■ 李志輝 李斌

1 概述

早期的軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)獨立設(shè)立，隨著自動化技術(shù)發(fā)展，綜合監(jiān)控與電力監(jiān)控系統(tǒng)集成度逐漸加深，綜合監(jiān)控系統(tǒng)面對線網(wǎng)規(guī)模不斷擴大、不同運營體制、不同軌道交通制式的用戶需求，面臨著人工智能、大數(shù)據(jù)應(yīng)用的新技術(shù)挑戰(zhàn)。如何利用現(xiàn)有軌道交通綜合監(jiān)控規(guī)范體系，構(gòu)建和設(shè)計面向未來的綜合信息化運營調(diào)度平臺（見圖1），仍然是當前面臨的重大課題。尤其是如何與其他機電自動化系統(tǒng)集成問題，關(guān)系到運營日常操作的安全、便捷、高效。

因此，總結(jié)過往軌道交通建設(shè)以及運營中一些實踐體會，針對新制式——中小運量軌道交通，重新梳理電力監(jiān)控系統(tǒng)集成面臨的選擇十分必要。

圖1 綜合運營調(diào)度指揮平臺應(yīng)用構(gòu)架

2 電力監(jiān)控系統(tǒng)及其實時性

城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)通常包括調(diào)度主站系統(tǒng)、變電站綜合自動化系統(tǒng)（子站）和底層測控裝置3部分。其中控制中心調(diào)度主站系統(tǒng)實現(xiàn)中心調(diào)度和全部管理功能，包括對所有車站的監(jiān)視、遠動、登錄管理、趨勢、報表、查詢、時鐘同步、自檢等所有功能；變電所綜合自動化系統(tǒng)（子站）根據(jù)權(quán)限管理具備系統(tǒng)部分功能。獨立的軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似，但其規(guī)模較小，實時數(shù)據(jù)庫通常僅支持到10 000點左右。

《地鐵設(shè)計規(guī)范》（簡稱《規(guī)范》）要求ISCS應(yīng)當與電力監(jiān)控（PSCADA）系統(tǒng)集成，集成后的系統(tǒng)功能也應(yīng)當滿足性能要求，特別是系統(tǒng)實時性的要求。PSCADA與ISCS的深度集成很好地解決了遙控命令傳送時間不大于3 s的要求?？刂泼顢?shù)據(jù)流由中心/車站操作員站→中心/車站服務(wù)器→通信控制器（FEP）→底層設(shè)備順序流轉(zhuǎn)，理論計算見表1、圖2。

另外，《規(guī)范》中還要求遙控命令在ISCS系統(tǒng)中的傳輸時間應(yīng)小于2 s，對于與PSCADA系統(tǒng)深度集成的ISCS系統(tǒng)，通過合理配置設(shè)備、優(yōu)化軟件完全可以滿足該指標要求。

獨立設(shè)置的PSCADA系統(tǒng)雖然其工作站傳輸至FEP的過程與ISCS傳輸?shù)紽EP的過程相同，但獨立的PSCADA系統(tǒng)規(guī)模較小，系統(tǒng)配置（包括服務(wù)器內(nèi)存、CPU性能）較低，軟件結(jié)構(gòu)簡單，因此造成服務(wù)器、FEP對遙控命令的處理時間較長。通過系統(tǒng)配置選擇，則可以滿足《規(guī)范》中要求遙控命令傳送時間不大于 3 s。

