城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐探索

張鵬雄

(1.北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

1 概述

城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)是城市軌道交通的核心控制系統(tǒng)之一。構(gòu)建以行車指揮為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)是綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展方向之一。2018年年底北京地鐵6 號線西延工程綜合監(jiān)控系統(tǒng)順利開通。歷時10 余載，6 號線一期、二期、西延綜合監(jiān)控系統(tǒng)先后完成建設(shè)，順利通過北京市交通委組織的開通驗(yàn)收。這是以行車指揮為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)施的一次成功實(shí)踐。本文將對該項(xiàng)創(chuàng)新作技術(shù)總結(jié)，并提出未來發(fā)展的思考。

2 北京地鐵6號線綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新和技術(shù)實(shí)踐

2.1 設(shè)計(jì)創(chuàng)新的背景

6 號線設(shè)計(jì)之初的2008 年，綜合監(jiān)控系統(tǒng)主流設(shè)計(jì)是采用以電調(diào)環(huán)調(diào)為核心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，即綜合監(jiān)控系統(tǒng)深度集成環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡稱BAS）和電力監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡稱PSCADA）。同時，綜合監(jiān)控系統(tǒng)與閉路電視系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、乘客導(dǎo)向系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)、列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡稱ATS）等地鐵各個系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。綜合監(jiān)控系統(tǒng)與深度集成系統(tǒng)數(shù)據(jù)完全融合，與進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的系統(tǒng)（如ATS）的關(guān)系，則只是由綜合監(jiān)控系統(tǒng)向ATS 提供供電接觸網(wǎng)帶電狀態(tài)等簡單數(shù)據(jù)。

當(dāng)時，以電調(diào)環(huán)調(diào)為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)方案已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)地鐵建設(shè)。截至2008 年年底，廣州地鐵、深圳地鐵、北京地鐵等多條線路綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用此方案進(jìn)行建設(shè)并開通運(yùn)營。城市軌道交通日常運(yùn)營由供電、機(jī)電、車輛、通信信號、乘客向?qū)А⒆詣邮蹤z票等多個系統(tǒng)進(jìn)行支撐。PSCADA、BAS、火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)（以下簡稱FAS）等系統(tǒng)對供電、機(jī)電等大量傳統(tǒng)設(shè)備管理實(shí)現(xiàn)信息化管控。綜合監(jiān)控系統(tǒng)又將各個信息化系統(tǒng)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)所監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)在同一數(shù)據(jù)庫內(nèi)統(tǒng)一管理；操作、報(bào)警、登錄等人機(jī)交互在同一界面上統(tǒng)一操作。

2.2 設(shè)計(jì)理念和思路

2008 年年底，北京地鐵6 號線一期工程進(jìn)入初步設(shè)計(jì)階段。北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司與業(yè)主單位北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，對綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路和技術(shù)路線進(jìn)行深入探討后，認(rèn)為：多系統(tǒng)聯(lián)動是綜合監(jiān)控系統(tǒng)支撐地鐵運(yùn)營的核心；綜合監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的核心功能是“聯(lián)動”。為此，依照地鐵運(yùn)營管理相關(guān)規(guī)章制度要求，編制了地鐵運(yùn)營場景簡圖，如圖1、2 所示，將地鐵運(yùn)營一天內(nèi)各種主要狀態(tài)通過流程圖的方式進(jìn)行展現(xiàn)，主要包括早間開站、正常運(yùn)營、異常運(yùn)營、晚間關(guān)站等幾大環(huán)節(jié)。

通過對運(yùn)營規(guī)章、場景的分析，認(rèn)為：地鐵運(yùn)營的本質(zhì)是運(yùn)輸，運(yùn)輸中包含兩大要素“車”與“人”。人是運(yùn)輸?shù)哪康摹④囀沁\(yùn)輸?shù)妮d體。信號系統(tǒng)是車輛運(yùn)轉(zhuǎn)的指揮系統(tǒng)、安全保障系統(tǒng)。信號系統(tǒng)中的ATS 系統(tǒng)是調(diào)度人員、車站值班人員掌控車輛運(yùn)輸狀態(tài)的唯一工具。為實(shí)現(xiàn)對地鐵運(yùn)營更加有力的技術(shù)支撐，綜合監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)與ATS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)深度融合。

