城市轨道交通自动化综合监控系统的集成模式(精).doc

城市轨道交通自动化综合监控系统的集成模式王开满 王 军 张慎明(国电南瑞 (北京 控制系统有限公司, 210013, 南京 ! 第一作者, 工程师摘 要 结合我国城市轨道交通自动化综合监控系统的特 点, 对综合监控系统的集成模式进行研究。分析、 比较了集 中式、 分布式和分层分布式三种集成模式的系统结构、 优缺 点及其适用工程, 指出分层分布式集成模式是当前国内建设 综合监控系统时采取的主要形式。充分吸取这种模式的优 点, 将有助于开发具有自主知识产权的综合监控系统。 关键词 城市轨道交通, 综合监控系统, 操作控制中心, 集 中式中图分类号 U 231+.92Inte g ration M ode of UM T Autom ation Su p ervision C ontro l S y ste mW an g K ai m an , W an g Jun , Zhan g S hen m i n gA bstrac t C om b ined w ith the characteristics o f inte g rated and su-p erv is ion contro l s y stemin urban m ass trans it autom ation , th is p a p er ana l y ses and com p ares three m odes in s y stemarch itecture and com -p o s ition , the ir stron gp o int sho rtcom in g and the feas ib ilit y o f each m ode , p o ints out that the h ierarch ica ll y d istributed inte g ration m ode is the m o stl y used one in current inte g rated and su p erv is ion contro l s y stem.T he autho rs ar g ues that if the advanta g e o f th is m ode is f u l-l y used , it m a y deve lo p an inte g rated and su p erv is ion contro l s y stem w ith our ow n inte llectua l p ro p ert y .K e y words urban m ass trans it , i nte g rated and su p ervis ion con-tro l s y ste m , o p eration contro l center , i nterconnection , central-izedF rist-aut hor s address NAR I-T echno lo gy (B e i j i n g C ontro l S y ste m C o. , L td , 210013, N an j i n g , Ch i na1城市轨道交通综合监控系统的特点 城市轨道交通的运营管理自动化涉及众多厂家 的大量机电设备和复杂的子系统, 其综合监控系统 是典型的自动化系统集成项目, 具有如下特点。 1. 1监控范围广受政治、 经济、 文化等诸多因素的影响, 城市轨 道交通线路一般按地理分布于整个城市之中, 车站 有几个到几十个不等, 长度绵延数十公里, 乃至数百 公里; 有的直线走向, 有的构成环线, 有的按地形地貌曲折蜿蜒; 线路上设立的车站距离间隔也不等, 还 有停车场、 车辆段、 变电站、 冷站等。这些地方布置 有各种专业的设备在运行 1。对这些地理位置分 散、 距离远近不一的设备都应该纳入综合监控系统 的范围。1. 