摘 要：本文通過分析城市軌道交通綜合監控系統的技術現狀，結合自動化、信息化、智能化在工業應用中深度融合的趨勢，指出城市軌道交通綜合監控系統將在現有以實時監控為主要應用目的的基礎上，通過引入多核并行處理、服務器集群、、移動應用等主流信息技術，將具備海量數據處理的能力，可滿足用戶不斷增長的信息集成要求和信息安全要求，支撐和引領綜合監控系統系統向智能化方向發展。最后，本文提出了一種新一代城市軌道交通綜合信息管理系統的系統框架。
關鍵詞：城市軌道交通、綜合監控系統、綜合信息管理系統
1 引言
隨著我國國民經濟的發展，已經進入到城市軌道交通的大發展時期，2011年我國已建成地鐵480公里，2020年總里程將達6100公里。北京、上海、天津、武漢、大連、南京、重慶、青島、沈陽、哈爾濱、杭州、蘇州、成都、西安、長春等以及以廣州和深圳為中心的珠江三角洲、長江三角洲地區都已經或將要陸續開工幾十條地鐵、輕軌線。到時候城市內甚至城市與城市之間，將組建成為一個龐大的地鐵、輕軌網絡。在這樣一個軌道交通大發展的背景下，推動了各種新技術，特別是自動化技術與信息技術在軌道交通中的應用融合，有利于建成從運營自動化、單線路運營到線網運營管理及決策的完整的城市軌道交通自動化集成系統，符合城市軌道交通“人文交通、科技交通、綠色交通”的戰略發展要求。
城市軌道交通綜合監控系統（Integrated Supervisory Control System，簡稱ISCS）是指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。作為通用SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，即數據采集與監視控制系統）系統在城市軌道交通行業的具體應用，綜合監控系統用系統化方法將各分散的自動化系統聯結為一個有機的整體，實現軌道交通各專業系統之間的信息互通、資源共享，提高各系統的協調配合能力，高效地實現系統間的聯動，提高了軌道交通的整體自動化水平，增強應對各種突發事件的應變能力，提高軌道交通的運營管理水平，提高軌道交通服務質量和服務水平，更好地為廣大乘客服務，為建設數字化軌道交通打好基礎，有利于改進軌道交通資源管理水平，提高經濟效益。
按照IEC 62264（GB/T 20720）企業控制系統集成（Enterprise-control system integration）標準推薦的層次模型，SCADA系統正逐步與MES（Manufacturing
Execution System，即制造執行系統）系統融合，逐漸從實時監控向工廠生產計劃調度方向延展。同時，在我國“國民經濟和社會發展十二五規劃”中，明確提出“有序推進輕軌、地鐵、有軌電車等城市軌道交通網絡建設”和“推動信息化和工業化深度融合”。現有綜合監控系統為工業化和信息化在軌道交通領域的深度融合奠定了基礎，通過信息化可擴展綜合監控系統的范圍和提升綜合監控系統的層次，支撐和引領綜合監控系統向智能化方向發展，實現管控一體化。
2 綜合監控系統的技術現狀
2002年，北京地鐵13號線首次實施“供電、環控和防災報警綜合監控自動化系統”。至今，深圳、廣州、北京、上海、武漢、西安、成都、重慶、天津等地鐵線路均設置了以供電設備監控和機電設備監控為核心的綜合監控系統。綜合監控系統一般以電力監控、環境與設備監控為核心進行集成；通過與屏蔽門、廣播、閉路電視等系統進行界面集成，顯示其系統信息的同時，具備對其底層設備的控制功能；另外，還與列車自動監控系統、時鐘系統、火災防護系統、乘客信息系統等系統進行互聯，只接收相關信息，在必要的情況下，由人機界面推出窗口進行顯示，而不進行控制。典型的綜合監控系統構成如下圖1所示，包括控制中心系統、各車站管理系統、停車場和車輛段監控系統、網絡管理系統、設備管理系統以及培訓管理系統等組成。
