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    北京正在面臨軌道交通的一個新的大發展期，4號線、5號線、奧運支線和機場快線都將相繼開工。在這新的發展期，新線路顯然不同于六十年代的1、2號線，也不同于近年的城市鐵路。這些新地鐵線的建設應該有新的起點、新的建設思路和新的設計思想。作為軌道交通建設中重要方面的自動化系統更應該成為新地鐵線新面貌、新技術水平的展現窗口，更應該充分利用最新的自動化技術提升地鐵建設和運營的水平。

    北京和利時公司近年來，投入了大量的人力和大量的資源，在多條地鐵和輕軌線路進行實踐，向世界先進國家的軌道交通自動化技術學習，對新的軌道交通自動化系統進行開發研究，有了一整套適應國情、適應北京具體情況的自動化解決方案，這就是地鐵主控系統解決方案。本文件分為四個部分來闡述：

1. 軌道交通自動化系統發展的趨勢

    地鐵運營中，為了保證旅客的安全、保證列車的有效運營、保證設備正常工作，必須對地鐵各個環節進行監控管理。地鐵的管理圍繞地鐵的運營進行，要實現有效的運營就要對設備進行全面的監控。早期的監控系統由于技術的局限，地鐵供電、通信、信號、環控等等專業的監控管理主要依靠人工進行，操作者與管理者之間的通信聯系，多以電話方式進行。自動控制系統技術多以半導體電路、分立元件為主的設備來實現。地鐵的監控管理水平較低。
隨著計算機技術和自動控制技術的進步，地鐵的各專業按照自身的技術特點，不同程度地應用計算機技術、網絡技術。供電自動化采用計算機監控、出現了RTU（遠程端子單元）加低速（數據傳輸率）數據通道的方法，在中央監控中心采用前置通信機將各車站信號綜合在一起。環控系統也采用PLC系統和PLC網絡，通過骨干網將各車站PLC控制系統的信息傳至中央監控中心。（甚至個別應用中，錯誤地將地鐵環控系統當作樓宇控制系統，采用DDC控制。）防災報警系統也有自己獨立的遍布全線的網絡；AFC也有自己獨立的網；而信號系統更是發展了自己的強大的ATC系統。這樣、地鐵自動化監控系統便發展成為一種分立監控系統的方式。這些分立的系統在中央監控中心（OCC）都有本專業的服務器、操作站及外用設備，都有自己的不同結構的通信網絡，采用的是各不相同的監控軟件；在車站也有本專業的監控網絡及監控站。例如、廣州地鐵一號線、二號線即是這種分立監控系統的方式。這種分立的監控系統方式在計算機控制系統理論上稱為多島監控系統，一個網絡稱為一個自動化孤島（Automation-island）。

    地鐵分立監控系統的各子系統也不完全是自動化孤島。一些重要的信息還是有聯系的。例如：防災報警信號會傳到各系統，觸發各系統的災害模式；例如：列車位置阻塞信息，也會觸發各系統的阻塞模式。但是分立系統的硬件平臺與軟件平臺是分立的，它們之間的聯絡是既困難又高成本的，有些系統之間甚至是難于溝通的。這種分立的系統難于實現信息互通、資源共享。往往要實現地鐵運營的協調統一管理，不得不加入人工干預，不得不用電話溝通，不得不手工進行某些工作。這樣就降低了可靠性、響應性和運營效率。一般來說，地鐵工程都采用經過反復應用、反復考驗的技術，工程實踐滯后技術發展較長的時間，所以，我國大多數的地鐵還是處于這種分立監控的技術水平上。

