軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)集中式和分布式結(jié)構(gòu)研究

程 暢

（上海寶信軟件股份有限公司，201900，上海∥工程師）

軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)的對象包括電力系統(tǒng)（PSCADA）設(shè)備、環(huán)控與樓宇系統(tǒng)（BAS）設(shè)備、火災(zāi)報警系統(tǒng)（FAS）設(shè)備，以及其它機(jī)電設(shè)備，如屏蔽門（PSD）系統(tǒng)、自動售檢票（AFC）系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)（ACS）等的設(shè)備。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩級管理（控制中心級（即中央級）、車站級）、三級控制（控制中心級（即中央級）、車站級、就地級）的方式，要求軟硬件的設(shè)計充分考慮系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性、通用性和先進(jìn)性。

根據(jù)建設(shè)成本、監(jiān)控對象、環(huán)境等情況的不同，國內(nèi)軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)在構(gòu)成和技術(shù)方案上有不同的選擇，包括集中式、分布式等。目前，很多監(jiān)控系統(tǒng)已投入運(yùn)營，效果良好，但也存在一定的問題。為此，必須對系統(tǒng)構(gòu)成方案進(jìn)行合理的優(yōu)化。

無論是硬件還是軟件，系統(tǒng)設(shè)計者都需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)營需求對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的考慮，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的同時，保證系統(tǒng)的可靠性，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性，并達(dá)到降本增效的目的。本文通過分析典型的集中式結(jié)構(gòu)和分布式結(jié)構(gòu)，結(jié)合不同運(yùn)營管理模式下的運(yùn)營需求，提出適用的監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成方案。

1 集中式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

集中式系統(tǒng)的典型軟件模型如圖1所示，包括中央級監(jiān)控系統(tǒng)、車站級監(jiān)控系統(tǒng)、車輛段監(jiān)控系統(tǒng)及主干通信傳輸網(wǎng)等。

1.1 中央級監(jiān)控系統(tǒng)

集中式系統(tǒng)在中央服務(wù)器設(shè)置實(shí)時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，用于采集并保存全線所有機(jī)電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，全線所有的實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報警事件均集中在中央服務(wù)器進(jìn)行處理和存儲。

在主干通信傳輸網(wǎng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，為了保證集中式系統(tǒng)的可靠性，一般在中央級設(shè)置冗余服務(wù)器；當(dāng)在線服務(wù)器出現(xiàn)故障時，數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用可以切換到另一臺服務(wù)器。以BAS監(jiān)控系統(tǒng)為例，假設(shè)全線有20個車站，每個車站的BAS有5 000點(diǎn)的規(guī)模，中央大樓按車站級考慮，中央級計算機(jī)的實(shí)時數(shù)據(jù)規(guī)模將達(dá)到21×5 000＝105 000點(diǎn)，同時還需設(shè)置歷史數(shù)據(jù)庫。這就意味著中央級必須使用較高配置的冗余服務(wù)器，針對海量數(shù)據(jù)存儲的需求，還應(yīng)配置磁盤陣列。

中央級工作站設(shè)置HMI（人機(jī)界面）用于對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制。

圖1 集中式系統(tǒng)軟件模型

1.2 車站級監(jiān)控系統(tǒng)

在主干通信傳輸網(wǎng)正常的情況下，車站級計算機(jī)僅用于對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，車站的實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報警事件集中在中央級進(jìn)行處理和存儲。

當(dāng)中央級監(jiān)控系統(tǒng)與車站級監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信中斷時，為了保證系統(tǒng)的可靠性，車站級計算機(jī)必須設(shè)置實(shí)時數(shù)據(jù)庫以獨(dú)立完成本車站的數(shù)據(jù)信息采集和保存。這種情況稱為降級運(yùn)營模式。此時車站級計算機(jī)作為服務(wù)器使用，必須設(shè)置服務(wù)器級別的計算機(jī)而不是一般的操作員工作站。由于實(shí)時數(shù)據(jù)規(guī)模僅包括本車站數(shù)據(jù)，硬件配置可采用低配。

1.3 車輛段監(jiān)控系統(tǒng)