綜合監控系統采用主備、冗余、分層、分布式C/S結構，分為車站級綜合監控系統、中心級綜合監控系統以及骨干網三層，實現為熱備、冗余、開放、可靠、易擴展的計算機系統。系統提供的主要功能有：
1）ISCS基本功能：包括數據采集與處理、數據點管理、通用圖形界面、監視、遠程控制和操作、聯動、報警和事件列表、雪崩過濾、時間同步、系統安全與權限管理、統計和報表、歷史數據存檔和查詢、歷史和實時趨勢記錄、冗余設備切換、系統備份和恢復、降級模式；
2）電力監控功能：
? 監視電力設備的運行狀態，如開關位置、故障狀態、電壓、電流等；
? 通過單控、順控命令對開關設備（例如750V、10KV開關設備）進行分、合操作；
? 對開關保護裝置進行保護復歸操作；
? 根據系統運行方式的需要，對供電系統設備的保護軟壓板進行投退操作；
? SOE事件記錄、故障錄波顯示
3）環境與設備監控功能
? 遠程控制功能。可對單個設備或成組設備進行單設備控制或系統組控，其中控制命令包括：風機的啟動、停止控制；風閥開、關控制；照明回路合、分控制；電扶梯的啟、停和方向控制；系統組控啟動、停止控制等。
? 模式控制。模式控制屬于一種特定的設備組控制，與基本的遙控功能相同。當發生阻塞或緊急狀況時，通過模式的執行使設備按照預先定義的模式表按順序啟動響應的風機和風閥。例如：正常模式、阻塞模式、火災模式、夜間模式等。
? 時間表控制。系統能夠按照預先設定的時間表的控制內容，控制相應設備啟動或停止。
4）火災監控：監視火災設備的狀態信息及火災報警信息；必要時進行相關系統的聯動，使相關系統進入火災模式。
5）其它集成互聯系統功能，如行車監視、廣播、乘客信息專用功能，以及網絡管理、培訓開發、設備管理、決策支持等專業化應用功能。
圖1 典型綜合監控系統的構成
現有的城市軌道交通綜合監控系統，以實時監控為主要應用目的，實現電力調度、機電設備監控、車站運營狀態監視等功能，在體系架構設計和接口方面主要側重于實時設備監控和數據處理。現有綜合監控系統軟件主要分為側重于HMI功能的中小型SCADA軟件和大型軌道交通綜合監控軟件兩大類，其中目前主流的、在具體工程項目中廣泛使用的是第二類，這類大型綜合監控軟件典型包括國外廠商的SCADAsoft、RailEdge、WinCC
OA（原PVSS）、SystematICS等，以及國內北京和利時公司的MACS-SCADA、南瑞的RT21-ISCS等，這些產品都具有以下主要特性：
1）滿足大型、復雜項目的應用要求并具有實際的城市軌道交通工程項目應用案例。
2）分為2大系列，一類來自于專業化軌道交通應用，為行業化定制開發應用產品；另一類來自于通用的大型SCADA系統軟件平臺，針對城市軌道交通進行行業化應用開發，并同時廣泛應用于煤炭、油氣田等其他SCADA應用中。
3）功能側重于大容量數據處理，處理能力在30萬點以上，核心是實時數據庫和分布式數據通信。
4）支持分層分布式冗余結構。
5）采用中間件等技術，多數支持異構環境（Windows/Unix/Linux和x86/RISC服務器）。
綜合監控系統軟件大都采用平臺化系統架構，如下圖2所示，整個系統由數據接口層、數據處理層和人機接口層組成。
圖2 綜合監控系統軟件的平臺化系統架構
1) 數據接口層：主要用于數據采集和協議轉換，由ISCS系統設備FEP完成，FEP對以數字信號接入的監控子系統進行數據交換及協議轉換，同時FEP負責對ISCS與被監控對象的數據進行隔離，從而保證各子系統數據的獨立性。
2) 數據處理層：用于實時數據及歷史數據的管理，主要由中心服務器及車站、車輛段、停車場服務器構成，通過實時數據庫和關系數據庫來提供ISCS系統的應用功能。
3) 人機接口層：用于處理人機接口，主要由操作員工作站構成，通過從中心服務器及車站、車輛段、停車場服務器來獲取數據，在操作站上顯示人機界面，來完成各種ISCS系統的監控操作。