    從分立系統的的具體情況分析，分立系統在自動化系統方面存在的主要問題如下：

    （1）在圍繞正常運營的行車調度和災害情況下的救災調度所進行的綜合規劃方面缺少一個綜合管理系統來進行收集信息與綜合處理信息，影響行車與救災調度工作的效率；

    （2）系統之間的信息關聯不夠，處理突發事件的綜合應變能力較差。因此各系統之間的自動化程度還有待提高；

    （3）各個自動化系統操作平臺與管理軟件彼此獨立且數量多，全面掌握難度較大，造成各自動化系統之間互相不了解，運行與維護成本較高。

    人類歷史進入九十年代、計算機技術突飛猛進，以著名的摩爾定律向前發展，即每18個月，計算機性能增強1倍，成本下降1倍。而計算機通信和網絡技術進步更快，以所謂超摩爾定律發展，18個月的時間間隔進步為6個月。由于計算機、自動控制系統、計算機通信網絡特別是大型計算機監控系統技術的長足進步，多島控制的自動化孤島被打破，分立的監控系統逐步地走向綜合自動化監控。通信網絡的帶寬增強，高速交換以太網技術的成熟，數據庫技術特別是實時分布式數據庫的廣泛應用，為開發地鐵綜合自動化監控平臺打下了基礎，出現了主控系統技術。什么是地鐵的主控系統呢？

    地鐵主控系統是采用地理上分散的大型SCADA系統作為地鐵各專業自動化系統統一平臺。主控系統采用分層分布網絡構成OCC和車站級監控網，采用同一個軟件平臺、集成或互聯地鐵各專業自動化子系統。主控系統對子系統的集成是將此子系統的全部信息通過主控系統接入、傳輸、監控和管理。而主控系統對子系統的互聯是與相對獨立的子系統進行必要的信息交換和互聯。主控系統可根據具體應用不同，對一些子系統進行集成，對一些子系統進行互聯。這樣在一個統一的硬件和軟件的大平臺上，集成所需的子系統，互聯所需的子系統構成的大型SCADA系統、便是本文件論述的主控系統。

    無論是電力監控還是設備監控，無論是行車調度監控還是通信監控，它們都可建立在主控系統的統一的計算機網絡平臺上，由一個統一的軟件體系統支持。因此，主控系統中，多島的孤島結構變為綜合的統一網絡結構。在OCC、全線監控系統由高可靠性工業監控網支持，采用一套或多套冗余配置的全局服務器（高端、增強型），幾個相鄰專業共用一臺操作員站，外圍設備全系統共用，特別是軟件、共用一個統一的軟件平臺。同時，在車站、監控系統由高可靠的工業監控網支持，車站建立綜合監控室，配有冗余服務器和操作站、集成管理車站各個專業的信息。這樣就可以實現地鐵全線各專業資源共享，信息互通。全線系統在一個平臺上運行。

    主控系統在計算機技術和網絡技術的推動下誕生，并在地鐵監控的工程實踐中日益成熟。一個新建的地鐵工程選擇主控系統已成為技術進步的必然。

    目前主控系統已是國際地鐵發展的主流、是國內地鐵發展的趨勢。國外軌道交通系統中已有許多線路采用了主控系統，如新加坡地鐵的東北線、西班牙畢巴爾巴額地鐵、韓國的仁川地鐵、漢城地鐵7號線和8號線、法國巴黎地鐵14號線等。香港地鐵的新機場快線，將軍澳線也采用了主控系統。而一些著名的新線，如西班牙馬德里地鐵則進行了更現代化的綜合自動化監控。如前所述，技術的進步推動了地鐵工程的進步。今天主控系統已成為國外諸多軌道交通系統中的主流系統。

    分析國外地鐵主控系統的經驗，實際系統的形式多種多樣，集成的程度也不盡相同，集成的子系統和互聯的子系統的多少和種類不盡相同，一般講，按照各個地鐵的具體情況，按照已有地鐵線的技術狀況和所在國的技術發展水平，具體的管理水平與運營水平，以及資金、資源等情況綜合考慮決定集成范圍的大小，考慮集成和互聯的具體子系統。但無論集成度是大是小，盡量采用統一平臺，盡量地將子系統集成或互聯，實現資源共享，信息互連則是共同的。例如，美國南新澤西輕軌，OCC采用了Harmmen公司的綜合監控平臺（USDATE平臺，Industry-link軟件）在這個平臺上集成并互聯了電力系統、旅客信息系統、廣播系統、無線電系統、設備監控系統等。又如、香港將軍澳地鐵，法國Syseca公司的主控系統并未將行車調度系統集成在里面，但互聯了幾乎所有的專業子系統。這樣的作法，現在已經在許多地鐵綜合監控系統中應用。因為非常重要的行車調度系統（ATC）獨立運作對地鐵安全運營極為有利。總之，國際上興建的地鐵工程大多選擇主控系統。主控系統以其靈活的結構適應著地鐵工程的不同需求。

