PLC/DCS/SCADA軌道交通綜合監控系統的設計研究

柏乃琳

（吉林科技職業技術學院 吉林 長春 130000）

0 引言

隨著我國城市軌道交通的快速發展，國內有越來越多的城市開通地鐵交通。隨著軌道交通在全國范圍內鋪開，其綜合監控系統也受到更多的關注及重視，成為自動化研究領域的熱點內容。綜合監控系統就是綜合使用各類自動化技術，將機電系統聯系起來，集成各種信息資源，便于對各類機電設備進行管理。國外軌道交通中自動化系統已得到廣泛應用，依托綜合監控系統，管理者可對城市軌道交通各子系統開展管理，大大提升管理效率，也能減少事故發生率。綜合監控系統作為軌道交通開展自動化調度工作的主要工具，也是新時期城市軌道交通監控系統發展的必然趨勢。綜合監控系統具有監控對象多、數據量大等特點，設計軌道交通綜合監控系統有利于提升指揮調度的統一性及協調能力。本文針對軌道交通綜合監控系統，對其系統需求及框架展開分析，詳細介紹系統的各項功能，以期為推進軌道交通項目的發展提供一定的參考。

1 相關技術概述

1.1 PLC技術

PLC作為一種專門用于工業環境下而設計的數字運算操作電子設施，它使用支持編制程序的存儲器，用在其內部存儲執行運算、計時、算術運算等一系列操作指令。此外，依托數字式或者模擬式輸入、輸出，用于不同類型的機械或者生產過程。PLC主要特點如下：（1）抗干擾能力：PLC通過軟件替代大量中間繼電器和時間繼電器，剩余與輸入、輸出相關的少數硬件，能有效減少至繼電器控制系統1/10-1/100，避免因觸點接觸不良引起的故障明顯減少[1]。PLC采用大規模的集成電路技術，借助嚴格的制造工藝，內部電路使用良好的抗干擾技術，可靠性高。（2）安裝、維護方便：PLC梯形圖程序通常使用順序控制設計方法，這種編程非常有規律，便于掌握。PLC通過存儲邏輯替代接線作業邏輯，不僅可以縮短控制系統設計及建造所用時間，也便于維護，比較適合多品種、小批量生產場景。（3）具有完善的功能：PLC已形成一些不同規模的系列化產品，具有標準化、模塊化等特征，配置各類硬件裝置便于用戶選擇。一臺小型PLC包含上千個便于用戶操作的編程元件，順利實現較為復雜的控制功能。

1.2 SCADA系統

SCADA系統可表述成數據采集與監視控制系統，就是分布式的計算機監控系統，旨在對較大分布范圍、測控點比較分散的設備進行監控。SCADA系統主要由通信網絡、人機界面等構成，其廣泛用于環境監測與警示、水電站監管、軌道交通監控等領域。

1.3 DCS系統

DCS系統就是分散型控制系統，其能夠克服集中式計算機控制系統及儀表監控的不足之處，并集中二者的優點，實現連續監控、數據采集等功能。DCS結構由多個分支和分布式的樹狀結構組成，見圖1。其中，其核心功能在于分散控制功能，主要利用現場控制站完成。從硬件方面分析，DCS現場控制站主要構件為主控單元、過程量I/O等。DSC現場控制站支持獨立供電，并對所管轄的回路、各點展開控制，確保各過程量根據設定值相關要求自動實現控制[2]。DCS現場控制站作為較為自律的計算機控制單元，確保DCS各項功能的實現。

1.4 人臉識別技術

人臉識別就是依托計算機算法對人臉特征開展計算和記錄，借助復雜的計算機系統對人臉在各時間、不同的圖像開展分散分析，完成身份確認工作[3]。軌道交通中使用人臉識別技術，配置完善的監測系統，借助人臉識別可對系統安防體系予以升級處理。通過分析城市軌道交通基本特點后，明確在進出站口設計專業的監控設備對人群信息展開收集，并在機房設計信息分析服務器，對所收集的人臉信息展開集中處理，大大提升工作效果。

2 系統總體架構及功能設計

2.1 總體架構設計

根據綜合監控系統的需求分析，設計的系統要達到地鐵資源互通要求，從而提升地鐵的可靠性。系統設計嚴格按照國家設計規范要求，提高更全面的乘車服務。軌道交通一期工程監控及調度工作使用兩級制，依次為中央級、車站級，現場控制依據各集成和互聯系統實現。中央級綜合監控系統設置在調度控制中心，包含歷史數據服務器、局域網、中央FEP等，主要功能在于對消防設備、車站機電設施、客流情況等進行監視和控制[4-5]。如果遇到突發情況，支持預案幫助決策，并開啟設備聯動控制操作，有利于降低事故帶來的不良影響。車站綜合監控系統（見圖2）設計在車站控制或者客運中心，主要由數據服務器、局域網、值班工作站等構成，完成車站與鄰區之間各種機電及消防設備的監視及控制功能。停車場及車輛段的綜合監控系統設置在信息樓值班室，其結構與車站的大致相同，不同之處在于，因無乘客的服務需求，因此，無需將自動售檢票、乘客導向、屏蔽門等接口考慮在內。

2.2 系統網絡架構設計

系統的網絡架構使用設備層、線網及線路信息管理層、控制層，在線路信息管理層建立1號線綜合治理監控系統，在線網管理層建立相應的線網指揮平臺。為方便施工調試及開展運營管理，系統骨干傳輸網利用千兆工業級以太網，不僅可以減少中間不必要的環節、便于調試，也能有效進行擴展，滿足軌道交通綜合監管工作的實際需求。系統網絡的以太網交換機具有虛擬局域網功能，從而將系統及其相關接入系統劃分為相互獨立的虛擬子網，將各子系統劃分為相互獨立的虛擬維修子網，便于開展維修、監控信息管理工作[6]。

