广播系统与综合监控系统接口分析

刘晓旷，范二鹏

0 引言

地铁综合监控系统主要通过集成地铁多个弱电系统，形成统一的监控层计算机硬件和软件平台，从而实现对地铁主要弱电设备的集中监控和管理功能，无论是电力监控、设备监控、信号监控、行车调度监控、广播电视监控，都是建立在统一的用户界面上，通过软件系统支持，实现相关各系统之间的信息共享和协调互动。广播系统作为综合监控相关机电子系统之一，通过互联实现信息交换和联动等功能。

1 系统集成方案

地铁综合监控系统的主要特点是对地铁各专业子系统的“综合”，即将各子系统接入综合监控系统。对子系统的接入主要分为集成和互联2大类型。综合监控系统通过对车站各相关机电系统的集成和互联，实现信息互通和协调互动。集成和互联在具体的数据接口协议上并不存在区别。两者的区别仅在于综合监控系统与子系统的功能划分上。

对子系统集成是指综合监控系统取代了各接入子系统的监控层系统，各子系统的数据处理、监控功能、人机界面通过综合监控系统完成，被集成的子系统完全融入综合监控系统中，被集成的子系统成为综合监控系统的一部分。正常情况下集成子系统依赖综合监控系统实现正常操作功能。

对子系统的互联是指综合监控系统与各子系统之间存在数据交换，但其数据处理相对独立，被互联子系统具有独立的传输网络。综合监控系统与它们在不同的监控级别（中央或在车站）存在接口，与它们交换必要的信息，实现联动等功能，互联系统相对独立，能脱离综合监控系统独立运行。本文论述的广播系统与综合监控系统就是采用互联的方式。

广播系统与综合监控系统的集成互联是地铁运营管理、服务乘客的现代化配套设备。一般与乘客信息系统、闭路电视监视系统（含车站视频及车辆视频）统一互联综合监控系统的前端处理器。在紧急情况下协助救灾和引导乘客疏散，确保安全、正点地运送旅客，同时提高轨道交通的运营服务水平。PIS、PA、CCTV作为独立系统宜与综合监控在不同层级进行互联，实现信息共享和系统间的协同联动。

2 广播系统集成方案比选

从目前国内外城市轨道交通综合监控系统设置情况看，虽然系统集成与互联的构成有较大的差异，但就集成平台的选择来说主要以机电设备监控（含 SCADA、BAS、FAS）为核心的集成方案为主。例如北京、上海、杭州、广州、西安、成都等地已建和在建地铁工程项目中综合监控系统都采用了这种平台构成方式。

在采用以机电设备监控为核心的集成平台及上述集成和互联范围下，各集成系统的接入方式、工程实施界面划分也存在不同的选择。本文就集成系统的接入方式进行比选。方案1为透明集成接入方式，方案2为隔离集成接入方式。

2.1 透明集成接入方式（方案1）

该接入方式可使网络设备能够在不需要修改或设置网络拓扑的情况下接入网络，其指导思想就是协议透明，将原来分层设置的多个监控系统作为一个大规模的综合自动化系统进行统一设计，并在实施过程中进行统一搭建与调试。采用透明系统集成模式的弱电综合自动化系统的内容也相应扩大，其中包括综合监控系统（ISCS）、电力监控系统（SCADA）、环境与设备监控系统（BAS）和火灾自动报警系统（FAS）等多个部分。使多个控制层设备（例如SCADA控制器、BAS控制器和FAS站级设备等）直接接入到综合监控系统的站级局域网络上。而广播系统（PA）只需要将音频信号经过数字编码以数据包形式按TCP/IP协议在局域网上传送，通过综合监控前端处理器（FEB）接口管理，完成规约转换、数据初始处理、周期访问和协议转换，并将不同格式的实时数据转换为综合监控系统统一的内部数据对象格式，提交到系统车辆段、车站级和中央实时服务器。透明集成接入方式下各系统划分示意如图1所示。

