度，接管設備調度的監控功能。由此可見，統一的綜合智能控制平臺推動了運營指揮模式的革新。

2.5 統一的設備診斷維護

由于綜合智能控制系統集成和互連了全部的子系統，各個子系統內部的設備運行狀態和運行報警信息全部納入軟件平臺中。通過設計綜合設備維護管理的前端界面，使得系統具備了對整個系統內所有設備進行狀態監督、關鍵指標預警、設備壽命周期管理和故障智能分析等功能，還可以對組合故障進行關聯分析，采取人工智能的方法，提高故障診斷能力和故障預警能力。

3 有軌電車綜合智能控制系統開發與測試

3.1 SSIP 軟件平臺架構設計

綜合智能控制系統開發的核心是?SSIP?的開發，該平臺的開發遵循了以下幾個設計原則：

（1）?平臺提供強大的組態軟件界面設計工具，以組態的方式描繪任意監控對象，以便實現跨專業的業務特征描述，并支持與后臺點表之間的邏輯管理配置，內置常用的信號系統和綜合監控系統圖符庫；

（2）平臺后端采用高性能實時數據庫，可以支持100?萬以上點表信息的同時變化；

（3）平臺的各個節點采用高速消息總線，支持平臺的規模擴展；

（4）平臺具備統一的存儲、回放、報警管理和歸檔功能，具備大數據分析模塊，支持多數據源的大數據分析功能；

（5）平臺支持在云端部署，支持良好的上層業務二次開發，達到?SIL2?安全等級。

基于?SSIP?平臺良好的二次開發能力，卡斯柯開發了有軌電車的控制中心調度指揮系統（SmarTIAS），將ATS、PSCADA、BAS、PIS、PA、AFC、無線通信和時鐘等各個業務的監督與控制納入該調度指揮系統，成為有軌電車綜合智能控制系統在控制中心的核心平臺。

3.2 系統開發和安全保障過程

在開發過程中為了便于開發管理，將綜合智能控制系統分解為?2?個研發項目，分別為?SmarTram?有軌電車信號系統和?SmarTIAS?有軌電車弱電集成系統，在產品研發層面進行子系統設計和產品安全保證活動。2?個子系統在有軌電車綜合智能控制系統工程項目中，利用工程應用數據進行集成測試和確認測試。

SmarTram?綜合了智能控制系統的信號控制和電力控制關鍵功能，需要具有相應的安全等級，所以其研發過程需遵守?EN?50126、EN?50128、EN?50129?等國際安全標準，其中道岔控制器和車輛段聯鎖達到?SIL4?級，計軸子系統達到?SIL4?級，車載信號系統的?ATP?功能達到?SIL2級，SSIP?平臺及基于此開發的?ATS?子系統和?PSCADA子系統達到?SIL2?級。

安全評估團隊需從產品層面和項目層面派出安全保證經理，其安全分析活動貫穿整個設計、開發過程，識別出的安全需求也通過各級審核、驗證環節，保證最終被軟件實現或輸出給系統使用者。

3.3 系統測試和驗證過程

系統的集成測試在有軌電車綜合智能控制系統實驗室內部進行，實驗室搭建了統一的硬件云服務器和骨干網絡設備，還有真實的信號子系統道岔控制器、路口優先控制器、車載控制器、PSCADA?箱變控制器，此外還從分包商處采購了?PIS?顯示屏、PA?廣播揚聲器、CCTV攝像頭等實物。卡斯柯自主開發了現代有軌電車集成驗證平臺?iVP，能夠模擬全線電車運行、全線道岔信號機的動作，模擬計軸設備產生的占用和出清信息，還可以模擬各個弱電子系統的簡單功能。圖?2?為綜合智能控制系統測試環境結構圖。

利用這個實驗室集成環境，可以對綜合智能控制系統的每個子系統功能、每個子系統間的接口和大系統功能進行測試，完成產品的發布。

圖2 綜合智能控制系統實驗室測試環境結構

同時工程項目團隊還可以利用該實驗室環境，進行工程項目上的應用設計和數據測試驗證。由于有了這樣的工廠集成測試平臺，使得?70%?的工程測試工作可以在廠內完成，到現場只需要對接口配線進行點對點測試和有限的功能確認測試，即可投入試運行。

4 有軌電車綜合智能控制系統工程應用

SmarTram?綜合智能控制系統已在深圳龍華現代有軌電車示范線項目中得到成功應用。該示范線線路全長約?11.7??km，其中主線長?8.6??km，支線長?3.1??km，全線車站?20?座，其中主線?15?座，支線?5?座。全線?25?個路口，其中?7?個十字燈控路口，8?個?T?型燈控路口，2?個進出車場路口，8?處信號燈控人行過街。線路最高運行速度為70??km/h。全線共運行?15?列電車，高峰期清湖—大和區間運行間隔小于?5??min，供電方式采用超級電容方式在站臺充電。

龍華現代有軌電車示范線綜合智能控制系統是全國第一個將信號、通信、電力監控、視頻監控、AFC?等諸多弱電子系統整體招標建設、深度集成的現代有軌電車項目。綜合智能控制系統于?2017?年?3?月開始設備安裝調試，2017?年?6?月?29?日開始試運行，并于?2017?年?10?月?28號開通載客試運營，日載客量突破?3?萬人次，至今運行穩定，達到預期效果。

由于采用了綜合智能控制系統的建設方式，大大提高了項目建設速度，從?2016?年?8?月綜合智能控制系統中標公示到?2017?年?10?月載客試運營，只用了短短?14?個月時間。同時，系統提供的跨專業信息共享和業務聯動功能，使應急響應的速度比傳統的分立方式提高了?30%，高效的信息共享也提高了乘客的出行體驗滿意度。

5 結束語

現代有軌電車憑借其中等運量、低造價、短工期、節能美觀等優點，成為城市軌道交通的一支新興勢力，越來越受青睞。現代有軌電車控制系統作為控制電車運營的大腦，對于保證有軌電車安全、提高運營效率起到至關重要的作用。本文介紹的綜合智能控制系統采取統一規劃、整體設計、共享平臺、靈活運維的技術路線進行產品研發和工程實施，最終在深圳龍華有軌電車示范線項目中得以成功地運用，為國內現代有軌電車的發展起到了良好的示范效應。目前正在建設的三亞現代有軌電車項目也采用了此綜合智能控制系統的建設模式。