2. 主控系統解決方案

    本文件提出的地鐵主控系統解決方案是在北京城市鐵路西直門――東直門電力、環控和防災報警綜合自動化監控系統實施經驗的基礎之上，是在深圳地鐵EMCS+FAS+SCADA集成系統詳細設計和施工過程中，是在廣州地鐵三號線主控系統科研和中標方案的分析研究中總結出的一個適應于多條線組成地鐵網絡時的工程實際的自動化系統解決方案。這一主控系統包括以下技術內涵：

    靈活的結構構架。
    穩定可靠、高速響應的軟件體系。
    具有一整套適應地鐵運營管理的完善功能和相應的人機界面體系。
    具有強大的對多種子系統的接入能力。

2.1 主控系統構架

    主控系統構架設計的原則如下：
    （1）主控系統是一個大型的地理上分散的SCADA系統，又是一個關系地鐵運營安全的高可靠、高響應的綜合監控系統。必須保證系統構架可靠性高、穩定性高，具有安全保護機制。
    （2）主控系統采用雙纖自愈環千兆以太網作骨干網保證主控系統對主干網絡的高性能要求。
    （3）主控系統采用分層分布結構，中央級與車站級實現無縫連接。
    （4）OCC中央監控網可構建服務器群、操作工作站群，實現OCC功能。
    （5）主控系統集成和互聯子系統時采用前端處理機技術并對其進行高可靠、高穩定和高適應性設計。

主控系統的構架如圖1所示：

    A線主控系統構架
    單條線路中（例如線路A）：主控系統的骨干網由雙纖自愈環結構的千兆以太網構成。千兆以太網的中心節點接入OCC中央監控網，換言之，骨干網的中央節點交換機（帶有路由模塊）作為中央監控網的核心交換機。骨干網的其他節點交換機作為此線各車站監控網的核心交換機，構成各車站的監控以太網。A線主控系統構成包括下列部分：
    A線中央主控系統（CMCS）。
    A線車站主控系統（SMCS）。
    A線車輛段主控系統（DMCS）。
    A線主控骨干網（MBN）。
    前端處理機（FEP）。
    大屏幕系統（OPS）。
    網絡管理系統（NMS）。
    A線培訓管理系統（TMS）。
    A線系統仿真測試平臺（STP）。

    A線中央主控系統（CMCS）

    A線中央主控系統CMCS結構主要由以下部分組成，它們是：中央監控網；OCC實時數據服務器；OCC歷史和事件服務器；磁盤陣列；磁帶記錄裝置；電調工作站；環調工作站；行調工作站；維調工作站；A線OCC彩色打印機；A線OCC的前端處理機（FEP）；總調度員工作站（多線共用）；TIS/SIS信息編輯工作站（多線共用）；網管服務器（多線共用）；網管工作站（多線共用）；大屏幕（多線共用）。

    （1）中央監控網為100/1000Mbps雙星型交換以太網，TCP/IP協議、C/S結構，符合IEEE 802.3標準。中央監控網以千兆網交換機為核心。冗余配置的交換機的各相應端口鏈接OCC各個設備構成了雙星型中央監控網。

    中心配置2套核心交換機，每個交換機中配有單模光纖千兆網雙口接入模塊三塊和一個路由模塊，分別連接兩臺冗余配置的實時服務器、兩臺冗余配置的歷史服務器和骨干環網。通過多個百兆以太網模塊（多口）的RJ45口連接其他的OCC網絡設備，構成中央監控網。
中央監控網與骨干網專網的界面在骨干網中心交換機。

