孟慶波, 張惠敏
(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系, 鄭州 450052; 2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系,鄭州 450052)
當(dāng)前,我國地鐵建設(shè)和運營進入高速發(fā)展時期。綜合監(jiān)控系統(tǒng)作為一種大型分層分布式集散系統(tǒng),可以提供一個信息互通和資源共享的平臺,整合系統(tǒng)資源,優(yōu)化體系結(jié)構(gòu),提高信息采集和控制處理的實效性,確保運營安全并提升管理水平。在系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計中,綜合監(jiān)控系統(tǒng)通常包括網(wǎng)絡(luò)、硬件和軟件3種構(gòu)架,且其軟件架構(gòu)一般包括接口通信層(包含通信協(xié)議)、應(yīng)用數(shù)據(jù)處理層(包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)系統(tǒng))、人機界面層(包括SCADA軟件平臺系統(tǒng)、用戶定制應(yīng)用功能模塊)等[1]。目前,綜合監(jiān)控系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺主要有英國Invensys Wonderware公司的Wonderware ArchestrA、法國Thales IS公司的SCADA Soft、澳大利亞Invensys Rail公司的SystematICS、澳大利亞Foxbro公司的RailSCADA、新加坡科技電子公司的C3、北京和利時公司的MACS-SCADA、國電南瑞公司的RT21-ISCS、北京南凱監(jiān)控系統(tǒng)工程有限公司的RAILSYS等[2]。本文基于美國通用電氣公司(GE)的Proficy HMI/SCADA-iFIX軟件平臺,開發(fā)和設(shè)計地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)的人機交互界面。
Proficy HMI/SCADA-iFIX是美國通用電氣公司(GE)最為重要的上位監(jiān)控軟件產(chǎn)品,專為在工廠級和商業(yè)系統(tǒng)之間提供易于集成和協(xié)同工作的設(shè)計環(huán)境和高性能的自動化監(jiān)控解決方案。iFIX的HMI作為監(jiān)視控制生產(chǎn)過程的窗口,可以提供設(shè)計、開發(fā)人機界面所需要的所有工具;而iFIX的SCADA則提供監(jiān)視、報警、管理和控制功能,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的絕對集成和真正的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
基于強大的SCADA引擎、豐富的通訊連接能力和開放的系統(tǒng)架構(gòu),GE Proficy HMI/SCADA-iFIX可以提供豐富的功能特性:基于Windows XP/2003/7/2008、SQL/ODBC容易與關(guān)系數(shù)據(jù)庫集成、過程可視化(HMI)、監(jiān)視控制(SCADA)、基于用戶和基于節(jié)點的安全管理、實時歷史趨勢、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)管理、報警和報警管理、智能圖符生成向?qū)?、ActiveX控件數(shù)據(jù)庫連接、基于時間和事件調(diào)度、內(nèi)置VBA、支持OPC服務(wù)器和OPC客戶端、基于對象的圖形界面、工作臺開發(fā)環(huán)境等。
GE Proficy HMI/SCADA-iFIX的技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在快速的系統(tǒng)開發(fā)配置和應(yīng)用集成等2個方面。iFIX開放性的功能特性可以實現(xiàn)與第三方應(yīng)用之間的無縫集成,減少項目的開發(fā)時間,縮短系統(tǒng)的升級維護過程,綜合性能(易用性、安全性、穩(wěn)定性等)非常顯著。作為分布式結(jié)構(gòu)的技術(shù)核心,iFIX在標(biāo)準(zhǔn)WINDOWS技術(shù)的基礎(chǔ)上進行開發(fā),利用PLUG&SLOVE結(jié)構(gòu)及COM組件技術(shù),ActiveX、OPC、VBA也可像COM一樣,可在廣泛局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上提供第三方應(yīng)用的簡單集成。
