轨道交通车站一体化操作系统的设计与应用

秦 健，沈逸文

(上海地铁第二运营有限公司)

1 引 言

随着计算机和通信技术的发展，越来越多的自动化监控设施被应用到轨道交通车站运营管理之中，成为车站值班人员执行日常管理任务的技术支撑和管理工具。各类自动化监控设施在有效提高车站运营管理水平和管理效率的同时，也造成了车站控制室监控终端繁多、布局拥挤、操作复杂等负面效应，不仅增加车站值班人员的操作难度和工作强度，带来误操作风险，同时也影响车站控制室的整体布局和美观，给车站值班人员带来身心上的压抑。如何优化轨道交通车站机电系统集成方案、平衡技术与管理两方面需求，是现代轨道交通建设管理中面临的、迫切需要解决的难题。

作为国内最早开展地铁建设的实践者之一，上海申通地铁集团始终致力于车站机电系统集成方案优化的研究。2009年和2010年先后建成通车的上海轨道交通7 号线和10 号线，均采用国际先进的综合监控系统(ISCS)的技术方案，通过系统集成技术把电力监控系统(PSCADA)、机电设备监控系统(EMCS)等十余个专业有机地融合在一起，并为车站值班人员提供统一风格的集成操作界面，从而简化了车站控制室的布局，降低了值班员操作管理的复杂度。但是，由于运营管理模式上的差异，综合监控系统在上海地铁的应用效果并不理想。

如何根据上海地铁运营管理的特点，提出适应性的车站机电系统集成优化方案，成为上海地铁建设和运营管理部门共同研究的重点内容。本文通过需求分析和技术方案研究，最终提出了车站一体化操作系统(SIOS)的设计方案。

2 设计原则和目标

(1)遵循集中管理、分散控制、资源共享的总体原则，不断优化车站机电系统集成方案，提高车站运营管理水平和管理效率。

(2)遵循总体规划、分步实施、试点先行的指导思想，通过示范工程建设，不断完善系统结构和功能。

(3)基于车站运营管理模式和业务范围，合理确定系统的集成范围和集成方式，确保前期系统建设与后期维护管理之间的协调。

(4)采用统一的系统监控平台，提供统一的用户操作界面，有效降低车站值班员的操作难度。

(5)通过车站运营管理流程的梳理，提供基于流程管理的用户操作界面，简化值班员操作流程，提升车站运营管理的标准化水平。

(6)关键设备和网络采用热备冗余方式设计，确保系统的可靠性和可用性。

(7)采用物理隔离与软件过滤相结合的技术，确保系统网络安全。

3 系统构成方案

3.1 系统网络结构

轨道交通车站一体化操作系统(SIOS)采用分层架构体系，由车站网络层和现场控制层组成。其中，车站网络层由数据服务器、值班员工作站、网络交换机、打印机和集成接口单元等设备构成;现场控制层由相关集成子系统的现场控制设备构成。集成子系统的现场控制设备一般包括车站级主控制器、就地控制单元和现场网络通信设备等。根据专业的不同，集成子系统的现场网络构成方式和设备名称略有差异。SIOS 系统基本网络结构如图1 所示。

图1 SIOS 系统基本网络结构图

其中，集成接口单元(IIU)是SIOS 网络的核心部件，承担着数据采集、数据处理和网络安全的功能。IIU 采集相关集成子系统的实时状态信息，经工程量转换和有效性检查后，更新系统实时数据库，为数据服务器和值班员工作站提供当前有效的设备运行信息。数据服务器接收IIU 的实时数据，完成设备运行信息的存贮、统计等历史数据库管理功能和系统参数配置管理功能。值班员工作站通过调阅IIU的实时数据或数据服务器的历史数据，为用户提供车站机电设备监控的操作界面。

IIU 采用嵌入式系统结构，模块化设计，支持低速串行通信接口(EIA－ RS232/422/485)、以太网通信接口(IEEE 802.3)和现场总线通信接口(Profibus，ControlNet)，接口数量可以根据需要灵活配置，以满足工程现场的应用需求。

相关集成子系统通过IIU 的通信接口接入SIOS，从而在物理上把集成子系统的现场网络与SIOS 的车站网络隔离开来，确保SIOS 车站网络的安全。IIU 可以为每个通信接口配置通信协议，IIU 只处理指定通信协议的报文，其它无关数据报文将被过滤，从而确保外部网络故障不会对SIOS 网络造成影响。

