秦 健,沈逸文
(上海地鐵第二運營有限公司)
隨著計算機和通信技術(shù)的發(fā)展,越來越多的自動化監(jiān)控設(shè)施被應(yīng)用到軌道交通車站運營管理之中,成為車站值班人員執(zhí)行日常管理任務(wù)的技術(shù)支撐和管理工具。各類自動化監(jiān)控設(shè)施在有效提高車站運營管理水平和管理效率的同時,也造成了車站控制室監(jiān)控終端繁多、布局擁擠、操作復(fù)雜等負(fù)面效應(yīng),不僅增加車站值班人員的操作難度和工作強度,帶來誤操作風(fēng)險,同時也影響車站控制室的整體布局和美觀,給車站值班人員帶來身心上的壓抑。如何優(yōu)化軌道交通車站機電系統(tǒng)集成方案、平衡技術(shù)與管理兩方面需求,是現(xiàn)代軌道交通建設(shè)管理中面臨的、迫切需要解決的難題。
作為國內(nèi)最早開展地鐵建設(shè)的實踐者之一,上海申通地鐵集團始終致力于車站機電系統(tǒng)集成方案優(yōu)化的研究。2009年和2010年先后建成通車的上海軌道交通7 號線和10 號線,均采用國際先進的綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)的技術(shù)方案,通過系統(tǒng)集成技術(shù)把電力監(jiān)控系統(tǒng)(PSCADA)、機電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(EMCS)等十余個專業(yè)有機地融合在一起,并為車站值班人員提供統(tǒng)一風(fēng)格的集成操作界面,從而簡化了車站控制室的布局,降低了值班員操作管理的復(fù)雜度。但是,由于運營管理模式上的差異,綜合監(jiān)控系統(tǒng)在上海地鐵的應(yīng)用效果并不理想。
如何根據(jù)上海地鐵運營管理的特點,提出適應(yīng)性的車站機電系統(tǒng)集成優(yōu)化方案,成為上海地鐵建設(shè)和運營管理部門共同研究的重點內(nèi)容。本文通過需求分析和技術(shù)方案研究,最終提出了車站一體化操作系統(tǒng)(SIOS)的設(shè)計方案。
(1)遵循集中管理、分散控制、資源共享的總體原則,不斷優(yōu)化車站機電系統(tǒng)集成方案,提高車站運營管理水平和管理效率。
(2)遵循總體規(guī)劃、分步實施、試點先行的指導(dǎo)思想,通過示范工程建設(shè),不斷完善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。
(3)基于車站運營管理模式和業(yè)務(wù)范圍,合理確定系統(tǒng)的集成范圍和集成方式,確保前期系統(tǒng)建設(shè)與后期維護管理之間的協(xié)調(diào)。
(4)采用統(tǒng)一的系統(tǒng)監(jiān)控平臺,提供統(tǒng)一的用戶操作界面,有效降低車站值班員的操作難度。
(5)通過車站運營管理流程的梳理,提供基于流程管理的用戶操作界面,簡化值班員操作流程,提升車站運營管理的標(biāo)準(zhǔn)化水平。
(6)關(guān)鍵設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)采用熱備冗余方式設(shè)計,確保系統(tǒng)的可靠性和可用性。
(7)采用物理隔離與軟件過濾相結(jié)合的技術(shù),確保系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全。
軌道交通車站一體化操作系統(tǒng)(SIOS)采用分層架構(gòu)體系,由車站網(wǎng)絡(luò)層和現(xiàn)場控制層組成。其中,車站網(wǎng)絡(luò)層由數(shù)據(jù)服務(wù)器、值班員工作站、網(wǎng)絡(luò)交換機、打印機和集成接口單元等設(shè)備構(gòu)成;現(xiàn)場控制層由相關(guān)集成子系統(tǒng)的現(xiàn)場控制設(shè)備構(gòu)成。集成子系統(tǒng)的現(xiàn)場控制設(shè)備一般包括車站級主控制器、就地控制單元和現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等。根據(jù)專業(yè)的不同,集成子系統(tǒng)的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成方式和設(shè)備名稱略有差異。SIOS 系統(tǒng)基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖1 SIOS 系統(tǒng)基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