車輛段監(jiān)控系統(tǒng)主要用于維修。車輛段維修工作站設(shè)置HMI用于對設(shè)備故障報警進(jìn)行監(jiān)視，同時設(shè)置維修軟件對設(shè)備進(jìn)行在線故障診斷和維護(hù)。

2 分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分布式系統(tǒng)在中央級（中央大樓也作為車站級考慮）和各車站級服務(wù)器設(shè)置實(shí)時數(shù)據(jù)庫，用于采集本站點(diǎn)的機(jī)電系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息，歷史數(shù)據(jù)庫可分布到各車站服務(wù)器，也可以在中央級統(tǒng)一考慮。一般要求車站服務(wù)器存儲本站點(diǎn)3個月的歷史數(shù)據(jù)，中央服務(wù)器集中存儲全線1～2年的歷史數(shù)據(jù)。

分布式系統(tǒng)在中央、車站、車輛段設(shè)置工作站，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營各崗位的監(jiān)控需求。工作站的數(shù)據(jù)信息均來源于各車站級服務(wù)器的實(shí)時數(shù)據(jù)庫。

在主干通信傳輸網(wǎng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，為了保證分布系統(tǒng)的可靠性，一般在各站點(diǎn)均設(shè)置冗余服務(wù)器；當(dāng)在線服務(wù)器出現(xiàn)故障時，數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用可以切換到另一臺服務(wù)器。

當(dāng)中央級監(jiān)控系統(tǒng)與車站級監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信中斷時，分布式系統(tǒng)可立即進(jìn)入降級運(yùn)營模式，因?yàn)檐囌炯壉O(jiān)控系統(tǒng)是獨(dú)立運(yùn)行的。各車站級服務(wù)器實(shí)時數(shù)據(jù)規(guī)模僅包括本車站數(shù)據(jù)，硬件配置可采用低配，但需要配置2臺。中央級需單獨(dú)配置歷史服務(wù)器和磁盤陣列，用于實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存儲。

分布式系統(tǒng)的典型軟件模型如圖2所示。

3 單一的應(yīng)用

對于一個接口設(shè)備，監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)時服務(wù)器設(shè)置實(shí)時數(shù)據(jù)庫采集數(shù)據(jù)信息并下發(fā)控制指令，監(jiān)控工作站通過該實(shí)時數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能，稱之為“一個應(yīng)用”。當(dāng)另一臺實(shí)時服務(wù)器也設(shè)置實(shí)時數(shù)據(jù)庫采集相同設(shè)備的數(shù)據(jù)信息并下發(fā)控制指令時，稱之為“另一個應(yīng)用”。兩個應(yīng)用必然會對系統(tǒng)產(chǎn)生以下影響：①兩個應(yīng)用產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)、報警、事件時間戳不同且不同步；②操作員對兩個應(yīng)用分別進(jìn)行報警確認(rèn)，確認(rèn)時間和數(shù)量都不同；③操作員可能會在同一時刻對同一設(shè)備發(fā)送不同的控制指令。

如果在兩個服務(wù)器之間建立冗余同步機(jī)制解決了以上3個問題，那么系統(tǒng)仍然能夠保證單一的應(yīng)用；如果兩個服務(wù)器完全獨(dú)立設(shè)置，那么系統(tǒng)存在多次應(yīng)用。單一的應(yīng)用和多次應(yīng)用的典型數(shù)據(jù)流如圖3所示。