地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的集成子系統(tǒng)一般包括電力監(jiān)控系統(tǒng)PSCADA、環(huán)境與機電設(shè)備系統(tǒng)BAS、火災(zāi)報警系統(tǒng)FAS等;而對屏蔽門系統(tǒng)PSD、防淹門系統(tǒng)FG、自動售檢票系統(tǒng)AFC、門禁系統(tǒng)ACS、乘客信息系統(tǒng)PIS、公眾廣播系統(tǒng)PA、閉路電視系統(tǒng)CCTV、信號系統(tǒng)SIG、自動列車監(jiān)控系統(tǒng)ATS等子系統(tǒng)則進行界面集成或互聯(lián)。這種系統(tǒng)間的集成、互聯(lián)和信息交互構(gòu)筑了一個信息共享平臺。本文構(gòu)建的地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)人機交互界面,集成、互聯(lián)了綜合監(jiān)控系統(tǒng)的8大子系統(tǒng),接收來自綜合監(jiān)控各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息,或采用系統(tǒng)的內(nèi)部觸發(fā)信號源,模擬地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能,實現(xiàn)了一個模擬大型分層分布式集散控制系統(tǒng)。其基本功能包括:操作安全、穩(wěn)定友好的人機交互;建立實時數(shù)據(jù)庫;數(shù)據(jù)采集保存;歷史數(shù)據(jù)查詢;報警一覽及歷史報警查詢;實時監(jiān)控;日報表的生成、保存、打印等。本文主要針對用戶安全策略與登陸界面、主菜單和主界面、電力監(jiān)控PSCADA、環(huán)控BAS、火災(zāi)監(jiān)控FAS、列車信號ATS、閉路電視CCTV、報警一欄等設(shè)計進行重點闡述。
該系統(tǒng)包含3個站點,集成或互聯(lián)8個子系統(tǒng)。8個子系統(tǒng)可分別歸入實時子監(jiān)控系統(tǒng)和事務(wù)管理系統(tǒng),如圖1所示。
圖1 子系統(tǒng)的劃分
4.2.1 用戶安全策略與登陸界面
綜合監(jiān)控系統(tǒng)人機界面采用用戶安全策略:只有相應(yīng)權(quán)限的工作人員才能登錄指定的子系統(tǒng);成功登入后顯示相關(guān)專業(yè)信息,進行相關(guān)操作;有些關(guān)鍵操作需要進行授權(quán),并給出相關(guān)提示。用戶安全策略(分配)如表1所示。用戶登錄界面時,必須判斷該用戶的權(quán)限,是否允許其進入相應(yīng)的子系統(tǒng)。實現(xiàn)界面登錄的功能可由VBA腳本來實現(xiàn)。
表1 用戶安全策略(分配)
4.2.2 主菜單和主界面
圖2顯示了綜合監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)。根據(jù)此架構(gòu),搭建的主菜單如圖3所示。主菜單分為3層,包含3個站點(第一層)、8個子系統(tǒng)(第二層)和13個界面(第三層)。為完成主菜單的調(diào)用,需設(shè)置3個全局變量,每一層對應(yīng)1個全局變量。通過3個全局變量的值,來判斷主屏幕應(yīng)該顯示哪個車站的子系統(tǒng)。設(shè)計該人機界面需要4張圖片:主菜單2張圖片、主界面和報警一覽各1張圖片。主菜單中,一、二級菜單在一張圖片里,三級菜單在另一張圖片里。一、二級菜單基本不變,通過一、二級菜單的選擇,來判斷第三級菜單的顯示內(nèi)容,通過打開或關(guān)閉圖片的方法來實現(xiàn)。調(diào)用13個界面時,通過添加timer控件,實時掃描全局變量的值,判斷屏幕中該載入哪個標(biāo)簽組。主界面主要顯示地鐵總體線路圖,可以查詢線路走向、車站名稱和具體位置等整體信息;也可以根據(jù)具體需要,自由調(diào)看圖片信息(放大、縮小、左移、右移、上移、下移等)。在地鐵總體線路圖中,通過編輯VBA腳本,可實現(xiàn)上下左右移動和放大縮小圖片的功能。
圖2 綜合監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)
圖3 主菜單和主界面設(shè)計
4.2.3 電力監(jiān)控PSCADA
電力監(jiān)控PSCADA主要監(jiān)控車站一次主接線圖。圖4為電力監(jiān)控的車站一次主接線界面,它可以實時監(jiān)控所選車站一次電力設(shè)備的電壓和電流等數(shù)據(jù);擁有操作權(quán)限的電力調(diào)度人員也可以進行關(guān)鍵隔離開關(guān)的分合閘等操作,以完成遠程電力調(diào)度[3]。在車站一次主接線界面中,建立模擬信號數(shù)據(jù)源,通過數(shù)據(jù)戳添加該數(shù)據(jù)源可模擬電壓和電流的實時數(shù)據(jù);單擊閥即可對數(shù)字量數(shù)據(jù)源取反,改變閥的狀態(tài),實現(xiàn)隔離開關(guān)的分合閘動作;閥的數(shù)據(jù)戳通過可視動畫設(shè)置成隔離開關(guān)合閘時可視和分閘時不可視;且該閥具有電子簽名功能,只有一定權(quán)限的人才可對其操作。