2专业和设备多样化城市轨道交通的实际运营需要多个专业的协调 配合, 具 有 代 表 性 的 系 统 包 括:电 力 监 控 系 统 (PSCADA , 环境和机电设备监控系统 (BA S , 自动 列车监控系统 (AT S , 火灾报警系统 (FA S , 自动售 检票 (AFC 系统, 乘客信息与导向系统 (P I D S , 通 信系统 (包括公务通信、 调度通信、 无线通信、 数字传 输、 广播系统 (PA 、 闭路电视系统 (CCTV 、 时钟系 统 (CLK 等 , 屏蔽门监控系统 (PSD , 防淹门监控 系统 (FG , 门禁系统 (ACS 等。各专业的设备也多 种多样, 如远程传输单元 (RTU 、 可编程逻辑控制 器 (PLC 、 阀门、 风机、 接触网、 直流屏、 排流柜等。 综合监控系统可以统一、 高效地管理和监控多种系 统及设备。1. 3数据量大反映监控规模的一个指标是数据库容量。以 PSCADA 为例, 通常一个车站变电所所处理的有效 I /0点数在 2000左右; 如果再加上联锁运算和其他 辅助处理所产生的系统内部点, 一条轨道交通线路 的 PSCADA 监控数据库规模将达到几万个物理点。 而轨道交通综合监控系统涉及的子系统众多, 一般 物理点将达到几十万个, 甚至百万数量级。1. 4通信复杂这主要表现在两个方面:一是通信网络有多种。 因为城市轨道交通线路在地理上分散, 决定了其综 合监控系统骨干网是一个广域网; 此外还有车站或 专业内部的局域网、 现场总线网、 无线通信网等。二 是通信网络上的信息复杂, 不仅有数据流, 还有音 频、 视频信息。1. 5两级调度三级控制 两级调度指的是中心和车站两级调度; 三级控 制指的是中心、 车站和就地三级控制。一般综合监 控系统包括中心和车站两级调度、 控制, 就地级控制 不在综合监控系统的范围之内。这是城市轨道交通 综合监控系统有别于一般的监控和数据采集 (SCA -DA 系统和数据通信系统 (DCS 的最大应用特点。 在实际城市轨道交通建设项目中, 还有可能出现管 理局部几个临近车站的区域分中心。而当城市形成 轨道交通网络体系以后, 也可能出现管理几条线路 的指挥控制中心 2。OCC 即操作控制中心, 是城市轨道交通的管 理、 调度中心, 其职责是保证一条线路完整运营、 统 一管理, 同时负责与上一级管理的接口。通常把位 于 OCC 的综合监控系统称为中央级综合监控系统 (C I SCS , 把位于车站的综合监控系统称为车站级 综合监控系统 (S I SCS 。 C I SCS 通过通信骨干网将 各 S I SCS 信息汇集到 OCC , 从而完成中心级的调 度、 控制功能, 实现全线多系统的综合监控。 S I SCS 通过车站局域网络将现场级的信息汇集到车站, 从 而实现车站级的综合监控。! 综合监控系统的集成模式! #概述随着经济和技术的发展, 对城市轨道交通的安 全性、 舒适性提出了更高的要求, 管理人员也要求更 加简单、 直观、 全面地掌握系统的运行状态。城市轨 道交通自动化系统已经可以采集整个线路的信息数 据。但是调度员希望这些大量的数据能够以合适的 方式体现, 并帮助决策过程, 让调度员以明白的方 式, 在方便的地方得到真正需要的数据。信息和集 成这两个词基本描述了当今城市轨道交通自动化系 统正在发生的变化 3。信息化表明了综合监控系 统已经不仅仅是一个以数据采集和控制功能为主的 SCADA 系统, 而是一个充分发挥信息管理功能的综 合平台系统。综合监控系统不仅具有常规的监控功能, 包括 数据库管理、 I /O 处理、 设备状态和告警指示、 控制 功能、 处理优先级、 计算、 报警管理、 事件记录、 数据 点的抑制 /禁止、 雪崩过滤、 状态概况、 报表、 趋势、 设 备标签、 脱离扫描、 手动超驰、 指导 /帮助、 响应程序、 时间表调度、 模式控制、 群组控制、 屏幕拷贝、 时间同 步、 通道管理、 存档要求、 控制地点显示、 权限管理、 通用的 MM I 、 打印管理、 系统的备份 /恢复、 组态维护、 联动功能等, 而且还应具有拓扑分析、 软件测试、 培训管理、 设备管理、 决策支持等高级应用功能。 综合监控系统的目标是实现城市轨道交通各自 动化系统之间的信息互通、 资源共享, 彻底消除自动 化信息孤岛, 实现整个系统范围内的联动功能, 从而 提高运行管理和运营质量, 降低运行和维护成本。 