城市轨道交通综合监控系统的技术发展
时间：2013-10-18
文 | 北京888贵宾会系统工程有限公司 李天辉 发表于《自动化博览》2013年第10期
摘 要：本文通过分析城市轨道交通综合监控系统的技术现状，结合自动化、信息化、智能化在工业应用中深度融合的趋势，指出城市轨道交通综合监控系统将在现有以实时监控为主要应用目的的基础上，通过引入多核并行处理、服务器集群、、移动应用等主流信息技术，将具备海量数据处理的能力，可满足用户不断增长的信息集成要求和信息安全要求，支撑和引领综合监控系统系统向智能化方向发展。最后，本文提出了一种新一代城市轨道交通综合信息管理系统的系统框架。
关键词：城市轨道交通、综合监控系统、综合信息管理系统
Abstract: Considering the trend of the deep convergence of automation, information and intelligence into the industrial applications, the state-of-the-art ISCS for urban rail transport is analyzed in this paper, through which it is pointed out that beyond the currently primary application of the real-time monitoring feature , the ISCS for urban rail transport will meet the increasing requirements of information integration and information security, by the introduction of predominant information technologies such as multi-core synchronization processing, server clustering, and mobile applications. A new-generation system framework of Integrated Information Management System for urban rail transport is presented at the end of the paper.
Key words: urban rail transit, integrated supervisory control system, integrated information management system
1 引言
随着我国国民经济的发展，已经进入到城市轨道交通的大发展时期，2011年我国已建成地铁480公里，2020年总里程将达6100公里。北京、上海、天津、武汉、大连、南京、重庆、青岛、沈阳、哈尔滨、杭州、苏州、成都、西安、长春等以及以广州和深圳为中心的珠江三角洲、长江三角洲地区都已经或将要陆续开工几十条地铁、轻轨线。到时候城市内甚至城市与城市之间，将组建成为一个庞大的地铁、轻轨网络。在这样一个轨道交通大发展的背景下，推动了各种新技术，特别是自动化技术与信息技术在轨道交通中的应用融合，有利于建成从运营自动化、单线路运营到线网运营管理及决策的完整的城市轨道交通自动化集成系统，符合城市轨道交通“人文交通、科技交通、绿色交通”的战略发展要求。
城市轨道交通综合监控系统（Integrated Supervisory Control System，简称ISCS）是指对城市轨道交通线路中所有电力和机电设备进行监控的分层分布式计算机集成系统，包含了内部的集成子系统，并与其他专业自动化系统互联，实现信息共享，促进城市轨道交通高效率运营。作为通用SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，即数据采集与监视控制系统）系统在城市轨道交通行业的具体应用，综合监控系统用系统化方法将各分散的自动化系统联结为一个有机的整体，实现轨道交通各专业系统之间的信息互通、资源共享，提高各系统的协调配合能力，高效地实现系统间的联动，提高了轨道交通的整体自动化水平，增强应对各种突发事件的应变能力，提高轨道交通的运营管理水平，提高轨道交通服务质量和服务水平，更好地为广大乘客服务，为建设数字化轨道交通打好基础，有利于改进轨道交通资源管理水平，提高经济效益。
