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作者：城市軌道交通標準技術委員會 魏曉東

7.2　城市軌道交通綜合監控系統的系統集成技術

7.2.1　概論

城市軌道交通近年來在現代工業發展中，占有愈來愈重要的位置，特別是我國的城市軌道交通更是高速發展，處于世界前列。據中國軌道交通網統計，2016年底共有30個城市開通運營城市軌道交通，共計133條線，運營總里程4152.8公里，在建線路總長5636.5公里。全年完成客運量160.9億人次。共有58個城市城規線網規劃獲批，規劃線路總長達7305.3公里。2020年城軌總里程將達9000公里。城市軌道交通如此大發展，帶動了城市軌道交通信息化、自動化技術的大進步，十多年的時間，城市軌道交通領域相當于從工業2.0經歷工業3.0向工業4.0前進了。

我國城市軌道交通事業的發展是近十幾年的事情，發展的重點是在一、二線城市建設地鐵線路及地鐵網。城市軌道交通的自動化與信息化的發展則以建設各條線路的自動化系統為主，以自動化與信息化支持線路開通和運營為主，因此本節將以介紹城市軌道交通線路自動化系統的系統集成技術為主，以介紹線路級的現場設備層、控制層與線路MES層的系統集成為主要內容。線路自動化系統最典型的是綜合監控系統，通過對構建綜合監控系統的系統集成技術分析，可以了解這一領域的系統集成技術內涵。

7.2.2　城市軌道交通信息化集成系統

城市軌道交通也像其他工業領域一樣，正沿著工業4.0，沿著兩化融合的大方向發展。按照本書第一章信息化集成系統的結構，城市軌道交通的信息化集成系統也分為H1、H2、H3三級，其架構如圖7所示。

圖7 城市軌道交通信息化集成系統結構

城市軌道交通的線路一級相當于一般工業體系中的廠級系統，它是城市軌道交通運營（生產活動）的基礎實體。城市軌道交通的運營是以線路運營為基礎的。線路信息化集成系統即城市軌道交通廠級信息化集成系統是典型的普度模型五層結構：車站里的現場設備層、車站控制層、線路運營中心（OCC）的監控層（相當于第3層MES層）每條線路的經營管理層和決策層。城市軌道交通線路級主要在1、2、3層，以實現自動化控制與監控為主要目標。地鐵里幾個大專業有不同的自動化控制與監控系統，主要有信號系統專業、通信系統專業與綜合監控系統專業。這些控制與監控系統中的系統集成技術在城市軌道交通至為重要，本章將以綜合監控系統為典型進行仔細分析，主要說明城市軌道交通信息化集成系統1、2、3層的的系統集成技術。

目前，城市軌道交通領域正在興起的建設本城市線網調度指揮系統（TCC）就是建設城市軌道交通信息化集成系統的H2和H3。大部分城市僅有H3級，個別城市建有區域級TCC。以H3級全市級城市軌道交通信息化集成系統為例，線網調度指揮系統包含了：TCC（調度指揮系統），線網經營管理系統和線網決策系統，即普渡模型的第3、4、5層。在TCC級，即線網調度指揮中心層，將要實現整個城市軌道交通行車運營總計劃及總計劃調整（即全市軌道交通運行圖編制及調整）；將要實現整個城市軌道交通供電系統（主變電站與牽引變電站）的監控；將要實現全市軌道交通重大設備的管理與資源共享；將要實現對全市軌道交通運營的客流分析及調整對策；將要實現城市軌道交通防災級應急指揮功能；將要構建整個城市軌道交通的安防體系等。

而經營管理與決策層將會建立起城市軌道交通的云計算中心，建立全市軌道交通經營管理系統實現全面的城市軌道交通信息化。

我國城市軌道交通的發展處于全世界最前列，巨大的市場將會催生出新的技術。近年城市軌道交通事業的快速發展將會促進城市軌道交通信息化與自動化的融合，將會促進城市軌道交通智能化的發展，將會推動構建城市軌道交通信息化集成系統的新工業革命。綠色的軌道交通，低碳的、生態的地鐵將構成智慧城市的重要部分。

7.2.3　城市軌道交通自動化監控系統

建設城市軌道交通信息化集成系統，目前工作的重點還是在自動化系統的建設方面，因為近十多年主要是建設新地鐵；自動化開通；安全、可靠地運營。建設的重點必然放在自動化系統建設上。城市軌道交通工程建設也就要求站在工程的總體的高度考慮自動化系統的建設，用自動化技術重點解決設備監控與智能化管理，提高整個城市軌道交通工程的建設水平。