通過車站ISCS與變電站綜合自動化系統(tǒng)（子站）接口，實現(xiàn)ISCS與PSCADA數(shù)據(jù)互聯(lián)的系統(tǒng)，ISCS中央級或車站級操作員站監(jiān)控全線或本站的供電設(shè)備，變電站綜合自動化系統(tǒng)（子站）管理現(xiàn)場供配電設(shè)備。對于這種接口方式，其控制命令需要在2個軟件系統(tǒng)中分別執(zhí)行，即控制命令數(shù)據(jù)流由中心/車站操作員站→中心/車站服務(wù)器→通信控制器（FEP）→變電站綜合自動化系統(tǒng)（子站）→底層設(shè)備。與深度集成的ISCS系統(tǒng)相比，滿足遙控命令傳送時間不大于3 s的要求難度很大。此外，《規(guī)范》中還規(guī)定了控制命令的反饋時間、遙測數(shù)據(jù)量的采集時間?；ヂ?lián)的PSCADA系統(tǒng)同時滿足這些條件受FEP的配置條件、接入子站的PSCADA軟件設(shè)計、底層裝置及結(jié)構(gòu)、巡檢周期等的影響很大。

3 深度集成的綜合監(jiān)控系統(tǒng)

ISCS分為中央級、車站級和現(xiàn)場級，深度集成的ISCS系統(tǒng)是采用同一軟件平臺將被集成的子系統(tǒng)完全集成在一起，被集成系統(tǒng)的所有功能在ISCS平臺上實現(xiàn)，被集成子系統(tǒng)通過開放的數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換。中央和車站監(jiān)控工作站通過模塊化的軟件部署及權(quán)限管理實現(xiàn)各專業(yè)崗位的監(jiān)控功能隔離和授權(quán)操作。簡言之，深度集成系統(tǒng)是一個結(jié)構(gòu)、功能和性能的全面集成。

表1 深度集成綜合監(jiān)控系統(tǒng)控制命令時序表ms

圖2 深度集成ISCS系統(tǒng)控制命令時序圖

深度集成的ISCS系統(tǒng)以被集成子系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可以建立起堅實的數(shù)字信息共享平臺，所以在進行聯(lián)動時可靠而迅捷。而且，深度集成的ISCS系統(tǒng)以被標準化的點表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，可以為今后ISCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。同時，此類系統(tǒng)不存在平臺對接問題，調(diào)試、維護方便，系統(tǒng)擴展性好，從根本上保護了用戶的投資利益。

深度集成的ISCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3，具有分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、物理接口在底層設(shè)備、采用同一軟件平臺、響應(yīng)實時性高、數(shù)據(jù)庫便于開放的特點。已被大多數(shù)城市軌道交通線路采用，如北京、深圳、廣州、天津等。除了深度集成的ISCS系統(tǒng)外，中心信息綜合型、中心集成型ISCS系統(tǒng)也有采用。

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性提升

4.1 ISCS軟件內(nèi)部結(jié)構(gòu)

ISCS軟件屬大型監(jiān)控軟件，監(jiān)控對象規(guī)模大于20萬個實時點、5萬個報警信號、4萬個歷史趨勢、50臺操作員站；性能需達到網(wǎng)絡(luò)負荷不高于20%，系統(tǒng)響應(yīng)時間＜1 s；而且需要實現(xiàn)幾十種通用功能（如登錄、權(quán)限管理、報表打印、檢索、冗余切換等）。

ISCS軟件通過多層次、標準化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計[1]，實現(xiàn)了大型監(jiān)控軟件的開發(fā)和測試，具有較高的可靠性和安全性，軟件結(jié)構(gòu)見圖4。

4.2 軟件系統(tǒng)安全性、可靠性

全面的分層、分塊、分功能、性能的測試和驗證，降低了對測試平臺、測試場景復(fù)雜度的要求，使大量測試內(nèi)容在實驗室進行，現(xiàn)場僅對軟硬件、控制對象實物以及控制邏輯進行一致性的驗證。按照分塊測試可以劃分為：操作系統(tǒng)層面測試（支持Windows、Unix）、通用平臺功能測試（包含商用+共享軟件+系統(tǒng)軟件包+應(yīng)用軟件包）、數(shù)據(jù)/腳本測試。通過充分、完整、全面的測試、驗證和調(diào)試，保證了系統(tǒng)的安全性和可靠性[2]。

