地鐵自動化集成系統車站群組監控模式探討

劉金霞

摘要：本文主要對西延工程自動化集成系統車站群組監控的運營經驗，對比傳統的車站監控模式，介紹了車站群組監控模式的硬件架構和軟件架構。

關鍵詞：地鐵；自動化集成系統；監控模式

1、工程概況

西延工程線路總長10.488km，全部為地下線；全線共設車站6座，其中換乘站3座，金安橋站與S1線、M11線換乘，蘋果園站與1號線、S1線換乘，田村站與3號線、L6線換乘。全線最大站間距為2276.721m，位于廖公莊站與田村站之間，最小站間距為1156m，位于蘋果園站與蘋果園南路站之間，平均站間距1700.282m（含田村至五路居站）。

本工程設計范圍為西延工程6座地下車站，同時本工程為北京市科委“地鐵機電設備故障監測與智能診斷系統研制及示范應用”（Electromechanical device of subway fault monitoring and Intelligent diagnosis system，簡稱FIS）科研課題（編號Z131100004113004）的工程示范應用。

2、系統設計方案

系統主要完成對機電設備故障的智能診斷，并利用軟件智能化手段對設備運行、故障信息進行分析，完成更豐富的信息化應用。結合目前地鐵運營模式和機電設備維護使用需求，FIS系統按照地鐵機電維修管理模式，按照三級監測、兩級管理的結構進行設備，三級監測為設備現場級、機電工區級、維修中心級，兩級管系統的分級管理主要依靠應用軟件平臺和網絡傳輸來完成，系統應用軟件平臺應分層分布式架構，部署靈活，易于擴展，并采用基于Web的技術提供更便捷、開放的功能應用。

2.1、系統構成

按照目前地鐵運營機電維修的管理模式，FIS系統從結構上分為現場級系統、機電工區級系統和維修中心級系統三個分級，實現三級監測、兩級管理的應用分級。三個分級系統通過全線主干網絡進行連接。

2.1.1、設備現場級系統

FIS系統的設備現場級系統位于車站內，主要進行對車站機電設備的運行狀態和故障信息進行采集，將信號進行數字化處理，經故障診斷器進行智能分析，再將分析結果和數據信息上傳至機電工區系統。FIS現場級系統包含設備傳感器、數據采集器、通信接口模塊、故障診斷分析器、現場顯示屏、網絡交換機、電器線纜等。FIS的設備現場級系統在車站兩端的環控電控室內設置主機控制柜，用于安裝故障診斷器、數據存儲器、網絡交換設備和電源設備，在機電設備的就地現場以分布、分散形式設置數據采集器和局域網交換機。FIS系統的現場級系統按照被監測的設備類型劃分為子單元，每個子單元在物理結構上相對獨立，有專用的故障傳感器、數據采集器和故障分析器，通過車站局域網絡與系統連接，靈活性較強，同時系統易于擴充監測類型。目前FIS的實驗性監測設備為大型風機、屏蔽門、自動扶梯，每類設備形成一個監測子單元。