綜合監控系統實現了常規通用SCADA系統的模塊和功能，如下圖3所示。主要組件包括分布式通信軟總線、腳本、二次開發工具、接口與采集、實時數據庫、報警、日志、歷史數據、報表、操作命令、權限、安全管理、遠程管理。模塊間通過分布式通信軟總線實現相互通信，并且通過模塊的不同組合部署實現FEP、服務器和工作站的功能需求。
圖3 綜合監控系統軟件的組成模塊
3 綜合監控系統的技術發展方向
作為以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統，綜合監控系統可以對現場的運行設備進行監視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等各項功能。綜合監控系統有著信息完整、提高效率、正確掌握系統運行狀態、加快決策、能幫助快速診斷出系統故障狀態等優勢，現已經成為監控調度不可缺少的工具。
綜合監控系統在開發過程中的一條重要理念應是要為用戶提供一套易于擴展和使用的系統：開始規模很小，但不論從短期和長遠的角度，都可以方便地根據用戶的需求加以在線擴充。這樣的設計理念才能保證系統不會過早地失去使用價值。但是，隨著技術的發展、管控一體化和“信息化和工業化深度融合”以及管理的日益精細化，現有以實時監控為主要應用目的綜合監控系統也無法完全滿足地鐵安全、高效運營管理的需要，特別是系統軟件架構在調度、生產計劃和工作流處理方面存在的先天不足已嚴重制約了系統從過程控制層向生產執行層和經營管理層的擴展，影響了從綜合監控系統向智能化綜合信息管理系統的發展。
為解決上述問題，綜合監控系統需要在現有實時監控的基礎上，結合迅速發展的信息技術，通過引入面向服務架構（Service-Oriented Architecture，簡稱SOA）、多核并行處理、平行擴展的服務器集群、移動應用、安全系統等成熟的IT技術，構建新一代的綜合信息智能管理系統，滿足國內外用戶不斷增長的信息化集成要求，提供良好的用戶體驗。
3.1 與信息系統一體化
絕大部分現有綜合監控系統與上層生產調度和計劃、質量管理、設備管理、安全管理、辦公自動化等管理信息系統是分離的，或者僅有簡單的從下向上的單向簡單數據傳輸，無法與上層信息系統融合成為一個有機的統一體。按照發展新型工業和企業信息化的要求，自動化應該是集管理和控制于一體的，它包含低層的控制與高層次的管理的自動化。企業信息化對系統的自動化程度提出了更高的要求，它包含了從經營管理層、生產執行層、過程控制層直到現場設備層的全過程，涵蓋了從傳感器開始到整個系統優化運行的全部低層控制及高層管理。為保證整個控制過程中的所有有用的信息不沉淀和流失，便于實現實時協調，加強對上層決策的輔助支持，應建立全局化的概念，統一信息平臺，克服“自動化孤島”、“信息孤島”現象，實現管控一體化的無縫集成。
整個系統應采用分層分布式系統結構，軟件體系應采用模塊化結構，構建為開放的可擴展的系統，以利于系統靈活配置、功能擴展和性能提升，支持企業可持續的業務流程重組，適應企業的改造與升級。綜合信息管理系統中包含了實時控制信息和業務管理信息，系統應保證兩類信息嚴格分開處理，防止互相干擾或影響。可在統一數據管理系統和數據服務軟總線基礎上，構建專業化的應用數據庫、以實時監控為主的實時數據軟總線和以運營管理為主的管理數據軟總線，如下圖4所示。專業化應用數據庫包括設備數據庫、實時數據庫、歷史數據庫、報警數據庫、地理信息數據庫、決策支持數據庫、多媒體流數據庫等，這些數據庫邏輯上形成統一的完整數據庫，為整個系統提供基礎的數據服務功能，物理上可獨立管理和維護，互相之間通過數據軟總線進行信息交換和協同處理。系統中以實時監控為主的應用將主要通過實時數據軟總線進行通信，可確保這些應用的實時性和高可用性；以經營管理和運營優化為主的應用將主要通過管理數據軟總線進行通信，獲取管理所需的基礎設備數據和現場運營數據，可確保這些應用所需的大數據量通信和數據挖掘優化運算。