基于以上分析，北京地鐵6 號線一期工程綜合監(jiān)控設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)與信號設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)開展多次技術(shù)研討，聯(lián)合提出了構(gòu)建以行車指揮為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路。思路明確后，做出一套全新設(shè)計(jì)方案。方案保持了原綜合監(jiān)控系統(tǒng)中三級控制、兩級管理的基本架構(gòu)，即中心、車站、現(xiàn)場三級控制，中心、車站兩級管理。在基本架構(gòu)基礎(chǔ)上，對于中心級和車站級核心設(shè)備的組成與關(guān)聯(lián)進(jìn)行了創(chuàng)新。中心級核心設(shè)備包括兩套冗余配置的實(shí)時服務(wù)器、一套冗余配置的歷史服務(wù)器（含磁盤陣列）、一套冗余配置的信號專用通信前置機(jī)（FEP）、一套冗余配置的綜合監(jiān)控專用FEP、工作站若干；車站級核心設(shè)備包括一套冗余配置的車站級服務(wù)器、一套冗余配置的信號專用FEP、一套冗余配置的綜合監(jiān)控專用FEP、工作站若干；中心與車站之間采用獨(dú)立光纖、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成的冗余工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的組網(wǎng)方案。

2.3 方案實(shí)施和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2010 年，北京地鐵6 號線一期工程進(jìn)行信號系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)組團(tuán)招標(biāo)，經(jīng)過激烈競爭，卡斯柯信號有限公司上海總公司與南京南瑞集團(tuán)有限公司組成的團(tuán)隊(duì)中標(biāo)。回顧整個項(xiàng)目實(shí)施過程，上述兩家公司組成的實(shí)施團(tuán)隊(duì)在技術(shù)創(chuàng)新、信息支撐、設(shè)備完善等各個方面不斷探索，為北京地鐵6 號線綜合監(jiān)控系統(tǒng)與ATS 系統(tǒng)成功整合、設(shè)計(jì)目標(biāo)順利完成，付出了艱苦努力。在軟件系統(tǒng)方面，由于傳統(tǒng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺軟件是基于UNIX 系統(tǒng)搭建、傳統(tǒng)ATS 軟件是基于WINDOWS 系統(tǒng)形成，實(shí)施團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了卓有成效的核心系統(tǒng)移植、操作界面整合、數(shù)據(jù)庫融合、內(nèi)部數(shù)據(jù)總線重新開發(fā)等系統(tǒng)性工作。在服務(wù)器方面，原設(shè)計(jì)方案中為保障開通設(shè)置了兩套冗余配置的實(shí)時服務(wù)器，實(shí)施團(tuán)隊(duì)整合形成一套冗余配置的實(shí)時服務(wù)器。為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，兩家企業(yè)艱苦革新，分別對自有的成熟的核心技術(shù)進(jìn)行了修改、移植與測試。經(jīng)過近半年的努力，以行車指揮為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)通過上線測試。

圖1 地鐵運(yùn)營場景簡圖（一）Fig.1 Diagram of metro operation（1）

2012 年年底，北京地鐵6 號線一期以行車指揮為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)通過北京市交通委組織的驗(yàn)收，開通試運(yùn)營。截止目前，北京地鐵6 號線綜合監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)歷了6 號線二期車站接入、6 號線二期車輛段接入、6 號線控制中心移設(shè)、6 號線西延車站接入等多次磨煉，負(fù)責(zé)了全線34 座地下車站、兩座車輛段、一座停車場、52.9 km 線路、每日百萬客流、68 列上線客車的運(yùn)營指揮。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，北京地鐵6 號線綜合監(jiān)控系統(tǒng)的平均無故障時間略高于傳統(tǒng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的平均無故障時間。

2.4 簡要總結(jié)

北京地鐵6 號線綜合監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)歷了10 余年的運(yùn)行。這套以行車指揮為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了“三個統(tǒng)一”，一是供電系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、信號系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、實(shí)時報(bào)警數(shù)據(jù)由一個數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理；二是供電系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、信號系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)由一個數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理；三是全系統(tǒng)人機(jī)界面為一個統(tǒng)一界面，進(jìn)行實(shí)現(xiàn)了全系統(tǒng)被監(jiān)控各系統(tǒng)聯(lián)動的可配置性。北京地鐵6 號線經(jīng)行車指揮為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)的成功實(shí)施，表明以下幾點(diǎn)。

1）綜合監(jiān)控系統(tǒng)與ATS 系統(tǒng)深度融合，在技術(shù)上完全可行，在系統(tǒng)自身安全上完全可控。城市軌道交通供電系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、通信信號系統(tǒng)由一個技術(shù)平臺統(tǒng)一管控，實(shí)現(xiàn)相互之間聯(lián)動，其技術(shù)方案的可行性、可靠性、安全性均得到了驗(yàn)證。

