城市轨道交通线路无人值守全自动运行模式下的综合监控系统功能设计

杨 毅

(武汉地铁集团有限公司， 430070， 武汉∥高级工程师)

城市轨道交通系统全自动运行模式包括DTO(有人值守的全自动运行)和UTO(无人值守的全自动运行)。本文以在建的武汉轨道交通5号线(以下简为“5号线”)为例，对全自动运行系统线路中ISCS(综合监控系统)的组成、场景联动功能设计、车载ISCS的结构及接口功能进行研究。

1 ISCS的组成

在传统的DTO模式下，ISCS主要由中央级子系统、车站级子系统、NMS(网络管理系统)、TMS(培训系统)、DMS(设备维护系统)等构成。为适应UTO模式，更好地服务于OCC(运营控制中心)调度人员，辅助调度人员进行调度决策，ISCS在每列列车内都部署了车载ISCS。

ISCS的中央级子系统部署于OCC，主要为OCC调度人员(包括行车调度员、电力调度员、环控调度员、维修调度员等)服务。中央级子系统通过与相关系统的集成、互联，实现OCC调度人员对全自动运行线路的行车调度、防灾救灾、乘客信息及维修调度等业务的集中监视或控制。

ISCS的车站级子系统主要为车站运营人员服务。其通过与相关系统的集成、互联，实现OCC调度人员及车站值班指挥人员对本站的集中控制。

车载ISCS设置于线路所有列车内，主要用于完成车辆信息的采集及车载系统间的联动。

1.1 硬件构成

ISCS系统的硬件由中央级ISCS、车站级ISCS及车载ISCS构成，主要包括工作站、服务器、交换机及前置处理器等设备。

1.2 软件构成

ISCS软件分为以下三层：

1) 数据接口层：在车站及列车等处设置FEP(前端处理器)，专门用于集成和互联各专业系统的数据采集和协议转换。

2) 数据处理层：用于实时和历史数据管理，主要由OCC、车站、停车场或车辆段(以下简为“场段”)等节点的服务器构成，通过实时数据库和关系数据库提供ISCS的应用功能[1]。

3) 人机接口层：用于处理人机接口，主要由操作员工作站构成，通过从OCC及车站等机构的服务器获取数据，在工作站上显示HMI(人机界面)，完成各种运营场景联动执行、数据存储、网络维护及维修调度等监控操作。

1.3 网络构成

ISCS网络由主干层、局域层、现场层及车地无线通信网络等组成。主干层用于OCC与各车站、场段等各节点局域层网络的互联。现场层即各子系统就地级层面上的网络，包括车载ISCS、BAS(环境与设备监控系统)等子系统，一般采用工业以太网或现场总线[2]。车地无线通信网络提供车辆与OCC的ISCS数据传输通道。5号线车地无线通信网络由PIS(乘客信息系统)搭建。

2 UTO与DTO模式下ISCS的区别

传统的DTO模式下，在OCC设置行车调度、电力调度、环控调度、维修调度等岗位。其中，行车调度主要负责行车调度指挥，电力调度及环控调度分别负责电力设备及环控设备的管理，维修调度负责组织管理维修任务。

与DTO模式相比，UTO模式下的OCC在工作内容、运作模式、应急处置方式等方面均有所不同。综合国内外采用UTO模式线路的运营现状来看，UTO模式下的全自动运行完全没有司机参与，列车在OCC的统一控制下实现列车的休眠、唤醒、自动运行及故障恢复等功能。以ATS(列车自动监控)子系统为例，在既有的运营体系中，ATS子系统和ISCS的大部分信息都是独立的，当转换为1个需要多系统共同参与的运营场景时，各专业系统间的联动和反馈明显存在不全面和不一致的问题，各专业系统的管控能力和软件界面也有着很大差异。如果各专业系统的关键信息无集成汇总，则调度员要反复在多个专业系统间切换，并通过多个工作站界面才能执行一次操作。这种工作模式和工作效率是有违全自动运行设计初衷的。解决这类问题的关键在于ISCS及ATS子系统等主要系统间的信息集成、联动功能增强及调度员岗位职责集成等。

