城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新與實踐研究

孫 斌

（北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責任公司 北京 100855）

0 引言

綜合監(jiān)控系統(tǒng)作為城市軌道交通體系的重要控制系統(tǒng)，是保障城市軌道交通安全運營的基礎(chǔ)內(nèi)容，行車指揮則是綜合監(jiān)控系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。 考慮到我國各個省會城市開展大規(guī)模的城市建設(shè)，城市軌道交通建設(shè)與控制將會成為省會城市未來發(fā)展的重要研究話題，有必要行車指揮下的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)展開詳細分析。

1 城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)研究必要性

在21 世紀初，我國超一線城市為提升城市發(fā)展活力，擴大交通系統(tǒng)運行能力，開始建設(shè)大規(guī)模的城市軌道交通，以電力調(diào)整與環(huán)境調(diào)整為設(shè)計核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，是當時主流設(shè)計思路。 其本質(zhì)是環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（building automation system，BAS）與電力監(jiān)控系統(tǒng)（power supervisory control and data acquisition，PSCADA）的組合設(shè)計。 在城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)實際運行中，會和閉路電視、乘客導(dǎo)向、列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（automatic train supervision，ATS）等功能系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互。 受限于當時的綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)局限性，功能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互的行為本質(zhì)上只是由綜合監(jiān)控系統(tǒng)單方面向功能系統(tǒng)提供例如硬件設(shè)備工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息。 隨著城市快速發(fā)展，城市軌道交通需要處理海量的數(shù)據(jù)信息，以電力調(diào)整與環(huán)境調(diào)整為設(shè)計核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)階段的綜合監(jiān)控系統(tǒng)的云應(yīng)用需求。 而有關(guān)城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的各類應(yīng)用技術(shù)在近些年得到快速發(fā)展，為供電、機電等機械設(shè)備提供更可靠的信息化管理條件，可以探索綜合監(jiān)控系統(tǒng)的信息化升級，實現(xiàn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一化管理。 根據(jù)城市軌道交通的運行需求，在人機交互界面實現(xiàn)統(tǒng)一化操作，是當前城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新與實踐的重要研究方向［1］。

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

2.1 設(shè)計思路分析

2.1.1 城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)運行需求

對于城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計思路，需要分析現(xiàn)階段的城市軌道交通運營管理真實需求。 多個功能系統(tǒng)協(xié)同合作，即多系統(tǒng)聯(lián)動，是保障城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定運行的核心內(nèi)容，即在綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中，需要保證可以順利實現(xiàn)聯(lián)動功能。 可以根據(jù)現(xiàn)階段城市軌道交通的運營管理規(guī)章制度，設(shè)計在不同條件的運營場景需求。 比如在啟動城市軌道交通運營系統(tǒng)后，需要進行一次全系統(tǒng)的自檢作業(yè)，包括BAS、PSCADA、ATS 等都需要以報警態(tài)的方式進行自檢。 通過檢查后，再對信號系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、火災(zāi)信息等進行詳細檢查，如果出現(xiàn)報警信息，需要及時將問題信息發(fā)送至人工調(diào)度臺，由調(diào)度技術(shù)人員采用人工方式進行處理，并對當天的城市軌道交通運營計劃部分細節(jié)內(nèi)容進行調(diào)整。 判斷當天是正常工作日、節(jié)假日或其他日期，選擇相應(yīng)的時間模式，確認具體的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)。 在完成各種機械設(shè)備的自檢后，正式開啟城市軌道交通。 可以認為，城市軌道交通的運營管理主要涉及早間開站、晚間關(guān)站兩個重要時間節(jié)點，以及正常運營與異常運營兩種運營情況等內(nèi)容。 在對城市軌道交通運營場景進行分析后，可以發(fā)現(xiàn)城市軌道交通核心為運輸，涉及作為運輸目標的人，以及作為運輸載體的車。 在車輛運行過程中，需要通過信號系統(tǒng)進行有效指揮，為車輛安全運行提供安全保障。 而ATS系統(tǒng)可以為調(diào)度技術(shù)人員、值班人員提供當前車輛運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息，可以讓城市軌道交通運營獲得更為強有力的技術(shù)條件，在設(shè)計城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)時，需要將ATS 系統(tǒng)進行合理應(yīng)用。

