孫 斌
(北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 北京 100855)
綜合監(jiān)控系統(tǒng)作為城市軌道交通體系的重要控制系統(tǒng),是保障城市軌道交通安全運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)內(nèi)容,行車指揮則是綜合監(jiān)控系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。 考慮到我國(guó)各個(gè)省會(huì)城市開(kāi)展大規(guī)模的城市建設(shè),城市軌道交通建設(shè)與控制將會(huì)成為省會(huì)城市未來(lái)發(fā)展的重要研究話題,有必要行車指揮下的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)展開(kāi)詳細(xì)分析。
在21 世紀(jì)初,我國(guó)超一線城市為提升城市發(fā)展活力,擴(kuò)大交通系統(tǒng)運(yùn)行能力,開(kāi)始建設(shè)大規(guī)模的城市軌道交通,以電力調(diào)整與環(huán)境調(diào)整為設(shè)計(jì)核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,是當(dāng)時(shí)主流設(shè)計(jì)思路。 其本質(zhì)是環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(building automation system,BAS)與電力監(jiān)控系統(tǒng)(power supervisory control and data acquisition,PSCADA)的組合設(shè)計(jì)。 在城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中,會(huì)和閉路電視、乘客導(dǎo)向、列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)(automatic train supervision,ATS)等功能系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。 受限于當(dāng)時(shí)的綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)局限性,功能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互的行為本質(zhì)上只是由綜合監(jiān)控系統(tǒng)單方面向功能系統(tǒng)提供例如硬件設(shè)備工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息。 隨著城市快速發(fā)展,城市軌道交通需要處理海量的數(shù)據(jù)信息,以電力調(diào)整與環(huán)境調(diào)整為設(shè)計(jì)核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)階段的綜合監(jiān)控系統(tǒng)的云應(yīng)用需求。 而有關(guān)城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的各類應(yīng)用技術(shù)在近些年得到快速發(fā)展,為供電、機(jī)電等機(jī)械設(shè)備提供更可靠的信息化管理?xiàng)l件,可以探索綜合監(jiān)控系統(tǒng)的信息化升級(jí),實(shí)現(xiàn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一化管理。 根據(jù)城市軌道交通的運(yùn)行需求,在人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化操作,是當(dāng)前城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐的重要研究方向[1]。
2.1.1 城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行需求
對(duì)于城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路,需要分析現(xiàn)階段的城市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理真實(shí)需求。 多個(gè)功能系統(tǒng)協(xié)同合作,即多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng),是保障城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的核心內(nèi)容,即在綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,需要保證可以順利實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)功能。 可以根據(jù)現(xiàn)階段城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)管理規(guī)章制度,設(shè)計(jì)在不同條件的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景需求。 