基于3层组网的地铁综合监控系统设计

李业光，戴静婷

（1.深圳达实智能股份有限公司，广东 深圳 518057；2.深圳市际融科技有限公司，广东 深圳 518057）

0 引 言

随着21世纪的到来，很多城市的轨道交通都在快速的发展过程中，特别是关于地铁的建设，很多城市在逐渐发展。地铁因为容量大、速度快以及安全舒服等特点，慢慢成为解决城市交通拥堵的主要途径之一。然而因为地铁建设的数量在逐渐增加、规模也在逐渐扩大，维系地铁正常运行的监控是需要主要解决的问题。地铁综合监控主要是围绕着安全、行驶以及服务等多方面展开的，完善的地铁综合监控可以实现信息以及资源之间的共享，是监控实现自动化的主要途径之一，从而达到提高运营效率。传统的地铁监控系统因为信息与指令之间协调不足，导致对于紧急情况处理的能力不足、应变能力变差，增加了应急响应的时间。并且因为管理设备的各个软件都是处于相互独立的状态，在进行平台操作时就会相对比较繁琐，因此就需要设计新的而且有效的地铁综合监控系统[1]。

1 地铁综合监控系统结构设计

地铁综合监控系统的硬件包括中央级和车站级。中央级别的地铁综合监控系统内部主要包括了配置冗余的历史与实时服务器、外部的磁盘以及磁盘库、中央处理器、调度员的工作站（例如电力调度、环境调度、行车调度以及值班调度等）、网络管理服务器以及工作站、软件测试服务器、配置冗余的网络交换机、打印机、大屏幕以及不间断电源等。中央级别地铁综合监控系统内部配备的网络交换机主要实现中央级别所有网络资源的相互连接，其直接与监控系统的主干网络进行连接。实时服务器主要完成数据信息的实时采集与处理，通过中央向各个工作站发送相关控制指令；而历史服务器主要完成历史数据信息的存储以及管理等功能。各个调度员可以通过调度站来进行监控，而中央处理器主要用来连接各个系统，实现实时数据通信的功能[2]。图1为地铁综合监控系统内部网络结构。

图1 地铁综合监控系统内部网络结构

车站级别的地铁综合监控系统内部主要包括了配置冗余的历史与实时服务器、外部的磁盘、车站站长的工作站、配置冗余的网络交换机、打印机、车站核心通信前置处理器、综合后备控制盘以及不间断电源等。停车场或者车辆段的监控系统与车站的监控系统都属于第二层车站级别的，配置会有些不同之处。车站级别的地铁综合监控系统主要配置的网络交换机是为了实现车站内所有网络之间的相互连接，并且也是之间连接到通信网络的主干位置。车站核心处理器主要为了负责系统正在车站内部与各个系统之间数据的相关连接[3]。车站工作站主要负责监控区域范围内的车辆，并且通过网络发送到系统内部。

2 地铁综合监控系统软件设计

2.1 增加个性化功能模块

2.1.1 输入数据处理

输入数据处理功能主要分为3个层面，通信数据的开关状态、遥测数据量以及系统内部数据信息量。地铁综合监控系统中采集到的通信数据开关状态主要反映的是地铁站内部设备的状态，综合监控系统内部会通过各个子系统上传几百甚至上千个数量的设备状态情况，而对于中央级别的监控系统来说需要处理上千甚至上万个设备状态，所以就需要对这些数据信息进行汇总之后再根据不同类型进行分层级处理[4]。通过系统内部之间的相互连接，来提取数据信息的共性特征，这样就可以形成不同的数据基础层。通过把上一层中的特征和提取到数据内部的基本特征进行操作之后，将结果通过函数输入到下一层中，这样就会形成良好的特征表达方式。

综合监控系统中的遥测数据量记录着有各个子系统采集并进行上传的模拟数据信息，主要为了固定时间范围系统内部持续运行的状态，利用报表或者趋势图等各种工具对模拟的数据信息进行统一整理与分析。因为通过每一个子系统上传的模拟数据信息跟中央系统或者数据库中的数据信息格式可能存在差异，所以需要对采集到的数据信息进行相关格式的转换。而系统内部数据信息库主要是用来储存车辆数据的内部信息或者运行功能的一系列参数，它根据数据类型的不同可以分为整型常量和浮点型常量，信息管理系统内部提供的相关服务可以利用编辑脚本来对内部信息进行实时访问与及时修改[5]。

2.1.2 自动预警

地铁综合监控系统中所有的调度工作站都具备信息管理系统内部提供的故障预警功能。该系统内部的故障预警功能主要是通过声音、文字、图片或者视频等多种形式实现的，自动将当前所关注到信息内容以不同形式进行相互通知，并且还可以对故障预警等级、故障预警行为等进行相关设置。

（1）故障预警等级。在系统内部运行的过程中，系统操作人员对不同的报警信息关注以及处理的程度是各不相同的。对不同报警类型进行分级处理，这样可以提高操作人员的工作效率，并且在相关级别中也会增加对于不同级别处理的意见和说明。按照报警级别，可以分为危急预警、发生事故预警、预告预警、事件预警[6]。

