智慧交通:轨道交通综合监控系统建设方案

   产品技术方案     2019-04-17     842    0    
核心提示:综合监控系统方案充分考虑到轨道交通监控的高可靠性要求,特别是考虑到采用综合监控方式后,轨道交通各个专业系统的运行和维护都要在同一套系统上进行,对系统的可靠性要求更高。因此,方案采用的冗余机制涉及到中央主备实时服务器之间、中央主备历史服务器之间、车站主备实时服务器之间、车站主备工作站之间、车站主备FEP之间、中央局域网双网之间、车站局域网双网之间;不仅包括硬件设备,而且包括相应的软件,不仅包括运行的功能,而且包括数据流程,都是冗余的。
综合监控系统架构、组成部分和构成原则
综合监控系统(ISCS)由控制中心ISCS系统、各车站级ISCS系统、车辆段ISCS系统、停车场ISCS系统、网络管理系统(NMS)、培训管理系统(TMS)、维护管理系统(MMS)等组成。

一般软件采用分层体系结构,借助成熟稳定的中间件技术,使系统模块化和松耦合,实现故障分离;同时采用分布式C/S结构和标准TCP/IP协议,并且在软硬件方面实现冗余容错管理,保证了系统的安全稳定运行。
1)ISCS构成原则
1)综合监控系统应围绕行车和行车指挥、防灾和安全、乘客服务等开展设计,以进一步提高运营行车管理的水平。
2)综合监控系统面向的对象主要包括控制中心的各中央调度员(行调、电调、环调、值班调度和值班主任助理)、车站控制室的值班人员和车辆段维修中心的系统维护人员等。综合监控系统应满足以上这些岗位的功能要求。

3)综合监控系统的故障告警功能,分别在控制中心、车辆段维修中心以及车站维修工班实现,在控制中心综合监控系统应能采集相关集成系统的重要设备故障的汇总信息,以方便中央调度人员的维护管理工作;另外在车辆段维修中心以及车站维修工班应能采集相关集成系统的重要设备故障信息,并具备对所采集信息进行汇总统计的功能,从而方便车辆段维修以及车站维修工班人员进行日常的系统设备的维护工作。
4)当出现异常情况由正常运行模式转为灾害运行模式时,综合监控系统应能迅速转变为应急模式,为防灾、救援和事故处理指挥提供方便。

5)地铁自动化系统应由上位监控层、中间控制层和末端设备层三层构成;综合监控系统属于上位监控层,是由控制中心、车站综合监控系统的交换机、服务器、工作站和前置处理器(FEP)等设备组成;中间控制层和末端设备层由相关接入系统和现场设备组成。
6)控制中心与车站上位监控层的计算机设备通过工业级骨干传输网络连接。上位监控层与中间控制层设备主要通过符合国际或行业标准的通用开放式的智能通信接口形式进行连接。中间控制层与末端设备层主要通过通用开放式的工业控制网络、现场总线和硬线等接口形式进行连接。

7)综合监控系统应根据各集成系统的实际需求向相关集成系统开放全线骨干网络资源,为集成系统具有逻辑上独立的全线网络传输通道,并保证综合监控系统网络安全。
8)综合监控系统应能实时反映各监控对象的工作状态,综合监控系统应具备对监控对象的进行模式控制、程序控制、时间表控制和点动控制等控制功能。

9)地铁弱电系统的安全联锁控制功能主要在中间控制层实现。控制层设备应具备相对独立的工作能力,即控制层设备脱离中央或车站信息管理层时,仍能独立运行,满足紧急情况下运营的应急需求。
10)综合监控系统应采用模块化设计,易于扩展。综合监控系统不仅应满足三号线运营管理的需求,还应考虑线路扩展的需求,同时还应为其他线路的接入和更高一级管理系统的连接预留一定的条件。 11)综合监控系统应采用高可靠的产品,保证能全天候不间断地运行。

2)系统构成概述
(1)硬件构成
综合监控系统方案充分考虑到轨道交通监控的高可靠性要求,特别是考虑到采用综合监控方式后,轨道交通各个专业系统的运行和维护都要在同一套系统上进行,对系统的可靠性要求更高。因此,方案采用的冗余机制涉及到中央主备实时服务器之间、中央主备历史服务器之间、车站主备实时服务器之间、车站主备工作站之间、车站主备FEP之间、中央局域网双网之间、车站局域网双网之间;不仅包括硬件设备,而且包括相应的软件,不仅包括运行的功能,而且包括数据流程,都是冗余的。