比如在啟動(dòng)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)后,需要進(jìn)行一次全系統(tǒng)的自檢作業(yè),包括BAS、PSCADA、ATS 等都需要以報(bào)警態(tài)的方式進(jìn)行自檢。 通過(guò)檢查后,再對(duì)信號(hào)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、火災(zāi)信息等進(jìn)行詳細(xì)檢查,如果出現(xiàn)報(bào)警信息,需要及時(shí)將問(wèn)題信息發(fā)送至人工調(diào)度臺(tái),由調(diào)度技術(shù)人員采用人工方式進(jìn)行處理,并對(duì)當(dāng)天的城市軌道交通運(yùn)營(yíng)計(jì)劃部分細(xì)節(jié)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整。 判斷當(dāng)天是正常工作日、節(jié)假日或其他日期,選擇相應(yīng)的時(shí)間模式,確認(rèn)具體的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。 在完成各種機(jī)械設(shè)備的自檢后,正式開(kāi)啟城市軌道交通。 可以認(rèn)為,城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)管理主要涉及早間開(kāi)站、晚間關(guān)站兩個(gè)重要時(shí)間節(jié)點(diǎn),以及正常運(yùn)營(yíng)與異常運(yùn)營(yíng)兩種運(yùn)營(yíng)情況等內(nèi)容。 在對(duì)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景進(jìn)行分析后,可以發(fā)現(xiàn)城市軌道交通核心為運(yùn)輸,涉及作為運(yùn)輸目標(biāo)的人,以及作為運(yùn)輸載體的車。 在車輛運(yùn)行過(guò)程中,需要通過(guò)信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行有效指揮,為車輛安全運(yùn)行提供安全保障。 而ATS系統(tǒng)可以為調(diào)度技術(shù)人員、值班人員提供當(dāng)前車輛運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息,可以讓城市軌道交通運(yùn)營(yíng)獲得更為強(qiáng)有力的技術(shù)條件,在設(shè)計(jì)城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)時(shí),需要將ATS 系統(tǒng)進(jìn)行合理應(yīng)用。
2.1.2 城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容
在大量的數(shù)據(jù)分析、國(guó)內(nèi)外城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)比中,許多優(yōu)秀設(shè)計(jì)內(nèi)容都是將行車指揮作為綜合監(jiān)控系統(tǒng)的核心內(nèi)容使用。 在對(duì)城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),可以在保持中心、車站、現(xiàn)場(chǎng)三級(jí)控制模式,以及中心、車站兩級(jí)管理模式的原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,針對(duì)中心級(jí)機(jī)械設(shè)備與核心級(jí)機(jī)械設(shè)備的相互關(guān)聯(lián)展開(kāi)相應(yīng)分析。 對(duì)于中心級(jí)機(jī)械設(shè)備,涉及實(shí)時(shí)服務(wù)器、包含磁盤陣列的歷史服務(wù)器、信號(hào)通信前端處理器(front end processor,F(xiàn)EP),以及若干的工作站;對(duì)于核心級(jí)機(jī)械設(shè)備,涉及服務(wù)器、信號(hào)通信FEP、綜合監(jiān)控FEP,以及若干的工作站。 對(duì)于中心和車站通信模式,使用獨(dú)立光纖+以太網(wǎng),構(gòu)成工業(yè)級(jí)別的以太環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)模式,滿足數(shù)據(jù)信息的快速、精準(zhǔn)傳輸[2]。
2.2.1 方案實(shí)施基礎(chǔ)內(nèi)容
對(duì)于城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)方案實(shí)施,可以細(xì)化為軟件系統(tǒng)與服務(wù)器兩個(gè)方面。 對(duì)于軟件系統(tǒng),考慮到在以往使用的綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)軟件,是以UNIX 系統(tǒng)作為設(shè)計(jì)工具,ATS 軟件是以操作系統(tǒng)作為設(shè)計(jì)工具。 為合理提升城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的后期維護(hù)效率,需要對(duì)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的核心系統(tǒng)進(jìn)行平臺(tái)移植,全部以操作系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 對(duì)于大量機(jī)械設(shè)備的操作界面,也采用統(tǒng)一化處理,結(jié)合相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)融合,實(shí)現(xiàn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)功能的有效整合。 