■ 梁 奕 江 平

城市軌道交通綜合監(jiān)控集成平臺策略研究

■ 梁 奕 江 平

城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)和列車自動監(jiān)控系統(tǒng)都具有監(jiān)控系統(tǒng)的典型特點(diǎn)，隨著標(biāo)準(zhǔn)的完善和系統(tǒng)開放性的提高，綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成列車自動監(jiān)控將成為發(fā)展方向。設(shè)計綜合監(jiān)控集成平臺框架，將列車自動監(jiān)控系統(tǒng)作為框架中的專業(yè)，研究集成策略，針對數(shù)據(jù)模型、冗余策略、安全策略進(jìn)行分析，并提出解決方案。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)；列車自動監(jiān)控系統(tǒng)；集成平臺；城市軌道交通

0 引言

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的加快，為了改善城市交通狀況、減少環(huán)境污染，大中城市積極發(fā)展城市軌道大眾交通體系；與此同時，以計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信等信息通信技術(shù)為動力的信息化，改變了以往城市軌道交通的監(jiān)控方式。

城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)（Integrated Supervisory Control System，ISCS）作為城市軌道交通的核心裝備，由現(xiàn)場設(shè)備、現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)、車站監(jiān)控系統(tǒng)、通信骨干網(wǎng)絡(luò)、中心監(jiān)控系統(tǒng)組成，集成各分立的自動化系統(tǒng)，對自動化設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視與控制，實(shí)現(xiàn)信息互通、資源共享和高效聯(lián)動。然而，目前國內(nèi)綜合監(jiān)控系統(tǒng)大多是機(jī)電設(shè)備的監(jiān)控，主要針對電調(diào)、環(huán)調(diào)等除信號系統(tǒng)以外的子系統(tǒng)，沒有真正地將信號系統(tǒng)有機(jī)地聯(lián)系在一起進(jìn)行綜合。

城市軌道交通信號系統(tǒng)中的列車自動監(jiān)控子系統(tǒng)（Automatic Train Supervision，ATS）實(shí)現(xiàn)列車監(jiān)督、控制和調(diào)整，具有監(jiān)控系統(tǒng)的典型特點(diǎn)。隨著標(biāo)準(zhǔn)的完善和系統(tǒng)開放性的提高，將ATS整合進(jìn)ISCS，實(shí)現(xiàn)真正意義上的綜合，是軌道交通綜合監(jiān)控集成的發(fā)展方向。目前國內(nèi)軌道交通正在逐步開展ATS與綜合監(jiān)控系統(tǒng)的集成。下面對城市軌道交通綜合監(jiān)控集成平臺策略進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 綜合監(jiān)控集成平臺架構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)一般分為監(jiān)控層和設(shè)備層。監(jiān)控層可以使用成熟的軟硬件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)或約定的協(xié)議、靈活的配置、可視化的操作；設(shè)備層只需要提供可以滿足條件的調(diào)用方式即可。不管是ATS還是傳統(tǒng)ISCS，都屬于頂層的監(jiān)控層，所要面對的是下面的設(shè)備層；設(shè)備層提供采集的基本數(shù)據(jù)，可以是聯(lián)鎖、區(qū)域控制器，也可以是供電設(shè)備、環(huán)控設(shè)備。

1.1 列車自動監(jiān)控功能分析

ATS系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)對列車運(yùn)行及控制的道岔、信號等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)督和控制，給行車調(diào)度員顯示全線列車的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)督和記錄運(yùn)行圖的執(zhí)行情況，輔助行車調(diào)度人員完成對全線列車運(yùn)行的管理，并為整個信號系統(tǒng)的故障診斷和系統(tǒng)維護(hù)提供幫助。

ATS功能見圖1，主要包括：

（1）信號設(shè)備的監(jiān)視：顯示全線的線路布局、信號設(shè)備狀態(tài)、進(jìn)路狀態(tài)、列車位置、控制模式、調(diào)整模式等。

（2）列車識別與追蹤：自動完成正線控制區(qū)段內(nèi)的列車識別號跟蹤，采用列車識別號的移動和有關(guān)信號設(shè)備的狀態(tài)來描述在線列車的實(shí)際運(yùn)行。

圖1 ATS功能示意圖

（3）列車進(jìn)路控制：根據(jù)列車的運(yùn)行數(shù)據(jù)信息，按預(yù)先排列進(jìn)路的原則和運(yùn)營方案，進(jìn)行自動或人工排列進(jìn)路。

（4）列車運(yùn)行調(diào)整：依據(jù)時刻表或行車間隔，自動檢測和調(diào)整列車的運(yùn)行。

（5）列車運(yùn)行圖編制及管理：根據(jù)線路的參數(shù)和行車組織要求，由運(yùn)行圖編制人員輸入基本數(shù)據(jù)，由計算機(jī)輔助自動編制基本列車時刻表和運(yùn)行圖。

