基于WonderWare的綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

MA Li, LIU Gao-yuan

0 引言

目前的監(jiān)控系統(tǒng)多是針對某具體系統(tǒng)或某類型設(shè)備進(jìn)行管理與控制，且各條線路信息不能互通，往往會(huì)形成信息“孤島”，無法對系統(tǒng)運(yùn)行情況特別是機(jī)電設(shè)備故障迅速定位分析處理，系統(tǒng)間聯(lián)動(dòng)效果較差，線路之間調(diào)動(dòng)困難[1]。

基于WonderWare的綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS，Integrated Supervisory Control System）正是應(yīng)軌道交通管理中共用設(shè)備、共享信息和統(tǒng)一管理這一需求而產(chǎn)生的一種解決方案。綜合監(jiān)控系統(tǒng)通過控制中心將各個(gè)車站機(jī)電相關(guān)子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來，通過集成和互聯(lián)各個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息和資源的充分共享，增強(qiáng)管理決策和信息服務(wù)的能力，并從整體上發(fā)揮出更大的作用，從而使城市交通系統(tǒng)運(yùn)營高效化、決策快速化、服務(wù)公眾化、信息網(wǎng)絡(luò)化，達(dá)到最佳運(yùn)行。

1 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能分析

綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）功能可以分為各系統(tǒng)通用功能以及子系統(tǒng)獨(dú)特功能。通用功能包括設(shè)備管理、網(wǎng)絡(luò)管理、信息管理、培訓(xùn)管理等功能。子系統(tǒng)按照所需的功能要求不同接入方式也不相同，可以分為集成和互聯(lián)兩種[2]。所有對子系統(tǒng)的操作完全通過綜合監(jiān)控系統(tǒng)的操作界面完成。一般集成子系統(tǒng)依賴綜合監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)正常操作功能?；ミB表明綜合監(jiān)控系統(tǒng)與子系統(tǒng)是采用松耦合的結(jié)構(gòu)，子

系統(tǒng)具有完整的操作界面和全套設(shè)備，可以脫離綜合監(jiān)控系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，完成正常和緊急操作。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

對于綜合監(jiān)控系統(tǒng)而言，提出兩級(jí)管理三級(jí)控制架構(gòu)[3]。具體的設(shè)控制中心和車站兩級(jí)管理，控制中心為主控級(jí)，車站為分控級(jí)?？刂平Y(jié)構(gòu)為控制中心、車站、現(xiàn)場三級(jí)控制。ISCS系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 ISCS系統(tǒng)架構(gòu)圖

中心監(jiān)控系統(tǒng)安裝在中心，具有控制、報(bào)警和畫面顯示等等功能。用于監(jiān)視全線各個(gè)車站的各個(gè)子系統(tǒng)全線范圍內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)，制訂全線的綜合決策，并與外部系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交互，完成中心級(jí)的操作控制功能。

車站監(jiān)控系統(tǒng)安裝在車站控制室，用于監(jiān)視本車站的各個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)功能，提供車站級(jí)的決策，完成車站級(jí)的實(shí)時(shí)信息采集、維護(hù)監(jiān)控和報(bào)警處理等操作控制功能[4]。

現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)安裝在車站各地控制點(diǎn)或數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，具體包括各類傳感器、執(zhí)行器、遠(yuǎn)程I/O模塊、接口模塊或設(shè)置等。

1.3 系統(tǒng)流程分析

系統(tǒng)中主要處理的大部分內(nèi)容就是各種各樣的數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)上行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)方向是以車站的FEP為源頭，同時(shí)向中心和車站（車輛段）服務(wù)器發(fā)送[5]。車站（車輛段）服務(wù)器收到本車站上行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理放入車站（車輛段）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，向車站（車輛段）的操作站的人機(jī)界面應(yīng)用提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)。中心服務(wù)器收到各個(gè)車站的上行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理放入中心實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，向中心和備用中心的操作站、復(fù)示工作站、大屏幕OPS的人機(jī)界面應(yīng)用提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)，同時(shí)向中心歷史服務(wù)器提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的周期快照。

通過授權(quán)檢驗(yàn)的操作人員通過操作員站發(fā)出的下行命令，發(fā)送到本地實(shí)時(shí)服務(wù)器（車站或中心），經(jīng)過有效性檢查（閉鎖/禁止/PTW）后，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到FEP，再采用相應(yīng)的通訊協(xié)議發(fā)送到相連系統(tǒng)中。在數(shù)據(jù)流的傳輸過程中，中心服務(wù)器和車站服務(wù)器處于同一層次，因此中心監(jiān)控操作不依賴于車站服務(wù)器，不但提高了響應(yīng)速度，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性[6]。

1.4 系統(tǒng)關(guān)鍵功能模塊設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

1.4.1 基于協(xié)作關(guān)系的權(quán)限管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)平臺(tái)上，各子系統(tǒng)以動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的方式相互協(xié)作，組成最小的協(xié)作單元。各子系統(tǒng)之間的協(xié)作關(guān)系和協(xié)作內(nèi)容由權(quán)限管理系統(tǒng)統(tǒng)一定制?；趨f(xié)作關(guān)系的權(quán)限管理系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)如下：