由此生成的數(shù)據(jù)總線開(kāi)發(fā)需求,也采用重新開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)方案,讓數(shù)據(jù)總線可以適配于城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng);對(duì)于服務(wù)器,在原本的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,采用1+1 模式的配置模式,即使用兩套實(shí)時(shí)服務(wù)器,以一套使用一套備用的方式,保障綜合監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。 而在之后的設(shè)計(jì)中,可以開(kāi)源整合成一套實(shí)時(shí)服務(wù)器的配置模式,采用云端服務(wù)器+檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)化分析,降低實(shí)時(shí)服務(wù)器的運(yùn)行時(shí)間成本,從而突出城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的行車指揮核心功能[3]。
2.2.2 城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)邏輯
對(duì)于城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)邏輯,可以劃分為以下幾個(gè)環(huán)節(jié):第一環(huán)節(jié)、在啟動(dòng)城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)后,列車正式開(kāi)始運(yùn)行,針對(duì)列車是否正點(diǎn)運(yùn)行的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析。 如果列車的偏離程度小于預(yù)設(shè)水平,則由綜合監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整,讓列車恢復(fù)到整合運(yùn)行狀態(tài)。 如果列車的偏離程度大于預(yù)設(shè)水平,則由調(diào)度技術(shù)人員進(jìn)行人工控制;第二環(huán)節(jié),乘客信息系統(tǒng)(public address system,PIS)/公共廣播系統(tǒng)(passenger information system,PA)系統(tǒng)發(fā)布單次列車到站相關(guān)信息。 在此過(guò)程中,需要判斷供電區(qū)域的工作狀態(tài),通過(guò)電力調(diào)整與環(huán)境調(diào)整顯示進(jìn)行輔助分析。 對(duì)于調(diào)整列車的運(yùn)行狀態(tài),通過(guò)PIS/PA對(duì)車站內(nèi)的乘客進(jìn)行疏導(dǎo),利用PIS/PA 對(duì)列車內(nèi)的乘客進(jìn)行提醒,啟動(dòng)BAS 阻災(zāi)模式。 如果綜合監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法有效判斷,仍然由調(diào)度技術(shù)人員作人工控制。 對(duì)于列車到車站之間的區(qū)間障礙物,與供電區(qū)域判斷模式相仿,但是需要額外增加閉路電視(closed circuit television,CCTV)切換功能與遠(yuǎn)程控制(remote control,RC)切換功能,確保列車與乘客的安全。 由調(diào)度技術(shù)人員負(fù)責(zé)做二次處理另外還有信號(hào)故障、車輛故障、地面火災(zāi)、列車火災(zāi)等判斷需求,參考列車到車站之間的區(qū)間障礙物進(jìn)行判斷[4]。
2.2.3 方案實(shí)施效果
將本文設(shè)計(jì)的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到某超一線城市的城市軌道交通線路后,經(jīng)過(guò)當(dāng)?shù)亟煌ㄎM織竣工驗(yàn)收,正式開(kāi)始試運(yùn)營(yíng)。 經(jīng)過(guò)近十年的運(yùn)行分析,該條線路先后經(jīng)歷二期車站、二期車輛段的接入,線路控制中心遷移,西延車站接入等多次線路層面的調(diào)整,當(dāng)前負(fù)責(zé)三十余座地下車站,以及兩座車輛段與一座停車場(chǎng)的監(jiān)控控制。 每天處理百萬(wàn)級(jí)別的客流量,為六十余列城市軌道交通提供運(yùn)營(yíng)指揮需求。 在大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析中,可以發(fā)現(xiàn)該條線路在采用本文設(shè)計(jì)的綜合監(jiān)控系統(tǒng)后,平均無(wú)故障時(shí)間遠(yuǎn)超過(guò)以往采用的電力調(diào)整+環(huán)境調(diào)整的綜合監(jiān)控系統(tǒng)平均無(wú)故障時(shí)間。