    （2）OCC實時數據服務器由2套服務器冗余配置組成。
    （3）OCC歷史和事件服務器由2套冗余服務器組成。
    （4）磁盤陣列一套，為實時數據服務器陣列。
    （5）提供一臺磁帶機，該設備通過SCSI接口與主歷史服務器連接。
    （6）電調工作站由兩臺電力調度員工作站、一臺事件打印機、一臺報表打印機等組成。電力調度員工作站選用雙電源工控機。配置2臺17英寸液晶顯示器。一臺事件打印機；一臺報表打印機。
    （7）環調工作站由兩個環境調度員工作站、一臺事件打印機、一臺報表打印機、組成。具體配置同電調工作站。
    （8）行調工作站由兩個行車調度員工作站、一臺事件打印機、一臺報表打印機、等組成。配置完全與電調工作站的相應配置相同。
    （9）維調工作站由兩個維護調度員工作站、一臺事件打印機、一臺報表打印機、等組成。配置完全與電調工作站的相應配置相同。
    （10）A線OCC彩色圖形打印機一臺。
    （11）OCC設主控系統的網管中心由一臺網管服務器和一臺網管工作站組成。多線共用。
    （12）A線OCC的前端處理機（FEP）。
    OCC配有一對冗余配置的A線前端處理器（FEP）接入需在A線OCC互聯的系統（它們是PA、AFC、SIG、CCTV、TIS、SIS和CLK）。
    （13）總調度員工作站由兩臺總調度員操作站、一臺事件打印機、一臺報表打印機、多線共用。
    （14）PIS信息編輯工作站，多線共用。
    （15）大屏幕
配置大屏幕系統產品，由MCS和SIG兩個系統的大屏幕顯示系統及CCTV的顯示系統三部分組成，多線共用。

    A線車站主控系統（SMCS）

    A線各車站主控系統SMCS硬件主要由以下4部分組成：

    （1）車站級監控網為冗余配置的雙星型高速交換以太網，100Mbps，TCP/IP協議，符合IEEE802.3標準，冗余配置兩臺以太網核心交換機。
每臺交換機中配有單模光纖千兆網接入模塊1塊連接到主干網，通過多個百兆以太網模塊的RJ45口連接其他的SMCS設備。

    （2）車站服務器由2套服務器冗余配置組成。

    （3）車站操作員工作站選用雙電源工控機；每套操作員站配置2臺17英寸 TFT 液晶面板；事件打印機一臺；報表打印機一臺。

    （4）車站前段處理機根據應用的具體情況配置。

    A線車輛段主控系統（DMCS）

    A線DMCS系統包括三個部分：

    （1） 車輛段DMCS監控系統：網絡設備采用冗余雙星型高速交換以太網（100Mbps、TCP/IP協議、IEEE802.3標準）、雙套以太網核心交換機；服務器2套冗余配置。操作員工作站二套采用雙電源工控機冗余配置，每套配二臺液晶顯示器；配置1對冗余前段處理機。

    （2） A線培訓系統（TMS）：模擬實際系統運行，作為培訓操作人員使用。

    （3） A線模擬測試系統（STP）：模擬各種接口設備的通訊協議，模擬各種子系統的工作，用于測試MCS系統

    A線主控骨干網

    A線主控系統MCS通過A線主控骨干網（MBN）將CMCS、SMCS和DMCS連為一體。主控骨干網是一個地理上分散于OOC、各車站和車輛段的廣域網，它是連接車站級監控網和中央監控網的主干，在MCS中處于極為重要的位置。
主控骨干網的選擇原則是：

    雙纖自愈環環網。
    千兆以太網。
    地鐵骨干網或類似應用的應用業績。
    交換機為工業級產品。
    具有QoS功能。

    前端處理機FEP

    主控系統的最重要特點在于對子系統的靈活的集成或互聯。前端處理機承擔了這一重要任務。前端處理機將各子系統的信息接入主控系統并進行預處理，將各子系統的數據格式進行轉換，由主控系統軟件進行統一處理。應用前端處理機技術，既減輕了數據服務器的負擔提高了系統的可靠性，又隔離了子系統與主控系統間的故障干擾，保障了系統的安全。前端處理機相當于子系統和主控系統間的網關。