圖2 地鐵運(yùn)營場景簡圖（二）Fig.2 Diagram of metro operation（2）

2）綜合監(jiān)控系統(tǒng)與ATS 系統(tǒng)深度融合，促進(jìn)城市軌道交通綜合監(jiān)控集成商在軟件開發(fā)管控方面創(chuàng)新。由于歷史原因，城市軌道交通信號系統(tǒng)集成商的軟件管控模式對標(biāo)的是歐洲安全軟件管控模式，執(zhí)行IRIS 管理體系（即國際鐵路工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）。通過綜合監(jiān)控與ATS 軟件融合，要求城市軌道交通綜合監(jiān)控集成商適應(yīng)信號集成商軟件需要，在軟件開發(fā)模式、軟件驗(yàn)證模式、軟件上線模式進(jìn)行軟件開發(fā)管控，并進(jìn)行了SIL2 級的安全完整性等級評估和認(rèn)證。這對于加強(qiáng)綜合監(jiān)控軟件開發(fā)的規(guī)范性、拓展綜合監(jiān)控軟件海外平臺市場都具有重要意義。

3）綜合監(jiān)控系統(tǒng)與ATS 系統(tǒng)深度整合，促進(jìn)城市軌道交通運(yùn)營管理和建設(shè)能力水平提升。自動化系統(tǒng)的運(yùn)營管理不同于傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)備（如：變壓器、軸流風(fēng)機(jī)等機(jī)電設(shè)備）的運(yùn)營管理。自動化程度越高、信息孤島越少，原有的條塊分割的運(yùn)營管理職責(zé)越不能適應(yīng)。最新信息化系統(tǒng)將各個獨(dú)立的系統(tǒng)進(jìn)行信息互聯(lián)，各系統(tǒng)間界面越來越模糊，這對傳統(tǒng)維修運(yùn)營管理體制要求的“職責(zé)界面清晰，考評模塊簡單”來講，是一次新挑戰(zhàn)。城市軌道交通建設(shè)信息化程度越高，原有的維修運(yùn)營管理體制越難與之匹配。為適應(yīng)這一變化和挑戰(zhàn)，上海地鐵10 號線針對新建設(shè)方案而獨(dú)立設(shè)置運(yùn)維體制，在業(yè)界做出了有益嘗試。

此外，2012 年以來，探索綜合監(jiān)控與ATS 整合的同時，可以看到，城市軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)（此處指綜合監(jiān)控系統(tǒng)、ATS 系統(tǒng)、通信集中告警系統(tǒng)等城市軌道交通中用于監(jiān)控各種基礎(chǔ)設(shè)備的系統(tǒng)）領(lǐng)域，也進(jìn)行了一些探索與創(chuàng)新。如，北京燕房線、新機(jī)場線在原6 號線綜合監(jiān)控與ATS 整合的基礎(chǔ)上，將無人駕駛場景直接應(yīng)用于整合后的綜合監(jiān)控系統(tǒng)；上海等城市地鐵在一些重點(diǎn)站，依托綜合監(jiān)控系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)等系統(tǒng)構(gòu)建智慧地鐵車站；呼和浩特地鐵、廣州地鐵、昆明地鐵在地鐵監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)中將云技術(shù)引入監(jiān)控系統(tǒng)（綜合監(jiān)控系統(tǒng)、列車自動監(jiān)控系統(tǒng)、通信集中告警系統(tǒng)），等等。所有這些技術(shù)方案對未來城市軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)方案的升級完善提供了重要的技術(shù)創(chuàng)新和實(shí)踐探索。

3 城市軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)引入云平臺技術(shù)的思考

云平臺技術(shù)目前是城市軌道交通領(lǐng)域經(jīng)常探討的技術(shù)。云平臺技術(shù)有助于城市軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)逐漸擺脫對進(jìn)口服務(wù)器平臺的依賴，有助于城市軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步，在城市軌道交通中的運(yùn)用尚需深入研究積極探索。現(xiàn)提出以下認(rèn)識和思考。