圖4 綜合信息管理系統實現實時監控與運營管理的一體化
目前主流廠商能夠的綜合監控系統產品大都有10年以上的歷史，較好地滿足了系統可靠性、穩定性方面的要求，但是在技術的先進性方面有所欠缺，沒有充分發揮信息技術發展和硬件提升帶來的優勢，導致擁有系統的總成本越來越高，包括系統更新、升級和修正錯誤等，當系統需要集成新子系統及功能時，在設計及測試上都十分困難。為實現實時監控與運營管理的一體化，綜合信息管理系統需要管理的數量規模將從現有綜合監控系統的30~50萬點擴展到幾百萬點甚至千萬點，數據類型也將更豐富和多樣化。為適應這種變化，作為系統核心的服務器應用軟件必須改變現有中心和車站服務器各自相對獨立工作、中心或車站雙服務器主備冗余的設計架構，而是采用可平行擴展的服務器集群技術，實現為分布式數據系統。分布式系統主要的作用就是平行擴展、海量存儲、高性能運算和高并發支持，通過引入多核并行處理、可平行擴展的服務器集群技術，整個系統將具備海量數據處理的能力，可滿足用戶不斷增長的信息集成要求。
在進行綜合監控系統和上層管理系統的一體化架構設計時，還必須考慮如何復用企業現有的或已有的應用系統，以保護了現有的IT基礎建設投資。SOA憑借其松耦合的特性，使得系統可以按照模塊化的方式來添加新服務或更新現有服務，以解決新的業務需要。現有的綜合監控系統大都以測點數據為中心進行設計，無法有效支持對視頻、流媒體、地理信息數據以及工作流數據的存儲、管理和應用，這將成為構建綜合信息管理系統的瓶頸。通過采用SOA架構，可提供全面模塊化和深度集成的系統架構，有利于系統的縱向集成，能保證底層數據按系統功能要求上傳，并同時保證高層信息及時準確下達，不同信息都可在各應用間以標準、可擴展的方式進行交換、結合和應用，不同子系統內部的數據都可借助SOA中間件以被不同功能集成和應用。
3.2 安全系統
安全是指不因人、機、媒介的相互作用而導致系統損失、人員傷害、任務受影響或造成時間的損失。目前國內的綜合監控系統大都沒有按照安全相關系統進行設計和建設，缺乏系統的安全分析、危害識別和安全管理。隨著綜合監控系統的進一步發展，綜合監控系統的安全性越來越得到重視和關注，安全問題不解決也將制約綜合監控系統的發展和提升。
IEC61508國際標準規范了電氣/電子/可編程電子安全相關系統軟硬件生存周期的各個階段的任務和目標，提供一個制定安全需求規范的方法，是進行軌道交通安全評估和論證重要的參考標準。在軌道交通領域，歐洲以IEC61508標準為基礎，吸收該標準的精髓，制訂鐵路行業標準，它包括以下4個部分：
1）EN-50126鐵路應用：可靠性、可用性、可維護性和安全性（RAMS）規范和說明；
2）EN-50128 鐵路應用：鐵路控制和防護系統的軟件；
3）EN-50129 鐵路應用：安全相關電子系統；
4）EN-50159鐵路應用：通信、信號和處理系統。
綜合監控系統應參照這些標準的要求進行設計、開發、制造、運營和維護，使得系統的安全完整性等級達到SIL2/SIL3。
3.2 移動智能系統
目前專網和公網無線通信技術已經非常成熟，并廣泛應用各類自動化和信息化系統中。在城市軌道交通行業應用中，基于TETRA（Terrestrial Trunked Radio，即陸上集群無線電）的數字集群通信技術已在列車運營管理和控制系統中廣泛使用。通過融合現有綜合監控系統和移動通信系統，可為城市軌道交通的日常運營管理提供行車、電力和環控的本地和遠程調度服務，以及移動維修調度、客流分析、節能分析、無線應急指揮等服務。綜合監控系統通過深度集成無線通信系統，能實現現有綜合監控系統的可移動化和遠程服務能力，從而改變以往系統只能在車站和中心調度室固定終端上操作和使用的缺點，發揮移動增值獨特優勢，針對地鐵維修人員提供移動維修功能，針對地鐵火災等緊急情況下提供應急預案管理、指揮和決策輔助功能，針對地鐵調度人員和管理人員等提供基于平板電腦、智能手機或微型面板的移動監控終端，實現移動辦公，有利于提升系統的智能化水平。