設備現場級主要設備如下：以太網交換機：在有主干網絡的環控電控室，現場級FIS系統應設置一臺三層交換機，主要連接主干網、故障診斷器、局域層等設備。

現場級FIS系統局域層配置多臺二層交換機，主要連接各數據采集器、故障診斷器，形成現場級FIS系統局域層。交換機數量根據各車站電扶梯、主風機分布情況確認。故障診斷器：現場級FIS系統應配置冗余的故障診斷器，完成現場級FIS系統數據采集和處理工作。冗余故障診斷器應能自動進行切換。每個故障診斷器應通過100Mbps以太網接口與中心以太網交換機連接。故障診斷器應完成現場級FIS系統所有的指令、程序的運行，并完成與風機變頻器系統、屏蔽門信號系統的通訊工作。數據采集器：現場級FIS系統中數據采集器完成數據采集功能，將過程原始數據及狀態存入故障診斷器，過程原始數據及狀態取自狀態檢測儀表，數據采集器具有獨立的報警判斷功能。電扶梯數據采集器具備獨立的數據接口，可與電扶梯動力箱進行MODBUS通訊，讀取電扶梯的電功率相關參數。每個電扶梯配置一個數據采集器，每組主風機（位于車站同一端的主風機）配置一個數據采集器。每個數據采集器配置一個墻掛式數據采集箱，并放置在所監控設備附近。接口設備：每個故障診斷器配置一個接口設備，接口設備可與風機變頻器以及屏蔽門的信號單元進行通訊（MODBUS485），接口設備將讀取的數據傳輸至故障診斷器。光纖收發器：區間風井數據采集器處需配置一臺光纖收發器。

2.1.2、機電工區級系統

機電工區是最靠近車站現場設備的維修管理級，本機電工區的管轄范圍是6個車站，機電工區內有設備維修人員駐扎，負責管區車站機電設備巡檢和維修養護。系統在機電工區內設置顯示終端，供維修人員對設備的狀態和故障進行查看。機電工區級顯示終端工作站作為維修中心級系統的客戶端，從維修中心服務器調取數據信息和應用服務，機電工區不設置服務器，由工作站進行數據緩存。工區級FIS系統通過與中心級FIS系統互聯，讀取中心級FIS系統數據。

機電工區級系統主要由監控終端工作站、打印機、網絡設備、鏈接線纜等設備組成。監控終端工作站數量應滿足機電維修運營人員崗位設置，目前試驗階段按照3套終端進行配置。

2.1.3、維修中心級系統

維修中心級系統負責全線設備維修維護信息的管理和應用，利用數據庫中設備的各種記錄信息，對設備故障維修進行決策支持。維修中心系統應是熱備、冗余、開放、可靠、易擴展的計算機系統；中心服務器采用熱備冗余方式，故障時主備切換應確保連續的顯示及控制功能。維修中心級系統應具備C/S和B/S兩種結構、TCP/IP協議；系統通過全線主干網將各現場級的FIS系統信息匯集到監測中心，從而實現各車站的機電設備故障監測與智能診斷功能。維修中心設置一套冗余應用服務器，負責對實時數據的處理和分析，設置一臺數據服務器和磁盤陣列，負責歷史數據的存儲和調用。設置監控工作站供維修中心調度使用。

中心FIS系統應配置冗余的應用服務器，完成中心實時數據采集和處理工作。冗余應用服務器應能自動進行切換。每個應用服務器應通過100Mbps以太網接口與中心以太網交換機連接。中心FIS系統應配置數據庫服務器，完成中心實時數據的存儲和處理工作。數據服務器應通過100Mbps以太網接口與中心以太網交換機連接。數據庫服務器應配置磁盤陣列，磁盤陣列滿足整個FIS系統數據處理和存儲容量的需求。

中心FIS系統提供2臺機電設備故障監測與智能診斷工作站，通過該工作站可以實時監測機電設備的運行狀態圖譜，并具有智能診斷功能。工作站設有一高分辨率21寸液晶顯示屏，同時配置兩臺高分辨率的70寸液晶顯示屏。

由于本系統在西延工程是實驗系統，全線在蘋果園站只設有一個機電工區，維修中心級無真實物理位置，因此維修中心級系統與機電工區級系統合設在同一機房內，在系統邏輯上進行兩個管理級的區分，并用不同監控工作站實現。