综合监控系统提供了从现场到设备、 从设备到 车站、 从车站到整个线路, 甚至从整个线路到整个城 市的轨道交通网络的完整信息通道。这些信息充分 体现了全面性、 准确性、 实时性和系统性。在综合监控系统中, 这些信息分别存储于实时 数据库和历史数据库之中。实时数据库用来存取实 时信息, 是数据的汇集中心。实时数据库包括数据 库定义、 数据库实体和数据库访问三要素。实时数 据库由数据库管理系统和数据库实体组成。数据库 管理系统用来定义数据库的模式, 生成数据库实体, 提供数据库的访问, 以及对数据库实体进行并发、 加 锁等管理; 数据库实体是系统中用来存放数据的内 存空间 4。实时数据库是综合监控系统软件的核 心, 它分布在中心、 车站和车辆段等各个服务器上, 通过系统软总线连成一个 “大” 数据库。目前, 根据 实时数据库实体在综合监控系统各服务器中的分 布, 综合监控系统大体有集中式、 分布式、 分层分布 式三种不同的集成方式。! ! 集中式在这种体系结构中, 通常在 OCC 配置中心服务 器用于驻留实时数据库, 车站不配置服务器, 各个相 关子系统直接和中心监控系统交换信息。其系统结 构如图 1所示。C I SCS 是热备、 冗余、 开放、 可靠、 易扩展的计算 机系统, 是由冗余的中心局域网络、 实时服务器、 历 史服务器、 前端处理器 (FEP , 以及磁盘阵列、 磁带 记录设备、 调度员工作站、 打印机、 路由器、 交换机、 在线式后备电源 (UPS 和大屏幕系统等组成。 中心服务器包括实时服务器和历史服务器。中 心实时数据服务器是系统的核心, 具有对全线数据 的分析、 处理、 存储能力。一般中心服务器宜采用 4位 U ni x 操 作 系 统, 历 史 服 务 器 以 ORACLE 、 S y base 等大型商用数据库为平台。由于控制中心具 有全线实时和历史数据, 可以实现各种复杂的逻辑 联锁关系。综合监控系统骨干网 (M BN 是一个地理上分散 于 O CC 、 各车站和车辆段的广域网, 是连接中央和车 85站级局域监控网的主干, 将 C ISC S 、 S ISC S 连为一体。 M BN 可以独立建设, 也可以由轨道交通信息传输骨 干网提供传输通道带宽。如广州地铁 5号线的 M BN 是单独建设的千兆工业级以太网, 北京地铁 5号线的 M BN 则是由通信专业提供的百兆带宽。S I SCS 的主要设备有路由器、 值班员工作站、 车 站局域网络等。车站工作站通过 M BN 访问中心服 务器。通过权限的灵活配置, 车站值班工作站只能 对本车站所辖范围内的设备实际操作和管理。车站 级的联锁必须通过中心服务器完成。现场设备通过工业控制网络和总线方式 (如 M od-、 DH+等 与该级的主 PLC /RTU 连接, 所有现场设 备的状态则通过该级的 PLC /RTU 传输到控制中心, 子系统的逻辑连锁关系由主 PLC /RTU 执行。图 1集中式综合监控系统结构图这种集成模式的优点在于:1 各车站不配置服务器, 硬件投资较少;2信息的高度集中, 从而系统结构相对简单, 控制对象相对比较少, 便于安装、 调试和维护工作; 3 一定程度上减轻管理人员的工作量, 降低运 营成本;4 数据一致性容易实现, 所有的数据均经过中 心服务器, 由服务器统一进行处理、 保存; 对于操作 员工作站, 所有的数据均来自唯一的服务器组, 可以 保证相同类型操作员站显示的数据完全一致; 5这 种 集 成 模 式 强 调 的 是 OCC 的 重 要 性, C I SCS 无论在实时性还是在高级应用等功能的运用 上都有较好的体现。这种集成模式的缺点也很明显:1在这种结构中, 中心服务器是系统的瓶颈, 一旦服务器损坏, 上下的数据交换就完全停止, 在可 靠性指标核算时, 服务器环节是串联在系统中的;2 S I SCS 没有实时库, 监控的实时信息都要从 OCC 实时数据库内获取, 对实时数据的并发访问、 网络负载以及访问速度等方面均有不利影响;3 由于信息的高度集中, 对 OCC 实时数据库 在容量、 性能和可靠性等方面的要求非常高;4 整个 I SCS 的耦合度很高, 不利于系统的扩 展。