（2）故障预警行为。故障预警的相关行为是指系统内部以什么形式表达出预警的情况，主要包括声音、文字颜色、事故画面等。不同的故障预警等级需要与不同的预警行为进行相互关联，并且识别的过程还需要到不同的行为上面来进行，表1为具体等级行为分类。

表1 地铁综合监控系统报警功能信息表

将控制中心和车辆检修中心提供的设备故障信息进行汇总，提醒中央维修调度人员对故障位置进行重点关注，方便车辆日常管理与维护。

2.2 设计历史信息与实时信息数据库

综合监控系统的内部数据库主要包括历史信息数据库与实时信息数据库两种。历史信息数据库是通过商用的数据库来对历史信息数据进行存储与管理。而实时信息数据库则是利用自主研发的分层数据库来实时地获取数据信息，它是整个系统的核心区域，主要分布在中央、车站和车辆段等各个服务器上。并且在对地铁内部进行实时监控时还需要依赖配置信息数据库、提交信息数据库、车辆信息数据库、故障预警数据库以及历史信息数据库这5个数据库，图2为这5个数据库之间的关系。

图2 数据库之间相互流向示意

服务对象管理信息数据库相当于实时信息数据库内部包含着大量的规则与属性的区间集合，是数据信息序列有效归属地。服务对象管理信息数据库内部效率相对比较高，相对比传统的数据库它有着较高的存储速度，并且可以持续稳定运行。

2.3 3层组网地铁监控

要想利用3层组网对地铁进行综合监控，就需要增加RAMS的管理。综合监控系统中的的 RAMS管理主要是指分析综合监控系统全生命周期内的可靠性、可用性、维修性和安全性。而RAMS中最重要的评价指标就是平均无故障工作时间，具体计算公式为

式中：a表示需要评价的总数；Tn表示第n个指标所需要工作的时间；LM则表示累积发生故障的次数。平均无故障工作时间则是RAMS管理体系中主要维修性参数，一般状况下也是唯一的维修性参数。通常平均无故障工作时间值越小，则表示该系统的恢复性越好。

而对地铁进行电子监控的系统主要通过画面显示来让操作人员进行日常操控，并且还可以对历史监控数据进行查询。而电子监控系统中主要是趋势以及运行状态两个方面的显示。趋势显示主要利用趋势曲线来进行描述，分为实时曲线与历史曲线。实时曲线是按照一定周期从实时信息数据库取出数据信息，来实现实时曲线的自动刷新。历史曲线则是从历史信息数据库中，根据选取的时间段、时间间隔和遥测点信息处理数据并绘出历史曲线的具体趋势，确定历史数据中的平均值、最大值与最小值。趋势曲线具有游标、平移、无级缩放、多组趋势对比等功能，还可以实现根据需要在画面中自定义显示曲线的数量、曲线色彩、显示比例以及导出趋势曲线及打印趋势曲线等功能。电子监控系统还可以显示出实时运行状态，反映各个地铁站运行现状，方便对其进行管理和维护。如果发现系统设备发生故障能够自动报警并提示维护人员，并对运行设备的设备名称、设备所在车站、故障发生时间和恢复/更换时间等数据进行记录。至此，基于3层组网的地铁综合监控系统设计完毕。

3 测试与分析

3.1 实验准备

将此次设计的地铁综合监控系统作为测试对象，找出系统软件设计中存在矛盾冲突的内容，然后针对此类问题进行后续修正，保证系统可以正常使用。在MATLAB 2016a平台中进行仿真实验，验证设计系统的应用性能。具体测试环境如表2所示。

表2 系统进行测试所需环境

3.2 测试结果与分析

采集本市地铁历史运行数据作为实验数据，在MATLAB软件中模拟地铁实际运行状态。将此次设计的综合监控系统作为实验组，将传统的监控系统作为对照组，对比两种方法在车辆发生故障时，哪种系统在相对稳定的前提下可以更加快速地进行响应。表3为进行10次测试之后，系统进行故障检测时关于响应时间的测试结果。

表3 系统时响应间测试结果（单位：s）

根据表3，传统系统在车辆发生故障时，响应的时间在55～65 s；本文方法设计的系统在车辆发生故障时，响应的时间在18～25 s。传统系统在车辆发生故障时，平均响应的时间为59.223 s；而使用本文系统在车辆发生故障时，平均响应时间为22.079 s。由此可以看出，使用本文方法设计的监控系统，车辆发生故障时响应时间更短。通过实验结果可以得知，地铁综合监控系统在3层组成技术的应用下有非常良好的响应速度。

4 结 论

通过实验验证了此次设计的地铁综合监控系统，优越于传统系统，但该设计还存在一些不足之处，今后可以设计一个故障预测系统，一旦有紧急情况发生时，可以对事故进行紧急预警，从而让整个系统变得更加安全且稳定。