4 新一代城市軌道交通綜合信息管理系統
為適應城市軌道交通綜合監控系統的技術發展，北京和利時公司作為國內最主要的系統集成商和自主知識產權綜合監控系統軟件提供商，提出了新一代城市軌道交通綜合信息管理系統MACS-I2SCS的系統框架，從架構上建立信息集成統一架構，從技術上整合SCADA和管理系統，如下圖5所示，并正在香港地鐵廣深港綜合監控系統（香港段）項目上進行典型應用設計。
圖5 新一代城市軌道交通綜合信息管理系統統一架構
該系統平臺的技術路線主要包括：
1）采用以服務為中心的SOA系統體系結構，通過SOA連接器可方便地把第三方系統或現在系統集成起來。SOA連接器是一種Web服務，采用WSDL描述接口，針對第三方系統或現在系統提供開發SOA連接器的框架和接口規范。
2）提供基于服務器集群的分布式數據服務，構建面向對象實時數據庫，采用magent實現服務器集群擴展，支持Oracle和MySQL數據庫，支持UNIX、LINUX和WINDOWS操作系統。
3）實現基于ESB的服務接口框架，消息中間件采用ActiveMQ。
4）采用基于HTML5的2D/3D人機界面，高實時性要求的應用以插件方式實現。
5）采用TETRA無線通信技術實現公網和專網的接入，提供基于平板電腦、智能手機或微型面板的手持移動監控終端。
6）按安全相關系統SIL2標準進行開發。EN50126/128/129 的 SIL2 就安全相關系統和軟件的開發和審批對相應的職責、流程、文檔和技術提出了明確的要求。
在新一代城市軌道交通綜合信息管理系統MACS-I2SCS中，建立了自動化和信息化集成體系框架和接口規范，易于整合現有軟件資產，提高軟件復用性，降低成本，并且也為未來的擴展留下了空間。借助于MACS-I2SCS系統平臺，可實現管控一體化，可在以下方面顯著擴展綜合監控系統的范圍和智能化：
? 集成地理信息GIS數據，實現人員定位和資源優化組織，可以在地圖中按地理位置顯示現場設備對象，直觀清晰地顯示各個車站和整條線路的概覽，從而可以對整個城市軌道交通綜合監控系統進行輕松便捷地監視；
? 集成視頻數據，通過智能視頻分析結合GIS數據，可實現在重大公共活動、上下班高峰期或緊急事故情況下的換乘站、交通樞紐人流密度管理和人流安全疏導；
? 基于HTML5實現決策支持系統DSS，提供應急預案的管理和執行功能，在發生緊急情況時可以幫助操作人員做出決策；
? 安全可靠的通訊網絡和統一協調的多模式信息發布，包括乘客信息系統、手持智能終端、信息顯示屏等。
5 總結
現有的城市軌道交通綜合監控系統，以實時監控為主要應用目的，實現電力調度、機電設備監控、車站運營狀態監視等功能，在體系架構設計和接口方面主要側重于實時設備監控和數據處理，在生產調度、生產計劃和工作流處理方面存在架構方面的先天不足。在另一方面，由于IT技術的迅速發展，在現有系統之中沒有實現的面向服務結構（SOA）、多核并行處理、服務器集群、負載均衡、平行擴展、移動應用等技術已經趨于成熟，可以引入到新一代綜合信息管理系統之中，滿足用戶不斷增長的信息化集成要求。以新一代綜合信息管理系統為平臺建立融合關鍵基礎設施、安防和應急指揮、多模式通信等系統的城市軌道交通綜合監控平臺，可擴展綜合監控系統的范圍和提升綜合監控系統的層次，支撐和引領綜合監控系統向智能化方向發展，實現管控一體化。
參考資料
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Systems
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