总之, 这种形式的综合监控系统可以适用于以 下工程:1控制对象少、 结构相对简单、 投资总额低的 轻轨工程;2 适合于车站不需要当地监控系统的情况, 如 无人值班的变电站综合自动化, 而对环控和消防等 其它需要当地监控的子系统不太适合。! #分布式在这种体系结构中, 采取纯分布式数据库方式, 在 OCC 不配置全局的实时数据库, 而在各个车站均 95配置主、 备冗余的实时数据库, 存储该车站的所有实时信息。在 OCC 、 车站的其它设备与集中式基本相同, 如图 2所示。 图 2分布式综合监控系统结构图这种 I SCS 集成模式具有如下特点:1具 有 很 强 的 分 布 性, 在 任 何 一 个 车 站 或 OCC , 在授权的情况都具有中央和车站监控系统的 功能, 车站和 OCC 的监控功能可灵活配置。 2 对实时数据容量的要求较低。因为 I SCS 的 测点很多, 如果全部集中到同一实时库, 势必要求数 据库容量很大, 达到几万甚至几十万点 5, 而如果 把实时数据库细化、 分布到每一个车站, 则对单个车 站的数据容量要求并不是非常高。3 有效地保证了数据库的一致性。因为任何一 个实时数据在 IS C S 系统中只存在于一个地点, 各个子 系统的数据仅仅需要送到车站服务器实时数据库。4 由于 OCC 没有实时数据库, OCC 的实时数 据都要从分布于各个车站的实时数据库中获取, 对 网络的带宽要求较高, 会降低 OCC 监控系统的实时 性。另外, 如果要获取全线的实时信息时, 速度可能 会比较慢。5 这种集成模式降低了 OCC 的重要性。因为从系统功能上看, 任何一个车站均可具有 OCC 的实 时部分的功能; 一旦发生故障或灾害, OCC 也可降 级到任何车站运行。目前国内城市轨道交通自动化领域采用这种集 成模式的工程较少。! #分层分布式目前计算机、 网络、 数据库等技术的发展, 使得 I SCS 完全可以采用物理和逻辑分开的数据组织形 式, 实现系统范围内任意的数据库分布, 完成冗余、 均衡负载等许多柔性的数据库结构。分层分布的集 成模式就是综合运用了包含控制技术、 计算机技术、 网络技术和数据库技术在内的现代科学技术, 是分 布与集中相结合的模式, 服务器在控制中心和车站 分散布置。这种模式对上述分布 式 模 式 进 行 了 改 进, 在 OCC 配置两台主备冗余的全局实时数据服务器。 而与集中式模式的最大区别在于, 车站设置了综合 监控服务器, 负责本车站范围内的行车调度和设备 06管理; 另外, 其 OCC 全局实时数据库只存放 OCC 全 线监控所需要的实时信息, 而不是存放所有的实时 信息。而在 OCC 、 车站的其它设备与集中式基本相 同。系统结构如图 3所示。图 3分层分布式综合监控系统结构图采用这种集成模式的 I SCS 完全遵循两级调度 三级控 制 的 原 则。 C I SCS 和 S I SCS 均 是 热 备、 冗 余、 开放、 可靠、 易扩展的计算机系统, 正常情况下以 中心级为主; 在发生故障或灾害时, OCC 也可降级 到任何车站运行。C I SCS 通过 B 将全线各车站、 车辆段的监 控信息汇集到控制中心, 从而实现多系统的综合监 控。这些信息包括 PSCADA 、 BA S 、 AT S 、 FA S 、 PSD 、 FG (防淹门 、 PA (公共广播 、 CCTV 、 P I D S 、 AFC 、 C 等子系统。 C I SCS 对全线重要监控对象的状 态、 性能等数据进行实时的收集处理, 通过各种调度 员工作站和大屏幕以图形、 图像、 表格和文本的形式 显示出来, 供调度人员控制和监视; 并且根据一定的 逻辑关系自动向分布在各站点的被监控对象或系统 发送模式、 程控、 点控等控制命令, 或由调度员人工 发布控制命令, 从而完成对全线环境、 设备和客流信 息的集中控制。S I SCS 通过车站局域网络, 将车站的各有关机 电系统集成在一起, 包括 PSCADA 、 BA S 、 FA S 、 PSD 、 FG 等子系统现场层的接入, 也可以与 PA 和 CCTV 等子系统互联, 使它们协调工作 6。