    前端處理機可采用工控機構成，可采用PLC構成，也可用其他工業總線裝置構成。前端處理機一般為冗余配置，根據集成子系統和互聯子系統的不同情況可選用一對或多對。前端處理機一般采用嵌入式實時多任務操作系統。

    大屏幕系統（OPS）

    大屏幕系統相當于主控系統的大型顯示器。一般采用背投影墻做大屏幕，由多層（例如3層），多投影單元并列（例如每層14個單元并列）組成；選用多個投影拼接控制器控制所有單元，實現用戶顯示要求。大屏幕系統的選擇原則是：

    按單線或全線的實際情況，按施工進程考慮大屏幕的規模。
    大屏幕墻的組成應考慮OCC的裝修效果。
    大屏幕的整屏顯示效果、畫面的刷新速度、滿足應用要求的信息接入能力和處理能力。
    大屏幕控制器的數量、性能的配合與選擇。大屏拼接控制器是此系統的最關鍵設備。
    主控系統大屏幕應用具有特殊性，大屏幕廠商應與主控系統供應商做好接口聯絡。
    大屏幕廠商必須提供良好的售后服務。

    主控系統的網絡管理系統

    主控系統網管系統可由4部分組成：

    網管服務器一套（可選）。
    網管工作站一臺，選用雙電源工控機。雙液晶顯示器；
    便攜式計算機多臺。（可選）
    高性能并與骨干網相適應的網管軟件。

    A線培訓管理系統

    培訓管理系統模擬OCC的全部功能，單服務器、沒有冗余配置，用于對操作人員和維護管理人員的技術培訓。培訓系統由以下部分組成：

    實時數據服務器一臺。
    工作站多臺，選用工控機。分為教員工作站一臺和學員工作站多臺。
    前端處理機一臺；
    以太網交換機一臺。
    報表打印機一臺。
    事件打印機一臺。

    系統仿真測試平臺（STP）

    系統仿真測試平臺模擬OCC的全部功能，單服務器、無冗余，用于模擬各種接口設備的通訊協議，模擬各種子系統的工作，用于測試MCS系統。仿真系統的體系結構包括：

    實時數據服務器。
    測試工作站，選用工控機。
    以太網交換機。
    仿真模擬器 ，1臺PC機 (同普通操作員工作站一樣)。
    報表打印機一臺。
    事件打印機。

    以上為單線主控系統的構架。如果地鐵工程有多條線組成，則其構架如圖1所示：B線和C線的構架與A線相似（也可有較大差異），B線和C線的中央節點與A線的中央節點聯于同一局域網絡中，B線，C線的電力、環控和行調工作站可與A線相應工作站集中在一起，組成全線的電力、環控和行調工作站。如此構架，三條線是相互獨立的，但它們的OCC是共網的，可實現信息互通、資源共享。

2.2 主控系統軟件體系

     主控系統的軟件體系應考慮以下原則：

    （1） 軟件操作系統可選UNIX或NT，以UNIX為多。
    （2） 人機界面軟件以NT為平臺。
    （3） 前端處理機（FEP）的軟件采用多任務實時系統。
    （4） 軟件采用中間件加模塊結構，應用軟件可靈活掛接。
    （5） 軟件須設計滿足多線監控要求和適當擴展的實時分布式數據庫。
    （6） 軟件體系為分層分布式結構，各層間必須實現可靠的通信。
    （7） 軟件模塊間連接是無縫的。
    （8） 軟件必須是成熟的，在工程中應用成功并不斷進行技術更新的。
    （9） 軟件體系支持強大的人機界面體系的設計，保證地鐵工程對主控系統的全面功能要求。
    （10） 軟件具有穩定、可靠運行的性能和安全保護機制。