2.1.2 城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容

在大量的數(shù)據(jù)分析、國內(nèi)外城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)對比中，許多優(yōu)秀設(shè)計內(nèi)容都是將行車指揮作為綜合監(jiān)控系統(tǒng)的核心內(nèi)容使用。 在對城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)計時，可以在保持中心、車站、現(xiàn)場三級控制模式，以及中心、車站兩級管理模式的原設(shè)計基礎(chǔ)上，針對中心級機械設(shè)備與核心級機械設(shè)備的相互關(guān)聯(lián)展開相應(yīng)分析。 對于中心級機械設(shè)備，涉及實時服務(wù)器、包含磁盤陣列的歷史服務(wù)器、信號通信前端處理器（front end processor，F(xiàn)EP），以及若干的工作站；對于核心級機械設(shè)備，涉及服務(wù)器、信號通信FEP、綜合監(jiān)控FEP，以及若干的工作站。 對于中心和車站通信模式，使用獨立光纖＋以太網(wǎng)，構(gòu)成工業(yè)級別的以太環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)模式，滿足數(shù)據(jù)信息的快速、精準傳輸［2］。

2.2 方案實施對策

2.2.1 方案實施基礎(chǔ)內(nèi)容

對于城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)方案實施，可以細化為軟件系統(tǒng)與服務(wù)器兩個方面。 對于軟件系統(tǒng)，考慮到在以往使用的綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺軟件，是以UNIX 系統(tǒng)作為設(shè)計工具，ATS 軟件是以操作系統(tǒng)作為設(shè)計工具。 為合理提升城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的后期維護效率，需要對綜合監(jiān)控系統(tǒng)的核心系統(tǒng)進行平臺移植，全部以操作系統(tǒng)進行設(shè)計。 對于大量機械設(shè)備的操作界面，也采用統(tǒng)一化處理，結(jié)合相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫融合，實現(xiàn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)功能的有效整合。 由此生成的數(shù)據(jù)總線開發(fā)需求，也采用重新開發(fā)設(shè)計方案，讓數(shù)據(jù)總線可以適配于城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)；對于服務(wù)器，在原本的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中，采用1＋1 模式的配置模式，即使用兩套實時服務(wù)器，以一套使用一套備用的方式，保障綜合監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。 而在之后的設(shè)計中，可以開源整合成一套實時服務(wù)器的配置模式，采用云端服務(wù)器＋檢測數(shù)據(jù)實時化分析，降低實時服務(wù)器的運行時間成本，從而突出城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的行車指揮核心功能［3］。

2.2.2 城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)邏輯

對于城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)邏輯，可以劃分為以下幾個環(huán)節(jié)：第一環(huán)節(jié)、在啟動城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)后，列車正式開始運行，針對列車是否正點運行的運行狀態(tài)進行分析。 如果列車的偏離程度小于預(yù)設(shè)水平，則由綜合監(jiān)控系統(tǒng)自動調(diào)整，讓列車恢復(fù)到整合運行狀態(tài)。 如果列車的偏離程度大于預(yù)設(shè)水平，則由調(diào)度技術(shù)人員進行人工控制；第二環(huán)節(jié)，乘客信息系統(tǒng)（public address system，PIS）／公共廣播系統(tǒng)（passenger information system，PA）系統(tǒng)發(fā)布單次列車到站相關(guān)信息。 在此過程中，需要判斷供電區(qū)域的工作狀態(tài)，通過電力調(diào)整與環(huán)境調(diào)整顯示進行輔助分析。 對于調(diào)整列車的運行狀態(tài)，通過PIS／PA對車站內(nèi)的乘客進行疏導(dǎo)，利用PIS／PA 對列車內(nèi)的乘客進行提醒，啟動BAS 阻災(zāi)模式。 如果綜合監(jiān)控系統(tǒng)無法有效判斷，仍然由調(diào)度技術(shù)人員作人工控制。 對于列車到車站之間的區(qū)間障礙物，與供電區(qū)域判斷模式相仿，但是需要額外增加閉路電視（closed circuit television，CCTV）切換功能與遠程控制（remote control，RC）切換功能，確保列車與乘客的安全。 由調(diào)度技術(shù)人員負責做二次處理另外還有信號故障、車輛故障、地面火災(zāi)、列車火災(zāi)等判斷需求，參考列車到車站之間的區(qū)間障礙物進行判斷［4］。

