城市軌道交通綜合監控系統技術創新與實踐探索

張鵬雄

(1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070)

1 概述

城市軌道交通綜合監控系統是城市軌道交通的核心控制系統之一。構建以行車指揮為核心的綜合監控系統是綜合監控系統技術發展方向之一。2018年年底北京地鐵6 號線西延工程綜合監控系統順利開通。歷時10 余載，6 號線一期、二期、西延綜合監控系統先后完成建設，順利通過北京市交通委組織的開通驗收。這是以行車指揮為核心的綜合監控系統設計實施的一次成功實踐。本文將對該項創新作技術總結，并提出未來發展的思考。

2 北京地鐵6號線綜合監控系統的設計創新和技術實踐

2.1 設計創新的背景

6 號線設計之初的2008 年，綜合監控系統主流設計是采用以電調環調為核心的系統設計方案，即綜合監控系統深度集成環境與設備監控系統（以下簡稱BAS）和電力監控系統（以下簡稱PSCADA）。同時，綜合監控系統與閉路電視系統、廣播系統、乘客導向系統、自動售檢票系統、列車自動監控系統（以下簡稱ATS）等地鐵各個系統進行數據交換。綜合監控系統與深度集成系統數據完全融合，與進行數據交換的系統（如ATS）的關系，則只是由綜合監控系統向ATS 提供供電接觸網帶電狀態等簡單數據。

當時，以電調環調為核心的綜合監控系統方案已廣泛應用于國內地鐵建設。截至2008 年年底，廣州地鐵、深圳地鐵、北京地鐵等多條線路綜合監控系統采用此方案進行建設并開通運營。城市軌道交通日常運營由供電、機電、車輛、通信信號、乘客向導、自動售檢票等多個系統進行支撐。PSCADA、BAS、火災自動報警系統（以下簡稱FAS）等系統對供電、機電等大量傳統設備管理實現信息化管控。綜合監控系統又將各個信息化系統進行整合，實現所監控數據在同一數據庫內統一管理；操作、報警、登錄等人機交互在同一界面上統一操作。

2.2 設計理念和思路

2008 年年底，北京地鐵6 號線一期工程進入初步設計階段。北京全路通信信號研究設計院集團有限公司與業主單位北京市軌道交通建設管理有限公司，對綜合監控系統設計思路和技術路線進行深入探討后，認為：多系統聯動是綜合監控系統支撐地鐵運營的核心；綜合監控系統應實現的核心功能是“聯動”。為此，依照地鐵運營管理相關規章制度要求，編制了地鐵運營場景簡圖，如圖1、2 所示，將地鐵運營一天內各種主要狀態通過流程圖的方式進行展現，主要包括早間開站、正常運營、異常運營、晚間關站等幾大環節。

通過對運營規章、場景的分析，認為：地鐵運營的本質是運輸，運輸中包含兩大要素“車”與“人”。人是運輸的目的、車是運輸的載體。信號系統是車輛運轉的指揮系統、安全保障系統。信號系統中的ATS 系統是調度人員、車站值班人員掌控車輛運輸狀態的唯一工具。為實現對地鐵運營更加有力的技術支撐，綜合監控系統應與ATS 系統實現數據深度融合。

基于以上分析，北京地鐵6 號線一期工程綜合監控設計團隊與信號設計團隊開展多次技術研討，聯合提出了構建以行車指揮為核心的綜合監控系統設計思路。思路明確后，做出一套全新設計方案。方案保持了原綜合監控系統中三級控制、兩級管理的基本架構，即中心、車站、現場三級控制，中心、車站兩級管理。在基本架構基礎上，對于中心級和車站級核心設備的組成與關聯進行了創新。中心級核心設備包括兩套冗余配置的實時服務器、一套冗余配置的歷史服務器（含磁盤陣列）、一套冗余配置的信號專用通信前置機（FEP）、一套冗余配置的綜合監控專用FEP、工作站若干；車站級核心設備包括一套冗余配置的車站級服務器、一套冗余配置的信號專用FEP、一套冗余配置的綜合監控專用FEP、工作站若干；中心與車站之間采用獨立光纖、工業以太網交換機組成的冗余工業以太環網的組網方案。