多重冗余机制使得系统在任何单点故障和交叉故障时,都不影响ISCS运行。冗余配置的中央和车站服务器按照集群方式运行(设备不分主备,均衡负载,仅仅任务模块区分值班和备用),冗余配置的交换机和FEP等设备按照主备方式运行(设备区分值班和备用)。综合监控系统的冗余结构如图所示
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综合监控系统冗余结构示意图
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监控系统层次结构关系图
 
详细的硬件构成如下: 第一层:中央级综合监控系统 第一层包括冗余的实时服务器、冗余的历史服务器、外部磁盘阵列、磁带机、各种调度员工作站(如电调、环调、行调、维调和总调等)、NMS工作站、事件打印机、报表打印机、彩色图形打印机、冗余的带路由功能的网络交换机、FEP、大屏幕系统(OPS)、UPS等。 OCC配置的网络交换机,实现OCC所有网络资源的互联。交换机的端口数量和带宽的选择应充分考虑ISCS和网络通信设备的要求,网络交换机直接连接到通信传输网络。 

在正常情况下,OCC的调度员通过调度员工作站,控制和监视各被集成系统。OCC的命令,通过ISCS网络发送到各被集成系统。 实时服务器主要功能是完成实时数据的采集与处理,从OCC向分布在各站点的被集成系统发送模式、程控或点控等控制命令。 历史服务器主要功能是完成历史数据的存储、记录和管理等功能。 第二层:车站级综合监控系统 第二层包括冗余的实时服务器、值班站长工作站、冗余的网络交换机、前端处理器(FEP)、IBP和UPS等。 车辆段停车场综合监控系统(DISCS)与车站综合监控系统(SISCS)一样,都属于第二层,只是配置有所不同。 FEP处理所有与被集成系统的接口,从FEP采集的数据通过车站交换机送到车站服务器。车站服务器、车站值班站长工作站和FEP等与网络交换机相联。

(2)软件构成
方案采用的综合监控系统软件无论从硬件、软件还是功能和运营,根据不同的特性进行了不同层次的划分,如中央级一般控制轨道交通全线,监控范围较广,响应时间为秒级,而就地级一般控制某一设备,监控范围较小,响应时间为毫秒级。各层既相互联系又相对独立,如车站级与就地级通过FEP连接,中央级和车站级通过骨干网连接,相互之间交换数据而不干扰。

另外,本方案在设计时还考虑到中央级之上的更高一级管理,允许互联和交换信息。综合监控系统的层次结构如上图所示: 从平面结构而言,采用通信中间件FoxBus,各个功能模块通过FoxBus组合在一起协调工作,本系统的平面结构如下图所示。FoxBus将软件模块组件化,允许各模块在硬件上任意分配,任何一台工作站都可以根据所登录用户的权限进行相应级别操作员的监视和操作。
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综合监控系统分布式对象结构图
 
方案采用硬件FEP将车站ISCS和就地级系统进行隔离,使得子系统和ISCS系统既相互联系又相互独立。一方面,子系统的异常不会影响ISCS的运行,使子系统的数据干扰范围得到控制。另一方面,ISCS系统的不正常不会影响各个子系统的运行,即使ISCS全部瘫痪,各个子系统能继续正常工作,保证轨道交通基础层的监控功能。针对西安的环境特点和气候条件,本方案中采用了大量抗电磁干扰、防潮防震的工业级产品,如FEP、交换机和服务器等均采用高可靠性产品。 

ISCS的软件结构从体系结构的角度,分为系统软件、支撑软件和应用软件三层;从数据流程的角度,分为:
  • 数据接口层;
  • 数据处理层;
  • 人机接口层。
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数据接口层主要由FEP组成,完成数据的第一次收集和处理,FEP具备协议转换能力,采用嵌入式实时操作系统。ISCS系统通过前置通信机接收接入系统的信息并对无关的访问进行隔离。前置通信机具有转换各种硬件接口、软件协议的能力,接入系统通过前置通信机将数据传入ISCS系统,同时ISCS系统也通过前置通信机向各接入系统传送有关数据。同时FEP还起到隔离综合监控系统和相关系统的功能。

