孫軍峰，張立鵬，林 立，劉華祥

（卡斯柯信號有限公司，上海 200071）

1 現(xiàn)代有軌電車控制系統(tǒng)簡介

現(xiàn)代有軌電車近年來以其低建設成本、節(jié)能環(huán)保、形象美觀和較高運輸效率的特點，在我國迎來一個規(guī)劃和建設的高峰期。隨著地鐵建設門檻的提高，有軌電車會有一個更好的發(fā)展前景。

一條現(xiàn)代有軌電車線路主要由軌行線路、車輛、供電、控制系統(tǒng)及運營單位組成。其中控制系統(tǒng)對于保障行車安全、提升運營效率、提高乘客乘坐體驗有著至關重要的作用，有軌電車建設單位也越來越重視控制系統(tǒng)的建設。

為了便于闡述，車輛的牽引制動控制、變電所供電控制不作為本文控制系統(tǒng)的范圍（分別屬于車輛和供電專業(yè)）。把有軌電車的控制系統(tǒng)定義為弱電各個專業(yè)系統(tǒng)的統(tǒng)稱，包括信號系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電力監(jiān)控（PSCADA）系統(tǒng)、機電設備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、乘客信息（PIS）系統(tǒng)、廣播（PA）系統(tǒng)、售檢票（AFC）系統(tǒng)、安防監(jiān)控（CCTV）系統(tǒng)等。

在以往現(xiàn)代有軌電車控制系統(tǒng)的招標建設過程中，業(yè)主往往單獨招標各個控制系統(tǒng)，有時也會把通信系統(tǒng)、PA、PIS?等整合為一個通信包或者綜合監(jiān)控（ISCS）包來招標建設。在這種招標建設方式中，可以看到一些弊端：①建設成本較高，因為每個弱電系統(tǒng)都需要有服務器、工作站和網(wǎng)絡設備，招標建設方式?jīng)Q定了無法進行有效的資源整合；②各個子系統(tǒng)信息共享不足，各個系統(tǒng)間接口方式大多為點對點的通信協(xié)議，信息共享不夠充分，聯(lián)動響應效率不足，不能達到跨業(yè)務聯(lián)動、應急快速響應的效果；③建設單位協(xié)調(diào)工作量大，建設單位（或其委托的設計院）負責協(xié)調(diào)各個子系統(tǒng)的供貨商進行系統(tǒng)間接口設計、發(fā)貨、安裝和聯(lián)調(diào)等工作，花費過多的精力；④運營和維護效率不高，這種建設方式在運營維護期間，會設置獨立的維護工區(qū)，負責分別維護這些子系統(tǒng)，沒有做到人力資源充分利用。

目前在國內(nèi)地鐵建設中，有的城市將信號系統(tǒng)和綜合監(jiān)控系統(tǒng)作為一個整體行車綜合自動化系統(tǒng)（TIAS）來建設，比如北京地鐵?6?號線和燕房線，但在現(xiàn)代有軌電車的建設中還沒有過。

現(xiàn)代有軌電車由于中運量的定位，決定了其各個子系統(tǒng)的規(guī)模與地鐵相比會小很多。如果能夠?qū)⑦@些弱電子系統(tǒng)集成為一個綜合系統(tǒng)來招標和建設，由一家總集成商來負責總體系統(tǒng)需求和架構(gòu)設計，從電車公司整體運營角度出發(fā)，設計出一個綜合智能控制系統(tǒng)，構(gòu)建統(tǒng)一的硬件平臺、軟件平臺、網(wǎng)絡通信平臺和數(shù)據(jù)平臺，必將大大提升傳統(tǒng)模式的建設和運營效率。

現(xiàn)代有軌電車綜合智能控制系統(tǒng)就是以此為出發(fā)點提出的下一代有軌電車控制系統(tǒng)解決方案，并通過深圳龍華現(xiàn)代有軌電車示范線工程的建設，證明此方案是比較成功的。

