城市轨道交通综合监控系统的技术发展

近些年来，计算机软硬件技术、自动化技术、网络技术的快速发展给地铁综合监控系统的发展提供了强有力的支撑，而不断提升的调度与运营管理需求也直接推动了综合监控系统的功能提升。笔者有幸在城市轨道交通的快速发展历程中参与了诸多城市的综合监控系统建设，对综合监控系统的快速发展深深感慨，并对综合监控系统的后续发展充满期翼。

1 综合监控系统的起源与发展

20年前，计算机及自动化控制技术的发展与应用，大大提升了轨道交通自动化监控管理水平，并直接推动形成了诸多分散自律的机电控制系统，如BAS（环境与设备监控系统）、FAS（火灾报警系统）、SCADA（数据采集与监视控制）系统等。最典型的就是采用调度主站及变电所两级计算机控制的应用符合IEC（国际电工委员会）电力规约控制体系的SCADA系统，以及采用PLC（可编程逻辑控制器）及远程I/O的BAS系统。综合监控系统的后续发展绝大多数也以这两个系统的成熟为基础。这些分立的机电系统大多数各自为政，在一定程度上进行简单而重要的信息沟通，如火灾信息会通过干接点或总线形式告知并触发其余系统启动灾害模式。

由于分立系统信息关联度不够且调度效率不高，15年前国内开始向集成系统方向尝试。2002年的北京城铁13号线采用了统一的IT结构及软件，初步集成了BAS、FAS和SCADA三个系统，虽然规模小且只有一个地下站，但不失为一次成功的探索；深圳地铁1号线一期工程也基于此种模式做了集成，并互联了一些其它系统信息。这些都可算作综合监控系统的初探。而广州地铁3号线主控系统的设计与实施，则基本标志着综合监控系统的形成，并以此为基础向前发展。该系统集成互联了几乎所有的机电系统。应该说，还是计算机系统的进步与网络技术的进一步发展使得系统的深度“集成-互联”成为可能，并有效打破了各分立系统建设所导致的信息孤岛。此阶段，BAS、FAS和SCADA是深度集成的几个关键系统，并有效互联了CCTV（视频监控）系统、PA（广播）系统和PIS（乘客信息系统）等功能。除了有效的监控功能外，联动成为综合监控系统最重要的功能之一。综合监控系统开始向机电系统的一体化调度指挥方向发展，并提供到站广播、视频控制、信息播报等与乘客服务相关的内容。此阶段，行业专家魏晓东先生主编的《城市轨道交通自动化系统与技术》成为了综合监控系统的导论，也影响了业内一代综合监控系统的探索者和实践者。

随着调度管控及运营需求的不断提升，不断促使综合监控系统进行更加有效的前台数据处理（调度功能）和后台数据应用（数据分析及运维支持）。综合监控系统不再纠结于对各子系统是集成还是互联，而是更有效地提升系统应用功能及使用效率。在此过程中，综合监控系统除了联动功能的不断完善之外，还在以下几方面做了大量的尝试：集成多媒体系统以提供更加一致的调度服务、集成车载信息及视频以有效监视车辆状况、应用电力并行程控卡片以提升停送电效率、建设调度-维护数据的分级处理及设备管理系统以支撑运维管理等，均取得了较好的成果。

除了IT技术的进步及运营需求的推动之外，主流系统集成商对于综合监控系统建设需求把握度的提升以及软件平台的国产化也是此期间最重要的推动力。软件平台是实现综合监控系统功能的核心，其国产化不仅打破了国外产品对该系统早期的垄断，更重要的是：国外产品的应用无法满足中国自身的国情和管理特点，同时其产品更新和发展也跟不上国内轨道交通建设的节奏。国产化软件平台的应用则很自然地解决了这些问题。一方面，它使得综合监控系统面向调度指挥更加顺畅和高效，功能更加丰富，尤其是涉及电力调度、各种模式下的环境控制，以及应急指挥、联动等方面；另一方面，它使得系统面向设备管理更加清晰自如，综合监控系统不仅能够灵活进行分系统分车站采用点控、顺控、模式控制等控制策略，同时还能够灵活地分拆应用系统中的调度指挥数据及运营维保数据，有效地支撑设备在线监测及后台的系统运维；同时，对CCTV、PA、PIS等系统的功能集成及联动也使之能够更好地提供乘客服务。在此基础上，综合监控系统由单纯的调度监控系统向着以调度监控为主，并支撑线路运营管理功能及乘客服务功能的综合自动化系统方向快速发展。同时，也有力地解决了各城市运营管理的个性化需求问题。

此种模式维系了大约8年时间，使综合监控系统成为一个成熟、有效的系统，其两级管理、三级控制体系至今仍然沿用，如图1所示。

图1 传统的综合监控体系结构

2 综合监控系统的效率提升

业内一直争论的焦点是，如何使综合监控系统更好地发挥出其最佳的管理效率。毛宇丰先生认为：综合监控系统承载了线路大量的设备数据，虽然其发挥着重要作用，但其数据的有效性仍然未能得到充分利用，管理的有效性也未能得到充分施展。笔者深深赞同此观点，笔者所在的团队根据所参与的十多个城市、数十个轨道交通综合监控系统建设经验和运营需求，根据普渡模型也大致勾勒出轨道交通信息系统模型，如图2所示。

