一种故障侦测技术在地铁综合监控系统中的应用

王毅

一种故障侦测技术在地铁综合监控系统中的应用

王毅*

1 综合监控系统简介

地铁综合监控系统(ISCS)属于城市轨道交通系统机电设备综合自动化的范畴，提供统一的软硬件平台，对被集成和互联的各个系统进行监控管理，提高城市轨道交通的服务质量和运营管理水平。作为保证地铁正常运营的重要系统，当灾害来临时，能否在第一时间发现故障源头，最大限度地缩短故障时间，保证地铁运营不中断意义重大。

综合监控系统采用分层分布式控制结构，由中心级、车站级和现场设备级3层网络组成。中心级与车站级通过主干网连接。由于中心级监控系统是对全线进行监视和控制，存储了线路全部数据信息，并对全线设备具有指令控制权限，因此将故障侦测系统连接在中心信息管理容错服务器上。控制中心综合监控系统构成如图1所示。

地铁综合监控网络基于C/S通信方式，冗余、相互独立的交换式100M/1000Mb/s工业级光纤以太网，符合IEEE 802.3z及IEEE 802.3u标准，采用TCP/IP协议，各集成和互连的系统将数据都发送到综合监控系统的通信前置处理机(FEP)，由通信前端处理机负责接受和发送控制中心的相关系统信息。

2 故障侦测技术

故障侦测是指系统组件在一个指定的时间段内，部分组件失效导致无法正常工作，进而引起的进程失效信息能被侦测的机制。目前故障侦测技术应用比较广泛的有主动检测、心跳轮询和网络控制。

主动检测技术的原理是在一个定义的时间段内，每过一个周期性时间单位，对被监测对象进行一次主动监测。如果监测对象发出反馈信息，说明进程运行良好，反之则为进程失效。

图1 控制中心综合监控系统图

心跳轮询技术是在采用TCP/IP协议的网络结构中，检测方和被检测方通过单独一方或者多方同时发送心跳数据包的方式，确定对方网络状态是否出现故障。心跳轮询技术是对网络上的各个节点状态进行监测，当节点被删除、插入或者改变时，能迅速对刷新后的网络进行调整。若没有收到的心跳包超过一定界限，系统会认为网络故障。

网络控制系统(Network Control System，NCS)是以通信网络作为控制器、执行器及传感器之间的通信媒介，通过实时网络闭环而成的反馈控制系统。它采用了计算机、自动化、网络通信等多种技术手段，具有集成化、网络化、分布化及节点智能化的特点。

主动检测和心跳轮询技术的代码混合在分布协议代码之中，不是独立的协议模块，无法在系统化的环境下进行大规模的应用，比较适合在网络结构单一或者网络设备数量少的条件下配置。由于综合监控系统网络构成复杂，中心、车站和车辆段的系统网络互相连接，并且中心、车站和车辆段的网络内部还有逐层连接的设备，种类和数量众多，因此适合采用网络控制技术为故障侦测系统的技术基础。网络控制系统的典型结构如图2所示。

控制器通过网络连接系统的各个组成部分，如传感器、控制对象等，控制对象位于系统的终端，控制器、传感器和控制对象三者有机结合，构成了整个网络控制系统。

图2 网络控制系统的典型结构

3 故障侦测系统方案

3.1 方案设计

故障侦测系统连接在综合监控系统控制中心的中心信息管理容错服务器上，对其连接服务器的软件运行情况和设备工作性能进行周期检测，将反馈信息传输到事件分析模块。当系统模块检测出故障时，事件分析模块发出报警信号，提示工作人员排查故障。

故障侦测系统的核心组件是故障观测器。其原理是以网络控制系统为平台，建立一个具有不确定性的离散时间数学模型，将观测器收集到的综合监控系统网络数据的稳定条件近似视为一个线性矩阵不等式。基于离散异步动态的理论，对不等式进行求解。根据不等式条件成立与否来判定结果。当不等式成立时，判断为稳定，说明系统运行正常;当不等式不成立时，说明系统故障。

3.2 系统组件划分

系统组件由观测器、控制器、被控对象、事件分析器和事件数据库构成，构成示意图见图3。

图3 故障侦测系统构成示意图

1.观测器。直接连接在中心信息管理容错服务器上，获取所有通过服务器的数据信息，包括服务器和所在网络节点的所有数据。

2.控制器。观测器将获取的数据发送至控制器，由控制器对数据进行初级处理，若有非常规数据流，则对现有数据进行存档。

3.被控对象。具体指网络服务器的数据。

4.事件分析器。主要功能有2个:一是分析观测器获取的数据，判断数据的正确性，一旦发现非法或者异常的数据信息时，发出报警;二是对数据库保存的数据进行定期统计分析，若发现某段时期内的数据异常，发出报警。

5.事件数据库。作用类似于历史服务器，将事件分析器发来的分析结果进行存档，并保存观测器的所有进程日志，为以后查询提供依据。

3.3 系统数学模型

系统被控对象模型为:

x(t)是状态变量;u(t)是输入变量;y(t)是输出变量;f(t)表示故障向量。正常情况下，f(t)为零向量;若f(t)为非零向量时，说明系统有故障。

当系统发生故障时，系统被控对象模型的方程为:

经过观测器的公式推导变换，可得到一个阈值，阈值的选取对系统的判断有直接作用。选得过小，容易导致系统的误报;选得过大，系统的准确性会降低。

4 结束语

本文提出了一种建立数学模型的思路，将系统网络故障抽象成数值矩阵不等式，通过对线性矩阵不等式的求解及阈值范围来判断故障是否发生，达到综合监控系统故障的目的，为地铁设计在灾备和数据安全方面的发展提出了一种解决办法。

［1］杨国荣．西安地铁2号线综合监控系统集成设计［J］．电子设计工程，2010(11).

［2］关守平，周玮，尤富强．网络控制系统与应用［M］．北京:电子工业出版社，2008，7.

*中铁第一勘察设计院集团有限公司助理工程师，710043西安

2011-09-02

(责任编辑:诸红)

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