圖2 分布式系統(tǒng)軟件模型

圖3 單一的應(yīng)用和多次應(yīng)用的數(shù)據(jù)流

4 集中式結(jié)構(gòu)和分布式結(jié)構(gòu)的比較

4.1 可靠性及成本

集中式系統(tǒng)一般在中央級設(shè)置較高配置的冗余服務(wù)器；在車站級只需設(shè)置配置較低的服務(wù)器或工控機(jī)實(shí)現(xiàn)單站獨(dú)立運(yùn)行和車站監(jiān)控功能，所以為了保證系統(tǒng)可靠性，數(shù)據(jù)規(guī)模不宜過大。在保證系統(tǒng)可靠性的前提下，集中式系統(tǒng)成本較低。例如點(diǎn)數(shù)較多的BAS系統(tǒng)，中央級的點(diǎn)數(shù)規(guī)模有10萬點(diǎn)左右，高配置的服務(wù)器可以與數(shù)據(jù)規(guī)模相匹配；車站級點(diǎn)數(shù)規(guī)模僅5 000點(diǎn)，即使采用低配置的服務(wù)器，CPU占用率也不會很高，所以車站級無需再配置工作站，監(jiān)控功能和HMI也可在車站級計算機(jī)上運(yùn)行。集中式系統(tǒng)可以充分利用硬件資源。

分布式系統(tǒng)通常在各車站級均設(shè)置冗余服務(wù)器，即使系統(tǒng)設(shè)計者為了節(jié)約成本，在單車站只設(shè)置一臺服務(wù)器而在相鄰車站的服務(wù)器設(shè)置冗余同步機(jī)制，但仍然需要設(shè)置單獨(dú)的車站級工作站用于監(jiān)控，成本顯然比集中式系統(tǒng)高。如果數(shù)據(jù)規(guī)模龐大，分布式系統(tǒng)將系統(tǒng)負(fù)荷分散到各車站，即實(shí)現(xiàn)了負(fù)載均衡，系統(tǒng)可靠性較高；如果數(shù)據(jù)規(guī)模較小，分布式系統(tǒng)的實(shí)用性不如集中式系統(tǒng)。

4.2 實(shí)時性及可擴(kuò)展性

集中式系統(tǒng)在中央級處理的數(shù)據(jù)較多，數(shù)據(jù)的傳輸都由中央服務(wù)器保證，負(fù)荷較大，可以選擇配置較高的計算機(jī)和集中處理能力較強(qiáng)的系統(tǒng)軟件。其實(shí)時數(shù)據(jù)響應(yīng)和控制響應(yīng)以滿足具體的監(jiān)控需求為設(shè)計依據(jù)和目的，與分布式系統(tǒng)的實(shí)時性響應(yīng)相同。

當(dāng)建設(shè)延伸線時，分布式系統(tǒng)可方便地在延伸線車站增加硬件設(shè)備和軟件應(yīng)用，所有的系統(tǒng)調(diào)試均在車站內(nèi)完成，只需在中央工作站增加延伸線的監(jiān)控功能，不影響已建成的系統(tǒng)運(yùn)行；集中式系統(tǒng)卻需要在中央與延伸線車站進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，同時在中央服務(wù)器增加延伸線的數(shù)據(jù)應(yīng)用，在中央工作站增加延伸線的監(jiān)控功能。顯然，分布式系統(tǒng)的可擴(kuò)展性優(yōu)于集中式系統(tǒng)。

4.3 可維護(hù)性及單一的應(yīng)用

從道路分析的角度看，分布式系統(tǒng)雖然將系統(tǒng)負(fù)荷分散到了各車站，但同時增加了各車站的系統(tǒng)維護(hù)工作量；集中式系統(tǒng)只需重點(diǎn)維護(hù)中央服務(wù)器，可維護(hù)性優(yōu)于分布式系統(tǒng)。但系統(tǒng)設(shè)計者和維護(hù)人員往往忽略了一個問題，那就是單一的應(yīng)用和多次應(yīng)用在可維護(hù)性方面的差異。