2.1 岗位调整

采用UTO模式线路的运营调度员岗位，在传统DTO模式的调度组织基础上，增设了车辆调度岗位和乘客信息调度岗位。其中：车辆调度员承担了司机原有的部分职能，负责处置常见故障、紧急牵引动车、监视列车状态及监视站台门等，实现OCC对列车的远程控制；乘客信息调度员负责处理客运服务事务，如乘客紧急对讲、车厢广播、清客处置及信息发布等[3]。

2.2 集成模式

目前，在我国已开通或在建线路中，ISCS与ATS子系统有以下几种集成模式：ISCS与ATS子系统互联、增加交互信息(如5号线)；ISCS与ATS子系统均独立，而界面集成(如上海轨道交通10号线)；ISCS与ATS子系统深度集成，建设统一平台(如北京地铁燕房线)。

以5号线为例，ISCS与ATS子系统相互独立，二者的服务器、数据库及软件平台分开设置，并在传统的互传信息基础上增加了接口，以支撑调度人员的判断和决策。此外，为弥补两系统集成度不够、HMI不统一的问题，ISCS除设置OCC总调度员、行车调度员、电力调度员、环控调度员、维修调度员工作站软件之外，还可设置车辆调度员和乘客信息调度员辅助工作站及辅助软件，以方便调度员及时高效地操作。

2.3 UTO模式下的ISCS新增功能

ISCS增加了对车辆的远程监控功能，增加了OCC操作员对车厢乘客的广播、视频监视、对讲及对车辆设备的管理等功能，还增强了对CCTV(闭路电视监控)系统、PIS、PA(广播)系统的监控功能，增强HMI显示功能。为提高自动化控制水平，根据行车需要，还需增加更多的自动联动功能，为UTO模式下的运营调度提供更高水平的自动化控制服务。

3 车载ISCS的功能接口

在UTO模式下，OCC承担更多的监视和紧急情况处理工作，需及时有效了解列车的运行情况，包括列车本身的设备系统工作状况，车载PIS、PA系统及CCTV系统等列车面向乘客服务的子系统的工作状况，以及紧急情况下乘客需要的服务和响应等。

对此，ISCS在列车上增设了车载ISCS，并在传统功能上增加了大量对车载ISCS设备的远程监控及联动功能。这也是与DTO相比，ISCS专业功能变动最大的内容之一。车载ISCS的意义，在于对列车及车载设备进行更为全面的状态信息搜集汇总[4]，发挥ISCS在软件方面的集成及互联功能优势，通过场景化的设计来降低调度工作的复杂度，帮助调度员做出快速、准确的判断，满足调度运营需求，更好地服务乘客。

3.1 车载ISCS的结构

车载ISCS主要由在列车车头及车尾设置的车载FEP构成。车载ISCS通过MVB(多功能车辆总线)网络与TCMS(列车控制与管理系统)进行信息交互，监视列车状态，集成车载设备的状态信息。

PIS在每列车的车头和车尾各设置1台三层工业以太网交换机，搭建车载交换机网络。车载ISCS利用PIS车载交换机通过车地无线通信通道将信息上传至OCC及场段车辆调度工作站，以实时反馈列车及车载设备状态，并实现列车与OCC的数据交互。车载ISCS的整体结构如图1所示。

图1 车载ISCS的结构示意图Fig.1 Structure of on-board ISCS system

3.2 接口功能分析研究

一般情况下，车辆上与信息集成相关的网络主要为MVB网络，其将车辆上大部分机电设备串联连接，从而实现对列车各机电设备的监控。

车载ISCS通过 MVB网络与车辆 TCMS进行信息交互，集成车载设备信息并实时反馈车载设备状态。

车载ISCS同地面PIS设置在车头及车尾的环网交换机连接，形成车载ISCS与地面ISCS数据传输通道。通过车载ISCS至PIS交换机的物理链路，以及车载PIS、PA系统及CCTV系统至PIS交换机的物理链路，可实现车载ISCS同车载PIS、PA系统及CCTV系统的接口互联。