2 有軌電車綜合智能控制系統(tǒng)組成和特點簡介

從深圳龍華現(xiàn)代有軌電車示范線招標建設形式上可以看出，深圳有軌電車公司把綜合智能控制系統(tǒng)作為一個整體標的，通過唯一一個系統(tǒng)集成商完成建設，進行整體設計、采購、安裝和聯(lián)調(diào)，對于其中一些非常專業(yè)的子系統(tǒng)，由系統(tǒng)集成商再尋求分包商。在開通運營以后，由集成商負責對口業(yè)主的售后服務，對于由分包商提供的產(chǎn)品或服務子系統(tǒng)，由集成商負責協(xié)調(diào)其提供服務，整個過程中業(yè)主只對應一家集成商。這種方式在國內(nèi)現(xiàn)代有軌電車領域尚屬首創(chuàng)，代表了未來現(xiàn)代有軌電車的招標建設方向。

卡斯柯信號有限公司作為該項目的總集成商，為深圳龍華現(xiàn)代有軌電車示范線工程提供的?SmarTram?綜合智能控制系統(tǒng)包括：綜合智能控制系統(tǒng)軟件平臺、信號子系統(tǒng)、PSCADA?子系統(tǒng)、CCTV?子系統(tǒng)、?PIS?子系統(tǒng)、PA?子系統(tǒng)、時鐘子系統(tǒng)、有線電話和車地無線?4G?通信和電話子系統(tǒng)、售檢票?AFC?子系統(tǒng)、OA?子系統(tǒng)（含乘務管理、施工管理、資產(chǎn)管理等）等，具體如圖?1?所示。

從圖?1?的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中，可以看到綜合智能控制系統(tǒng)采用整體設計的系統(tǒng)架構(gòu)，各個子系統(tǒng)共享硬件平臺和網(wǎng)絡平臺，調(diào)度員工作站采用一套綜合智能控制系統(tǒng)控制終端軟件，對各個子系統(tǒng)進行運營控制。

2.1 統(tǒng)一的軟件平臺

綜合智能控制系統(tǒng)采用信號與綜合監(jiān)控軟件平臺（SSIP）作為統(tǒng)一的平臺，采用統(tǒng)一的實時數(shù)據(jù)庫存儲各個子系統(tǒng)業(yè)務的實時數(shù)據(jù)，通過平臺的消息訂閱和推送機制，分發(fā)給不同的調(diào)度客戶端；采用統(tǒng)一的關系型數(shù)據(jù)庫，設置不同的數(shù)據(jù)表保存各個子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一設計可以實現(xiàn)各種定制的信息共享和報表查詢。

綜合智能控制系統(tǒng)基于?SSIP?平臺深度實現(xiàn)了自動列車監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）功能、PSCADA?功能、BAS?功能這3?個核心功能（也稱為深度集成）；實現(xiàn)了?CCTV?監(jiān)控功能、PIS?和?PA?的界面監(jiān)督和控制功能，可以滿足調(diào)度員視頻監(jiān)控和發(fā)布乘客信息等功能。通過平臺通信前置機（FEP）與分包商提供的箱式變電站電力控制系統(tǒng)、PIS?和?PA?系統(tǒng)應用服務器，進行基于?MODBUS?協(xié)議的通信，將控制命令通過這些子系統(tǒng)發(fā)送出去，接受現(xiàn)場設備狀態(tài)信息，從而實現(xiàn)對這些子系統(tǒng)的控制與監(jiān)督功能（也稱界面集成）。對于一些不需要調(diào)度員操作的后臺功能，SSIP?平臺通過?FEP?與這些系統(tǒng)互連，獲取設備工作狀態(tài)和運營業(yè)務數(shù)據(jù)，供調(diào)度員查詢，這些子系統(tǒng)包括時鐘和?AFC?售檢票子系統(tǒng)等。

圖1 現(xiàn)代有軌電車綜合智能控制系統(tǒng)架構(gòu)

由于采用了統(tǒng)一的實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，綜合智能控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)綜合大數(shù)據(jù)分析決策功能，實現(xiàn)跨業(yè)務的數(shù)據(jù)分析和查詢。這些查詢信息推送到大屏幕子系統(tǒng)上，借助于大數(shù)據(jù)可視化技術進行展現(xiàn)。

同時基于實時庫里各個不同業(yè)務的關鍵閾值變化，可以定義多種跨業(yè)務的聯(lián)動場景，實現(xiàn)快捷、靈活、可定制的聯(lián)動服務，提高了應急響應速度。