 数据处理层主要由车站服务器和中心服务器组成,车站服务器完成数据的第二次处理和收集,将各FEP的数据进行集中和处理,供车站ISCS的人机界面显示和操作,收集的是车站范围内的数据;中心服务器除了完成本中心的数据处理和收集外,还要完成数据的第三次集中和处理,供控制中心的 ISCS人机界面显示和操作,收集的是全线范围内的数据。 

人机接口层是ISCS提供的用于人机交互的图形接口,ISCS可以通过该接口向操作员显示设备状态信息、运行信息、故障信息、报警信息、统计报表信息等,同时,操作员可借助系统提供的一系列工具,在操作员工作站上对远程的设备进行监视、设置、控制等。 综合监控系统(ISCS)包括中心综合监控系统(CISCS)、车站综合监控系统(SISCS)、停车场和车辆段综合监控系统、网络管理系统(NMS)、设备维护管理系统(MMS)、培训管理系统(TMS)、软件测试平台(STP)等。

中心综合监控系统:对全线重要监控对象的状态、性能数据进行实时的收集处理,通过各种调度员工作站和大屏幕以图形、图像、表格和文本的形式显示出来,供调度人员控制和监视。并且根据一定的逻辑关系自动向分布在各站点的被监控对象或系统发送模式、程控、点控控制命令,或由调度员人工发布控制命令,从而完成对全线环境、设备的集中控制与显示。

车站综合监控系统:通过值班站长工作站、打印机设备实时的反映监控对象变化的状态信息并形成报表,同时记录下相关信息,更新相关数据。车辆段、停车场综合监控系统(DISCS)作为两个特殊站点,视为站级综合监控系统,对停车场、车辆段监控设备进行状态和性能参数地实时监控。

网络管理系统:搭建在中心,为网络系统与设备提供一系列的维护、监测与快速故障处理手段,允许网络管理员通过一个简单界面高效管理网络。
设备维护管理系统:设置在车辆段内,配置维护工作站、打印机等,实现对全线供电系统和机电设备系统复示和维修调度管理。

培训管理系统:可以单向访问运行系统,以便允许TMS使用真实的运行场景给学生示范。关于培训环境,系统提供以模拟相关系统规约到模拟现场环境的接口,教员在培训中能够修改仿真环境,并观察学员的响应,以在必要时提供建议。

软件测试平台:STP可对相关系统的软件功能进行软件测试,满足ISCS的软件安装测试及与各相关系统的接口测试的要求。STP与TMS硬件合并使用,软件分开配置。软件测试平台与综合监控系统监控网络连接,便于软件测试平台维护全线综合监控系统软件。

系统整体结构
整体结构图
一般综合监控系统的总体结构图如下所示:
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为保证中央级监控系统或车站级监控系统在灾害及阻塞等特殊情况下出现瘫痪时,重要监控对象仍能被控制,并为乘客提供必要的逃生条件,在各车站控制室内设置综合性的紧急后备盘(IBP)。车站综合后备盘(IBP)应采用统一的IBP盘远程I/O来实现紧急情况下相关设备的后备控制功能。在出现特殊故障时,实现后备的手动操作与显示功能,保证车站控制室具有紧急后备装置,以免影响安全。 IBP为以下控制功能提供后备控制操作,它们包括:

SIG的紧急停车、扣车和放行;
环控通风排烟系统的紧急控制(模式控制)和消防联动功能;
PSD紧急开门控制;
AFC闸机释放控制;
自动扶梯停止控制;
门禁的门锁解锁;
消防水泵启停等。

同时还设置时钟显示、重要系统的报警音响指示以及指示灯测试等。车辆段和停车场综合监控不设置IBP,后备手动操作与现实功能由FAS系统联动控制盘完成。 维护管理系统 综合监控系统对所监控设备的维护管理功能分别在车辆段维修中心及正线车站自动化工区实现。在车辆段维修中心设置维护管理系统(MMS),该系统应能采集、汇总和处理综合监控系统所监控的主要设备的状态及故障信息,故障信息采用单体设备故障报警的方式,供车辆段各相关系统的维护管理人员的日常设备维护管理的工作。