另外，ISCS系統(tǒng)與PSCADA系統(tǒng)相比，具有模塊化分層、分布式軟件架構(gòu)，以及開放的軟件平臺，支持符合特定專業(yè)需求的應(yīng)用擴展。另外，ISCS具備用戶標識與鑒別、存取控制、視圖機制、審計、數(shù)據(jù)加密等安全控制機制，具有更高的安全性。

北京地鐵燕房線TIAS系統(tǒng)、深圳地鐵11號線、成都地鐵10號線、昆明地鐵3號線等ISCS項目的測試、驗證和調(diào)試實踐都表明：

圖3 深度集成ISCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 ISCS軟件結(jié)構(gòu)

（1）標準化、規(guī)范化測試方法避免了現(xiàn)場修改代碼帶來的版本管理的混亂和隨意，軟件的可靠性大大提高。

（2）分層、分塊的測試驗證方法提高了調(diào)試版軟件的可用性，使版本控制、配置管理更加可行，提高了軟件的安全性。

（3）具備用戶標識與鑒別、存取控制、審計、數(shù)據(jù)加密等綜合監(jiān)控安全控制機制應(yīng)用更加廣泛。

5 深度集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)面臨的挑戰(zhàn)

雖然深度集成系統(tǒng)在實時性、安全性、可靠性以及經(jīng)濟性上具有很大優(yōu)勢，但在規(guī)范中并沒有推薦或強制要求采用何種集成方式，各城市軌道交通建設(shè)管理模式、招標界面的劃分、運營的管理需要又不盡相同，特別是對中小城市的業(yè)主，受運營管理體制和投資的條件限制，提出簡化車站級PSCADA系統(tǒng)功能或簡單互聯(lián)PSCADA子系統(tǒng)的集成建議，主要理由如下：

（1）供電的調(diào)度在中心單獨設(shè)置崗位及操作界面，電調(diào)不查看其他子系統(tǒng)畫面，車站不監(jiān)視電力系統(tǒng)畫面。正常情況下，可實現(xiàn)全線供電設(shè)備的操作，故障情況或維護維修時，操作人員通過現(xiàn)場子站（控制信號盤）操作設(shè)備。因此，位于車控室的車站級PSCADA系統(tǒng)監(jiān)視畫面可用性很小，與ISCS集成顯得沒有必要。

（2）按照《地鐵設(shè)計規(guī)范》，PSCADA子系統(tǒng)屬于供電專業(yè)管理[3]，深度集成需要確定詳細的接口規(guī)格書和點表，對主管工程師的專業(yè)能力和協(xié)調(diào)能力要求高，互聯(lián)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更方便設(shè)計、招標以及工程實施過程中的管理。

因此，在軌道交通PSCADA系統(tǒng)項目實踐過程中，形成了互聯(lián)的PSCADA系統(tǒng)及深度集成的甚至是分立的PSCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀。

6 中小運量軌道交通制式下的選擇

云軌屬于中小運量的交通制式，是對傳統(tǒng)跨座式單軌的改進，具有更輕量化的特點，車輛、供電、軌旁設(shè)備更加簡潔。因此，面對這種新趨勢，云軌PSCADA系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)需要重新思考，與綜合監(jiān)控系統(tǒng)的集成方式也需要重新思考和定位，以滿足在確保安全的前提下，方便運營使用和維護。

6.1 監(jiān)控對象及監(jiān)控需求的比較

由于云軌屬于跨座式單軌制式，采用膠輪列車，不能利用鋼軌回流，造成了接觸軌牽引供電方式、軌電位限制，以及雜散電流系統(tǒng)防護需求的不同。主要供電設(shè)備電調(diào)監(jiān)控需求的差異見表2。

6.2 功能需求比較

地鐵與云軌相比，監(jiān)控對象、整體需求大體一致；云軌的變電所通常采用箱式變電所，無人值守；由于車輛設(shè)置了電池、供電網(wǎng)絡(luò)配置了后備儲能電源，使供電系統(tǒng)可以采用單環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)（更加簡潔）。