任何一台工作 站的硬件配置相同, 均可实现车站的全部功能, 运行 环境为 W i ndow s 或 U ni x 平台的操作系统, 通过不 同用户标识登录, 获取不同的操作权限, 并激活友好 的人机界面 (I , 实现图形化显示、 对话管理和 信息编辑等功能。当 S I SCS 工作在正常状态时, 各被监控系统的 数据将被 S I SCS 读取、 存储和处理并生成相应的报 表; 同时通过与车站级互联的 B , 将中心级监控 所需 的 车 站 级 各 种 状 态 信 息 等 相 关 数 据 上 传 至 C I SCS , 由控制中心具体操控各被监控对象, 控制命 令由中心级直接下达到执行级。除需车站级控制的 16城市轨道交通 研 究 命令外， 车站级仅起状态监视和命令复示作用， 无控 制权。当中心级或骨干网络发生故障无法正常工作 时， 车站级仍可对车站范围内的环境、 设备继续进行 控制。 现场 级 是 由 PSCADA 、 BAS 、 ATS 、 FAS 、 、 PSD 等子系统的现场 FG 、 、 PA CCTV 、 DS 、 PI AFC 、 C 层设备组成。这些子系统与 CI SCS 或 SI SCS 互联。 它们位于各监控对象附近， 起接口转换、 信息采集、 传送、 汇聚、 命令接受、 执行和反馈作用。一般采用 工业控制网络和现场总线、 分散控制结构、 自律式控 制器保证系统的安全可靠。 这种集成模式的特点在于： 既让数据库分布 1 ）克服了前两种模式的缺点， 式配置， 同时又提升了 OCC 的实时性和重要性。 又具有 2） OCC 和车站的监控功能既相对固定， 在I SCS 系统故障时的灵活指定， 保证关键任务的 正常运行， 兼有分布和集中的优点。 每个 3 ）以车站为单位将全线划分若干 SI SCS ， 系统相对独立， 因此系统 SI SCS 中有完整的软硬件， 具有较高的可靠性和可维护性、 扩展性。 4 ） SCS 与 CI SCS 的信息交换仅限于车站子 SI 系统中变化信息 （参数） 因此网络数据流量可能相 ， 对较小。 实现车站级的逻辑 5 ）便于与其他系统的连接， 联动。 既可以在 OCC 集成与互联 6 ）系统结构灵活， 子系统， 也可以在车站集成与互联子系统。在图 3 所示 的 典 型 I SCS 中， OCC 互 联 了 AFC 、 、 在 TA 、 、 、 、 等子系统， 在车站集成 PI DS ATS PA CCTV C 与互联 了 FAS 、 ACS 、 、 、 、 PSD FG PA CCTV 等 子 系 统， 同时I SCS 深度集成了 PSCADA 、 BAS 子系统。 7 ）每个 SI SCS 具有自己完整的网络设备和主 ! 年 # 备服务器系统， 因此具有强大的分析、 处理和存储数 据能力， 适用于控制和监测对象相对复杂、 子系统 多、 集成度要求高的地铁工程。 8 ）由于整个系统使用了较多的网络设备和服 务器系统， 可能会带来投资稍大、 工程造价增高等问 题。 但在这种集成模式中， 由于全局的实时信息在 两个地方可能存在数据的一 OCC 和各车站均存放， 致性问题。可从两个方面解决上述问题： 1 ）各子系统的实时信息分两路向车站和 OCC 直送， 而不是先送车站， 再从车站服务器向 OCC 转 发； 2 ）提高网络通讯的可靠性和实时性。 在国内的轨道交通综合监控系统项目中， 目前 普遍采用这种集成模式， 如广州地铁5 号线、 北京地 铁5 号线、 深圳地铁 1 号线等。在研究开发具有自 主知识产权的综合监控系统过程中， 也应该重点借 鉴分层分布的集成模式。 参考文献 魏晓东. 城市轨道交通自动化系统与技术 M 北京： . 电子工 1 业出版社， 2004 . 王开满， 张慎明， 江平. 轨道交通自动化监控系统的特点及其 2 发展趋势 J 城市轨道交通研究， （ ） . . 2006 2 ： 1 吴新平， 董德存. 城市轨道交通信息集中监控系统的设计与实 3 现 J 城市轨道交通研究， （ ） . . 2005 4 ： 47 王开满， 姚建国， 苏强. 分布式对象技术及其在实时数据库中 4 的应用 C ! 中国电机工程学会 电力 系 统自 动 化 专业 委 员 . 会. 2004 年全国电力系统自动化学术交流研讨大会论文集. 