基于综合监控系统的线网指挥中心构建方案研究

杨承东 徐余明

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，430063，武汉∥第一作者，高级工程师)

城市轨道交通线网指挥中心(TCC)是近几年发展起来的新兴系统之一，位于运营管理系统的最高层，具有全线网监控以及多线路运营协调、应急指挥、信息共享、维护指导等功能。但是，由于系统体系、数据接口等的差异，使得TCC系统与底层数据的接驳变得比较困难，系统的构建存在诸多问题。

基于综合监控系统的TCC构建方案是指:通过各线路的综合监控系统将多个机电系统集成、互联，实现了各系统信息汇集、协议统一;通过TCC与综合监控系统的连接，既实现了传递多系统的监控信息的目的，又起到了简化接口的作用;同时还可进一步实现综合监控系统与TCC共同管理底层数据的目的，实现互为备份。

1 综合监控系统数据采集的基本方式

一般来说，系统集成需要解决的首要问题是，如何处理集成系统与被集成子系统间基于不同的数据传输协议的数据通信问题。只有相互间的通信机制已经建立，才有可能实现系统间信息的数据融合、数据共享以及数据综合应用。目前系统集成技术大致分为以下几种:

(1)采用统一通信协议实现系统集成。这种集成方式要求集成系统和被集成各子系统必须全部采用同一种通信协议，以实现不同系统之间的数据交互。

(2)采用协议转换的方式实现系统集成。一般可通过两种方式实现协议转换的功能:一种是利用硬件接口设备实现协议转换功能。如通过前端处理器作为集成平台的网关进行协议转换。另一种是通过实时服务器软件实现协议转换功能。这种方式可减少硬件接口设备，但需额外增加服务器的接口通信功能，接口通信软件大幅占用实时服务器CPU、内存等系统资源，在大型综合监控系统中较少使用。

城市轨道交通的各机电系统，由于其专业特性不同，其软件系统和硬件设备一般来自不同的供货商，系统异构现象普遍存在，因此很难实现理想化通信协议的统一。由此可见，实现集成系统间的协议转换在所难免。

2 综合监控系统的数据采集和控制方式

国内城市轨道交通综合监控系统一般采用以环调、电调为核心的集成方案。综合监控系统集成和互联的各系统内部通信网络基本上都是基于TCP/IP的以太网络，但内部的通信协议只适用于自身系统。如果只单纯地建立集成和互联系统与综合监控系统在物理上的连接，就存在部分系统的突发性非预期网络报文对综合监控系统网络产生直接冲击的可能。例如:在某系统网络异常的情况下(包括人为攻击)，大量的非预期的网络报文会瞬间增加系统网络负载，甚至导致整个系统和网络的瘫痪。因此，需配置一套硬件设备对接入综合监控系统的各子系统进行有效隔离，防止突发性网络报文对综合监控系统的影响，并通过协议转换机制，把对方系统的异构数据翻译成自身系统能够识别的数据，然后进入自身系统进行运算和存储。

在综合监控系统的架构中，前端处理器(FEP)作为特有的硬件设备，用于管理综合监控系统与各子系统的硬件接口，具有转换硬件接口、软件通信协议，有效地把综合监控系统与各子系统的数据进行隔离的作用。综合监控系统也通过FEP获得各子系统的实时数据，同时，也可高效地通过FEP完成发往各子系统的数据和命令。

当采用FEP硬件时，综合监控系统获取各子系统数据流的端点是车站FEP。无论是控制中心还是车站，所有的外部数据的起点均是车站FEP，控制中心和车站下达的命令，其终点也是车站FEP。这种基于硬件的协议转换和控制方式可有效减少数据处理环节，提高数据的实时性和一致性，也是目前国内大部分的综合监控系统集成商所采用的方式。综合监控系统的采集数据和控制方式如图1所示。