接口功能详见表1。

4 主要运营场景中的ISCS功能设计

5号线采用UTO模式，设计了42个全自动运行主要运营场景类型，如早间送电、紧急制动缓解、区间疏散、跳停、扣车、车站(区间、列车)火灾等。现对部分ISCS参与度较高的运营场景的功能设计方案进行分析介绍。

4.1 早间送电

ISCS接收ATS系统的上电提醒，联动场段CCTV系统将场段摄像机(以序列的方式)图像显示到OCC及场段的行车调度和车辆调度工作站上，由调度员查看确认是否具备送电条件；同时自动触发场段预录制广播，以提醒场段内工作人员。

表1 车载ISCS与其他车载系统的接口功能

车站ISCS的BAS子系统根据BAS时间表执行早间模式，打开空调通风，开启照明，联动相关设备(如联动车站出入口开启卷帘门、开启安检机等)以配合早间车站投运。

4.2 唤醒自检

唤醒自检是指车载CCTV系统、车载PIS及车载ISCS等含处理器的车辆设备在送电后自动进入工作状态的过程[5]。

列车送电唤醒成功后，车载ISCS向TCMS发送空调或电热配置参数，并将实时参数发送至OCC的ISCS环调工作站显示。配置参数可以时间表形式提前存储或由中心调度员临时编辑下发。

自检完成后，TCMS通过MVB网络将车辆各专业子系统唤醒自检结果发送给ATS系统和OCC的ISCS。唤醒失败的信息在ISCS维修调度报警页面进行报警，由维修人员根据报警信息进行维修作业。每日早间运营前的轧道车在从唤醒到出库，以及运行过程中发生的故障，均汇总至维修调度工作站，并由调度人员安排处理。

4.3 再关车门及站台门控制

在UTO和DTO模式下，当车门发生夹人或夹物等故障时，若车门开闭3次后仍未关闭，则车载ISCS在接收到车门告警信息后，根据车门与CCTV摄像头的对应关系将故障区域的图像推送到车辆调度及乘客信息调度工作站，由调度员查看开关门状态，并确认是否可以关门。若可关门，则由车辆调度员下发关车门及站台门的命令。

当站台门发生夹人或者夹物等故障时，OCC的ISCS在接收到站台门系统发送的故障告警信息后，将故障区域的车站CCTV系统图像推送到车辆调度工作站和乘客信息调度工作站，由调度员人工查看现场情况，并确认是否可以关门。若可关门，则由车辆调度员下发关车门及站台门的命令。

4.4 紧急情况下调用CCTV系统及PA系统

在发生紧急制动缓解、区间疏散及远程紧急制动等紧急情况时[6]，ISCS根据发生紧急状况的位置与CCTV摄像头的对应关系，将相关区域的图像推送到车辆调度及乘客信息调度工作站。调度员也可通过ISCS人工调用列车内其他位置的摄像头来查看车内情况，还可人工播放车载预录制广播提示或安抚乘客。在此过程中，OCC维修调度员接收列车紧急制动状态及设备故障等信息，并进行报警提示，下发维修工单。

4.5 列车火灾

4.5.1 自动触发列车火警

在列车运行过程中，当车载FAS检测到发生火灾时，先由TCMS向VOBC(车载控制器)提供火灾报警信息，再由VOBC将火灾报警信息上报OCC行车调度和环控调度工作站， 并由VOBC向OCC请求火灾确认信息。

车载ISCS接收TCMS的火灾报警信息后，根据位置对应关系将火灾报警区域的图像推送到车辆调度及乘客信息调度工作站。同时，ISCS将信息显示在OCC的ISCS软件场景触发内容模块中，等待调度员查看。调度员点击后也可显示对应的车载CCTV系统图像。

4.5.2 人工触发列车火警

当列车火灾未自动触发信号时，调度员可以选择手动执行列车火灾模式。OCC调度员在ISCS软件场景列表中选择场景名称、列车，下发控制命令，联动控制对应的场景模式下的设备。

