淺談地鐵綜合監控系統的網絡應用

陸天成

摘 要：本文首先簡要介紹了軌道交通發展的背景。通過介紹綜合監控系統發展階段及意義，提出安全穩定的計算機網絡對綜合監控系統的運行至關重要。接著介紹了綜合監控系統網絡組成，包括主干層、局域層和現場層網絡；接著在組網方式中對單環網與獨立雙環網組網方式進行了比較分析，給出了綜合監控系統采用純以太網交換機組成獨立雙環網的組網方案的優點，最后介紹了綜合監控系統的結構。結尾引出對系統網絡性能的思考，綜合監控系統的網絡可靠性，直接關系著軌道交通系統的安全運行。為了保證網絡穩定安全需要進行網絡通斷及設備狀態更新來檢測驗證。

關鍵詞：地鐵；綜合監控；計算機網絡

二十世紀以來，隨著現代城市化建設的飛速發展，還有城市人口的迅猛增長，導致世界上有許多城市都存在著不同程度的“行路難”和“乘車難”的問題。因此發展城市公共交通、緩解城市交通壓力成為了現代化城市建設進程中的兩大難題。地鐵對城市的地下空間進行了充分的利用，由于在地下空間實施，因此不會阻礙各種地面建筑物，也不會破壞地面景觀，并且用高速、便捷的方式解決了城市內大客流運輸的難題。地鐵，相比于其他城市交通工具而言，具有運量大、速度快、無污染等巨大優勢，因此地鐵已經變成了城市交通現代化的標志之一。

第一章 綜合監控系統的發展階段

高水平的自動化系統是實現城市軌道交通安全、高效的運行的重要保證。自動化系統隨著城市軌道交通技術的不斷發展，也相應經歷了大概三個發展階段；人工監控系統、分立監控系統、綜合監控系統。

地鐵綜合監控系統，是采用統一的計算機硬件、軟件平臺，將地鐵各專業自動化子系統集成到一起，通過統一的計算機網絡平臺，用統一的軟件系統支持，將所有子系統進行集成化管理。綜合監控系統基本框圖如下圖所示。

在軌道交通綜合監控系統的發展歷程中，綜合監控系統類型按照集成方式與深度分為三類：信息綜合管理系統、頂層集成的綜合監控系統、深度集成的綜合監控系統。

信息綜合管理系統是在軌道交通運營指揮中心（Depot Control Center，OCC）建立一個局域網，將已建好的軌道交通各子專業分立自動化系統的必要信息綜合在一起，實現信息共享但只監視不控制。這類系統一般是在原有分立系統建好的基礎上采用的補充措施，集成的范圍與深度有限，難于實現全面的綜合監控系統功能，國內早期線路如南京地鐵二號線綜合監控系統采用此種結構，但近期新建的線路思路已基本淘汰了此種結構。

頂層信息集成綜合監控系統是在 OCC 和車站的監控層將部分子系統集成和互聯起來構成綜合監控系統。雖然，在車站將被集成子系統攔腰截為兩截，在縱向原來的系統分為兩個不同軟件平臺支持的兩部分，降低了系統的性能，但這類系統可實現信息共享，實現綜合監控功能，深度集成的綜合監控系統時采用同一軟件平臺將被集成的子系統完全集成在一起。被集成子系統的中央層、車站監控層和控制層被集成在綜合監控平臺上，它們的功能都由綜合監控軟件來實現，以數個被集成子系統的集成平臺為基礎再將被互聯子系統接入，構建起一個功能強大，體系結構完整的綜合監控系統。但由于綜合監控系統首要目標是要求運行穩定，深度集成基于現有的技術水平要求太高，特別是信號系統。目前，國內新建的地鐵線路綜合監控系統多采用技術比較成熟的 BAS 系統功能、SCADA 系統功能集成，其余系統互聯的結構，如廣州地鐵。

總的來看，軌道交通綜合監控系統伴隨著軟、硬件技術的成熟，深度集成的綜合監控系統是必然的發展趨勢。計算機網絡作為各系統之前數據交換的基礎承載網，是重要的綜合監控系統基礎網絡。一個結構清晰、容量充足、性能安全穩定的計算機網絡對綜合監控系統的運行至關重要。