定義1 設(shè)系統(tǒng)支持m個(gè)子系統(tǒng)的業(yè)務(wù)協(xié)作。U＝{U1, U2, U3, …, Um}為有限集，對于任意子系統(tǒng)Uj∈ U，設(shè)Tm為子系統(tǒng)的類型空間，Tm＝{T1, T2, T3, …}。

定義 2 令 XUj＝ {Xm1, Xm2, …, XK1, XK2, …} 表示系統(tǒng)中子系統(tǒng)可以操作的功能構(gòu)建集。系統(tǒng)授權(quán)過程為Rx→u (Uj)。

定義 3 令 XUj(Ti)＝ {Xm1, Xm2, …, Xkw,… }，表示系統(tǒng)中任意聯(lián)盟Uj的協(xié)作類型Ti可以操作的功能構(gòu)建集，協(xié)作過程為：Rx→U→T(Ti)。

規(guī)則1 XUj(Ex)表示子系統(tǒng)Ex在聯(lián)盟Ui中操作權(quán)限。對其中某子系統(tǒng)Ex，如果fE→TUj(EX)≠?,表示子系統(tǒng)Ex擁有XUj(Ti)的操作權(quán)限，即XUj(Ti)?XUj(Ex)。

規(guī)則2 子系統(tǒng)Ex在聯(lián)盟Ui中可能存在Kx種協(xié)作關(guān)系，那么在聯(lián)盟Ui中子系統(tǒng)Ex的操作權(quán)限

對于系統(tǒng)平臺(tái)中任意子系統(tǒng)Ex的操作用戶，系統(tǒng)通過如下權(quán)限控制方法計(jì)算用戶操作權(quán)限：

1）系統(tǒng)獲取操作用戶信息userInfo和請求進(jìn)入聯(lián)盟Ui的UnionID；

2）根據(jù)userInfo得到子系統(tǒng)的EnterpriseID；

3）根據(jù)EnterpriseID和UnionID獲得子系統(tǒng)在聯(lián)盟中的協(xié)作關(guān)系集T；

5）系統(tǒng)根據(jù)用戶身份,獲取用戶權(quán)限列表X (Cxi)，并計(jì)算用戶權(quán)限。

1.4.2 BAS系統(tǒng)

BAS系統(tǒng)是為滿足和保證人員及設(shè)備運(yùn)行所需內(nèi)部空氣環(huán)境的關(guān)鍵工藝系統(tǒng)。操作員如果想要監(jiān)視或操作畫面、事件等可以通過CheckOperatorPermission（）函數(shù)，應(yīng)用層向數(shù)據(jù)處理層發(fā)出命令請求，數(shù)據(jù)處理層從數(shù)據(jù)接口層數(shù)據(jù)庫中獲得對應(yīng)權(quán)限后才能進(jìn)入相關(guān)界面。操作員或管理員通過ViewDeviceStatus（）、ViewEvent（）、MonitorDeviceStatus（）函數(shù)來查看或監(jiān)視BAS系統(tǒng)設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)事件等，數(shù)據(jù)信息經(jīng)過數(shù)據(jù)處理層到達(dá)應(yīng)用層的系統(tǒng)界面上[7]。BAS系統(tǒng)部分運(yùn)行控制界面如圖2所示。

1.4.3 PSCADA系統(tǒng)

每個(gè)車站設(shè)有相對獨(dú)立的變電所自動(dòng)化系統(tǒng)，負(fù)責(zé)監(jiān)控主變電站110kV和變電所33kV交流高、中壓系統(tǒng)1.5kV直流供電系統(tǒng)、0.4kV交流系統(tǒng)、接觸網(wǎng)系統(tǒng)、雜散電流監(jiān)視系統(tǒng)等。通過網(wǎng)絡(luò)完成其中央監(jiān)控功能和車控室的監(jiān)控功能。通過CheckOperatorPermission（）函數(shù)，應(yīng)用層向數(shù)據(jù)處理層發(fā)出命令請求，數(shù)據(jù)處理層從數(shù)據(jù)接口層數(shù)據(jù)庫中獲得對應(yīng)權(quán)限后進(jìn)入相關(guān)界面后通過每個(gè)類的ViewStatus（）函數(shù)查看電源、電壓、電流等信息并顯示出來，并進(jìn)行監(jiān)視或操作畫面、事件等。通過類的ViewAlarmStatus（）方法查看指定報(bào)警設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)，AlarmDeal（）函數(shù)完成對發(fā)生各種報(bào)警情況的處理。

圖2 BAS系統(tǒng)控制界面

2 結(jié)論

綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）有效解決了現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)分布孤立的局面，建立了一個(gè)一體化的系統(tǒng)信息共享平臺(tái)，為業(yè)主決策提供有力支持，保證了信息的及時(shí)快速傳遞[8]。系統(tǒng)特色：對基于平臺(tái)的權(quán)限控制算法進(jìn)行了研究和應(yīng)用并應(yīng)用在系統(tǒng)的權(quán)限管理中。

基于WonderWare系統(tǒng)平臺(tái)的地鐵系統(tǒng)監(jiān)控中的應(yīng)用，能夠有效地提高系統(tǒng)中設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，為設(shè)備數(shù)據(jù)分析和監(jiān)督提供了一種很好的手段。

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