城市軌道交通自動化系統的核心技術就是對所有設備有效監控的技術，同時為乘客方便出行提供完善地服務。

（1）車輛監控系統——信號系統

城市軌道交通的最重要設備之一是車輛，是組成城市軌道運輸的核心。從監控的視角來看，對車輛這一移動設備的監控遠比對固定設備的監控困難復雜的多。城市軌道交通對車輛的監控是由信號系統實現的。

信號系統（SIG）由列車自動控制系統（ATC即Automatic Train Control ）與外圍通用信號設備組成，它是城市軌道交通系統中保證行車安全，縮短列車運行間隔，提高列車運行質量的先進控制系統。ATC系統采用計算機及網絡技術實現對列車自動控制的各項專用功能，在我國城市軌道交通建設中已經廣泛使用。隨著新技術的發展，不同的ATC系統制式和運用模式相繼研制成功，安全性、可靠性和系統功能更臻完善。ATC系統由列車自動監控系統（ATS即Automatic Train Supervision）、列車自動防護系統（ATP即Automatic Train Protection）、列車自動運行系統（ATO即Automatic Train Operation）和計算機聯鎖系統（CI即Computer Interlocking）構成。ATS系統依據列車時刻表，自動監控列車運行，并實現列車運行自動調整。ATP系統是保證列車運行的重要安全設備，自動控制列車運行間隔和超速防護。ATO系統在ATP系統的基礎上，實現列車自動駕駛，優化列車運行曲線，并在車站站臺準確停車。計算機聯鎖系統保證列車進路上的道岔位置正確和運行安全。

ATS系統主要實現對列車運行的監督與控制，輔助調度人員對全線列車進行管理。其功能主要包括：調度區段內的列車運行情況的集中監視與控制；監測列車進路控制、列車間隔控制設備的工作，按照列車行車計劃自動控制軌旁信號設備以完成列車的接發、運行軌跡的自動記錄、時刻表的自動生成、顯示、修改與優化、運行數據的統計報表自動生成、設備運行狀態監視、設備狀態及調度員的操作記錄，還具有列車車次號自動傳遞等功能。

ATS系統一般包括控制中心和ATS車站、車輛段/停車場子系統。控制中心ATS設備有中心計算機系統、工作站、顯示屏、繪圖儀、打印機等。每個設備集中站設置ATS分機，用于采集車站設備的信息與傳送控制命令，并實現車站進路的自動控制。車輛段ATS分機用于采集車輛段內庫線列車的占用情況及進/出車輛段列車信號的狀態。

（2）固定設備監控系統——綜合監控系統

除車輛以外的所有固定設備進行監視與控制是由城市軌道交通綜合監控系統來完成。監控的信息范圍有（不以此為限）：系統本身；所有變電所；所有環境與機電設備；車輛基地所有設備系統；火災報警系統；通信系統的信息；閉路電視（CCTV）；公共廣播（PA）；乘客信息系統（PIS）；城市軌道交通的各類電話系統；門禁系統（ACS）；自動售檢票系統；信號系統（運營要求的必要信息）；地鐵沿線各類公用設施、設備；地鐵工程結構的設施及檢測儀表；其他運營需要接入的信息。

城市軌道交通綜合監控系統是對城市軌道交通線路中所有電力和機電設備進行監控的分層分布式計算機集成系統。包含了內部的集成子系統，并與其他專業自動化系統互聯，實現信息共享，促進城市軌道交通高效率運營。綜合監控系統包含了自身的子系統（按照國家標準應將地鐵供電系統PSCADA與環境與機電設備監控系統BUS集成為子系統）并互聯了諸多地鐵自動化專業系統。集成子系統（Integrated Subsystem）是被綜合監控系統完全集成在其內的專業自動化子系統。集成子系統完全融入綜合監控系統，構成系統主體，其全部功能都由綜合監控系統實現，是綜合監控系統的一部分。其中央功能和車站功能都由綜合監控系統實現。綜合監控系統的硬件網絡取代了被集成子系統的網絡，綜合監控系統的軟件取代了被集成系統的軟件。被集成子系統構成了地鐵線路信息共享平臺的基礎。互聯系統（Interconnected System）是仍保持獨立運行的具有自身完整結構的專業自動化系統。綜合監控系統通過外部接口與互聯系統進行必要的信息交互以支持綜合監控功能實現。綜合監控系統是線路的信息共享平臺。

國內軌道交通綜合監控系統建設始于2001年北京13號線，雖然發展時間并不長，但是伴隨著國內地鐵建設高潮的到來，綜合監控系統的建設水平有了飛躍式的發展，從建設初期的軟件平臺完全依賴進口到目前國產化軟件平臺成為了主流，掌握了核心技術的諸多系統集成商將會把綜合監控系統建設推向新的發展高度。