其中,集成接口單元(IIU)是SIOS 網(wǎng)絡(luò)的核心部件,承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)安全的功能。IIU 采集相關(guān)集成子系統(tǒng)的實時狀態(tài)信息,經(jīng)工程量轉(zhuǎn)換和有效性檢查后,更新系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫,為數(shù)據(jù)服務(wù)器和值班員工作站提供當(dāng)前有效的設(shè)備運行信息。數(shù)據(jù)服務(wù)器接收IIU 的實時數(shù)據(jù),完成設(shè)備運行信息的存貯、統(tǒng)計等歷史數(shù)據(jù)庫管理功能和系統(tǒng)參數(shù)配置管理功能。值班員工作站通過調(diào)閱IIU的實時數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)服務(wù)器的歷史數(shù)據(jù),為用戶提供車站機電設(shè)備監(jiān)控的操作界面。
IIU 采用嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu),模塊化設(shè)計,支持低速串行通信接口(EIA- RS232/422/485)、以太網(wǎng)通信接口(IEEE 802.3)和現(xiàn)場總線通信接口(Profibus,ControlNet),接口數(shù)量可以根據(jù)需要靈活配置,以滿足工程現(xiàn)場的應(yīng)用需求。
相關(guān)集成子系統(tǒng)通過IIU 的通信接口接入SIOS,從而在物理上把集成子系統(tǒng)的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)與SIOS 的車站網(wǎng)絡(luò)隔離開來,確保SIOS 車站網(wǎng)絡(luò)的安全。IIU 可以為每個通信接口配置通信協(xié)議,IIU 只處理指定通信協(xié)議的報文,其它無關(guān)數(shù)據(jù)報文將被過濾,從而確保外部網(wǎng)絡(luò)故障不會對SIOS 網(wǎng)絡(luò)造成影響。
SIOS 系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計,由支撐軟件、平臺軟件和應(yīng)用軟件構(gòu)成。SIOS 系統(tǒng)軟件構(gòu)成及其層次結(jié)構(gòu)由圖2給出。
圖2 SIOS 系統(tǒng)軟件構(gòu)成及其層次結(jié)構(gòu)
SIOS 支撐軟件采用COTS 的第三方軟件,包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等。支撐軟件為SIOS 平臺軟件和應(yīng)用軟件提供基本的運行環(huán)境,是平臺軟件和應(yīng)用軟件運行的基礎(chǔ)。
SIOS 平臺軟件是SIOS 系統(tǒng)軟件的核心,由分布式引擎和基礎(chǔ)自動化模塊組成。分布式引擎以通用中間件為基礎(chǔ),為上層應(yīng)用提供一個統(tǒng)一的、開放的、可擴展的分布式應(yīng)用開發(fā)環(huán)境?;A(chǔ)自動化模塊包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和控制三大基礎(chǔ)模塊以及數(shù)據(jù)庫管理、網(wǎng)絡(luò)管理、報警管理、日志管理、統(tǒng)計報表和打印等基本應(yīng)用模塊?;A(chǔ)自動化模塊基于分布式引擎設(shè)計,為上層應(yīng)用軟件提供基礎(chǔ)的、可擴展的應(yīng)用服務(wù)。
SIOS 應(yīng)用軟件是SIOS 系統(tǒng)功能的載體,是直接面向用戶的圖形操作軟件。SIOS 應(yīng)用軟件以平臺軟件為基礎(chǔ),通過調(diào)用平臺軟件提供的基礎(chǔ)應(yīng)用服務(wù),實現(xiàn)SIOS 系統(tǒng)的設(shè)計功能。