当综合监控系统通过FEP完成各子系统的协议转换后，各子系统的数据将全部转变为综合监控系统的内部数据，在综合监控网络中传输。这些内部数据的传输机制是由综合监控系统厂商根据自身软件平台的特点优化后定义的，与各子系统内部通信协议一样，同样不具备通用性，只能适用于单一的综合监控系统的软件体系。目前国内综合监控系统与各接入子系统的通信协议一般采用基于TCP/IP的ModBus或IEC 104通信协议。协议转换的软件包定制安装在综合监控系统的FEP上。

图1 综合监控系统的采集数据和控制方式

3 基于综合监控系统的TCC集成方案

根据综合监控系统数据采集的特点，基于综合监控系统的TCC集成方案大致可分为层级化和扁平化两种组建方式。

3.1 层级化方案

层级化方案是目前国内TCC普遍采用的集成方案，监控数据按系统架构的层级关系进行汇集，数据采集的起点在车站FEP，终点在TCC。数据流汇集过程为“车站 FEP—综合监控系统中央级—TCC”。各条线路的综合监控系统中央级作为TCC数据收集和处理的核心，在收集全线数据后，优化并转发给TCC，同时也接收TCC的控制命令转发到各车站FEP，以完成对现场设备的控制。TCC层级化数据采集控制方式如图2所示。

图2 TCC层级化数据采集控制方式

在较完整的城市轨道交通线网中，接入TCC的数据量约在300万点左右。数据点规模对于大部分监控系统的软件平台的影响较小，系统规模主要受硬件配置的制约。TCC的硬件配置一般可分为两种方式:采用一套服务器集中处理全部线路数据;分别按线路提供冗余的实时服务器，服务器间通过集群技术实现数据的互访。

另外，由于TCC与综合监控系统中异构平台的存在，TCC的实时数据库一般不允许数据的直接写入，须通过“通信前置机”对数据进行转换和处理。通信前置机的工作原理与FEP类似，所不同的是，由于需处理的全线数据的数据量极为庞大，一般只能由高性能的服务器设备替代。在TCC系统中，实时服务器只负责数据应用的处理，不负责数据的采集工作，这样可以提高系统的实时性和数据的可靠性。TCC层级化系统构成如图3所示。

图3 TCC层级化系统构成示意图

3.1.1 层级化方案的优点

(1)由于各线综合监控系统与TCC的数据接口在中央级，因此，各线综合监控系统架构在组建前后受TCC系统建设的影响较小，便于各线综合监控系统的实施和扩展。

(2)TCC只存在与综合监控系统中央级的接口关系，接口界面清晰，接口相对简单。即便TCC与综合监控系统的供货商非同一厂商，系统协调的工作量也较小，方便系统的软件开发和调试。

3.1.2 层级化方案的缺点

(1)TCC系统的稳定性依赖于各线综合监控系统的中央级系统，一旦中央级系统数据采集出现故障将直接引起TCC的该单线系统的瘫痪。

(2)控制流程较多，需经过多级转发和控制，存在控制延时的可能，因此一般采用“只监不控”的原则。

3.2 扁平化方案

扁平化方案是目前新兴的一种TCC集成方案，一些新建轨道交通的城市正准备实施该方案。扁平化方案以各线车站的FEP作为数据通信的中心，采用扁平化的网络结构，监控数据直接由车站FEP送到各线的LCC(线路控制中心)和TCC。汇集过程为“车站 FEP—综合监控中央级系统”或“车站FEP—TCC”。各线车站的FEP作为数据收集和处理的核心，将所收集的车站数据直接转发给综合监控中央级系统和TCC系统，同时也接收来自综合监控中央级系统或TCC的控制命令。TCC扁平化数据采集控制方式如图4所示。

图4 TCC扁平化数据采集控制方式

在扁平化方案中，接口传输内容和接口协议是系统实施成败的关键。TCC与综合监控中央级系统所接收的数据内容保持一致，分别由车站FEP统一上传。TCC可以实现“全功能”替代线路中央级系统。所不同的是FEP上传到线路综合监控中央级系统是基于综合监控内部特殊通信规约，可直接实现，而上传到TCC的通信协议则需要双方进行约定和配合。TCC扁平化数据接口协议如图5所示。