2.3 方案實施和設計實現

2010 年，北京地鐵6 號線一期工程進行信號系統與綜合監控系統組團招標，經過激烈競爭，卡斯柯信號有限公司上?？偣九c南京南瑞集團有限公司組成的團隊中標?；仡櫿麄€項目實施過程，上述兩家公司組成的實施團隊在技術創新、信息支撐、設備完善等各個方面不斷探索，為北京地鐵6 號線綜合監控系統與ATS 系統成功整合、設計目標順利完成，付出了艱苦努力。在軟件系統方面，由于傳統綜合監控系統平臺軟件是基于UNIX 系統搭建、傳統ATS 軟件是基于WINDOWS 系統形成，實施團隊進行了卓有成效的核心系統移植、操作界面整合、數據庫融合、內部數據總線重新開發等系統性工作。在服務器方面，原設計方案中為保障開通設置了兩套冗余配置的實時服務器，實施團隊整合形成一套冗余配置的實時服務器。為實現設計，兩家企業艱苦革新，分別對自有的成熟的核心技術進行了修改、移植與測試。經過近半年的努力，以行車指揮為核心的綜合監控系統通過上線測試。

圖1 地鐵運營場景簡圖（一）Fig.1 Diagram of metro operation（1）

2012 年年底，北京地鐵6 號線一期以行車指揮為核心的綜合監控系統通過北京市交通委組織的驗收，開通試運營。截止目前，北京地鐵6 號線綜合監控系統經歷了6 號線二期車站接入、6 號線二期車輛段接入、6 號線控制中心移設、6 號線西延車站接入等多次磨煉，負責了全線34 座地下車站、兩座車輛段、一座停車場、52.9 km 線路、每日百萬客流、68 列上線客車的運營指揮。據相關統計，北京地鐵6 號線綜合監控系統的平均無故障時間略高于傳統綜合監控系統的平均無故障時間。

2.4 簡要總結

北京地鐵6 號線綜合監控系統經歷了10 余年的運行。這套以行車指揮為核心的綜合監控系統實現了“三個統一”，一是供電系統、機電系統、信號系統實時監控數據、實時報警數據由一個數據庫統一管理；二是供電系統、機電系統、信號系統歷史數據由一個數據庫統一管理；三是全系統人機界面為一個統一界面，進行實現了全系統被監控各系統聯動的可配置性。北京地鐵6 號線經行車指揮為核心的綜合監控系統的成功實施，表明以下幾點。

1）綜合監控系統與ATS 系統深度融合，在技術上完全可行，在系統自身安全上完全可控。城市軌道交通供電系統、機電系統、通信信號系統由一個技術平臺統一管控，實現相互之間聯動，其技術方案的可行性、可靠性、安全性均得到了驗證。

圖2 地鐵運營場景簡圖（二）Fig.2 Diagram of metro operation（2）

2）綜合監控系統與ATS 系統深度融合，促進城市軌道交通綜合監控集成商在軟件開發管控方面創新。由于歷史原因，城市軌道交通信號系統集成商的軟件管控模式對標的是歐洲安全軟件管控模式，執行IRIS 管理體系（即國際鐵路工業標準）。通過綜合監控與ATS 軟件融合，要求城市軌道交通綜合監控集成商適應信號集成商軟件需要，在軟件開發模式、軟件驗證模式、軟件上線模式進行軟件開發管控，并進行了SIL2 級的安全完整性等級評估和認證。這對于加強綜合監控軟件開發的規范性、拓展綜合監控軟件海外平臺市場都具有重要意義。

3）綜合監控系統與ATS 系統深度整合，促進城市軌道交通運營管理和建設能力水平提升。自動化系統的運營管理不同于傳統基礎設備（如：變壓器、軸流風機等機電設備）的運營管理。自動化程度越高、信息孤島越少，原有的條塊分割的運營管理職責越不能適應。最新信息化系統將各個獨立的系統進行信息互聯，各系統間界面越來越模糊，這對傳統維修運營管理體制要求的“職責界面清晰，考評模塊簡單”來講，是一次新挑戰。城市軌道交通建設信息化程度越高，原有的維修運營管理體制越難與之匹配。為適應這一變化和挑戰，上海地鐵10 號線針對新建設方案而獨立設置運維體制，在業界做出了有益嘗試。

此外，2012 年以來，探索綜合監控與ATS 整合的同時，可以看到，城市軌道交通監控系統建設（此處指綜合監控系統、ATS 系統、通信集中告警系統等城市軌道交通中用于監控各種基礎設備的系統）領域，也進行了一些探索與創新。如，北京燕房線、新機場線在原6 號線綜合監控與ATS 整合的基礎上，將無人駕駛場景直接應用于整合后的綜合監控系統；上海等城市地鐵在一些重點站，依托綜合監控系統、自動售檢票系統等系統構建智慧地鐵車站；呼和浩特地鐵、廣州地鐵、昆明地鐵在地鐵監控系統建設中將云技術引入監控系統（綜合監控系統、列車自動監控系統、通信集中告警系統），等等。所有這些技術方案對未來城市軌道交通監控系統建設方案的升級完善提供了重要的技術創新和實踐探索。