圖4 電力監(jiān)控PSCADA設(shè)計
4.2.4 環(huán)控BAS
環(huán)控BAS主要監(jiān)控大系統(tǒng)和小系統(tǒng),其設(shè)計如圖5所示。(1)大系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)車站公共區(qū)域(站臺層、站廳層)的環(huán)境狀態(tài)調(diào)節(jié)。可以監(jiān)控送風(fēng)通道中空調(diào)機組BLQ-A的啟停(冬夏季節(jié)常開/春夏季節(jié)停用)??梢钥刂七M出風(fēng)通道中自動送風(fēng)機ZSF、自動排風(fēng)機ZPF的開閉(運行狀態(tài)常開/嚴(yán)重火災(zāi)不可控時關(guān)閉)。自動控制空調(diào)通風(fēng)管道的通斷。ZSF/ZPF設(shè)備可以實現(xiàn)界面操作,以查看電機實時轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)和曲線圖等信息。(2)小系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)車站辦公區(qū)和設(shè)備區(qū)(站臺層、站廳層)的環(huán)境狀態(tài)調(diào)節(jié)??梢员O(jiān)控相關(guān)區(qū)域的設(shè)備啟停、開閉和空調(diào)通風(fēng)管道的通斷狀況??照{(diào)機組的運行狀態(tài)可根據(jù)季節(jié)進行設(shè)定。當(dāng)春秋季節(jié)時,空氣比較適宜,為了節(jié)省電能空調(diào)關(guān)閉,打開DM-A4。當(dāng)冬夏季節(jié)時,空調(diào)打開,關(guān)閉DM-A4。由于2個狀態(tài)相反,可用同一個數(shù)據(jù)源,使它們的狀態(tài)為一開一關(guān)。選擇春秋模式,對數(shù)據(jù)源寫1操作。選擇冬夏模式,對數(shù)據(jù)源寫0操作。在空調(diào)的數(shù)據(jù)源中,設(shè)置電子簽名校驗,即需要有電子簽名校驗權(quán)限的人才可對此數(shù)據(jù)源進行操作。
圖5 環(huán)控BAS設(shè)計
4.2.5 火災(zāi)監(jiān)控FAS
火災(zāi)監(jiān)控FAS主要監(jiān)控車站公共區(qū)、辦公區(qū)和設(shè)備區(qū)(站臺層、站廳層)的火災(zāi)緊急狀況信息,其設(shè)計如圖6所示。每個區(qū)域設(shè)置感溫探測器和煙霧濃度探測器;當(dāng)檢測到某區(qū)域溫度或煙霧高于設(shè)定值時,該區(qū)域會出現(xiàn)火災(zāi)聲光綜合報警信息。在界面中添加溫度和煙霧濃度檢測,并設(shè)置成滑動輸入和梯度輸入?;馂?zāi)報警的判斷條件設(shè)定為溫度超過70 ℃或煙霧濃度達到80%自動報警。報警現(xiàn)象為火災(zāi)區(qū)出現(xiàn)閃爍區(qū)域框并伴隨報警聲音。iFIX通過PG塊判斷是否報警。當(dāng)溫度或濃度達到報警限值時,調(diào)用報警聲音文件,產(chǎn)生聲音報警。未達到報警限值時,則關(guān)閉報警聲音文件。報警區(qū)域框通過動畫設(shè)置成閃爍。
圖6 火災(zāi)監(jiān)控FAS設(shè)計圖
4.2.6 列車信號ATS
列車信號ATS主要監(jiān)控上下行線路的行車狀態(tài)信息,可以實現(xiàn)自動、手動2種模式下的行車調(diào)度;可以根據(jù)列車位置,通過廣播系統(tǒng)PA向乘客實時報站;當(dāng)出現(xiàn)中途故障停車時,發(fā)出高級別警報,封閉故障區(qū)間,并通知行車調(diào)度和信號專業(yè)及時快速排除故障。其設(shè)計如圖7所示。
圖7 列車信號ATS設(shè)計圖
行車調(diào)度可設(shè)定為自動調(diào)度或手動調(diào)度模式。當(dāng)為自動模式時,手動行車調(diào)度按鈕均不可操作。自動模式應(yīng)用iFIX中的時間調(diào)度項,每日觸發(fā),7:00:00開車,23:00:00停車,如圖8所示。若有特殊情況,需人工實現(xiàn)行車調(diào)度時,可切換成手動模式。當(dāng)ATS出現(xiàn)故障導(dǎo)致意外停車時,列車位置圖顯示停止,彈出報警對話框并伴隨聲音報警。行車調(diào)度員確認(rèn)報警后,報警取消,列車才可以繼續(xù)行駛(此操作為關(guān)鍵操作!需通知信號專業(yè)處理隧道區(qū)間或站臺區(qū)間ATS設(shè)備故障,解除區(qū)間閉塞鎖定,才能恢復(fù)正常行車)。上、下行列車離開或到達車站時,可利用PG塊,發(fā)出報站語音廣播提示。
圖8 基于時間項的自動調(diào)度模式
4.2.7 閉路電視CCTV