2.1.4、系統網絡方案

FIS系統在車站內的設備現場級主要用于連接車站內分布的各種數據采集器，將采集的各種故障信息和設備運行狀態信號進行匯總，傳輸到車站設置的故障診斷器。設備現場級網絡采用環形以太網，網絡交換機分布在監測設備的現場，連接成單環局域網。車站內現場級局域網絡10/100Mbps二層網絡工業級交換機組成單環網絡，符合IEEE802.3標準，采用TCP/IP協議。交換機配置百兆以太網接口和百兆多模光纖接口。全線主干網絡用于維修中心級與工區、車站局域網的互聯，該主干層負責承載FIS系統中心級系統與工區級、現場級系統之間的信息互傳。系統全線主干網由通信系統提供信道帶寬，采用100Mbps以太網端口，帶寬速率為20Mbps。由于本系統不是運營生產性系統，現場級脫離全線系統后仍可獨立運行，網絡恢復后數據可繼續上傳，因此系統對主干網絡的冗余性要求不高，全線6座車站采用單環主干網絡，每座車站與主干網連接采用三層交換機。

2.2、系統電源方案

FIS系統中心級、工區級、現場級系統設備采用一級負荷供電。設備現場級的數據采集設備和傳感器從機電設備供電動力箱就地供電，由動力照明專業提供配電回路。車站主控制柜從環控電控室內就地供電，由動力照明專業在環控柜上提供配電回路。機電工區級和維修中心級系統從所在車站環控電控室供電，由動力照明專業在環控柜上提供配電回路。

3、系統接口

3.1、與自動扶梯的接口

1）接口界面及接口類型

位于電扶梯機坑內接線箱內配線架外線側，采用數據線端口。

2）接口說明

自動扶梯專業：自動扶梯專業按約定好的數據格式，發送扶梯故障代碼、傳感器信息給FIS系統，并回應FIS對自動扶梯的通信檢測。

FIS專業：FIS專業按周期采集自動扶梯的故障代碼和傳感器信息，并對采集信息進行分析處理。

3.2、與屏蔽門系統的接口

1）接口界面及接口類型

位于屏蔽門控制室的屏蔽門控制器接線端子外側。采用通信接口。

2）接口說明

屏蔽門專業：屏蔽門專業按約定好的數據格式，發送屏蔽門故障代碼、狀態信息、開機時間、電機電流曲線、UPS狀態信息等給FIS系統。

FIS專業：FIS專業按周期采集屏蔽門故障代碼、屏蔽門狀態信息、屏蔽門開門時間、電機電流曲線、UPS狀態信息等，并監視屏蔽門與信號接口狀態。FIS對采集數據進行分析處理，做出故障檢測指示。

3.3、與通風專業的接口

接口界面及接口類型：位于風機振動監測傳感器信號分配器線端子上，采用硬線接口。位于環控電控制風機變頻器/軟起動器接線端子上，采用通信接口。

通風專業：通風專業風機振動檢測系統與FIS系統實現信息傳遞，將風機振動振動傳感器的信息傳給FIS專業。并提供FIS器/軟起動器的接口，實現故障信號采集。

FIS專業：在FIS與車站風機振動監測系統、風機變頻器/軟起動器之間建立連接，從風機振動監測傳感器信號分配器上讀取風機振動傳感器的信號。實現FIS對風機振動傳感器信號的采集。從風機變頻器/軟起動器上采集風機的故障數據信息。實現FIS對風機故障信號的采集。從風機變頻器/軟起動器上采集風機的故障數據信息。

3.4、與動力照明專業的接口

（1）扶梯動力箱

動力照明專業在扶梯動力箱內設置扶梯動力負荷的智能型電流表，可以將電流表讀書以通信接口上傳。本系統通過通信線與電流表鏈接，接口位置在扶梯動力箱電流表通信接口處。

（2）電源

動力照明專業在扶梯動力箱和環控柜上為本系統預留了電源端口，可為系統進行供電，接口位置在扶梯動力箱和環控柜電源出線端子上。

3.5、與通信傳輸系統的接口

本系統全線主干網絡由通信傳輸系統提供，接口為以太網RJ45接口，接口位置在每站專用通信機房通信傳輸機柜端子排上，本系統負責將傳輸線纜引至通信機柜并負責接線，通信系統負責提供接線端子位置和接線要求，并負責現場接線指導，配合網絡調試。

參考文獻

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（作者單位：北京市地鐵運營有限公司）