3 城市軌道交通監控系統引入云平臺技術的思考

云平臺技術目前是城市軌道交通領域經常探討的技術。云平臺技術有助于城市軌道交通監控系統逐漸擺脫對進口服務器平臺的依賴，有助于城市軌道交通監控系統技術的進步，在城市軌道交通中的運用尚需深入研究積極探索。現提出以下認識和思考。

3.1 橫向實現軟件信息互通

云平臺技術引入城市軌道交通監控系統，將為城市軌道交通監控系統提供巨大的計算資源。充分利用這些資源服務于城市軌道交通運營管理，是必須要面對的課題。當前完全分立的軟件開發，已不適應統一云平臺技術硬件資源使用的需要。這種軟件部署方式與城市軌道交通早期的UPS 資源整合比較相似，雖然最初設想是要降低UPS 供電總容量，但最后方案落地時，為保證可靠性，UPS 供電總容量不降反升。當前云平臺設想方案中的主要模式是，各個系統提出資源需求，云平臺通過虛擬CPU、虛擬內存的方式進行資源分配。因此，表面上看，云平臺是一個硬件資源整體，但本質上看，云平臺內部是一個個相對獨立的虛擬硬件組。相對于傳統的集群方案的傳統冗余服務器部署，此方式下的云平臺部署，從硬件規模到經濟效益均無較大的改善。對此，提出兩種解決思路。

思路一：考慮提供一個軟件平臺，各個監控系統以功能模塊的方式運轉在該軟件平臺之上。軟件平臺主要功能是與云平臺的云管理系統深度融合，負責各個功能計算資源的動態分配。該平臺應該既能隨時掌握各模塊資源需求，又能對計算資源進行全面管控。

思路二：各監控系統的軟件相對獨立。各軟件與云平臺的云管理系統進行信息交互。信息交互內容主要包括資源需求信息，資源劃分信息等等內容。云管理系統根據各個系統軟件資源需求信息，進行資源分配、資源回收、資源沖突管理。

3.2 縱向實現系統架構優化

城市軌道交通各監控系統硬件架構，由傳統的集群架構升級至云平臺架構，其必要性值得考慮。可以通過云平臺計算資源的優勢，改變目前監控系統中心、車站、現場的3 層體系。在現有體系中，各監控系統中心、車站均部署服務器，維護工作量分散而巨大。云平臺技術引入城市軌道交通監控系統建設中后，中心服務器可進行整合，車站服務器可以取消；同時，擴大通信傳輸系統的容量，建議設置大容量數據傳輸專網；強化邊緣計算，增強現場級系統的計算能力及設備運轉可靠性。具體架構如圖3 所示。通過這種方式，精簡了監控系統的縱向層級，城市軌道交通中分散在各個車站的服務器維修力量可以集中在控制中心一地，在一定程度上降低了運維難度，縮短設備維修時長。

3.3 簡要總結

通過橫向信息互通，縱向結構優化，云平臺的計算能力優勢得到充分的發揮。云平臺技術助力城市軌道交通綜合監控系統技術發展成為現實。

圖3 綜合監控系統架構對比圖Fig.3 Comparison of two ISCS frameworks

4 總結

城市軌道交通綜合監控系統與ATS 系統深度融合的技術方案完全可行。但是，由于綜合監控系統與城市軌道交通的調度指揮、運營維護密切相關。因此，該技術方案若想發揮全面的作用，必須具備與之配套的運營調度管理體系。

目前，城市軌道交通監控系統發展中云平臺技術的引入是一個重要的方向。提出云平臺計算資源充分利用的方案以供參考。但是，云平臺的可靠性、運維易損件的辨識還需要長期追蹤。云平臺中自身的軟件和硬件都不同于普通服務器的操作系統和硬件，云平臺的供應商不同于原來服務器的供應商。這些都給城市軌道交通的建設和運維帶來新的課題。技術進步將為城市軌道交通運轉優化升級提供支撐與服務。隨著技術進步和應用，城市軌道交通監控系統也將在探索創新中不斷發展進步。