2.2 統(tǒng)一的硬件云平臺

綜合智能控制系統(tǒng)從有軌電車公司整體建設角度出發(fā)，對所涵蓋的所有子系統(tǒng)硬件進行整體規(guī)劃和設計。根據(jù)總體功率消耗設計電源子系統(tǒng)；根據(jù)各個子系統(tǒng)的功能、性能和數(shù)據(jù)存儲量設計統(tǒng)一的服務器，從而形成了綜合智能控制系統(tǒng)云平臺服務器。采用云服務器構(gòu)成私有云架構(gòu)，虛擬出不同子系統(tǒng)的應用服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、通信前置服務器等。

該云平臺定位為有軌電車公司的整體數(shù)據(jù)中心，作為有軌電車公司的生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)、OA?管理系統(tǒng)的信息平臺，其良好的擴展性保證了預留出未來有軌電車線網(wǎng)級控制指揮中心的計算能力和存儲能力。同時，該緊湊型的云平臺使得中心機房的面積較傳統(tǒng)服務器機柜形式大幅度降低，其虛擬機技術保證了操作系統(tǒng)和應用軟件具有靈活的部署能力。

云平臺內(nèi)部根據(jù)虛擬局域網(wǎng)絡（VLAN）技術，劃分為智能控制系統(tǒng)生產(chǎn)運營調(diào)度云和辦公云，以保證關鍵業(yè)務的安全隔離。

2.3 統(tǒng)一的網(wǎng)絡通信平臺

綜合智能控制系統(tǒng)采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡通信平臺，所有子系統(tǒng)統(tǒng)一掛接在這個骨干網(wǎng)絡上。深圳龍華項目采用了由工業(yè)級赫茲曼交換機組成的雙環(huán)以太環(huán)網(wǎng)，將控制中心、正線和車輛段統(tǒng)一組成一個骨干網(wǎng)，在骨干網(wǎng)絡上劃分?VLAN，實現(xiàn)各個業(yè)務之間的隔離，提高網(wǎng)絡系統(tǒng)的可靠性。

無線通信采用租用聯(lián)通公網(wǎng)?4G?的方式，在控制中心和每列電車上分別設置?4G?網(wǎng)關，作為車地之間數(shù)據(jù)交換和語音通話的統(tǒng)一無線通信平臺。

2.4 統(tǒng)一的界面操作和報警

綜合智能控制系統(tǒng)為調(diào)度員提供了專用的調(diào)度指揮工作站終端，由于各個子系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)構(gòu)建在統(tǒng)一的實時數(shù)據(jù)庫上，使為調(diào)度員提供一個綜合各個業(yè)務監(jiān)控功能的綜合調(diào)度臺終端成為可能。利用?SSIP?平臺的高性能界面設計工具，設計了統(tǒng)一的多工種操作界面。根據(jù)登錄賬號的權(quán)限不同，不同的工作站有不同的操控權(quán)限，但都具有相同的跨業(yè)務查詢功能。

該系統(tǒng)的一個優(yōu)點是支持信號子系統(tǒng)的道岔、信號機、站臺等信息與?PSCADA、CCTV、PIS?等子系統(tǒng)信息的融合組態(tài)顯示，讓調(diào)度員一目了然。圍繞電車的動態(tài)運行位置，隨時監(jiān)督和控制電車周圍的其他外圍服務設備和監(jiān)控設備。在?ATS?站場平臺圖上，同時設計了?PIS屏幕、PA?揚聲器和?CCTV?攝像頭圖標，調(diào)度員可在?ATS站場平面圖上點擊查詢和控制這些設備，提高了調(diào)度員的操作效率。

各個子系統(tǒng)的報警根據(jù)類別及優(yōu)先級同步顯示在工作站上，不同的調(diào)度工種根據(jù)其權(quán)限進行報警確認或相應的故障處理。

該系統(tǒng)另一個優(yōu)點是調(diào)度崗位的減員增效。高峰期時，設置行車調(diào)度、設備調(diào)度和客運調(diào)度?3?個崗位；高峰期過后，行車調(diào)度可以切換角色為綜合調(diào)度，接管設備調(diào)度的監(jiān)控功能。由此可見，統(tǒng)一的綜合智能控制平臺推動了運營指揮模式的革新。