其中，L1—L2为过程自动化控制层，由车站及线路运行控制所设置的生产系统（包括综合监控系统）来把控，L3—L4为线网管理和集团管控的管理系统。L3为生产过程执行系统，下达L1/L2层的作业计划，向上传达生产实绩，并通过技术与管理手段保障和优化L1/L2层的正常运转；L4为企业ERP（企业资源计划）及DSS（决策支持系统）层面，保障企业运营并为企业中长期发展进行宏观调控。

随着各大城市地铁运营线路的增多，单靠人力、物力难以高效支撑线网化运营管理和集团化管控，需要体系化的系统管控实现自上而下的管理支撑，并得到自下而上的实绩反馈，从而不断进行系统改善。在实际的操作过程中，图2所示的L2层与L3层的数据与管理联系则至关重要。近些年行业内在不断推进线网管理系统以及信息化系统建设，但其根本还是要根据生产系统所管控的现场实际运营情况来尽量量化地调节和规范。

图2 轨道交通信息系统模型

基于云计算的IT建设模式为此种应用及管理的融合提供了有想象力的技术手段。2016年温州市域铁路S1线在业内率先进行了探索，采用了基于云计算的综合监控体系。这是一个典型的“大拆小”的虚拟化技术应用。笔者认为，它的价值不在于硬件结构的精简或者基于硬件成本的考量（事实上也并非如此），更重要的是它使基于云桌面的移动监控、智能运维（系统自身的集中维护以及对运维信息化系统的支撑）、集中部署（有力地支撑系统功能改善及延伸线建设）、L2与L3层次数据的有机融合成为最大的可能。“分散自律”的车站机电系统也为云计算技术的应用提供了可靠性保障。当然，随之而来的是系统的安全设计和管控，笔者认为对于此类重要的生产系统适合采用私有云。

同时，近两年快速兴起的无人驾驶技术模式，也将有力地推动综合监控系统的发展，推动整条线路的运营管控效率提升。长期以来，行车监控系统、车辆信息系统、综合监控系统、通信系统、信息化系统等均分而治之，这些系统同属于线路调度及运营管理系统的重要组成部分，虽然有着横向的信息交互和联动，但却难以做到数据和管理的高效融合。无人驾驶模式下，行车指挥、车辆、关联机电设备以及对乘客的管理和响应将融为一体，车辆也将成为移动的车站来统一管控。对此，上海申通地铁集团有限公司提出的无人驾驶系统的三个维度的参考标准非常有价值，即行车自动化、运维智能化、乘客服务自主化。在以此为目标的建设模式下，将极大限度地推动几个系统之间的有机融合并实现更高效的一体化的线路调度指挥和场景联动控制。除此之外，对影响行车和乘客安全的关键系统和设备的在线监测和预警技术应用、基于图像识别的人工智能技术应用或许也将随着运营要求的提升逐步登上综合监控的舞台。这些也是无人驾驶模式下的重要保障和支撑功能。

3 综合监控系统依旧面临的问题

随着行业的快速发展及运营效率的不断提升，综合监控系统依旧面临着不少挑战。最重要的当然就是如何与行车监控系统、车辆信息系统的有机融合，并在调度中心实现对线路运营的一体化管控，提升管控效率和乘客服务质量。其次，综合监控系统接入了绝大多数车站机电设备，从设备管控及数据应用的角度而言，如何全面与运维及信息化系统贯通，在对大数据分析的同时，从根本上理顺设备、物资、资产这几个维度的属性关系，做到数据与管理的深度融合，从而真正实现设备或系统的全生命周期管理，最大限度支撑调度指挥与运维管理。同时，对于乘客服务能力的提升，除了管理体系的保障，也需要更多的从线网管理系统、线路综合监控系统上做文章。比如通过高效的前端视频处理并结合大数据分析的人工智能技术应用，不仅可对客流进行实时监控和疏导，也能够对安防提供有力的支撑。最后，就是如何能够更加有效地支撑线网管控系统，正如笔者前面所述：脱离实际生产系统的管理系统是不切实际的。而综合监控系统、指挥行车的信号系统、AFC（自动售检票）及清分系统是线网管控最重要的生产数据源，也是最直接的管控对象。这几个系统的接入标准也将直接影响线网系统的成败。

4 结语

作为近10多年来的行业新系统，综合监控系统在技术更新和运营管理需求的推动下不断发展和完善。究其根源，“面向调度、面向设备、服务乘客”依旧是其内在的几个根本要素和价值所在，综合监控系统的进步也将围绕这几个要素不断深入。而云计算技术模式、大数据技术的发展、物联网智能感知技术的不断更新、基于视频分析的人工智能技术应用以及无所不在的网络所提供的移动应用，也将为综合监控系统的发展提供更好的技术支撑。近期网络上风靡一时的李金龙先生的一张基于云化、线网化的全机电系统一体化集成管控设计图也是对综合监控系统发展的最佳展望。届时，无论是线路层面的深入，还是线网化的延伸，综合监控系统也必将包含更丰富、更有价值的内涵。