    國際上較為成熟的主控系統軟件是法國泰雷茲（Thales-IS）公司的soft-SCADA軟件。和利時公司與該公司將合作為廣州三號線構建主控系統。

3. 地鐵主控系統的特點

    地鐵主控系統與其他系統相比有以下特點：

    （1）資源共享，信息互通，可實現信息互聯互鎖，可實現各子系統間的互動。
    （2）可以全自動實現災害工況下，全線進入防災體制。防災體制以最小損失轉為正常運營。
    （3）可以全自動實現阻塞工況下，全線進入阻塞模式，疏散旅客盡快恢復為正常運營。
    （4）可以實現正常工況下的時間表運營，使地鐵運營有序、高效、安全。
    （5）在車站和OCC進行一體化監控。可實現系統的全線監控和協調。
    （6）為地鐵構造了一個具有廣闊擴展能力的平臺。主控系統的骨干網的節點數量可以增加以擴展地鐵線車站數量；中央監控網支持服務器群工作方式，服務器數量擴展可擴大實時數據庫的容量，也可增加監管的線路范圍和線路數目；車站級網絡交換機可擴展模塊增加網絡接口數，從而增加接入的網絡設備數以擴展車站接入能力；可通過增加前端處理機的插件，增加前端處理機的數量擴展集成和互聯系統的數量。
    （7）主控系統軟件的升級十分方便。一次軟件的升級可帶來全線自動化系統技術水平的提升。
    （8）為地鐵構造了一個全線系統的數據庫，支持地鐵開發專家運營系統，為地鐵高效運營奠定了基礎。

4. 主控系統適應性分析

    （1）主控系統在本質上是各主控系統的中央，車站級的監控功能與系統底層基礎自動化層的實時控制功能分開。在監控層實現統一的硬件和軟件平臺，并具有極其廣闊的擴展能力。這種分層分布式結構，適應于地鐵工程地理分散、地域廣闊的特點，適應于城市地鐵工程多條線分期實施的特點。同時，基礎自動化層采用分散結構極大地增強了系統的可靠性和靈活性。

    （2）主控系統結構構架十分靈活，頂層OCC的服務器群支持系統線路的接入和共網。網絡的前端處理機支持對各種子系統的集成和互聯，系統集成子系統的數量可多可少，互聯的規模可大可小。這種靈活的構架體系適應中國國情，適應北京的具體情況。地鐵各條線的工程概況各不相同，哪條線適合集成哪些系統、適合互聯哪些系統，需要業主與系統集成商深入研究，但主控系統為業主提供了多種選擇的可能。

    （3）和利時公司提出了主控系統對子系統集成和互聯的概念，圖2和圖3說明了典型的子系統集成和子系統互聯，這一總體設計思想，使得主控系統的構成具有了結構柔性，增加了對應用的適應性。一般情況下，主控系統對電力自動化系統，環控系統，機電設備系統的集成是較為方便、技術上也較為成熟。對防災報警系統是集成是互聯則因地而異、因條件而異。對信號系統，對通信系統則以互聯接入為好。對售檢票系統（AFC）因其為事務系統，理應與實時監控系統嚴格分開。合理地對子系統進行集成或互聯使得主控系統的靈活性和適應性大大提高。

    （4）主控系統并非在分立系統的頂層加了一層“帽子”，似乎增加了投資。實質上是將被集成的系統的車站級和OCC級綜合在一起，采用同一硬軟件平臺，使分立系統集成，反而節約了OCC的設備數量，節約了投資。這樣的主控系統更適應自動化水平的提高。

    （5）主控系統的數據庫容量極大，服務器處理能力極強，適應監控地鐵復雜的監控對象，統具有極強的適應地鐵復雜場合的能力。

    （6）主控系統在設計上，因為技術水平較高，可以掛接各類實用的系統，例如，地鐵培訓管理系統，仿真測試系統，運營仿真系統等，為主控系統的多功能服務提供了條件，增加了系統的適用范圍。

    （7）主控系統是一個廣闊的計算機系統平臺，它及其適于對地鐵未來的開發和服務。

    （8）主控系統將對地鐵運營的更新和改進起到積極的作用，以地鐵數據庫為基礎的專家運營系統將會適應對地鐵管理的更高要求。

    本文件僅為對主控系統的概論，和利時公司將虛心聽取地鐵領導和專家的意見，改進解決方案，做出更好的地鐵自動化系統。