第二章 綜合監控系統網絡構架

計算機網絡系統是綜合監控系統的數據傳輸通道，綜合監控系統網絡從物理結構的角度，綜合監控網絡系統可以分為就地級網絡、車站局域網、中央級局域網和骨干網。綜合監控系統網絡結構圖。

從應用類型的角度，綜合監控網網絡系統可分為現場層、局域層和主干層。現場層網絡將各個監控對象連接起來匯集到車站級局域網，各個車站局域網將車站設備連接起來通過主干網匯集到控制中心。

2.1 綜合監控系統主干層

地鐵專用通信系統是一個相對獨立的、專用的綜合業務數字網，能與市域的功用通信網絡互連互通。專用通信系統連接通道主要依靠通信傳輸系統。傳輸系統采用的是一種基于光纖技術的光傳送網（Optical Transport Network，OTN），將各種不同業務類型集成到一個網絡。它能實現幾乎所有的的語音、數據、以太網以及圖像業務的接入和傳輸，對于像軌道交通類型的采用混合業務的延伸性網絡，OTN是一種非常理想的解決方案。

傳輸系統支持1000Mb/s、100Mb/s、10Mb/s、E1、RS-422等業務接口。為專用電話系統、無線通信系統、公務電話系統、時鐘和同步系統、信息網絡系統、集中告警系統、自動售檢票系統、列車自動控制系統、門禁系統、綜合監控系統（包含廣播、閉路電視監視、乘客信息、防災報警、機電設備監控、電力監控等系統的信息）等各類系統提供語音、數據及圖像信息傳送服務。專用通信配備96芯光纜，上下行區間各敷設1根。專用通信光纜也為信號系統、綜合監控系統、火災自動報警系統、自動售檢票系統、民用通信系統等提供節點間互聯用的光纖。

2.2 綜合監控系統局域層

局域層網絡即控制中心、各車站、車輛段的局域網。中央級局域網（控制中心）采用冗余的工業級交換式 100/1000Mbps 以太網，車站、車輛段、培訓中心采用冗余的工業級交換式 100Mbps 以太網。 在控制中心，BAS、PA、CCTV、SCADA、FAS、門禁系統（Access Control system ，ACS）、自動售檢票系統（Automatic Fare Collection ，AFC）、乘客信息系統（Passenger Information System ，PIS）、時鐘系統（Clock ，CLK）等系統直接或通過通信服務器接入綜合監控系統控制中心局域網。在車站，BAS、PA、CCTV、SCADA、屏蔽門系統（Platform Screen Door ，PSD）等直接或通過通信服務器接入綜合監控車站級局域網。

第三章 綜合監控系統組網方案

綜合監控系統承載網絡規模龐大，在確定組網方案之前，應從最根本的網絡結構開始考慮，并結合網絡自身必須具備一定的故障排除及快速自愈功能等首先明確網絡的基本架構。這涉及到網絡今后的施工、調試難度及運行狀況。相對于軌道交通建設行業，各系統專業在建設時期存在著密切的關聯，例如，通信系統 OTN 主干網尚未建設好，就無法給綜合監控系統劃撥帶寬，綜合監控系統無法調試。然而綜合監控系統無法調試會影響到與之集成、互聯的 CCTV、PA（廣播）、SCADA（電力監控）等系統的運轉，所以一個好網絡架構的確定，有助于提高網絡的運行效率，降低網絡的建設、運行和維修成本，便于今后網絡的擴展和互聯，同時還對于工期進度的影響起著至關重要的影響。當然，網絡架構的確定一定要本著節約、實用的原則，要考慮到運營后人工維護、擴容、或故障修復時影響范圍，做到維護及擴容是產生影響最小，否則失去了網絡建設的實際意義。