通过MMS交换机组成MMS局域网,MMS局域网通过网络端口接入综合监控系统全线网络。正线自动化工区设置车站工区维修系统,每个工区采集本工区内各车站主要设备的状态及故障信息,从而方便正线工区维修人员进行维修管理方便的指导工作,并能及时到现场解决问题。 网络管理系统 网络管理系统(NMS)设置在控制中心。NMS可对ISCS的全部网络设备进行配置、监视和控制。这些需要监管的设备主要包括但不限于:ISCS网络上的所有交换机、所有的服务器、工作站、前端处理器(FEP)、磁盘阵列、磁带库、防火墙、UPS、大屏幕系统及接入车站交换机的各集成系统设备等。 网络管理就是通过对上述的各种网络设备、网络设备的节点、服务器资源进行规划、配置、监视、分析、扩充和控制来保证计算机网络服务的有效实现。

 网络管理系统包括以下主要设备:
1套NMS工作站
1套NMS便携式计算机
1台NMS报表打印机
1套NMS系统软件。

NMS设于控制中心的网管室,便携式NMS计算机可在全线各站点监控整个ISCS系统设备。 网络管理系统通过控制中心中央交换机冗余的100Mb的网络端口、连接服务器、工作站、打印机等。
 
6)培训管理系统 在车辆段的综合监控系统培训室内设置培训管理子系统(TMS)。设置TMS的目的是使学员处于模拟仿真的ISCS操作环境,对学员进行各种ISCS的培训操作,包括仿真单点的设置、遥控、组控、模式控制等功能。TMS是独立的系统,配置有独立的培训系统软件,TMS系统可接入综合监控系统网络,实现在线培训。
 
7)软件测试平台 系统设置软件测试平台(STP),STP可对相关系统的软件功能进行软件测试,满足ISCS的软件安装测试及与各相关系统的接口测试的要求。 软件测试平台(STP)的硬件设备与培训管理系统硬件基本相同,培训工作在系统运营后使用较少,为了充分利于资源,节省投资,软件测试平台与培训管理系统硬件合并使用,软件分开配置,在不同使用环境下安装不同的软件;同时,软件测试平台与综合监控系统监控网络连接,便于软件测试平台维护全线综合监控系统软件。软件测试平台包括以下主要设备:

STP工作站
相关系统的仿真模拟器。

8)大屏幕系统(OPS) 在三号线控制中心的调度大厅设置有大屏幕系统(OPS),OPS中包含大屏幕投影机单元、拼接墙和控制器及其附件;OPS用于显示SIG、CCTV和综合监控等系统的重要信息。
 
9)综合监控系统全线传输通道 综合监控系统利用通信系统提供的通信通道组建自身的通信骨干网络。通信专业采用MSTP网络组建地铁公共通信网络,为综合监控系统提供2路带宽的通道。综合监控系统自身需要的站级局域网由综合监控系统负责提供。

 综合监控系统对各集成和互联系统监控的实时性和在突发事故发生时各系统数据量突增的特点,决定了网络的吞吐量必须足够大,为了保证系统性能和将来的扩充,服务器、网络和软件平台的处理能力都必须预留50%的富裕量,网络设备的处理能力和接口也应按远期规模考虑。 综合监控系统全线传输用于运营控制中心、车站、车辆段/停车场等局域网与OCC局域网之间的互联。

各车站、车辆段/停车场和运营控制中心等均作为网络节点,每个节点均采用主备冗余的千兆以太网三层交换机,所有车站、车辆段/停车场、运营控制中心的ISCS主要设备都连接到交换机上进行数据通信,再通过通信传输通道将CISCS、SISCS和DISCS等联接成为一个完整的监控系统。通过综合监控系统网络以太网交换机所具备的虚拟局域网功能,可为综合监控系统本身以及相关接入系统(与综合监控系统的接口为以太网接口的系统)划分逻辑上各自独立的虚拟子网。可实现各集成子系统之间逻辑上相对独立,并可为各集成子系统划分逻辑上各自独立的虚拟维修子网,实现维修信息与监控信息的相对独立。
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图  综合监控系统组网方案
 

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本文标题: 智慧交通:轨道交通综合监控系统建设方案

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