SIOS 應(yīng)用軟件主要包括綜合監(jiān)控、專業(yè)管理和任務(wù)管理等三個應(yīng)用模塊。其中綜合監(jiān)控模塊充分融合集成子系統(tǒng)的車站管理需求,為用戶提供車站機電設(shè)備運行狀態(tài)的綜合監(jiān)控界面。綜合監(jiān)控界面涵蓋車站運營管理所需的全部重要監(jiān)控信息,車站值班員無須切換畫面,通過該綜合監(jiān)控界面就可以全面掌握車站機電設(shè)備的運行狀態(tài)。
專業(yè)管理模塊以集成子系統(tǒng)的功能需求為依據(jù),為用戶提供相關(guān)專業(yè)管理的操作界面。專業(yè)管理界面的監(jiān)控內(nèi)容原則上與集成子系統(tǒng)原有界面內(nèi)容一致。
任務(wù)管理模塊基于車站運營管理職責(zé),為車站值班員提供基于流程設(shè)計的任務(wù)管理手段。車站值班員每天的運營管理任務(wù)被固化在SIOS 軟件中,車站值班員只要按照指定的流程點擊相關(guān)按鈕,即可輕松完成每天的車站運營管理任務(wù)。任務(wù)管理模塊設(shè)計的管理流程包括早間啟運、晚間停運、日常運營、高峰運營、災(zāi)害管理、阻塞管理、故障管理和節(jié)能管理等八個方面。
SIOS 以車站運營管理單位的管理職責(zé)為依據(jù),合理確定系統(tǒng)集成的范圍,確保系統(tǒng)集成范圍與車站運營管理單位的維護范圍相一致。
根據(jù)相關(guān)集成子系統(tǒng)的專業(yè)特點,合理確定系統(tǒng)集成的方式。對于FAS、EMCS、ACS、PSD 等專業(yè),其車站管理操作界面宜全部集成到SIOS 之中;對于AFC 等有特殊要求的專業(yè),其設(shè)備運行狀態(tài)和客流信息宜集成到SIOS 之中,保留其專業(yè)管理功能。
上海游泳館站SIOS 示范工程于2013年8月建成投入使用。投運以來,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,功能完備,使用效果良好。
上海游泳館站SIOS 采用雙網(wǎng)熱備冗余的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),關(guān)鍵節(jié)點設(shè)備均采用冗余設(shè)計,確保任意單個節(jié)點故障不會影響系統(tǒng)正常的使用功能。
根據(jù)上海游泳館站運營單位的管理范圍,確定上海游泳館SIOS 的集成范圍包括FAS、EMCS、ACS、AFC、PSD 和智能照明等六個專業(yè),其中,EMCS、ACS、PSD 和智能照明等四個專業(yè)的車站操作管理功能全部集成到SIOS 系統(tǒng),取消原設(shè)計方案中四個專業(yè)的監(jiān)控工作站設(shè)置。FAS 專業(yè)的消防聯(lián)動相關(guān)信息、AFC 專業(yè)的設(shè)備狀態(tài)和客流信息集成到SIOS,保留FAS 圖形工作站和AFC 車站計算機。
圖3 給出上海游泳館站SIOS 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中車站網(wǎng)絡(luò)采用兩臺工業(yè)級以太網(wǎng)交換機構(gòu)建熱備冗余的快速以太網(wǎng)絡(luò)。冗余配置的服務(wù)器、值班員工作站和集成接口單元均通過物理獨立的兩個以太網(wǎng)接口接入車站網(wǎng)絡(luò)。
圖3 上海游泳館站SIOS 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
結(jié)合集成子系統(tǒng)的接口條件,SIOS 采用不同的通信接口方式實現(xiàn)與集成子系統(tǒng)的信息交互。其中,EMCS、ACS 和AFC 專業(yè)通過以太網(wǎng)通信接口接入SIOS,F(xiàn)AS 和PSD 專業(yè)通過低速串行通信接口接入SIOS,而智能照明專業(yè)通過現(xiàn)場總線通信接口接入SIOS。
軌道交通車站機電系統(tǒng)集成方案優(yōu)化是上海地鐵近年來探索研究的重要內(nèi)容。SIOS 設(shè)計成果及其在上海游泳館站的示范應(yīng)用,簡化了車站運營管理流程,優(yōu)化了車站控制室布局,提升了車站運營管理水平和管理效率,為構(gòu)建上海特色的軌道交通車站機電設(shè)備系統(tǒng)提供了可復(fù)制的解決方案。
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