我國(guó)現(xiàn)階段的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù),需要花費(fèi)較多的資金,采購(gòu)進(jìn)口服務(wù)器,購(gòu)買相應(yīng)的服務(wù)器平臺(tái)系統(tǒng),才能保障城市軌道交通的安全運(yùn)營(yíng)。 本文以三級(jí)控制+兩級(jí)管理模式為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)的綜合監(jiān)控系統(tǒng)可以大幅度降低軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)支出,降低硬件設(shè)備的采購(gòu)成本,仍然無(wú)法處理進(jìn)口服務(wù)器與平臺(tái)系統(tǒng)的資金成本問(wèn)題。 我國(guó)近些年計(jì)算機(jī)技術(shù)得到發(fā)展,以云平臺(tái)技術(shù)為主的各類新興技術(shù)逐漸從研發(fā)領(lǐng)域步入生產(chǎn)領(lǐng)域,已經(jīng)成為各個(gè)領(lǐng)域的重要生產(chǎn)工具。 可以考慮將云平臺(tái)技術(shù)與城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行融合,逐步擺脫對(duì)于進(jìn)口服務(wù)器平臺(tái)系統(tǒng)的技術(shù)依賴,也可以探索綜合監(jiān)控系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展方向。 在分析國(guó)內(nèi)外的研究?jī)?nèi)容后,可以從橫向、縱向兩個(gè)方向,開(kāi)展云平臺(tái)技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)研究。
在城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用云平臺(tái)技術(shù),可以為前者提供大量的計(jì)算資源。 如何合理應(yīng)用云平臺(tái)技術(shù)帶來(lái)的計(jì)算資源,提升城市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理綜合質(zhì)量,則是應(yīng)用云平臺(tái)技術(shù)需要處理的重要內(nèi)容。 現(xiàn)階段城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用的分離化軟件開(kāi)發(fā)模式,不再匹配云平臺(tái)技術(shù)在硬件資源高效利用方面的實(shí)際需求?,F(xiàn)階段的云平臺(tái)技術(shù)應(yīng)用理論,是由城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)提出有關(guān)資源調(diào)用的具體需求,由云平臺(tái)技術(shù)利用虛擬化,設(shè)計(jì)虛擬中央處理器與虛擬內(nèi)存,向各個(gè)子系統(tǒng)合理分配相應(yīng)的計(jì)算資源[5]。 意味著分析運(yùn)行表現(xiàn),云平臺(tái)技術(shù)是一種硬件資源的運(yùn)行模式。 而在功能本質(zhì)層面上分析,云平臺(tái)則是由若干具有相對(duì)獨(dú)立性質(zhì)的虛擬硬件構(gòu)成的虛擬硬件組。 相比以往的硬件集群模式下的冗余服務(wù)器部署方法,硬件虛擬化的云平臺(tái)技術(shù)部署,可以極大降低設(shè)計(jì)硬件使用數(shù)量,有效提升城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改造經(jīng)濟(jì)效益。 針對(duì)云平臺(tái)技術(shù)的橫向軟件系統(tǒng)信息互通需求,可以考慮從以下兩個(gè)方向進(jìn)行合理解決:方向一,建設(shè)一個(gè)軟件平臺(tái),將城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為功能模塊,以模塊形式在軟件平臺(tái)上進(jìn)行運(yùn)行。 對(duì)于建設(shè)的軟件平臺(tái),主要負(fù)責(zé)與云平臺(tái)技術(shù)的云管理系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)層面的聯(lián)動(dòng)與數(shù)據(jù)層面的整合,確保兩者的有效融合,并根據(jù)各個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)行需求,以動(dòng)態(tài)化的方式,對(duì)計(jì)算資源做合理分配。 通過(guò)此方式,可以讓軟件平臺(tái)明確各個(gè)功能模塊的真實(shí)計(jì)算資源需求,又可以讓計(jì)算資源得到科學(xué)分配,以此實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)技術(shù)的計(jì)算資源有效管控。 方向二,保障城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)軟件擁有相對(duì)獨(dú)立特性,讓各個(gè)軟件和云管理系統(tǒng)做必要的信息交互處理。 對(duì)于信息交互的內(nèi)容,涉及計(jì)算資源需求、計(jì)算資源劃分等重要信息。 對(duì)于云管理系統(tǒng),則以各個(gè)軟件發(fā)出的各個(gè)子系統(tǒng)對(duì)于計(jì)算資源的真實(shí)需求,做相應(yīng)的計(jì)算資源分配、回收等基礎(chǔ)管理工作。 如果出現(xiàn)資源分配或回收沖突問(wèn)題,云管理系統(tǒng)也需要與涉及的子系統(tǒng)軟件進(jìn)行相互交互,實(shí)現(xiàn)城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的高效率管理[6]。