图5 TCC扁平化数据接口协议

当进行TCC后期建设时，必须先对车站FEP的数据交换提出具体要求，综合监控设备商在车站FEP内预留通用接口(必须制定通信规约，需与综合监控系统和TCC集成商间约定)和传输内容，后期再对TCC开放数据结构，由TCC完成数据读取与写入。

线路综合监控中央级系统和TCC都是同时采集数据，属于热备并存的2套系统，TCC瘫痪时应通过类似于降级运营的方式将控制权下发到综合监控中央级系统。对于部分集成商的软件平台，权限表可直接放置在车站FEP中，由FEP自行判断。同步方式一般为本地(车站、LCC、TCC等)的实时数据库定期存储到历史数据库。特殊情况，例如车站的操作记录需要定期上传到LCC的历史数据库，或TCC的历史数据库。TCC扁平化系统构成如图6所示。

3.2.1 扁平化方案的优点

(1)各线综合监控系统与TCC的数据接口在车站的FEP，减少了网络层级，提高了系统的实时性能。TCC具有与线路综合监控中央级系统相同的控制能力，可直接收集车站数据并下发控制命令到车站子系统。

(2)TCC与线路综合监控中央级系统所接收的数据相同，TCC的数据为全局数据，可方便TCC系统今后应用服务的扩展。

3.2.2 扁平化方案的缺点

(1)FEP在满足综合监控系统车站级、中央级系统数据传输的同时，还需承担来自TCC的数据传输压力。车站FEP是极为关键的设备，对FEP硬件和软件的要求很高。

(2)FEP与车站级、中央级系统同属于综合监控系统的建设范畴，其内部通信协议一致，易完成节点间的数据传输。但TCC与综合监控系统属于不同集成商，车站FEP必需向TCC集成商开放内部数据接口，这种接口的协调将非常困难。

(3)TCC在综合监控系统后期建设。当综合监控系统调试成功后，TCC再行建设，这种方式可基本不受子系统数据资料变动的影响，但存在TCC再次与子系统进行调试的过程，调试周期漫长，存在影响正常运营的可能。另外，由于软件平台机制的不同，TCC与子系统的调试过程可能产生有别于综合监控系统的矛盾和更改，这种更改又将影响到已完成调试的综合监控系统。

(4)TCC的建设存在逐站调试的过程，调试数据量巨大，等同于综合监控系统，因此工程造价比层级化方案大很多。

图6 TCC扁平化系统构成示意图

3.3 方案比较

TCC层级化、扁平化方案对比见表1。

表1 TCC层级化、扁平化方案对比

4 结语

综上所述，基于综合监控系统的层级化与扁平化集成监控方案各存优缺点，方案的选择应结合各城市线网规划及TCC系统的运营定位予以确定。当线网建设初期按专业实施网络化运营管理时，宜选用扁平化方案;当线网已形成规模，并采用TCC应急调度、线路协调为主的管理模式时，宜选用层级化方案。

需要说明的是，TCC系统的建设不论选用那种集成方案，其接口的标准化是系统顺利实施的关键，接口规则应全线网统一。此外，标准化工作应贯彻到各个专业，包括统一车站名称、车站编号、设备编号、网络地址规划、数据结构设计等。这些工作将有效支撑TCC乃至整个线网管理的实现。早规划、早决策，将促使TCC项目建设少走弯路，顺利实施，并确保联网运营后有效发挥其重要职能。

［1］GB 50636—2010城市轨道交通综合监控系统工程设计规范［S］.

［2］魏晓东.城市轨道交通自动化系统与技术［M］.北京:电子工业出版社，2004.

［3］元进辉.北京市轨道交通路网指挥中心指挥系统(TCC)的设计和实施［J］.智能建筑电气技术，2010，4(5):27.

［4］毛宇丰.地铁控制中心设计［J］.都市快轨交通，2006，19(5):31.

［5］梁强升.城市轨道交通运营控制中心设置研究［J］.城市轨道交通研究，2008(7):17.

［6］程媛.轨道交通综合监控去云式构成方案研究［J］.城市轨道交通研究，2011(3):44.