3.2 系统软件构成

SIOS 系统软件采用模块化设计，由支撑软件、平台软件和应用软件构成。SIOS 系统软件构成及其层次结构由图2给出。

图2 SIOS 系统软件构成及其层次结构

SIOS 支撑软件采用COTS 的第三方软件，包括操作系统、数据库等。支撑软件为SIOS 平台软件和应用软件提供基本的运行环境，是平台软件和应用软件运行的基础。

SIOS 平台软件是SIOS 系统软件的核心，由分布式引擎和基础自动化模块组成。分布式引擎以通用中间件为基础，为上层应用提供一个统一的、开放的、可扩展的分布式应用开发环境。基础自动化模块包括数据采集、数据处理和控制三大基础模块以及数据库管理、网络管理、报警管理、日志管理、统计报表和打印等基本应用模块。基础自动化模块基于分布式引擎设计，为上层应用软件提供基础的、可扩展的应用服务。

SIOS 应用软件是SIOS 系统功能的载体，是直接面向用户的图形操作软件。SIOS 应用软件以平台软件为基础，通过调用平台软件提供的基础应用服务，实现SIOS 系统的设计功能。

SIOS 应用软件主要包括综合监控、专业管理和任务管理等三个应用模块。其中综合监控模块充分融合集成子系统的车站管理需求，为用户提供车站机电设备运行状态的综合监控界面。综合监控界面涵盖车站运营管理所需的全部重要监控信息，车站值班员无须切换画面，通过该综合监控界面就可以全面掌握车站机电设备的运行状态。

专业管理模块以集成子系统的功能需求为依据，为用户提供相关专业管理的操作界面。专业管理界面的监控内容原则上与集成子系统原有界面内容一致。

任务管理模块基于车站运营管理职责，为车站值班员提供基于流程设计的任务管理手段。车站值班员每天的运营管理任务被固化在SIOS 软件中，车站值班员只要按照指定的流程点击相关按钮，即可轻松完成每天的车站运营管理任务。任务管理模块设计的管理流程包括早间启运、晚间停运、日常运营、高峰运营、灾害管理、阻塞管理、故障管理和节能管理等八个方面。

3.3 集成范围和集成方式的选择

SIOS 以车站运营管理单位的管理职责为依据，合理确定系统集成的范围，确保系统集成范围与车站运营管理单位的维护范围相一致。

根据相关集成子系统的专业特点，合理确定系统集成的方式。对于FAS、EMCS、ACS、PSD 等专业，其车站管理操作界面宜全部集成到SIOS 之中;对于AFC 等有特殊要求的专业，其设备运行状态和客流信息宜集成到SIOS 之中，保留其专业管理功能。

4 上海游泳馆站示范工程应用

上海游泳馆站SIOS 示范工程于2013年8月建成投入使用。投运以来，系统运行稳定，功能完备，使用效果良好。

上海游泳馆站SIOS 采用双网热备冗余的网络架构，关键节点设备均采用冗余设计，确保任意单个节点故障不会影响系统正常的使用功能。

根据上海游泳馆站运营单位的管理范围，确定上海游泳馆SIOS 的集成范围包括FAS、EMCS、ACS、AFC、PSD 和智能照明等六个专业，其中，EMCS、ACS、PSD 和智能照明等四个专业的车站操作管理功能全部集成到SIOS 系统，取消原设计方案中四个专业的监控工作站设置。FAS 专业的消防联动相关信息、AFC 专业的设备状态和客流信息集成到SIOS，保留FAS 图形工作站和AFC 车站计算机。

图3 给出上海游泳馆站SIOS 网络拓扑结构。其中车站网络采用两台工业级以太网交换机构建热备冗余的快速以太网络。冗余配置的服务器、值班员工作站和集成接口单元均通过物理独立的两个以太网接口接入车站网络。

图3 上海游泳馆站SIOS 网络拓扑结构图

结合集成子系统的接口条件，SIOS 采用不同的通信接口方式实现与集成子系统的信息交互。其中，EMCS、ACS 和AFC 专业通过以太网通信接口接入SIOS，FAS 和PSD 专业通过低速串行通信接口接入SIOS，而智能照明专业通过现场总线通信接口接入SIOS。

5 结 语

轨道交通车站机电系统集成方案优化是上海地铁近年来探索研究的重要内容。SIOS 设计成果及其在上海游泳馆站的示范应用，简化了车站运营管理流程，优化了车站控制室布局，提升了车站运营管理水平和管理效率，为构建上海特色的轨道交通车站机电设备系统提供了可复制的解决方案。

［1］姜臻祺.轨交车站运营监控与管理标准化研究［J］.地下工程与隧道，2013，(3):20－23.

［2］姜臻祺.适合轨道交通综合监控系统(ISCS)运营组织体系相关问题的探讨［J］.地下工程与隧道，2009，(4):9－10.

［3］魏晓东.地铁综合监控系统建设关键问题分析［J］.现代城市轨道交通，2009，(6):10－12.