按照IEC 62264（GB/T 20720）企业控制系统集成（Enterprise-control system integration）标准推荐的层次模型，SCADA系统正逐步与MES（Manufacturing Execution System，即制造执行系统）系统融合，逐渐从实时监控向工厂生产计划调度方向延展。同时，在我国“国民经济和社会发展十二五规划”中，明确提出“有序推进轻轨、地铁、有轨电车等城市轨道交通网络建设”和“推动信息化和工业化深度融合”。现有综合监控系统为工业化和信息化在轨道交通领域的深度融合奠定了基础，通过信息化可扩展综合监控系统的范围和提升综合监控系统的层次，支撑和引领综合监控系统向智能化方向发展，实现管控一体化。
2 综合监控系统的技术现状
2002年，北京地铁13号线首次实施“供电、环控和防灾报警综合监控自动化系统”。至今，深圳、广州、北京、上海、武汉、西安、成都、重庆、天津等地铁线路均设置了以供电设备监控和机电设备监控为核心的综合监控系统。综合监控系统一般以电力监控、环境与设备监控为核心进行集成；通过与屏蔽门、广播、闭路电视等系统进行界面集成，显示其系统信息的同时，具备对其底层设备的控制功能；另外，还与列车自动监控系统、时钟系统、火灾防护系统、乘客信息系统等系统进行互联，只接收相关信息，在必要的情况下，由人机界面推出窗口进行显示，而不进行控制。典型的综合监控系统构成如下图1所示，包括控制中心系统、各车站管理系统、停车场和车辆段监控系统、网络管理系统、设备管理系统以及培训管理系统等组成。
综合监控系统采用主备、冗余、分层、分布式C/S结构，分为车站级综合监控系统、中心级综合监控系统以及骨干网三层，实现为热备、冗余、开放、可靠、易扩展的计算机系统。系统提供的主要功能有：
1）ISCS基本功能：包括数据采集与处理、数据点管理、通用图形界面、监视、远程控制和操作、联动、报警和事件列表、雪崩过滤、时间同步、系统安全与权限管理、统计和报表、历史数据存档和查询、历史和实时趋势记录、冗余设备切换、系统备份和恢复、降级模式；
2）电力监控功能：
• 监视电力设备的运行状态，如开关位置、故障状态、电压、电流等；
• 通过单控、顺控命令对开关设备（例如750V、10KV开关设备）进行分、合操作；
• 对开关保护装置进行保护复归操作；
• 根据系统运行方式的需要，对供电系统设备的保护软压板进行投退操作；
• SOE事件记录、故障录波显示
3）环境与设备监控功能
• 远程控制功能。可对单个设备或成组设备进行单设备控制或系统组控，其中控制命令包括：风机的启动、停止控制；风阀开、关控制；照明回路合、分控制；电扶梯的启、停和方向控制；系统组控启动、停止控制等。
• 模式控制。模式控制属于一种特定的设备组控制，与基本的遥控功能相同。当发生阻塞或紧急状况时，通过模式的执行使设备按照预先定义的模式表按顺序启动响应的风机和风阀。例如：正常模式、阻塞模式、火灾模式、夜间模式等。
• 时间表控制。系统能够按照预先设定的时间表的控制内容，控制相应设备启动或停止。
4）火灾监控：监视火灾设备的状态信息及火灾报警信息；必要时进行相关系统的联动，使相关系统进入火灾模式。
5）其它集成互联系统功能，如行车监视、广播、乘客信息专用功能，以及网络管理、培训开发、设备管理、决策支持等专业化应用功能。
图1 典型综合监控系统的构成
现有的城市轨道交通综合监控系统，以实时监控为主要应用目的，实现电力调度、机电设备监控、车站运营状态监视等功能，在体系架构设计和接口方面主要侧重于实时设备监控和数据处理。现有综合监控系统软件主要分为侧重于HMI功能的中小型SCADA软件和大型轨道交通综合监控软件两大类，其中目前主流的、在具体工程项目中广泛使用的是第二类，这类大型综合监控软件典型包括国外厂商的SCADAsoft、RailEdge、WinCC OA（原PVSS）、SystematICS等，以及国内北京888贵宾会公司的MACS-SCADA、南瑞的RT21-ISCS等，这些产品都具有以下主要特性：
1）满足大型、复杂项目的应用要求并具有实际的城市轨道交通工程项目应用案例。
2）分为2大系列，一类来自于专业化轨道交通应用，为行业化定制开发应用产品；另一类来自于通用的大型SCADA系统软件平台，针对城市轨道交通进行行业化应用开发，并同时广泛应用于煤炭、油气田等其他SCADA应用中。
3）功能侧重于大容量数据处理，处理能力在30万点以上，核心是实时数据库和分布式数据通信。