2.5 統(tǒng)一的設備診斷維護

由于綜合智能控制系統(tǒng)集成和互連了全部的子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)內(nèi)部的設備運行狀態(tài)和運行報警信息全部納入軟件平臺中。通過設計綜合設備維護管理的前端界面，使得系統(tǒng)具備了對整個系統(tǒng)內(nèi)所有設備進行狀態(tài)監(jiān)督、關鍵指標預警、設備壽命周期管理和故障智能分析等功能，還可以對組合故障進行關聯(lián)分析，采取人工智能的方法，提高故障診斷能力和故障預警能力。

3 有軌電車綜合智能控制系統(tǒng)開發(fā)與測試

3.1 SSIP 軟件平臺架構(gòu)設計

綜合智能控制系統(tǒng)開發(fā)的核心是?SSIP?的開發(fā)，該平臺的開發(fā)遵循了以下幾個設計原則：

（1）?平臺提供強大的組態(tài)軟件界面設計工具，以組態(tài)的方式描繪任意監(jiān)控對象，以便實現(xiàn)跨專業(yè)的業(yè)務特征描述，并支持與后臺點表之間的邏輯管理配置，內(nèi)置常用的信號系統(tǒng)和綜合監(jiān)控系統(tǒng)圖符庫；

（2）平臺后端采用高性能實時數(shù)據(jù)庫，可以支持100?萬以上點表信息的同時變化；

（3）平臺的各個節(jié)點采用高速消息總線，支持平臺的規(guī)模擴展；

（4）平臺具備統(tǒng)一的存儲、回放、報警管理和歸檔功能，具備大數(shù)據(jù)分析模塊，支持多數(shù)據(jù)源的大數(shù)據(jù)分析功能；

（5）平臺支持在云端部署，支持良好的上層業(yè)務二次開發(fā)，達到?SIL2?安全等級。

基于?SSIP?平臺良好的二次開發(fā)能力，卡斯柯開發(fā)了有軌電車的控制中心調(diào)度指揮系統(tǒng)（SmarTIAS），將ATS、PSCADA、BAS、PIS、PA、AFC、無線通信和時鐘等各個業(yè)務的監(jiān)督與控制納入該調(diào)度指揮系統(tǒng)，成為有軌電車綜合智能控制系統(tǒng)在控制中心的核心平臺。

3.2 系統(tǒng)開發(fā)和安全保障過程

在開發(fā)過程中為了便于開發(fā)管理，將綜合智能控制系統(tǒng)分解為?2?個研發(fā)項目，分別為?SmarTram?有軌電車信號系統(tǒng)和?SmarTIAS?有軌電車弱電集成系統(tǒng)，在產(chǎn)品研發(fā)層面進行子系統(tǒng)設計和產(chǎn)品安全保證活動。2?個子系統(tǒng)在有軌電車綜合智能控制系統(tǒng)工程項目中，利用工程應用數(shù)據(jù)進行集成測試和確認測試。

SmarTram?綜合了智能控制系統(tǒng)的信號控制和電力控制關鍵功能，需要具有相應的安全等級，所以其研發(fā)過程需遵守?EN?50126、EN?50128、EN?50129?等國際安全標準，其中道岔控制器和車輛段聯(lián)鎖達到?SIL4?級，計軸子系統(tǒng)達到?SIL4?級，車載信號系統(tǒng)的?ATP?功能達到?SIL2級，SSIP?平臺及基于此開發(fā)的?ATS?子系統(tǒng)和?PSCADA子系統(tǒng)達到?SIL2?級。

安全評估團隊需從產(chǎn)品層面和項目層面派出安全保證經(jīng)理，其安全分析活動貫穿整個設計、開發(fā)過程，識別出的安全需求也通過各級審核、驗證環(huán)節(jié)，保證最終被軟件實現(xiàn)或輸出給系統(tǒng)使用者。