火灾报警信息也可由乘客通过客室的对讲电话告知OCC。调度员在ISCS软件场景列表中选择场景名称及相应的列车，联动控制对应场景模式下的各系统设备。在乘客与OCC的对讲电话接通时，ISCS将对讲电话区域的CCTV系统监控图像推送至OCC乘客信息调度工作站，以方便调度员决策，更好更快地服务乘客。

4.5.3 火灾报警信息确认及执行

当OCC收到自动或人工触发的列车火灾报警信息后，OCC调度员确认火灾报警信息是否真实有效。

信号系统接收到ISCS发送的火灾报警确认信息后，向TCMS 发送火灾报警确认信息。若信号系统接收到ISCS发送的非火警确认信息，则VOBC向TCMS转发火灾报警复位指令；待检查到TCMS无火灾报警后，自动关门发车。

若确认列车发生火灾且在车站疏散旅客，则ISCS系统联动车站PIS系统和PA系统通知乘客向站外疏散，同时联动控制车站轨行区防排烟系统设备。

若确认列车发生火灾且停在区间，则OCC环控调度员根据预案启动相应灾害应急模式。

4.6 区间火灾或区间阻塞

ISCS收到FAS上报的区间火灾报警后，将火警信息发送至ATS，并将信息显示在车辆调度、行车调度、乘客信息调度工作站的报警列表上。乘客信息调度员通过操作终端向车载PIS 发出播放紧急消息指令。车内PIS显示屏向乘客说明区间火灾情况。ISCS按照区间火灾或阻塞预案联动控制相关机电设备。环控调度工作站显示参与联动的相关设备状态信息及预案执行情况。

4.7 车门发生故障而隔离站台门或车门状态丢失

车载ISCS接收车门告警信息后，推送异常车门处对应的摄像头图像至OCC车辆调度、行车调度及乘客信息调度等工作站，由调度员人工查看开关门状态。当同时发生多个车门异常事件时，后续事件仅通过各调度工作站报警栏提示，不覆盖首次事件的推送图像；列车调度员、行车调度员及乘客信息调度员需要查看后续事件时，可手动点击报警栏信息或调用摄像头查看。

此时，维修调度工作站显示车门故障信息，并在报警页面中报警。维修调度员根据报警信息安排维修作业。

4.8 站台门状态丢失或站台门故障隔离车门

当车门或站台门发生故障时，由ISCS自动调用对应故障处的站台摄像机图像，并显示在乘客信息调度工作站界面。由ISCS联动车载PIS或车站PIS，通过PIS显示屏发布信息、提醒乘客。也可由中心值班员手动发布提醒信息。

站台门的故障信息在维修调度工作站进行报警显示，并由调度员安排维修人员进行维修。

4.9 远程列车广播

当遇到突发状况并需要及时告知乘客时，车载PA系统将接收车载ISCS的紧急广播命令，进行列车紧急广播。

乘客信息调度员也可发起人工广播或选播提前录制的信息。预录制语音段保存在车载PA系统的服务器，车载PA系统及ISCS对预录制广播语音段进行统一编号。1个编号代表1段语音，以方便调度员进行选择和发布。

4.10 障碍物检测及脱轨检测

当列车触发障碍物检测或脱轨检测时，将由TCMS发送信息在车辆调度和行车调度的工作站界面上进行报警，并通知相关人员到事发地点人工处理。

ISCS收到TCMS告警信息后，推送司机室监视列车前方轨道的车载CCTV监控图像到行车调度、乘客信息调度和车辆调度的工作站界面。

如遇列车阻塞工况，则由OCC环控调度按规定策略人工启动区间通风等设施。

5 结语

本文结合5号线研究了全自动运行线路中ISCS的功能设计，分析UTO与DTO模式下ISCS功能的区别，着重分析了车载ISCS的方案和接口功能，并对ISCS参与的主要运营场景的功能设计进行详细介绍。全自动运行系统中ISCS增加了大量的联动和远程操作功能，用以满足全自动运行的功能要求。