图1 透明集成接入方式示意图

2.2 隔离集成接入方式（方案2）

采用该接入方式的综合监控系统的服务对象是车站值班人员和中央调度人员。综合监控系统在中央、车站、停车场和车辆段将所集成系统和互联系统的重要监控信息统一汇集处理，然后再显示到中央和车站的图形化人机界面上。其实质是将早期分立监控模式下各子系统的上下位机结构拆分成2个独立部分进行设计、实施和调试。其特点是在各站点将原来分立的各集成子系统分为2部分，上位机监控部分功能由综合监控系统完成，下位控制器部分功能由各集成子系统完成，建立在该结构上的综合监控系统通常会设置专门的网关接口设备（例如前端处理器FEP）实现与各接入系统的数据通信和信息隔离，将电力监控系统（SCADA）、环境与设备监控系统（BAS）、火灾自动报警系统（FAS）和广播系统（PA）等多个系统全部与前端处理器（FEP）互联。在这样的系统划分方式下，综合监控系统独享上层已搭建的网络资源。隔离集成接入方式下各系统划分示意如图2所示。

图2 隔离集成接入方式示意图

2.3 方案比较

方案1，各被集成系统直接接入车站局域网，各相关系统为实现自身站间的通信功能不需要另外寻求全线其他通道，因此可节约投资成本。该方案在简化网络层次的同时还满足相关子系统设备异地通信和远程访问等功能需求，使车站监控层次简化，接口复杂程度降低，系统响应快。

方案2，各被集成系统首先集成到各系统自身的控制器，再连接到综合监控系统的前端处理器（FEP），采用FEP将综合监控系统与各系统隔离开。该方案工程实施物理界面较清晰，有利于施工管理。但不足之处在于中间数据处理环节较多，响应时间及实时性受到影响。

基于以上分析和比较，目前国内地铁广播系统适合采用透明集成接入方式，且符合现阶段地铁实际情况，系统功能满足运营需求，同时也与国内技术发展水平相适应，由于简化了中间环节，能有效缩短调试周期，减少了前置处理器（FEP）转换和再处理环节，系统整体实时响应性得到提高，工程难度适中，性价比较高。

3 综合监控系统集成与互联带宽估算

以某城市轨道交通综合监控系统为例，主干网上传输的数据包括各接入系统用于监控和维修管理的实时数据，这些数据按类型可分为开关量（I/O数据）、模拟量和SOE量。综合监控系统传输数据以上行为主，下行的命令数据很少，可以忽略不计。系统采用基于TCP/IP的以太网，TCP/IP是一组协议的总称，IP协议包括TCP、UDP、FTP、SMTP等，其中 TCP适合文件传输，但不适合实时数据传输，工业控制系统大多采用UDP协议。

以太网每个数据帧前导码8个字节，目的地址和源地址各6字节，数据长度2个字节，帧校验序列4个字节，数据46～1500个字节。必须的帧头尾开销共26字节。IP协议需要20个字节的固定开销，采用UDP协议需要12个字节的固定开销。工业以太网宜采用短帧数据进行传输，每个信息包宜不大于1024 bit。因此对I/O数据包、模拟量数据包和SOE数据包的封装长度按如下进行设计：

（1）每个I/O数据包承载23个点，每个点按2字节计算，加上各层封装开销，则每个包长度为

（2）每个模拟量数据包承载5个点，每个点按10字节计算，加上各层封装开销，则每个包长度为

（3）每个SOE量数据包承载4个点，每个点按15字节计算，加上各层封装开销，则每个包长度为

骨干传输网数据传递量主要由集成系统监控点数决定，集成系统单站接入监控点数估算：变电所综合自动化系统单站接入点数3000；环境与设备监控系统单站接入点数2500；火灾自动报警系统单站接入点数2000；屏蔽门系统单站接入点数800；广播和其余系统单站接入点数600。

以上合计单站接入规模为8900点。全线站点数27个，其中车站24个，车辆段1个，停车场1个，控制中心1个。监控点数按预留20%考虑，则综合监控系统总监控总点数为：27×8900×1.2 =28.836万点。系统规模按30万计算。其中按数字量约占总监控点数的 85%，SOE量约占总数的12%，模拟量约占总数的 3%计算。根据集中分布式监控数据的传输网链路容量估算公式：监控数据的传输网链路容量 C=综合监控系统总监控点数×信息包长度/信息单向传递延时。

则数字量传输链路容量：

则模拟量传输链路容量：

则SOE量传输链路容量：

此外，综合监控系统传输数据还包括各相关系统以事件触发的方式主动上传至维修中心的维修信息，按单个子系统的维修信息量不超过 5 Mb/s计，同时考虑到大部分设备同时发生故障的可能性很小，因此估算各集成系统维修信息所需传输网链路容量c约为10 Mb/s。