雖然從總體看云軌供電系統(tǒng)相對比較簡單，但是對電力底層控制保護裝置以及監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求并沒有降低（見表3）。

表2 主要供電設(shè)備電調(diào)監(jiān)控需求的差異

表3 電力監(jiān)控功能需求

6.3 系統(tǒng)主要性能參數(shù)需求比較

軌道交通PSCADA系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)供電系統(tǒng)的遠程操作和維護管理。由于運營環(huán)境中的監(jiān)控對象、功能需求大體一致，因此其主要技術(shù)指標要求也基本一致[4]，具體要求見表4。

6.4 運營需求的適用性比較

通過對控制對象、功能需求和性能需求的比較發(fā)現(xiàn)，對于遠程操作維護的電調(diào)值班人員來說，深度集成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更能滿足實際需要，3類不同系統(tǒng)集成方式特點以及關(guān)鍵性能分析比較見表5。

6.5 項目總投資比較

對于目前市場上主流的綜合監(jiān)控和PSCADA系統(tǒng)方案來說，都具備對外開放的數(shù)據(jù)接口以及平臺硬件支撐，是否集成、選用什么集成方案并不影響系統(tǒng)硬件的架構(gòu)和成本。

表4 電力監(jiān)控性能需求

綜合監(jiān)控系統(tǒng)是面向數(shù)據(jù)匯集（data gather）的系統(tǒng)，控制中心獲得安全的數(shù)據(jù)和發(fā)出控制命令是在一個實時性和可靠性比控制網(wǎng)絡(luò)低的通信介質(zhì)上，因此系統(tǒng)配置了一個功能強大的分布式數(shù)據(jù)庫。由于PSCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)量并不巨大，因此接入PSCADA系統(tǒng)并不改變數(shù)據(jù)庫的規(guī)模。

對于應(yīng)用開發(fā)和人機界面來說，通過深度集成的方式反而降低了項目成本。因為綜合監(jiān)控和PSCADA系統(tǒng)的絕大多數(shù)通用功能都一致，采用深度集成方式可以避免一些重復(fù)開發(fā)。

總之，采用何種集成方式項目總投資基本不變。

6.6 運營維護的比較

軌道交通運營管理體制模式一直是制約綜合監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展的瓶頸。具體來說，終端應(yīng)用包括中心調(diào)度員、車站操作員、電力設(shè)備維護維修人員、機電設(shè)備維護維修人員等，不管是將綜合監(jiān)控交給機電、電力、還是專門的綜合監(jiān)控專業(yè)運維管理都有缺陷。

但是對于中小運量制式來說，整體的系統(tǒng)規(guī)模簡化，對于統(tǒng)一管理會比地鐵更加容易實行，也因此更加需要深度集成的方式。

表5 系統(tǒng)集成方式比較

7 結(jié)束語

雖然中小運量軌道交通的供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較簡單，但規(guī)范、用戶需求并沒有降低監(jiān)控系統(tǒng)的功能和性能要求。設(shè)置ISCS系統(tǒng)的軌道交通工程，PSCADA與綜合監(jiān)控的集成既是必要的也是一種趨勢。深度集成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以更好地滿足實時性要求，并且提高了可靠性、安全性和經(jīng)濟性。

另外，車輛、供電、信號系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通越來越迫切，通過車輛的牽引電流、信號行車模式、供電網(wǎng)絡(luò)回路、總電流及開關(guān)狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)共享，借助大數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)軌道交通綜合效益的提高變得越來越有可能，也使深度集成的綜合監(jiān)控系統(tǒng)越來越重要。

因此，深度集成是ISCS系統(tǒng)的必由之路，PSCADA子系統(tǒng)是其重要的拼圖之一。對電力調(diào)度來說，深度集成提高了系統(tǒng)的實時性、安全性、可靠性，中小運量軌道交通的PSCADA系統(tǒng)應(yīng)當與綜合監(jiān)控系統(tǒng)深度集成。