基于3層組網的地鐵綜合監控系統設計

李業光，戴靜婷

（1.深圳達實智能股份有限公司，廣東 深圳 518057；2.深圳市際融科技有限公司，廣東 深圳 518057）

0 引 言

隨著21世紀的到來，很多城市的軌道交通都在快速的發展過程中，特別是關于地鐵的建設，很多城市在逐漸發展。地鐵因為容量大、速度快以及安全舒服等特點，慢慢成為解決城市交通擁堵的主要途徑之一。然而因為地鐵建設的數量在逐漸增加、規模也在逐漸擴大，維系地鐵正常運行的監控是需要主要解決的問題。地鐵綜合監控主要是圍繞著安全、行駛以及服務等多方面展開的，完善的地鐵綜合監控可以實現信息以及資源之間的共享，是監控實現自動化的主要途徑之一，從而達到提高運營效率。傳統的地鐵監控系統因為信息與指令之間協調不足，導致對于緊急情況處理的能力不足、應變能力變差，增加了應急響應的時間。并且因為管理設備的各個軟件都是處于相互獨立的狀態，在進行平臺操作時就會相對比較繁瑣，因此就需要設計新的而且有效的地鐵綜合監控系統[1]。

1 地鐵綜合監控系統結構設計

地鐵綜合監控系統的硬件包括中央級和車站級。中央級別的地鐵綜合監控系統內部主要包括了配置冗余的歷史與實時服務器、外部的磁盤以及磁盤庫、中央處理器、調度員的工作站（例如電力調度、環境調度、行車調度以及值班調度等）、網絡管理服務器以及工作站、軟件測試服務器、配置冗余的網絡交換機、打印機、大屏幕以及不間斷電源等。中央級別地鐵綜合監控系統內部配備的網絡交換機主要實現中央級別所有網絡資源的相互連接，其直接與監控系統的主干網絡進行連接。實時服務器主要完成數據信息的實時采集與處理，通過中央向各個工作站發送相關控制指令；而歷史服務器主要完成歷史數據信息的存儲以及管理等功能。各個調度員可以通過調度站來進行監控，而中央處理器主要用來連接各個系統，實現實時數據通信的功能[2]。圖1為地鐵綜合監控系統內部網絡結構。

圖1 地鐵綜合監控系統內部網絡結構

車站級別的地鐵綜合監控系統內部主要包括了配置冗余的歷史與實時服務器、外部的磁盤、車站站長的工作站、配置冗余的網絡交換機、打印機、車站核心通信前置處理器、綜合后備控制盤以及不間斷電源等。停車場或者車輛段的監控系統與車站的監控系統都屬于第二層車站級別的，配置會有些不同之處。車站級別的地鐵綜合監控系統主要配置的網絡交換機是為了實現車站內所有網絡之間的相互連接，并且也是之間連接到通信網絡的主干位置。車站核心處理器主要為了負責系統正在車站內部與各個系統之間數據的相關連接[3]。車站工作站主要負責監控區域范圍內的車輛，并且通過網絡發送到系統內部。

2 地鐵綜合監控系統軟件設計

2.1 增加個性化功能模塊

2.1.1 輸入數據處理

輸入數據處理功能主要分為3個層面，通信數據的開關狀態、遙測數據量以及系統內部數據信息量。地鐵綜合監控系統中采集到的通信數據開關狀態主要反映的是地鐵站內部設備的狀態，綜合監控系統內部會通過各個子系統上傳幾百甚至上千個數量的設備狀態情況，而對于中央級別的監控系統來說需要處理上千甚至上萬個設備狀態，所以就需要對這些數據信息進行匯總之后再根據不同類型進行分層級處理[4]。通過系統內部之間的相互連接，來提取數據信息的共性特征，這樣就可以形成不同的數據基礎層。通過把上一層中的特征和提取到數據內部的基本特征進行操作之后，將結果通過函數輸入到下一層中，這樣就會形成良好的特征表達方式。

綜合監控系統中的遙測數據量記錄著有各個子系統采集并進行上傳的模擬數據信息，主要為了固定時間范圍系統內部持續運行的狀態，利用報表或者趨勢圖等各種工具對模擬的數據信息進行統一整理與分析。因為通過每一個子系統上傳的模擬數據信息跟中央系統或者數據庫中的數據信息格式可能存在差異，所以需要對采集到的數據信息進行相關格式的轉換。而系統內部數據信息庫主要是用來儲存車輛數據的內部信息或者運行功能的一系列參數，它根據數據類型的不同可以分為整型常量和浮點型常量，信息管理系統內部提供的相關服務可以利用編輯腳本來對內部信息進行實時訪問與及時修改[5]。

2.1.2 自動預警

地鐵綜合監控系統中所有的調度工作站都具備信息管理系統內部提供的故障預警功能。該系統內部的故障預警功能主要是通過聲音、文字、圖片或者視頻等多種形式實現的，自動將當前所關注到信息內容以不同形式進行相互通知，并且還可以對故障預警等級、故障預警行為等進行相關設置。

（1）故障預警等級。在系統內部運行的過程中，系統操作人員對不同的報警信息關注以及處理的程度是各不相同的。對不同報警類型進行分級處理，這樣可以提高操作人員的工作效率，并且在相關級別中也會增加對于不同級別處理的意見和說明。按照報警級別，可以分為危急預警、發生事故預警、預告預警、事件預警[6]。