（6）控制命令：對信號設(shè)備發(fā)送控制命令。

（7）運(yùn)營記錄與統(tǒng)計報表：記錄列車運(yùn)行狀況和設(shè)備工作狀態(tài)，并進(jìn)行統(tǒng)計和分析。

（8）故障報警：列車運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)報警的功能。

1.2 綜合監(jiān)控集成平臺框架

根據(jù)上述分析，ATS功能完全可以與綜合監(jiān)控進(jìn)行集成。根據(jù)ATS與ISCS的集成程度，可以化分為界面集成、ATS控件嵌入、完全集成3種方式。選取集成過程中必須關(guān)注的策略，設(shè)計城市軌道交通綜合監(jiān)控集成平臺框架（見圖2）。

（1）操作系統(tǒng)層：采用跨平臺結(jié)構(gòu)，支持不同廠家多種UNIX、LINUX、WINDOWS硬件服務(wù)器。

（2）平臺服務(wù)層：提供通用的服務(wù)，包括提供系統(tǒng)管理、實(shí)時數(shù)據(jù)庫、消息中間件、歷史數(shù)據(jù)庫、圖形工具、報表工具、告警管理、事件管理、權(quán)限管理等服務(wù)，是系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

（3）應(yīng)用服務(wù)層：面向業(yè)務(wù)邏輯，系統(tǒng)功能的最終體現(xiàn)。包括傳統(tǒng)的電力專業(yè)、通信專業(yè)和機(jī)電專業(yè)等，增加了信號專業(yè)，每個專業(yè)有相應(yīng)的后臺應(yīng)用與設(shè)備層相聯(lián)系。如信號專業(yè)體現(xiàn)為列車的追蹤、控制和調(diào)整，相應(yīng)的后臺應(yīng)用與聯(lián)鎖、區(qū)域控制器、車載設(shè)備等進(jìn)行通信；機(jī)電專業(yè)體現(xiàn)在為設(shè)備狀態(tài)的采集、監(jiān)視和各種模式的控制，相應(yīng)后臺應(yīng)用與機(jī)電設(shè)備通信。

圖2 城市軌道交通綜合監(jiān)控集成平臺框架

（4）界面層：實(shí)現(xiàn)顯示和操作功能。向操作員提供設(shè)備狀態(tài)信息、列車運(yùn)行信息、故障信息、報警信息、統(tǒng)計報表信息等，同時，操作員可借助系統(tǒng)提供的一系列工具，在操作員工作站上對遠(yuǎn)程的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、設(shè)置、控制等。

2 綜合監(jiān)控集成平臺關(guān)鍵策略

2.1 數(shù)據(jù)建模

為了集成ATS系統(tǒng)，必須建立通用的數(shù)據(jù)模型。綜合監(jiān)控集成平臺采用水平分表，結(jié)合星型模型的方式來構(gòu)建數(shù)據(jù)倉庫模型。具體做法為：將綜合監(jiān)控各個專業(yè)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以功能作為依據(jù)進(jìn)行分類，其中也包含信號專業(yè)的設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。通過分類，將數(shù)據(jù)記錄分散至各類事實(shí)表。每類事實(shí)表再根據(jù)具體特性，設(shè)計其私有的維度表。通過這種方式，不僅快速地將事實(shí)表的數(shù)據(jù)級別從千萬級降至了百萬級，且利用維度表特性，類似于垂直分表的思想，解決了大量的數(shù)據(jù)冗余問題。典型數(shù)據(jù)倉庫數(shù)據(jù)模型見圖3。

以碼位事實(shí)表為例說明。碼位事實(shí)表是實(shí)際接收數(shù)據(jù)源增量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)表，而設(shè)備類型維度表、測點(diǎn)位置維度表及設(shè)備參數(shù)維度表都可以看作是定義表。在第一次完全加載后無特殊情況，其數(shù)據(jù)量不會產(chǎn)生明顯變化。碼位事實(shí)表中的所有增量數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)源中的對應(yīng)字段直接獲取，而所屬位置鍵、所屬設(shè)備鍵及參數(shù)維度鍵，則可以通過數(shù)據(jù)源中的設(shè)備綜合維度表進(jìn)行獲取。通過該設(shè)計可以更好地為后續(xù)的數(shù)據(jù)挖掘、聯(lián)機(jī)分析等作數(shù)據(jù)支持。