南京： 国电自动化研究院， 2004 ： . 122 徐 杰， 春 煌， 平. 城 市 轨道 交 通系 统 信 息共 享 平 台 研 究 刘 李 5 城市轨道交通研究， （ ） . J . 2005 2 ： 35 湛维昭. 地铁机电系统综合集成平台的设计 J 都市快轨交 . 6 通， （ ） . 2006 2 ： 81 （收稿日期： 2006 -09 -12 ） 上海轨道交通11 号线开工， 全长58 .97 k m 随着嘉定北站打下第一根工程桩， 上海市轨道交通 11 号线北段工程正式启动全面建设。这条全长 58 .97 k m 3 月1 日， 的线路建成后， 将成为上海轨道交通运营里程最长的线路， 把浦东新区和嘉定区一线相连。今后， 居住在三林的居民想去看 赛车， 乘坐轨道交通只需1 h 左右。轨道交通11 号线北段工程首次出现主线和支线的分叉线路， 在嘉定新城站分线。其 F1 中主线向北延伸， 46 .16 k m ， 长 北起嘉定区城北路， 跨越嘉定区、 普陀区、 长宁区、 徐汇区和浦东新区五个行政区， 南至上南路； 嘉定新城站、 南翔站、 祁连山路站、 上海 支线向西延伸， 由嘉定新城站经上海赛车场至安亭， 12 .81 k m 。全线共设嘉定北站、 长 西站站、 曹杨路站、 江苏路站、 徐家汇站、 上海体育馆站、 浦东济阳路站、 三林站等 27 座车站； 其中地下车站 18 座， 地面车站 9 座。按计划， 即从嘉定城北至长宁区的江苏路， 20 座车站， 45 .1 k m ， 共 长 建 2010 年世博会前将先建成11 号线北段一期工程， 成后直接为举办上海世博会和上海国际赛车场的运营提供便捷的交通服务。而从江苏路到浦东三林站的剩余 13 .87 k m 线 路， 计划将于2012 年前完工。 （摘自2007 年3 月2 日 解放日报作者： ， 陈汶鑫） 62 城市轨道交通自动化综合监控系统的集成模式 作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 被引用次数： 王开满， 王军， 张慎明， Wang Kaiman， Wang Jun， Zhang Shenming 国电南瑞,北京,控制系统有限公司,210013,南京 城市轨道交通研究 URBAN MASS TRANSIT 2007,10(3 17次 参考文献(6条 1.湛维昭 地铁机电系统综合集成平台的设计期刊论文-都市快轨交通 2006(02 2.徐杰;刘春煌;李平 城市轨道交通系统信息共享平台研究期刊论文-城市轨道交通研究 2005(02 3.王开满;姚建国;苏强 分布式对象技术及其在实时数据库中的应用 2004 4.吴新平;董德存 城市轨道交通信息集中监控系统的设计与实现期刊论文-城市轨道交通研究 2005(04 5.王开满;张慎明;江平 轨道交通自动化监控系统的特点及其发展趋势期刊论文-城市轨道交通研究 2006(02 6.魏晓东 城市轨道交通自动化系统与技术 2004 本文读者也读过(10条 1. 韩玉雄.丁建中.Han Yuxiong.Ding Jianzhong 城市轨道交通综合监控系统的实时性设计期刊论文-城市轨道 交通研究2008,11(10 2. 张发明.王颖.Zhang Faming.Wang Ying 北京地铁10号线综合监控系统简介期刊论文-城市轨道交通研究 2007,10(1 3. 王开满.张慎明.江平.Wang Kaiman.Zhang Shenming.Jiang Ping 轨道交通自动化监控系统的特点及其发展趋势 期刊论文-城市轨道交通研究2006,9(2 4. 王佳.王程程.张雷 地铁综合监控系统中FAS与BAS设计方案探讨期刊论文-电气应用2009,28(8 5. 李中.Li Zhong 地铁综合监控系统应用技术研究期刊论文-城市轨道交通研究2008,11(10 6. 巩大力.虎啸.GONG Da-li.HU Xiao 城市轨道交通综合监控系统前端研究期刊论文-铁道运输与经济 2009,31(1 7. 温玉君.戴孙放.Wen Yujun.Dai Sunfang 综合监控系统在城市轨道交通工程中的应用期刊论文-城市轨道交通 研究2010,13(9 8.