縱向系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化升級(jí)與橫向軟件系統(tǒng)信息互通具有相對(duì)關(guān)系,但是在實(shí)際應(yīng)用中,需要謹(jǐn)慎考慮。 特別是在城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)原有的硬件架構(gòu)仍然處于正常運(yùn)行狀態(tài)下,直接升級(jí)成匹配云平臺(tái)技術(shù)使用需求的硬件架構(gòu),需要對(duì)優(yōu)化升級(jí)的必要性做合理分析。 針對(duì)本文設(shè)計(jì)城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)底層邏輯基礎(chǔ)的中心、車站、現(xiàn)場(chǎng)三級(jí)控制模式,可以通過(guò)云平臺(tái)技術(shù)的計(jì)算資源優(yōu)勢(shì),對(duì)控制模式下的運(yùn)行體系進(jìn)行調(diào)整。 因?yàn)樵诋?dāng)前運(yùn)行體系下,會(huì)在監(jiān)控系統(tǒng)中心、各個(gè)車站設(shè)置許多服務(wù)器,不僅存在較大的服務(wù)器維護(hù)工作量,而且維護(hù)工作也具有較大的分散性,在一定程度上增加城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的整體運(yùn)行維護(hù)成本[7]。 將云平臺(tái)技術(shù)應(yīng)用到城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)后,可以對(duì)中心服務(wù)器做相應(yīng)的整合處理,并將各個(gè)車站的服務(wù)器設(shè)置計(jì)劃取消掉。 而且,云平臺(tái)技術(shù)還可以有效提升通信傳輸系統(tǒng)的最大容量,可以根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)條件與城市軌道交通的發(fā)展情況,設(shè)置專用于綜合監(jiān)控系統(tǒng)的大容量數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?同時(shí),做好邊緣計(jì)算的強(qiáng)化工作,提升縱向系統(tǒng)的數(shù)據(jù)計(jì)算性能,提高機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行安全性。 通過(guò)云平臺(tái)技術(shù),可以對(duì)城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的縱向?qū)蛹?jí)做簡(jiǎn)化處理,并將原本分散在各個(gè)車站的服務(wù)器做集中化處理,由控制中心的服務(wù)器提供整條線路的綜合監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行需求,進(jìn)而有效降低服務(wù)器的維修管理時(shí)間成本,合理控制各類機(jī)械設(shè)備的維修周期。 而且,大容量數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)也可以取代原本的骨干通信網(wǎng),讓云平臺(tái)起來(lái)可以與計(jì)算單元產(chǎn)生直接聯(lián)系,不再需要常規(guī)的中心服務(wù)器—骨干通信網(wǎng)—車站服務(wù)器—計(jì)算單元的冗余信息傳輸模式,進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)臅r(shí)間成本,避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)信息損失問(wèn)題。
通過(guò)橫向信息互通+縱向結(jié)構(gòu)優(yōu)化的雙重設(shè)計(jì),可以極大發(fā)揮云平臺(tái)技術(shù)的海量數(shù)據(jù)計(jì)算性能,讓城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)層面的升級(jí)與優(yōu)化。
綜上所述,在開(kāi)展城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新工作時(shí),除參考本文提供的基礎(chǔ)理論內(nèi)容外,也可以根據(jù)城市當(dāng)前經(jīng)濟(jì)條件與未來(lái)發(fā)展需求,合理吸納有關(guān)云平臺(tái)技術(shù)內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的長(zhǎng)期優(yōu)化。 在應(yīng)用云平臺(tái)技術(shù)后,需要將城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用重心轉(zhuǎn)移到軟件系統(tǒng)定期更新、硬件設(shè)備科學(xué)維護(hù)等方面,確保城市軌道交通的穩(wěn)定運(yùn)營(yíng),為地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供良好的基礎(chǔ)條件。