3.3 系統(tǒng)測試和驗證過程

系統(tǒng)的集成測試在有軌電車綜合智能控制系統(tǒng)實驗室內(nèi)部進行，實驗室搭建了統(tǒng)一的硬件云服務器和骨干網(wǎng)絡設備，還有真實的信號子系統(tǒng)道岔控制器、路口優(yōu)先控制器、車載控制器、PSCADA?箱變控制器，此外還從分包商處采購了?PIS?顯示屏、PA?廣播揚聲器、CCTV攝像頭等實物?？ㄋ箍伦灾鏖_發(fā)了現(xiàn)代有軌電車集成驗證平臺?iVP，能夠模擬全線電車運行、全線道岔信號機的動作，模擬計軸設備產(chǎn)生的占用和出清信息，還可以模擬各個弱電子系統(tǒng)的簡單功能。圖?2?為綜合智能控制系統(tǒng)測試環(huán)境結(jié)構(gòu)圖。

利用這個實驗室集成環(huán)境，可以對綜合智能控制系統(tǒng)的每個子系統(tǒng)功能、每個子系統(tǒng)間的接口和大系統(tǒng)功能進行測試，完成產(chǎn)品的發(fā)布。

圖2 綜合智能控制系統(tǒng)實驗室測試環(huán)境結(jié)構(gòu)

同時工程項目團隊還可以利用該實驗室環(huán)境，進行工程項目上的應用設計和數(shù)據(jù)測試驗證。由于有了這樣的工廠集成測試平臺，使得?70%?的工程測試工作可以在廠內(nèi)完成，到現(xiàn)場只需要對接口配線進行點對點測試和有限的功能確認測試，即可投入試運行。

4 有軌電車綜合智能控制系統(tǒng)工程應用

SmarTram?綜合智能控制系統(tǒng)已在深圳龍華現(xiàn)代有軌電車示范線項目中得到成功應用。該示范線線路全長約?11.7??km，其中主線長?8.6??km，支線長?3.1??km，全線車站?20?座，其中主線?15?座，支線?5?座。全線?25?個路口，其中?7?個十字燈控路口，8?個?T?型燈控路口，2?個進出車場路口，8?處信號燈控人行過街。線路最高運行速度為70??km/h。全線共運行?15?列電車，高峰期清湖—大和區(qū)間運行間隔小于?5??min，供電方式采用超級電容方式在站臺充電。

龍華現(xiàn)代有軌電車示范線綜合智能控制系統(tǒng)是全國第一個將信號、通信、電力監(jiān)控、視頻監(jiān)控、AFC?等諸多弱電子系統(tǒng)整體招標建設、深度集成的現(xiàn)代有軌電車項目。綜合智能控制系統(tǒng)于?2017?年?3?月開始設備安裝調(diào)試，2017?年?6?月?29?日開始試運行，并于?2017?年?10?月?28號開通載客試運營，日載客量突破?3?萬人次，至今運行穩(wěn)定，達到預期效果。

由于采用了綜合智能控制系統(tǒng)的建設方式，大大提高了項目建設速度，從?2016?年?8?月綜合智能控制系統(tǒng)中標公示到?2017?年?10?月載客試運營，只用了短短?14?個月時間。同時，系統(tǒng)提供的跨專業(yè)信息共享和業(yè)務聯(lián)動功能，使應急響應的速度比傳統(tǒng)的分立方式提高了?30%，高效的信息共享也提高了乘客的出行體驗滿意度。

5 結(jié)束語

現(xiàn)代有軌電車憑借其中等運量、低造價、短工期、節(jié)能美觀等優(yōu)點，成為城市軌道交通的一支新興勢力，越來越受青睞。現(xiàn)代有軌電車控制系統(tǒng)作為控制電車運營的大腦，對于保證有軌電車安全、提高運營效率起到至關重要的作用。本文介紹的綜合智能控制系統(tǒng)采取統(tǒng)一規(guī)劃、整體設計、共享平臺、靈活運維的技術路線進行產(chǎn)品研發(fā)和工程實施，最終在深圳龍華有軌電車示范線項目中得以成功地運用，為國內(nèi)現(xiàn)代有軌電車的發(fā)展起到了良好的示范效應。目前正在建設的三亞現(xiàn)代有軌電車項目也采用了此綜合智能控制系統(tǒng)的建設模式。