2.2.3 方案實施效果

將本文設(shè)計的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到某超一線城市的城市軌道交通線路后，經(jīng)過當?shù)亟煌ㄎM織竣工驗收，正式開始試運營。 經(jīng)過近十年的運行分析，該條線路先后經(jīng)歷二期車站、二期車輛段的接入，線路控制中心遷移，西延車站接入等多次線路層面的調(diào)整，當前負責三十余座地下車站，以及兩座車輛段與一座停車場的監(jiān)控控制。 每天處理百萬級別的客流量，為六十余列城市軌道交通提供運營指揮需求。 在大量的運行數(shù)據(jù)分析中，可以發(fā)現(xiàn)該條線路在采用本文設(shè)計的綜合監(jiān)控系統(tǒng)后，平均無故障時間遠超過以往采用的電力調(diào)整＋環(huán)境調(diào)整的綜合監(jiān)控系統(tǒng)平均無故障時間。

3 在城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用云平臺技術(shù)方法

3.1 云平臺技術(shù)的應(yīng)用價值

我國現(xiàn)階段的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)，需要花費較多的資金，采購進口服務(wù)器，購買相應(yīng)的服務(wù)器平臺系統(tǒng)，才能保障城市軌道交通的安全運營。 本文以三級控制＋兩級管理模式為基礎(chǔ)，設(shè)計的綜合監(jiān)控系統(tǒng)可以大幅度降低軟件系統(tǒng)的開發(fā)支出，降低硬件設(shè)備的采購成本，仍然無法處理進口服務(wù)器與平臺系統(tǒng)的資金成本問題。 我國近些年計算機技術(shù)得到發(fā)展，以云平臺技術(shù)為主的各類新興技術(shù)逐漸從研發(fā)領(lǐng)域步入生產(chǎn)領(lǐng)域，已經(jīng)成為各個領(lǐng)域的重要生產(chǎn)工具。 可以考慮將云平臺技術(shù)與城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)進行融合，逐步擺脫對于進口服務(wù)器平臺系統(tǒng)的技術(shù)依賴，也可以探索綜合監(jiān)控系統(tǒng)未來發(fā)展方向。 在分析國內(nèi)外的研究內(nèi)容后，可以從橫向、縱向兩個方向，開展云平臺技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)研究。

3.2 橫向軟件系統(tǒng)信息互通

在城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用云平臺技術(shù)，可以為前者提供大量的計算資源。 如何合理應(yīng)用云平臺技術(shù)帶來的計算資源，提升城市軌道交通運營管理綜合質(zhì)量，則是應(yīng)用云平臺技術(shù)需要處理的重要內(nèi)容。 現(xiàn)階段城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用的分離化軟件開發(fā)模式，不再匹配云平臺技術(shù)在硬件資源高效利用方面的實際需求?，F(xiàn)階段的云平臺技術(shù)應(yīng)用理論，是由城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)提出有關(guān)資源調(diào)用的具體需求，由云平臺技術(shù)利用虛擬化，設(shè)計虛擬中央處理器與虛擬內(nèi)存，向各個子系統(tǒng)合理分配相應(yīng)的計算資源［5］。 意味著分析運行表現(xiàn)，云平臺技術(shù)是一種硬件資源的運行模式。 而在功能本質(zhì)層面上分析，云平臺則是由若干具有相對獨立性質(zhì)的虛擬硬件構(gòu)成的虛擬硬件組。 相比以往的硬件集群模式下的冗余服務(wù)器部署方法，硬件虛擬化的云平臺技術(shù)部署，可以極大降低設(shè)計硬件使用數(shù)量，有效提升城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與改造經(jīng)濟效益。 針對云平臺技術(shù)的橫向軟件系統(tǒng)信息互通需求，可以考慮從以下兩個方向進行合理解決：方向一，建設(shè)一個軟件平臺，將城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為功能模塊，以模塊形式在軟件平臺上進行運行。 對于建設(shè)的軟件平臺，主要負責與云平臺技術(shù)的云管理系統(tǒng)進行技術(shù)層面的聯(lián)動與數(shù)據(jù)層面的整合，確保兩者的有效融合，并根據(jù)各個子系統(tǒng)的運行需求，以動態(tài)化的方式，對計算資源做合理分配。 通過此方式，可以讓軟件平臺明確各個功能模塊的真實計算資源需求，又可以讓計算資源得到科學(xué)分配，以此實現(xiàn)云平臺技術(shù)的計算資源有效管控。 方向二，保障城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)軟件擁有相對獨立特性，讓各個軟件和云管理系統(tǒng)做必要的信息交互處理。 對于信息交互的內(nèi)容，涉及計算資源需求、計算資源劃分等重要信息。 對于云管理系統(tǒng)，則以各個軟件發(fā)出的各個子系統(tǒng)對于計算資源的真實需求，做相應(yīng)的計算資源分配、回收等基礎(chǔ)管理工作。 如果出現(xiàn)資源分配或回收沖突問題，云管理系統(tǒng)也需要與涉及的子系統(tǒng)軟件進行相互交互，實現(xiàn)城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的高效率管理［6］。