城市軌道交通綜合監控系統的系統集成技術發展到現在，主要經歷了以下兩個階段的發展：（1）對孤島系統的信息整合：綜合監控系統的初期階段，主要整合全線的BAS和PSCADA系統，各子系統獨立招標，系統接口管理工作復雜，綜合監控的目的在于把各子系統的信息整合進行集中顯示，綜合監控系統軟件僅對各自動化系統的信息進行整合，在各系統之上加了一頂“帽子”，構成所謂“帽子工程”。（2）深度集成的綜合監控系統：隨著全國地鐵的興建，各地方都規劃了復合自身管理特色的綜合監控系統，國內系統集成商對自有軟件平臺的不斷開發和完善，綜合監控系統軟件平臺可以將線路中所有電力和機電設備進行監控，將與此有關的自動化系統深度集成為自身的一部分。實現分層分布式計算機集成。同時綜合監控系統與其他自動化系統互聯進行信息交互，支持地鐵運營。

目前我國的軌道交通綜合監控系統集成的發展正在以設備監控、乘客服務、運營管理為基礎，向面向城市軌道交通路網的決策管理方向延伸。綜合監控系統集成進一步發展的目標是：安全、節能、高效和易用。本章以下各節將以分析綜合監控系統構成與信息集成為主，通過對1、2、3層系統集成技術的分析來說明城市軌道交通領域構建信息化集成系統的系統集成技術內涵。

7.2.4　綜合監控系統構成

城市軌道交通綜合監控系統是按兩級管理（中央、車站）、三級控制（中央、車站及就地）的原則設計的。綜合監控系統對環境與設備監控系統（BAS）、電力監控系統（PSCADA）系統進行集成，將它們包含在系統之內。另外，綜合監控系統實現與火災自動報警系統（FAS）、安全門（PSD）、信號系統（SIG）、自動售檢票系統（AFC）、門禁系統（ACS）、廣播系統（PA）、閉路電視監視系統（CCTV）、乘客信息系統（PIS）等互聯，掌握全線設備的運行情況，負責管轄范圍內設備監控與調度。

中央級設備主要設置在控制中心，面向的操作對象是運營部門的行調、電調、環調（兼維調）和總調及相關維修人員。在中央級可以對整個線路各個站點系統管轄范圍內設備運行狀態、故障情況進行監視，并向各個站點發布指令，統一指揮、協調各個站點的運行。

車站（含車輛段）級設備的監控功能主要是完成本站點設備監控、管理。綜合監控系統在車站級集成了BAS、PSCADA子系統的車站級功能，一方面負責管轄范圍內設備監視，并根據本站的情況向下級子系統發布控制指令，另一方面將本站設備的運行數據傳輸給中央級，并接受中央級運行指令。車站級綜合監控系統設備主要設置在綜合監控設備室、車控室等地，面向的操作對象是車站的值班員。

圖8 綜合監控系統總圖

7.2.4.1　中央級系統構成

CISCS設置在地鐵1、2、3號線控制中心。中央綜合監控系統存儲、處理從被控系統讀取的數據，實時反映現場設備狀態的變化并生成報表。中央綜合監控系統將記錄這些信息，更新中央數據庫。中央操作員工作站和大屏幕可顯示這些信息。中央綜合監控系統處理操作員的控制命令，相關的控制信息同時被傳送給被控系統。

相關參考配置如下：

（1）傳輸速率為100M/1000Mbps的冗余、帶路由功能的工業級以太網交換機。

（2）冗余的實時服務器，完成實時數據采集和處理工作。冗余實時服務器應能自動進行切換。每個實時服務器應通過冗余的以太網接口與中央以太網交換機連接。

（3）配置冗余的歷史服務器，完成歷史數據的存儲、記錄和管理等工作。冗余歷史服務器應能自動進行切換，并配置外部磁盤陣列和磁帶機。歷史服務器應配置關系型數據庫管理系統，用來管理歷史數據。每個歷史服務器應通過冗余的以太網接口與中央以太網交換機連接。

（4）調度員工作站

2 套行車輔助調度員工作站；

2 套電力調度員工作站；

2 套環控（兼維調）調度員工作站；

1 套總調度員工作站。

（5）前端通信處理機（FEP）。

（6）報表/事件打印機和圖形打印機。

（7）網絡管理系統（NMS）。

NMS可對ISCS的全部網絡設備進行配置、監視和控制。控制中心設置網絡管理系統1套，主要包括網管服務器、網管工作站、網管軟件和網管打印機等。

7.2.4.2　車站級系統構成

車站綜合監控系統存儲、處理從被監控系統讀取的數據，實時反映現場設備狀態的變化并生成報表。車站綜合監控系統將記錄這些信息，更新車站數據庫。車站操作員工作站可顯示這些信息。車站綜合監控系統處理操作員的控制命令，相關的控制信息同時被傳送給被控系統。