综合监控系统传输链路总容量 C＝C1+ C2+C3+c＝46.76 Mb/s。

4 广播系统与综合监控系统接口权责范围

综合监控负责的工作有：提供综合监控接线箱里的端子排供广播系统的串口电缆线的接线；接受广播系统上传的信息并显示；提供综合监控对广播系统的控制功能；在控制中心，车站发送火灾自动报警系统的报警信息；预留转发信号跳站，回库信息；负责接口调试。

广播系统负责的工作有：提供广播系统电缆接入到综合监控接线箱里的端子排外端；提供当前各广播区的信源类型，后备控制启动/不启动状态等数据；接受综合监控的控制命令，实现广播播放；在控制中心，车站接受火灾自动报警系统的报警信息；预留接收综合监控转发信号跳站、回库信息；配合综合监控系统组织的接口测试与调试（含测试设备等）。

5 综合监控系统与广播系统

5.1 接口模式

在车站，综合监控前端处理器和广播系统通过串口进行通讯。综合监控系统提供端子排基于广播系统 1根带编号电缆连接到综合监控设备室内的端子排上，采用 RS422自适应串行接口标准，接口类型是四线电口。

在控制中心，综合监控和广播系统同样通过串口进行通讯。综合监控系统提供端子排基于广播系统 1根带编号电缆连接到综合监控设备室内的端子排上，接口类型与车站相同为 RS422串行接口标准，速率为9.6 kb/s。

综合监控系统与广播系统是主从关系，只有当综合监控系统访问广播系统时，广播系统才将显示内容传送到综合监控系统。综合监控系统向广播提供的所有控制指令均应加入操作等级识别码，以便广播系统判别发生控制命令的优先等级。广播系统在脱离综合监控系统情况下具有独立运行能力。

图3为接口结构图。

图3 PA与ISCS接口结构图

5.2 软件协议

综合监控与广播采用的是标准、通用、开放的软件解码的串口ModBus for RTU协议。对于输入信号采用轮询方式，每500 ms更新输入数据一次并监测与广播系统的通讯通道状态，由综合监控前端处理器直接从广播系统获取数据。广播系统响应综合监控系统的ModBus协议轮询请求，如果广播系统监测到任何设备状态变化/报警，应在500 ms内将该信息处理完毕。上文已经提到综合监控与广播的主从关系，综合监控的前置处理器（FEP）被配置为ModBus的主设备，广播系统为ModBus的从设备，这就是一个ModBus连接，每个广播服务器都是从设备，回答接收到的所有请求，即串口连通请求和ModBus查询，只有主设备FEP可以关闭连接，当连接无意中被关闭时，ModBus协议会通知设备，主设备会在触发串口连接开通程序。

ModBus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过该协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它作为一种通用工业标准，使得不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。ModBus可以支持多种电气接口，如RS-232、RS-485等，还可以在各种介质上传送，如双绞线、光纤、无线等。目前，支持ModBus的厂家超过400家，支持ModBus的产品超过600种。标准的ModBus协议提供对每次查询和响应的通信错误和信息错误检测，以满足通信链路的监控要求。

5.3 接口测试

综合监控系统与广播系统互联，主要是接受设备运行状态及告警信息，进行统一的调度管理工作，必要时进行系统功能联动。广播系统本身独立设置，各车站级作为一个独立的区域广播，为便于综合监控系统集中管理，资源共享的原则。广播系统还要进行必要的接口测试，检验接口软件功能，同时检验接口部分是否遵守协议文件，协议的测试应通过实际设备进行，测试包含所有命令和数据的格式、收发的机制和突发情况处理等。检验接口特性是否满足要求，使用测试设备，通过广播系统供应商模拟器检验从综合监控服务器到相关子系统的控制器/终端的各项功能；从综合监控系统人机界面到接口系统本地设备之间的功能以及综合监控系统和被接入系统接口部分的功能和性能是否满足设计要求。

6 结语

现阶段的地铁广播系统由车站广播系统、车辆段/停车场运用库广播系统和列车广播系统 3个独立的系统组成；其中中央级广播操作控制功能由中央综合监控系统通过串行接口与该系统进行数据通信，实现对广播系统设备的监控功能。中央综合监控系统控制台通过广播系统能为行车调度员、环控调度员、值班主任提供编组广播、单选广播、话筒/线路（预留）/语音合成广播、人工编程、监听及显示、遇故障时的后备等功能。广播系统与综合监控系统通过开放性网络互联，实现相关信息互通、资源共享和快捷的自动化联动控制功能，提高对地铁突发事件快速反应能力，为防灾、救援和事故处理提供方便，从而进一步提高了地铁运营管理水平，保证了乘客乘车安全。

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