2.3 系統各功能設計與實現

系統主要功能包含用戶管理、操作記錄、設備管理等，如圖3所示。設備狀態信息頁：每一個設備信息均由設備屬性框展現出來（見圖5），所有具有設備監視權的用戶支持查看設備靜態或狀態信息，具備這個專業的維修人員方能對累計運行時間、故障報警信息實施清零處理。

②運營控制頁：全部擁有設備監視權的用戶支持查看操作場地，只有這一專業的調度及操作員方可支持控制設備，所有控制聯鎖關系通過模型自行判定，如圖6所示。

（1）主模板包含報警欄、菜單欄等內容，選站欄配置選站燈并采用各類顏色代表該站所處的報警狀態。

（2）用戶管理主要功能在于展示用戶名、時間、信息提示等內容；報警欄展現最新的報警信息，包含車站名稱、報警內容及等級、時間等。用戶只需在登錄界面輸入準確地用戶名及密碼，用鼠標點擊登錄按鈕即可進入軌道交通綜合監控系統，系統依據用戶權限展示相應的初始界面，見圖4。

（3）設備管理主要管理內容為機電系統的設備信息，這個體系建立標準的信息顯示模型及用來開展設備管理的接口。以射流風機為對象，具體操作如下：①靜態及

③設備維修信息及控制頁：只有專業的運營管理者方可對設備開展禁止、預維修時間設置等操作。

④高級控制頁：模型能夠自動判定數據點是否能開展禁止掃描、報警等操作；僅有專業的人員方可對數據點開展操作。

（4）報警功能旨在提示要求調度、操作及維修工作人員注意的信息，根據其重要性劃分為低級、中級、高級、緊急級；依據狀態性質分成確診、未確診；根據活動性質劃分為活動、恢復。報警功能支持對報警或事件進行確認等操作，借助站級狀態過濾可挑選已經發生告警、報警及緊急事件，篩選相應程度的報警。

（5）操作記錄功能有利于管理人員及工程師查詢各項操作記錄、系統各位置所有人員的操作，查詢條件包含起始時間、關鍵字、結束日期等，系統默認顯示這一天所用的操作內容。

（6）趨勢功能能夠展現實時或歷史趨勢情況，包含單組、雙組趨勢，可挑選已配置完成的趨勢組顯示出來。

（7）調試功能旨在為維修者提供一系列的調試操作，包含內核調試、標簽調試、IO設備狀態調試等。

3 人臉識別數據獲取

軌道交通綜合監控系統中使用人臉識別技術，在于自視頻圖像獲得一些人員的人臉圖像，依托于人臉數據庫的信息進行對比，依據未知與已知人臉相似情況，判定未知人員是否可能是重點人員[7]。根據識別服務器給出的結果，向本地監控終端及遠程控制中心輸出結果并發出報警。操作步驟如下。（1）人臉獲取：根據車站出入口或者換乘通道設計的攝像頭捕獲一些視頻圖像；采用視頻分析器對圖像流內的人臉進行檢測，開展背景分離處理，通過后續識別分析自動進行存儲。而攝像機的光照、安裝位置、是否遮擋等均影響人臉捕捉效果。（2）人臉特征提取、對比：綜合監控系統支持信息提取，獲得一系列屬性模式。在這種模式下，提取相應的面部特征，有利于預防光照、表情等因素對人臉識別的不良影響。人臉識別對比會在遠程監控中心實現，利用一對多比對方法，依托搜索重點人員人臉的數據庫，判定不同車站獲得的人臉是否有重點人員的數據庫。（3）報警輸出：本地設置的監控室及遠程監控中心設計報警設施及監控終端，依據人臉識別對比結果，如果出現可疑人員，可利用聲音、語音等進行報警。在此基礎上，對報警位置、時間等信息進行存儲，方便事后核查。綜合監控系統使用一系列設備，設備上有多種運行軟件，多種軟件、硬件組成完整的系統，包含高清攝像機、人臉識別服務器等，系統管理牽涉設備配置管理、日志管理等功能。

4 系統數據處理

當車站對數據進行處理時，中心主要功能在于匯總信息，車站向中心傳送相應的數據，主要機制在于訂閱或數據壓縮拷貝，這種做法有利于分散復合，對于中心服務器的要求比較低，未出現瓶頸，操作流程見圖7。

根據線路建設順序依次設計中央實時服務器及集群方法銜接，共采用歷史服務器、中央設計實時及全線歷史數據庫。

監控數據采集包含查詢、觸發兩種方法，通過事件代表數據量變化情況，且每一個事件均對應相應的存儲記錄，每一條記錄按照512個字節完成計算。假定每一個車站每日平均發生50 000個事件，會形成相應處理的存儲記錄[8]。必須注意，因歷史服務器的硬盤容量的限制，從原則上來說，歷史服務器僅保留1年的歷史信息?；诖?，為滿足運營例數數據存儲及日后查詢需求，設計的綜合監控系統要在中央設計磁帶機設備。加之，綜合監控系統中有待傳送的信息還包含各類維修信息，會通過事件觸發的方法傳送到維修中心，且每一個子系統的維修量不會大于5 Mbps。因大多數設備在相同時間出現概率的可能性比較小，基于此，各集成系統維修信息使用的傳輸網鏈路容量是10 Mbps。

5 結論

綜上所述，綜合監控系統具有穩定性高、實時性好、可靠性高等特點，支持開展數據的遠距離傳輸，并設計良好的人機交互界面，有利于對警報信息進行處理及解決。文中根據軌道交通綜合監控系統實際需求基礎上，設計系統的整體架構及網絡架構，詳細介紹系統各功能的設計及實現，便于更好地實現軌道交通監控與管理工作。