（2）故障預警行為。故障預警的相關行為是指系統內部以什么形式表達出預警的情況，主要包括聲音、文字顏色、事故畫面等。不同的故障預警等級需要與不同的預警行為進行相互關聯，并且識別的過程還需要到不同的行為上面來進行，表1為具體等級行為分類。

表1 地鐵綜合監控系統報警功能信息表

將控制中心和車輛檢修中心提供的設備故障信息進行匯總，提醒中央維修調度人員對故障位置進行重點關注，方便車輛日常管理與維護。

2.2 設計歷史信息與實時信息數據庫

綜合監控系統的內部數據庫主要包括歷史信息數據庫與實時信息數據庫兩種。歷史信息數據庫是通過商用的數據庫來對歷史信息數據進行存儲與管理。而實時信息數據庫則是利用自主研發的分層數據庫來實時地獲取數據信息，它是整個系統的核心區域，主要分布在中央、車站和車輛段等各個服務器上。并且在對地鐵內部進行實時監控時還需要依賴配置信息數據庫、提交信息數據庫、車輛信息數據庫、故障預警數據庫以及歷史信息數據庫這5個數據庫，圖2為這5個數據庫之間的關系。

圖2 數據庫之間相互流向示意

服務對象管理信息數據庫相當于實時信息數據庫內部包含著大量的規則與屬性的區間集合，是數據信息序列有效歸屬地。服務對象管理信息數據庫內部效率相對比較高，相對比傳統的數據庫它有著較高的存儲速度，并且可以持續穩定運行。

2.3 3層組網地鐵監控

要想利用3層組網對地鐵進行綜合監控，就需要增加RAMS的管理。綜合監控系統中的的 RAMS管理主要是指分析綜合監控系統全生命周期內的可靠性、可用性、維修性和安全性。而RAMS中最重要的評價指標就是平均無故障工作時間，具體計算公式為

式中：a表示需要評價的總數；Tn表示第n個指標所需要工作的時間；LM則表示累積發生故障的次數。平均無故障工作時間則是RAMS管理體系中主要維修性參數，一般狀況下也是唯一的維修性參數。通常平均無故障工作時間值越小，則表示該系統的恢復性越好。

而對地鐵進行電子監控的系統主要通過畫面顯示來讓操作人員進行日常操控，并且還可以對歷史監控數據進行查詢。而電子監控系統中主要是趨勢以及運行狀態兩個方面的顯示。趨勢顯示主要利用趨勢曲線來進行描述，分為實時曲線與歷史曲線。實時曲線是按照一定周期從實時信息數據庫取出數據信息，來實現實時曲線的自動刷新。歷史曲線則是從歷史信息數據庫中，根據選取的時間段、時間間隔和遙測點信息處理數據并繪出歷史曲線的具體趨勢，確定歷史數據中的平均值、最大值與最小值。趨勢曲線具有游標、平移、無級縮放、多組趨勢對比等功能，還可以實現根據需要在畫面中自定義顯示曲線的數量、曲線色彩、顯示比例以及導出趨勢曲線及打印趨勢曲線等功能。電子監控系統還可以顯示出實時運行狀態，反映各個地鐵站運行現狀，方便對其進行管理和維護。如果發現系統設備發生故障能夠自動報警并提示維護人員，并對運行設備的設備名稱、設備所在車站、故障發生時間和恢復/更換時間等數據進行記錄。至此，基于3層組網的地鐵綜合監控系統設計完畢。

3 測試與分析

3.1 實驗準備

將此次設計的地鐵綜合監控系統作為測試對象，找出系統軟件設計中存在矛盾沖突的內容，然后針對此類問題進行后續修正，保證系統可以正常使用。在MATLAB 2016a平臺中進行仿真實驗，驗證設計系統的應用性能。具體測試環境如表2所示。

表2 系統進行測試所需環境

3.2 測試結果與分析

采集本市地鐵歷史運行數據作為實驗數據，在MATLAB軟件中模擬地鐵實際運行狀態。將此次設計的綜合監控系統作為實驗組，將傳統的監控系統作為對照組，對比兩種方法在車輛發生故障時，哪種系統在相對穩定的前提下可以更加快速地進行響應。表3為進行10次測試之后，系統進行故障檢測時關于響應時間的測試結果。

表3 系統時響應間測試結果（單位：s）

根據表3，傳統系統在車輛發生故障時，響應的時間在55～65 s；本文方法設計的系統在車輛發生故障時，響應的時間在18～25 s。傳統系統在車輛發生故障時，平均響應的時間為59.223 s；而使用本文系統在車輛發生故障時，平均響應時間為22.079 s。由此可以看出，使用本文方法設計的監控系統，車輛發生故障時響應時間更短。通過實驗結果可以得知，地鐵綜合監控系統在3層組成技術的應用下有非常良好的響應速度。

4 結 論

通過實驗驗證了此次設計的地鐵綜合監控系統，優越于傳統系統，但該設計還存在一些不足之處，今后可以設計一個故障預測系統，一旦有緊急情況發生時，可以對事故進行緊急預警，從而讓整個系統變得更加安全且穩定。