3.1 主干系統

綜合監控系統骨干傳輸網一般由純以太網主干系統和光傳輸主干系統兩類組網構成，采用光傳輸主干系統由于網絡數據的骨干傳輸依賴光傳輸網，光傳輸網寬帶目前應用于適合軌道交通行業的品種很少，寬帶利用率不高，并且在平日對設備維護時，對各種不同廠家的網絡設備維護困難，增加了作業工作量的同時，對于講求高效的軌道交通行業來說中間環節多，故障不便于診斷也是重點困擾，所以國內軌道交通行業目前一般采用以太網單獨組網的主干系統，各車站綜合監控網絡交換機之間不經過第三方傳輸平臺，采用獨立的光纖線路作為骨干傳輸通道，利用綜合監控網絡交換機自身的協議組建環網。

3.2 組網方式

采用純以太網交換機組成主干網絡一般有兩種組網方式，即單環網組網方式與獨立雙環網組網方式，由于單環網組網適用于所連接設備較少的類型，而綜合監控系統是一個集成、互聯多系統的平臺，承載網絡規模龐大，并且單環網的冗余能力低。現在國內軌道交通線路一般采用獨立雙環網組網方式，各車站共享帶寬，進一步提高了系統可用性，增強系統的自愈能力，不僅具有單環網所有的優點，還可以靈活地對網絡進行擴容，同時對多點故障也能順利地收斂，保證數據順利傳輸，冗余性能好，雖然前期投資相應加大，但作為重點工程，安全、可靠、高效應該是軌道交通工程重點恒量的指標。

3.3 綜合監控系統結構

綜合監控系結構可分為兩大部分；硬件與軟件。

綜合監控系統的硬件分為三層，第一層中央級綜合監控系統，是由各種服務器、網絡設備、工作站、打印機、綜合顯示屏等構成。第二層車站級綜合監控系統位于各車站、車輛段，是由服務器、網絡設備、工作站、打印機、綜合后備盤等構成。第三層現場級包括各集成系統的控制層設備。

綜合監控系統的軟件構成包括數據接口層、數據處理層、人機接口層。數據接口層主要是通過C306前段處理器機器軟件完成數據采集和協議轉換；數據處理層對收集到的各集成互聯系統數據進行分析處理、人機接口層通過HMI人機界面系統處理人機交互，從車站和中央服務器獲取數據，在操作站上顯示人機界面，完成各種監控操作。

第四章 綜合監控系統網絡性能思考

軌道交通綜合監控系統監控著所有系統的設備運轉以及各種數據，直接關系著軌道交通系統的安全運行。因此，綜合監控系統的網絡可靠性非常關鍵，是軌道交通綜合監控系統在建設的時候主要考慮的因素。綜合監控系統如果發生網絡癱瘓，將會直接影響軌道交通的正常運行，甚至有可能導致安全事故的發生。對這個系統影響較大，因此要提前去測試綜合監控系統網絡是否能經得住極限或災害情況的需求。當有突發狀況發生時，要保證設備運行不會因為網絡問題造成重大故障。

綜合監控系統是否處于正常運作情況，最基本的是通過各層網絡通斷來判斷，所以首先要通過計算網絡最大流量與最大設計帶寬進行分析。但有的時候網絡性能并不能僅僅通過通斷來評價，如果網絡延遲很高，綜合監控系統從與相關系統的接口接收信號延遲就高，設備狀態更新時間就長，調度人員或車站控制室人員很有可能通過工作站屏幕觀察到的是非正確設備狀態信息，易造成判斷錯誤。所以通過網絡通斷及設備狀態更新時間來進行網絡評價具有可行性。

第五章 結語

安全運行是軌道交通運行的核心需求，也是最重要的需求。綜合監控系統不僅要在設計階段保證結構合理，更要關注系統的安全問題，保證市民乘坐軌道交通的安全。

綜合監控系統的穩定直接影響著軌道交通的安全運營，系統在日常運行中會出現各類故障，一般情況下，這些故障不會在同一時間、地點發生，但災害或極端情況下一旦發生，如果系統自身不具備處理突發情況的能力，那后果將非常嚴重，因此設計一套綜合監控系統網絡穩定性測試方案，通過分析和測試來驗證系統性能。這將是我們接下來應該重點關注的課題。

參考文獻：

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