3.1 橫向?qū)崿F(xiàn)軟件信息互通

云平臺技術(shù)引入城市軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)，將為城市軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)提供巨大的計(jì)算資源。充分利用這些資源服務(wù)于城市軌道交通運(yùn)營管理，是必須要面對的課題。當(dāng)前完全分立的軟件開發(fā)，已不適應(yīng)統(tǒng)一云平臺技術(shù)硬件資源使用的需要。這種軟件部署方式與城市軌道交通早期的UPS 資源整合比較相似，雖然最初設(shè)想是要降低UPS 供電總?cè)萘浚詈蠓桨嘎涞貢r，為保證可靠性，UPS 供電總?cè)萘坎唤捣瓷．?dāng)前云平臺設(shè)想方案中的主要模式是，各個系統(tǒng)提出資源需求，云平臺通過虛擬CPU、虛擬內(nèi)存的方式進(jìn)行資源分配。因此，表面上看，云平臺是一個硬件資源整體，但本質(zhì)上看，云平臺內(nèi)部是一個個相對獨(dú)立的虛擬硬件組。相對于傳統(tǒng)的集群方案的傳統(tǒng)冗余服務(wù)器部署，此方式下的云平臺部署，從硬件規(guī)模到經(jīng)濟(jì)效益均無較大的改善。對此，提出兩種解決思路。

思路一：考慮提供一個軟件平臺，各個監(jiān)控系統(tǒng)以功能模塊的方式運(yùn)轉(zhuǎn)在該軟件平臺之上。軟件平臺主要功能是與云平臺的云管理系統(tǒng)深度融合，負(fù)責(zé)各個功能計(jì)算資源的動態(tài)分配。該平臺應(yīng)該既能隨時掌握各模塊資源需求，又能對計(jì)算資源進(jìn)行全面管控。

思路二：各監(jiān)控系統(tǒng)的軟件相對獨(dú)立。各軟件與云平臺的云管理系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。信息交互內(nèi)容主要包括資源需求信息，資源劃分信息等等內(nèi)容。云管理系統(tǒng)根據(jù)各個系統(tǒng)軟件資源需求信息，進(jìn)行資源分配、資源回收、資源沖突管理。

3.2 縱向?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化

城市軌道交通各監(jiān)控系統(tǒng)硬件架構(gòu)，由傳統(tǒng)的集群架構(gòu)升級至云平臺架構(gòu)，其必要性值得考慮。可以通過云平臺計(jì)算資源的優(yōu)勢，改變目前監(jiān)控系統(tǒng)中心、車站、現(xiàn)場的3 層體系。在現(xiàn)有體系中，各監(jiān)控系統(tǒng)中心、車站均部署服務(wù)器，維護(hù)工作量分散而巨大。云平臺技術(shù)引入城市軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)中后，中心服務(wù)器可進(jìn)行整合，車站服務(wù)器可以取消；同時，擴(kuò)大通信傳輸系統(tǒng)的容量，建議設(shè)置大容量數(shù)據(jù)傳輸專網(wǎng)；強(qiáng)化邊緣計(jì)算，增強(qiáng)現(xiàn)場級系統(tǒng)的計(jì)算能力及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性。具體架構(gòu)如圖3 所示。通過這種方式，精簡了監(jiān)控系統(tǒng)的縱向?qū)蛹墸鞘熊壍澜煌ㄖ蟹稚⒃诟鱾€車站的服務(wù)器維修力量可以集中在控制中心一地，在一定程度上降低了運(yùn)維難度，縮短設(shè)備維修時長。

3.3 簡要總結(jié)

通過橫向信息互通，縱向結(jié)構(gòu)優(yōu)化，云平臺的計(jì)算能力優(yōu)勢得到充分的發(fā)揮。云平臺技術(shù)助力城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展成為現(xiàn)實(shí)。

圖3 綜合監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)對比圖Fig.3 Comparison of two ISCS frameworks

4 總結(jié)

城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)與ATS 系統(tǒng)深度融合的技術(shù)方案完全可行。但是，由于綜合監(jiān)控系統(tǒng)與城市軌道交通的調(diào)度指揮、運(yùn)營維護(hù)密切相關(guān)。因此，該技術(shù)方案若想發(fā)揮全面的作用，必須具備與之配套的運(yùn)營調(diào)度管理體系。

目前，城市軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展中云平臺技術(shù)的引入是一個重要的方向。提出云平臺計(jì)算資源充分利用的方案以供參考。但是，云平臺的可靠性、運(yùn)維易損件的辨識還需要長期追蹤。云平臺中自身的軟件和硬件都不同于普通服務(wù)器的操作系統(tǒng)和硬件，云平臺的供應(yīng)商不同于原來服務(wù)器的供應(yīng)商。這些都給城市軌道交通的建設(shè)和運(yùn)維帶來新的課題。技術(shù)進(jìn)步將為城市軌道交通運(yùn)轉(zhuǎn)優(yōu)化升級提供支撐與服務(wù)。隨著技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用，城市軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)也將在探索創(chuàng)新中不斷發(fā)展進(jìn)步。