4）支持分层分布式冗余结构。
5）采用中间件等技术，多数支持异构环境（Windows/Unix/Linux和x86/RISC服务器）。
综合监控系统软件大都采用平台化系统架构，如下图2所示，整个系统由数据接口层、数据处理层和人机接口层组成。
图2 综合监控系统软件的平台化系统架构
1) 数据接口层：主要用于数据采集和协议转换，由ISCS系统设备FEP完成，FEP对以数字信号接入的监控子系统进行数据交换及协议转换，同时FEP负责对ISCS与被监控对象的数据进行隔离，从而保证各子系统数据的独立性。
2) 数据处理层：用于实时数据及历史数据的管理，主要由中心服务器及车站、车辆段、停车场服务器构成，通过实时数据库和关系数据库来提供ISCS系统的应用功能。
3) 人机接口层：用于处理人机接口，主要由操作员工作站构成，通过从中心服务器及车站、车辆段、停车场服务器来获取数据，在操作站上显示人机界面，来完成各种ISCS系统的监控操作。
综合监控系统实现了常规通用SCADA系统的模块和功能，如下图3所示。主要组件包括分布式通信软总线、脚本、二次开发工具、接口与采集、实时数据库、报警、日志、历史数据、报表、操作命令、权限、安全管理、远程管理。模块间通过分布式通信软总线实现相互通信，并且通过模块的不同组合部署实现FEP、服务器和工作站的功能需求。
图3 综合监控系统软件的组成模块
3 综合监控系统的技术发展方向
作为以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统，综合监控系统可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。综合监控系统有着信息完整、提高效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势，现已经成为监控调度不可缺少的工具。
综合监控系统在开发过程中的一条重要理念应是要为用户提供一套易于扩展和使用的系统：开始规模很小，但不论从短期和长远的角度，都可以方便地根据用户的需求加以在线扩充。这样的设计理念才能保证系统不会过早地失去使用价值。但是，随着技术的发展、管控一体化和“信息化和工业化深度融合”以及管理的日益精细化，现有以实时监控为主要应用目的综合监控系统也无法完全满足地铁安全、高效运营管理的需要，特别是系统软件架构在调度、生产计划和工作流处理方面存在的先天不足已严重制约了系统从过程控制层向生产执行层和经营管理层的扩展，影响了从综合监控系统向智能化综合信息管理系统的发展。
为解决上述问题，综合监控系统需要在现有实时监控的基础上，结合迅速发展的信息技术，通过引入面向服务架构（Service-Oriented Architecture，简称SOA）、多核并行处理、平行扩展的服务器集群、移动应用、安全系统等成熟的IT技术，构建新一代的综合信息智能管理系统，满足国内外用户不断增长的信息化集成要求，提供良好的用户体验。
3.1 与信息系统一体化
绝大部分现有综合监控系统与上层生产调度和计划、质量管理、设备管理、安全管理、办公自动化等管理信息系统是分离的，或者仅有简单的从下向上的单向简单数据传输，无法与上层信息系统融合成为一个有机的统一体。按照发展新型工业和企业信息化的要求，自动化应该是集管理和控制于一体的，它包含低层的控制与高层次的管理的自动化。企业信息化对系统的自动化程度提出了更高的要求，它包含了从经营管理层、生产执行层、过程控制层直到现场设备层的全过程，涵盖了从传感器开始到整个系统优化运行的全部低层控制及高层管理。为保证整个控制过程中的所有有用的信息不沉淀和流失，便于实现实时协调，加强对上层决策的辅助支持，应建立全局化的概念，统一信息平台，克服“自动化孤岛”、“信息孤岛”现象，实现管控一体化的无缝集成。
整个系统应采用分层分布式系统结构，软件体系应采用模块化结构，构建为开放的可扩展的系统，以利于系统灵活配置、功能扩展和性能提升，支持企业可持续的业务流程重组，适应企业的改造与升级。综合信息管理系统中包含了实时控制信息和业务管理信息，系统应保证两类信息严格分开处理，防止互相干扰或影响。可在统一数据管理系统和数据服务软总线基础上，构建专业化的应用数据库、以实时监控为主的实时数据软总线和以运营管理为主的管理数据软总线，如下图4所示。专业化应用数据库包括设备数据库、实时数据库、历史数据库、报警数据库、地理信息数据库、决策支持数据库、多媒体流数据库等，这些数据库逻辑上形成统一的完整数据库，为整个系统提供基础的数据服务功能，物理上可独立管理和维护，互相之间通过数据软总线进行信息交换和协同处理。系统中以实时监控为主的应用将主要通过实时数据软总线进行通信，可确保这些应用的实时性和高可用性；以经营管理和运营优化为主的应用将主要通过管理数据软总线进行通信，获取管理所需的基础设备数据和现场运营数据，可确保这些应用所需的大数据量通信和数据挖掘优化运算。