集中式系統(tǒng)在中央服務(wù)器設(shè)置了一個應(yīng)用，車站計算機(jī)獨(dú)立運(yùn)行的實(shí)時數(shù)據(jù)庫又設(shè)置了一個應(yīng)用，然而其無法在中央服務(wù)器和所有車站計算機(jī)間都建立冗余同步機(jī)制，違反了“單一的應(yīng)用”原則，增加了系統(tǒng)的維護(hù)難度。這也是集中式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一個缺陷。為盡量避免該問題，可作兩點(diǎn)考慮以提高系統(tǒng)的可維護(hù)性：其一，影響運(yùn)營服務(wù)能力且可控設(shè)備較多的系統(tǒng)如BAS、AFC可考慮降級運(yùn)營模式，即在車站設(shè)置獨(dú)立運(yùn)行的實(shí)時數(shù)據(jù)庫，已有后備控制的系統(tǒng)如PSD、PSCADA（所內(nèi)）可不考慮車站獨(dú)立監(jiān)控。其二，在主干通信傳輸網(wǎng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，車站計算機(jī)作為客戶機(jī)使用，而車站的實(shí)時數(shù)據(jù)庫處于備用狀態(tài)；當(dāng)降級運(yùn)營開始后，車站才啟用后備實(shí)時數(shù)據(jù)庫；當(dāng)降級運(yùn)營結(jié)束后，車站實(shí)時數(shù)據(jù)庫應(yīng)切換到備用狀態(tài)。一般降級運(yùn)營的切換由人工操作，系統(tǒng)需要一定的時間將設(shè)備操作權(quán)降級到車站，所以車站的實(shí)時數(shù)據(jù)庫可采用熱備用方式。在數(shù)據(jù)庫啟動性能較快的情況下，車站的實(shí)時數(shù)據(jù)庫也可采用冷備用方式。

分布式系統(tǒng)在各車站設(shè)置冗余服務(wù)器采集本車站的數(shù)據(jù)信息，中央不再對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行多次應(yīng)用，是完全的“單一的應(yīng)用”。

5 不同運(yùn)營管理模式的系統(tǒng)構(gòu)成方案

盡管軌道交通建設(shè)者在設(shè)計和實(shí)施監(jiān)控系統(tǒng)時都提出了兩級管理的需求，但仍然存在兩種常見的運(yùn)營管理模式：①每個機(jī)電系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)，如PSCADA、BAS、AFC等；②統(tǒng)一設(shè)置綜合監(jiān)控系統(tǒng)，PSCADA、BAS、AFC等系統(tǒng)作為子系統(tǒng)接入。不同的運(yùn)營管理模式適合采用不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

5.1 單獨(dú)設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)的管理模式

各機(jī)電系統(tǒng)分別在中央級、車站級和車輛段設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)數(shù)量較多，每個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)規(guī)模較小，為了降低總的建設(shè)成本和總的維護(hù)工作量，宜采用集中式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

由于數(shù)據(jù)規(guī)模較小，集中式系統(tǒng)的實(shí)時性也可以保證。各監(jiān)控系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)依賴于單系統(tǒng)的雙方，在系統(tǒng)擴(kuò)展時，應(yīng)采用逐系統(tǒng)、多車站的調(diào)試方法，使得對集中式系統(tǒng)的影響最小。

5.2 以綜合監(jiān)控系統(tǒng)為主的管理模式

在中央級、車站級和車輛段設(shè)置綜合監(jiān)控系統(tǒng)，各機(jī)電系統(tǒng)均設(shè)置接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，單站和總的數(shù)據(jù)規(guī)模較大，為了保證系統(tǒng)的可靠性，宜采用分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

為了降低成本，系統(tǒng)設(shè)計者可采用相鄰車站冗余或集中站冗余的方式，既減少各車站硬件設(shè)備和軟件模塊的數(shù)量，也降低了系統(tǒng)維護(hù)的工作量。

6 結(jié)語

無論是單系統(tǒng)監(jiān)控還是設(shè)置綜合監(jiān)控系統(tǒng)，都需滿足軌道交通的三大運(yùn)營需求，即面向崗位的運(yùn)營管理需求，面向設(shè)備的運(yùn)營監(jiān)控需求，面向乘客的運(yùn)營安全需求，同時保證整個系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時性、可擴(kuò)展性及可維護(hù)性。

系統(tǒng)構(gòu)成方案是實(shí)施監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)設(shè)計者需結(jié)合軌道交通具體線路的運(yùn)營管理模式和成本規(guī)劃，全方位考慮運(yùn)營需求，科學(xué)分析可靠性、實(shí)時性、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性的標(biāo)準(zhǔn)以及在系統(tǒng)中所占的比重，深入研究集中式、分布式結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，為每個監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計合理、最優(yōu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案。

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