閉路電視CCTV主要利用攝像頭以實時監(jiān)控或視頻形式來顯示車站、行車、客流等信息[4]。為了實現(xiàn)實時監(jiān)控,在VB6.0中需預(yù)先編寫腳本程序?qū)崿F(xiàn)攝像頭的調(diào)用,在界面中設(shè)置按鈕,通過編輯VBA腳本,調(diào)用VB6.0已生成的camera.exe文件,即可完成在iFIX中對攝像頭的調(diào)用,其設(shè)計如圖9所示。在界面中,利用視頻控件可實現(xiàn)車載視頻監(jiān)視和車站視頻監(jiān)視功能,如圖10所示。
圖9 閉路電視CCTV設(shè)計圖
圖10 車載視頻監(jiān)視和車站視頻監(jiān)視
4.2.8 報警一欄
報警一欄可以顯示系統(tǒng)所有的報警信息,也可通過過濾功能進行數(shù)據(jù)篩選,顯示當(dāng)前系統(tǒng)的監(jiān)控、報警信息,其設(shè)計如圖11所示。在報警一欄中添加定時器,通過在定時器中鍵入VBA腳本,可實現(xiàn)操作員級別判斷的功能。iFIX還可以通過已編寫的VBA腳本程序,能判斷出當(dāng)前操作者打開的是哪個子系統(tǒng),并可以對報警信息顯示進行有選擇性的過濾。
圖11 報警一欄設(shè)計
另外,乘客信息主要監(jiān)控視頻控制機柜和液晶顯示屏LCD,可向上行站臺和下行站臺的LCD輸出乘車、廣告和緊急等信息,供乘客觀看。屏蔽門主要監(jiān)控上行站臺和下行站臺屏蔽門,可監(jiān)控屏蔽門的電源故障、總線故障和信號故障燈信息[5]。日報表采集和記錄系統(tǒng)各項實時數(shù)據(jù)(每天零點開始、間隔1 h、整點采集),并可實現(xiàn)在監(jiān)控界面內(nèi)查看、手動保存和打印功能。報警歷史、歷史數(shù)據(jù)曲線主要向用戶顯示重要數(shù)據(jù)源的歷史數(shù)據(jù)曲線和所有的歷史報警(操作用戶、時間、操作內(nèi)容等),便于事故調(diào)查。限于篇幅,在此不再贅述。
在綜合監(jiān)控應(yīng)用模式中,軟件平臺已經(jīng)成為技術(shù)方案的核心內(nèi)容和技術(shù)精華。在軟件平臺基礎(chǔ)上可以進行數(shù)據(jù)采集、處理、監(jiān)視和控制,實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的各
項功能。基于軟件平臺可開發(fā)各種城市軌道交通和鐵道實時應(yīng)用系統(tǒng),并保證系統(tǒng)實時性和可靠性。由于地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件綜合性強、技術(shù)復(fù)雜、價格極其昂貴,掌握該技術(shù)的多為國外公司[5-6]。在地鐵建設(shè)過程中,在成本允許的情況下,由國內(nèi)有較強實力的軟件系統(tǒng)提供商采用國外成熟軟件平臺實施,不失為一種穩(wěn)妥的做法[7]。國內(nèi)公司可針對綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺中的實時數(shù)據(jù)庫管理、歷史數(shù)據(jù)庫管理、網(wǎng)絡(luò)通信管理、人機界面管理、報警管理和權(quán)限管理等模塊中的一項或幾項進行重點研究,有所突破。
本文基于GE Proficy/HMI SCADA-iFIX,對地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的人機界面進行開發(fā)和設(shè)計,在以下幾個方面進行了技術(shù)嘗試和方法創(chuàng)新:(1)大型分層分布式集散控制系統(tǒng)(集成/互聯(lián))人機交互界面HMI設(shè)計策略;(2)用戶安全策略(權(quán)限分配登錄、關(guān)鍵操作授權(quán));(3)環(huán)控模式控制;(4)火災(zāi)監(jiān)控聲光綜合報警;(5)列車信號(基于時間項的調(diào)度、實時報站、ATS故障報警);(6)實時視頻監(jiān)控;(7)報警一覽、數(shù)據(jù)篩選過濾等。本文完成的項目具有鮮明的地鐵特色和強大的系統(tǒng)集成優(yōu)勢,是GE智能平臺iFIX組態(tài)軟件技術(shù)在地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域的一種探索和嘗試,希望對相關(guān)應(yīng)用具有一定的借鑒價值,而產(chǎn)品化的解決方案還需要完成超大規(guī)模試驗系統(tǒng)的壓力測試,才能完全滿足SCADA系統(tǒng)的高可靠性要求[8]。另外,目前國內(nèi)公司(如北京和利時)正在研發(fā)或?qū)嵤┰诮y(tǒng)一的系統(tǒng)軟件平臺上深度集成ATS子系統(tǒng),以提供行車指揮為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)解決方案,是今后綜合監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向[9-11]。
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