圖3 典型數(shù)據(jù)倉庫數(shù)據(jù)模型

2.2 部署和冗余

綜合監(jiān)控集成平臺支撐的各個專業(yè)可以靈活部署，并按專業(yè)模塊進(jìn)行主備劃分的冗余技術(shù)。當(dāng)同樣使用雙機(jī)冗余時，在不降低系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上，可以充分提高硬件資源利用率，具有一定的先進(jìn)性。由于集成平臺采用模塊化設(shè)計，在運(yùn)行時可以將不同的模塊分配在不同的服務(wù)器上運(yùn)行。正常情況下，2臺服務(wù)器同時處理不同任務(wù)，保證工作平均分配到2臺服務(wù)器上；當(dāng)1臺服務(wù)器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會自動將另1臺服務(wù)器上工作于“備”狀態(tài)的模塊升級成“主”狀態(tài)（見圖4），保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

當(dāng)某個專業(yè)出現(xiàn)故障的時候，系統(tǒng)不進(jìn)行整機(jī)的服務(wù)切換，只進(jìn)行單個專業(yè)的主備切換（見圖5）。

2.3 安全性

綜合監(jiān)控集成平臺中的ATS功能，雖然不屬于故障-安全系統(tǒng)，但由于它通過與列車自動保護(hù)系統(tǒng)和列車自動駕駛系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，來完成對信號系統(tǒng)的自動化管理和全自動行車調(diào)度指揮控制，所以應(yīng)該達(dá)到安全完整性等級的一定要求。安全需求如下：

圖4 服務(wù)器故障切換

圖5 專業(yè)故障切換

（1）道岔和信號封鎖與解除封鎖：包括將道岔封鎖在當(dāng)前位置，道岔封鎖解除；終端信號機(jī)封鎖，終端信號機(jī)封鎖解除；軌道封鎖，軌道封鎖解除。

（2）列車在進(jìn)路中停車與停車解除：人工即時停車功能，使1列、幾列或所有列車實(shí)現(xiàn)停車；解除停車指令的人工功能，可以人工解除1列、幾列或所有列車的停車指令。

（3）臨時速度限制：可為CBTC區(qū)域內(nèi)任何區(qū)段上的所有CBTC列車建立/修改/取消臨時限速。

（4）工作區(qū)域：提供建立/撤銷臨時工作區(qū)域的功能。

除了上述的安全需求，有些系統(tǒng)還包括引導(dǎo)、總?cè)私?、總?cè)∠取＞C合監(jiān)控集成平臺對安全需求部分依據(jù)EN50126、EN50128、EN50159等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生命周期管理、安全性設(shè)計和開發(fā)。

3 結(jié)論

城市軌道交通集成平臺目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)監(jiān)控層和設(shè)備層完全分離，統(tǒng)一建模，靈活部署，優(yōu)勢在于：

（1）提高系統(tǒng)的配置性和擴(kuò)展性，同時又不降低安全性；

（2）涵蓋了龐大的、多專業(yè)的各類系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可以充分利用大數(shù)據(jù)的優(yōu)勢更好地為運(yùn)營服務(wù)；

（3）可以減少系統(tǒng)的硬件構(gòu)成復(fù)雜度，一定程度可以縮減工程造價，減少維護(hù)工作量；

（4）多專業(yè)數(shù)據(jù)同屏顯示，將關(guān)鍵設(shè)備數(shù)據(jù)與行車數(shù)據(jù)融合，有利于從整體上把握全線各個系統(tǒng)的運(yùn)行情況，及早對潛在的危險進(jìn)行識別，保證列車的平穩(wěn)安全運(yùn)行；

（5）加深行調(diào)、電調(diào)、環(huán)調(diào)及維調(diào)等各專業(yè)之間的信息融合貫通；（6）可以實(shí)現(xiàn)包括ATS在內(nèi)的多專業(yè)之間聯(lián)動功能。

[1] 郭永泉．城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成信號ATS的研究[J]．現(xiàn)代城市軌道交通，2008(6)：34-36．

[2] 魏祥斌．集成信號列車自動監(jiān)控子系統(tǒng)的綜合監(jiān)控系統(tǒng)方案[J]．現(xiàn)代城市軌道交通，2012(8)：86-89．

[3] CENELEC prEn50126 軌道交通-可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性（RAMS）的規(guī)范及示例[S]，1999．

[4] CENELEC prEn50128 鐵路應(yīng)用-通信、信號和處理系統(tǒng)-鐵路控制和防護(hù)系統(tǒng)件[S]，2011．

[5] Zhao L，Shi W． Research on optimization of application model based on storm[C]//Software Engineering and Service Science（ICSESS），2014 5th IEEE International Conference on IEEE，2014：248-250．

[6] 張延松．大規(guī)?？蓴U(kuò)展數(shù)據(jù)分析技術(shù)研究[D]．北京：中國人民大學(xué)，2010．

梁奕：國電南瑞科技股份有限公司軌道交通技術(shù)分公司，高級工程師，江蘇 南京，210061

江平：國電南瑞科技股份有限公司軌道交通技術(shù)分公司，研究員，江蘇 南京，210061

責(zé)任編輯 王小紅

U239.5；U298

A

1672-061X（2015）04-0094-03