图4 综合信息管理系统实现实时监控与运营管理的一体化
目前主流厂商能够的综合监控系统产品大都有10年以上的历史，较好地满足了系统可靠性、稳定性方面的要求，但是在技术的先进性方面有所欠缺，没有充分发挥信息技术发展和硬件提升带来的优势，导致拥有系统的总成本越来越高，包括系统更新、升级和修正错误等，当系统需要集成新子系统及功能时，在设计及测试上都十分困难。为实现实时监控与运营管理的一体化，综合信息管理系统需要管理的数量规模将从现有综合监控系统的30~50万点扩展到几百万点甚至千万点，数据类型也将更丰富和多样化。为适应这种变化，作为系统核心的服务器应用软件必须改变现有中心和车站服务器各自相对独立工作、中心或车站双服务器主备冗余的设计架构，而是采用可平行扩展的服务器集群技术，实现为分布式数据系统。分布式系统主要的作用就是平行扩展、海量存储、高性能运算和高并发支持，通过引入多核并行处理、可平行扩展的服务器集群技术，整个系统将具备海量数据处理的能力，可满足用户不断增长的信息集成要求。
在进行综合监控系统和上层管理系统的一体化架构设计时，还必须考虑如何复用企业现有的或已有的应用系统，以保护了现有的IT基础建设投资。SOA凭借其松耦合的特性，使得系统可以按照模块化的方式来添加新服务或更新现有服务，以解决新的业务需要。现有的综合监控系统大都以测点数据为中心进行设计，无法有效支持对视频、流媒体、地理信息数据以及工作流数据的存储、管理和应用，这将成为构建综合信息管理系统的瓶颈。通过采用SOA架构，可提供全面模块化和深度集成的系统架构，有利于系统的纵向集成，能保证底层数据按系统功能要求上传，并同时保证高层信息及时准确下达，不同信息都可在各应用间以标准、可扩展的方式进行交换、结合和应用，不同子系统内部的数据都可借助SOA中间件以被不同功能集成和应用。
3.2 安全系统
安全是指不因人、机、媒介的相互作用而导致系统损失、人员伤害、任务受影响或造成时间的损失。目前国内的综合监控系统大都没有按照安全相关系统进行设计和建设，缺乏系统的安全分析、危害识别和安全管理。随着综合监控系统的进一步发展，综合监控系统的安全性越来越得到重视和关注，安全问题不解决也将制约综合监控系统的发展和提升。
IEC61508国际标准规范了电气/电子/可编程电子安全相关系统软硬件生存周期的各个阶段的任务和目标，提供一个制定安全需求规范的方法，是进行轨道交通安全评估和论证重要的参考标准。在轨道交通领域，欧洲以IEC61508标准为基础，吸收该标准的精髓，制订铁路行业标准，它包括以下4个部分：
1）EN-50126铁路应用：可靠性、可用性、可维护性和安全性（RAMS）规范和说明；
2）EN-50128 铁路应用：铁路控制和防护系统的软件；
3）EN-50129 铁路应用：安全相关电子系统；
4）EN-50159铁路应用：通信、信号和处理系统。
综合监控系统应参照这些标准的要求进行设计、开发、制造、运营和维护，使得系统的安全完整性等级达到SIL2/SIL3。
3.2 移动智能系统
目前专网和公网无线通信技术已经非常成熟，并广泛应用各类自动化和信息化系统中。在城市轨道交通行业应用中，基于TETRA（Terrestrial Trunked Radio，即陆上集群无线电）的数字集群通信技术已在列车运营管理和控制系统中广泛使用。通过融合现有综合监控系统和移动通信系统，可为城市轨道交通的日常运营管理提供行车、电力和环控的本地和远程调度服务，以及移动维修调度、客流分析、节能分析、无线应急指挥等服务。综合监控系统通过深度集成无线通信系统，能实现现有综合监控系统的可移动化和远程服务能力，从而改变以往系统只能在车站和中心调度室固定终端上操作和使用的缺点，发挥移动增值独特优势，针对地铁维修人员提供移动维修功能，针对地铁火灾等紧急情况下提供应急预案管理、指挥和决策辅助功能，针对地铁调度人员和管理人员等提供基于平板电脑、智能手机或微型面板的移动监控终端，实现移动办公，有利于提升系统的智能化水平。
4 新一代城市轨道交通综合信息管理系统