相關參考配置如下： （ 1 ） 傳輸速率為100M/1000Mbps的冗余、帶路由功能的工業級以太網交換機。（2）冗余的實時服務器，完成實時數據采集和處理工作。冗余實時服務器應能自動進行切換。每個實時服務器應通過冗余的以太網接口與車站以太網交換機連接。（3）值班員工作站。（4）前端通信處理機（FEP）。（5）報表/事件打印機。（6）IBP 盤及操作臺等。

7.2.4.3　車輛段系統構成

車輛段設有維修系統、仿真測試平臺及培訓系統、網絡管理系統。

（1）綜合監控維修系統

車輛段設置綜合監控系統維修中心，設1套本系統內維修調度員工作站，用于本維修中心的日常檢修和臨時搶修。綜合監控維修系統設備包括2套1000M工業級交換機、2套維修系統服務器、1套ISCS維修工作站、1套BAS系統維修工作站、2套PSCADA維修系統工作站（其中1套設于供電車間）等設備。實現對綜合監控系統及集成系統及其監控設備的故障報警的匯總、分析和統計功能，并具備對相關設備的備品備件管理及維修人員的維修工作的管理等功能。

（2）培訓系統（TMS）

TMS包括培訓服務器、教員工作站、學員工作站、網絡交換機及打印機、仿真模擬器、模擬IBP、BASPLC及遠程I/O、PSCADA的監控單元等設備構成。

承包商應提供培訓系統的軟件，并對相應的功能做出詳細說明。

（3）仿真測試平臺（STP）

STP包括服務器、仿真模擬器、FEP、網絡交換機及打印機等設備。STP用于綜合監控系統和各機電設備系統軟硬件接口、通訊協議、數據格式等內容進行測試，可以作為軟件升級、修改時的調試平臺，還具有綜合監控系統自身的功能仿真等作用。仿真測試平臺還應與主干網絡相連，起到上載軟件、更新軟件的作用。

（4）網絡管理系統（NMS）

NMS可對ISCS的全部網絡設備進行配置、監視和控制。車輛段設置網絡管理系統1套，主要包括網管服務器、網管工作站、網管軟件和網管打印機等，承包商還應根據系統運營和維護的需要，配置相應的網絡安全設備和軟件，例如硬件防火墻及防病毒軟件等。承包商應采取相關措施有效防止L2（數據鏈路層）攻擊，以及來自防火墻內部的網絡攻擊。

7.2.4.4　網絡構成

綜合監控系統的網絡大致可以分為兩部分，即主干傳輸網、中央和車站局域網。

（1）主干傳輸網絡

用于綜合監控系統控制中心與各車站、車輛段局域網的連接。

主干傳輸網絡通過通信系統提供的單模光纖實現連接，與通信傳輸系統的接口在OCC及各車站（含車輛段）的通信設備房光纖配線架的外線側。中央、車站和車輛段與主干網的連接采用1000Mbps單模光纖接口。主干傳輸網的交換設備應為工業級的以太網交換機。

主干網采用冗余雙環拓撲結構進行構建。

（2）局域網

包括控制中心、各車站、車輛段的綜合監控系統內部局域網。

中央綜合監控系統局域網

中央局域網為雙冗余的1000Mbps以太網，符合IEEE802.3系列的相關標準。

中央采用千兆工業以太網交換機，配置千兆單模光纖接口模塊，用于與主干網絡的連接。

中央工業以太網交換機需具備路由功能。

為便于布線，在控制中心的中央控制室考慮另設兩臺車站級工業以太網交換機。

車站級局域網

車站級局域網為雙冗余的1000Mbps以太網，符合IEEE802.3系列的相關標準。

車站級采用千兆工業以太網交換機，配置千兆單模光纖接口模塊，用于與主干網絡的連接。

車站級工業以太網交換機需具備路由功能。

作者簡介：

魏曉東，1967年畢業于天津大學精儀系。1984~1991年任安徽工業大學自動化系副教授。1991年出版《分散型控制系統》（ 上海科技文獻出版社） 。2000~2012年任北京和利時系統工程公司副總工、事業部總設計師，北京地鐵13號線、深圳地鐵一期工程、廣州地鐵3號線綜合監控系統工程技術總負責人。2006、2010年出版《城市軌道交通自動化系統與技術》初版與第二版（電子工業出版社）；2010年主編國家標準《城市軌道交通綜合監控系統工程設計規范》（GB50636-2010）、《城市軌道交通綜合監控系統施工與質量驗收規范》（GB/T50732-2011）；2010年主編關于兩化融合的國家標準《工業企業信息化集成系統規范》（GB/T26335-2010）。2013年至今任清華同方數字城市工程中心技術專家，住建部城市軌道交通標注技術網Eu委員會委員，全國自動化系統與集成標準技術委員會委員。

摘自《自動化博覽》2018年3月刊