3.3 縱向系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化升級

縱向系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化升級與橫向軟件系統(tǒng)信息互通具有相對關(guān)系，但是在實際應(yīng)用中，需要謹慎考慮。 特別是在城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)原有的硬件架構(gòu)仍然處于正常運行狀態(tài)下，直接升級成匹配云平臺技術(shù)使用需求的硬件架構(gòu)，需要對優(yōu)化升級的必要性做合理分析。 針對本文設(shè)計城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)底層邏輯基礎(chǔ)的中心、車站、現(xiàn)場三級控制模式，可以通過云平臺技術(shù)的計算資源優(yōu)勢，對控制模式下的運行體系進行調(diào)整。 因為在當前運行體系下，會在監(jiān)控系統(tǒng)中心、各個車站設(shè)置許多服務(wù)器，不僅存在較大的服務(wù)器維護工作量，而且維護工作也具有較大的分散性，在一定程度上增加城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的整體運行維護成本［7］。 將云平臺技術(shù)應(yīng)用到城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)后，可以對中心服務(wù)器做相應(yīng)的整合處理，并將各個車站的服務(wù)器設(shè)置計劃取消掉。 而且，云平臺技術(shù)還可以有效提升通信傳輸系統(tǒng)的最大容量，可以根據(jù)當?shù)亟?jīng)濟條件與城市軌道交通的發(fā)展情況，設(shè)置專用于綜合監(jiān)控系統(tǒng)的大容量數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?同時，做好邊緣計算的強化工作，提升縱向系統(tǒng)的數(shù)據(jù)計算性能，提高機械設(shè)備的運行安全性。 通過云平臺技術(shù)，可以對城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的縱向?qū)蛹壸龊喕幚恚⒃痉稚⒃诟鱾€車站的服務(wù)器做集中化處理，由控制中心的服務(wù)器提供整條線路的綜合監(jiān)控系統(tǒng)運行需求，進而有效降低服務(wù)器的維修管理時間成本，合理控制各類機械設(shè)備的維修周期。 而且，大容量數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)也可以取代原本的骨干通信網(wǎng)，讓云平臺起來可以與計算單元產(chǎn)生直接聯(lián)系，不再需要常規(guī)的中心服務(wù)器—骨干通信網(wǎng)—車站服務(wù)器—計算單元的冗余信息傳輸模式，進一步降低數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)臅r間成本，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)信息損失問題。

通過橫向信息互通＋縱向結(jié)構(gòu)優(yōu)化的雙重設(shè)計，可以極大發(fā)揮云平臺技術(shù)的海量數(shù)據(jù)計算性能，讓城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)層面的升級與優(yōu)化。

4 結(jié)語

綜上所述，在開展城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新工作時，除參考本文提供的基礎(chǔ)理論內(nèi)容外，也可以根據(jù)城市當前經(jīng)濟條件與未來發(fā)展需求，合理吸納有關(guān)云平臺技術(shù)內(nèi)容，實現(xiàn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的長期優(yōu)化。 在應(yīng)用云平臺技術(shù)后，需要將城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用重心轉(zhuǎn)移到軟件系統(tǒng)定期更新、硬件設(shè)備科學(xué)維護等方面，確保城市軌道交通的穩(wěn)定運營，為地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展提供良好的基礎(chǔ)條件。