为适应城市轨道交通综合监控系统的技术发展，北京888贵宾会公司作为国内最主要的系统集成商和自主知识产权综合监控系统软件提供商，提出了新一代城市轨道交通综合信息管理系统MACS-I2SCS的系统框架，从架构上建立信息集成统一架构，从技术上整合SCADA和管理系统，如下图5所示，并正在香港地铁广深港综合监控系统（香港段）项目上进行典型应用设计。
图5 新一代城市轨道交通综合信息管理系统统一架构
该系统平台的技术路线主要包括：
1）采用以服务为中心的SOA系统体系结构，通过SOA连接器可方便地把第三方系统或现在系统集成起来。SOA连接器是一种Web服务，采用WSDL描述接口，针对第三方系统或现在系统提供开发SOA连接器的框架和接口规范。
2）提供基于服务器集群的分布式数据服务，构建面向对象实时数据库，采用magent实现服务器集群扩展，支持Oracle和MySQL数据库，支持UNIX、LINUX和WINDOWS操作系统。
3）实现基于ESB的服务接口框架，消息中间件采用ActiveMQ。
4）采用基于HTML5的2D/3D人机界面，高实时性要求的应用以插件方式实现。
5）采用TETRA无线通信技术实现公网和专网的接入，提供基于平板电脑、智能手机或微型面板的手持移动监控终端。
6）按安全相关系统SIL2标准进行开发。EN50126/128/129 的 SIL2 就安全相关系统和软件的开发和审批对相应的职责、流程、文档和技术提出了明确的要求。
在新一代城市轨道交通综合信息管理系统MACS-I2SCS中，建立了自动化和信息化集成体系框架和接口规范，易于整合现有软件资产，提高软件复用性，降低成本，并且也为未来的扩展留下了空间。借助于MACS-I2SCS系统平台，可实现管控一体化，可在以下方面显著扩展综合监控系统的范围和智能化：
• 集成地理信息GIS数据，实现人员定位和资源优化组织，可以在地图中按地理位置显示现场设备对象，直观清晰地显示各个车站和整条线路的概览，从而可以对整个城市轨道交通综合监控系统进行轻松便捷地监视；
• 集成视频数据，通过智能视频分析结合GIS数据，可实现在重大公共活动、上下班高峰期或紧急事故情况下的换乘站、交通枢纽人流密度管理和人流安全疏导；
• 基于HTML5实现决策支持系统DSS，提供应急预案的管理和执行功能，在发生紧急情况时可以帮助操作人员做出决策；
• 安全可靠的通讯网络和统一协调的多模式信息发布，包括乘客信息系统、手持智能终端、信息显示屏等。
5 总结
现有的城市轨道交通综合监控系统，以实时监控为主要应用目的，实现电力调度、机电设备监控、车站运营状态监视等功能，在体系架构设计和接口方面主要侧重于实时设备监控和数据处理，在生产调度、生产计划和工作流处理方面存在架构方面的先天不足。在另一方面，由于IT技术的迅速发展，在现有系统之中没有实现的面向服务结构（SOA）、多核并行处理、服务器集群、负载均衡、平行扩展、移动应用等技术已经趋于成熟，可以引入到新一代综合信息管理系统之中，满足用户不断增长的信息化集成要求。以新一代综合信息管理系统为平台建立融合关键基础设施、安防和应急指挥、多模式通信等系统的城市轨道交通综合监控平台，可扩展综合监控系统的范围和提升综合监控系统的层次，支撑和引领综合监控系统向智能化方向发展，实现管控一体化。
[1] IEEE C37 1-2007 IEEE Standard for SCADA and Automation Systems
[2] GB/T 26335-2010 工业企业信息化集成系统规范
[3] GB 50636-2010 城市轨道交通综合监控系统工程设计规范
[4] 张慎明，王军，《新一代综合监控系统若干问题的研究和探讨》，现代城市轨道交通，2010年1月
[5] 王婷婷，汪文功，《现代城市轨道交通综合监控系统的设计理念》，自动化技术与应用，2010年第29卷第2期
[6] 仇庆林，《数字化、信息化、自动化煤矿展望》，现代企业教育，2009年6月下期
[7] 李斌，《基于GIS综合监控系统的研究与实现》，检测与控制，2010年6月
[8] 濮卫兴，车兆建，《城市轨道交通综合监控系统的RAMS管理》，城市轨道交通研究，2011年第8期
[9] 安英霞，基于SOA架构的牵引供电综合SCADA系统，电气化铁道，2011年第1期
作者简介
李天辉（1974-），男，高级工程师，1999年毕业于北京理工大学计算机与控制学院，专业为控制理论与控制工程，现在主要从事大型SCADA系统和DCS系统的设计、研发工作。
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