城市轨道交通综合监控系统技术创新与实践研究

孙 斌

（北京铁城建设监理有限责任公司 北京 100855）

0 引言

综合监控系统作为城市轨道交通体系的重要控制系统，是保障城市轨道交通安全运营的基础内容，行车指挥则是综合监控系统的重要发展方向。 考虑到我国各个省会城市开展大规模的城市建设，城市轨道交通建设与控制将会成为省会城市未来发展的重要研究话题，有必要行车指挥下的城市轨道交通综合监控系统技术展开详细分析。

1 城市轨道交通综合监控系统技术研究必要性

在21 世纪初，我国超一线城市为提升城市发展活力，扩大交通系统运行能力，开始建设大规模的城市轨道交通，以电力调整与环境调整为设计核心的综合监控系统设计方案，是当时主流设计思路。 其本质是环境与设备监控系统（building automation system，BAS）与电力监控系统（power supervisory control and data acquisition，PSCADA）的组合设计。 在城市轨道交通综合监控系统实际运行中，会和闭路电视、乘客导向、列车自动监控系统（automatic train supervision，ATS）等功能系统进行数据交互。 受限于当时的综合监控系统技术局限性，功能系统的数据交互的行为本质上只是由综合监控系统单方面向功能系统提供例如硬件设备工作状态等数据信息。 随着城市快速发展，城市轨道交通需要处理海量的数据信息，以电力调整与环境调整为设计核心的综合监控系统已经无法满足现阶段的综合监控系统的云应用需求。 而有关城市轨道交通综合监控系统的各类应用技术在近些年得到快速发展，为供电、机电等机械设备提供更可靠的信息化管理条件，可以探索综合监控系统的信息化升级，实现综合监控系统数据的统一化管理。 根据城市轨道交通的运行需求，在人机交互界面实现统一化操作，是当前城市轨道交通综合监控系统技术创新与实践的重要研究方向［1］。

2 城市轨道交通综合监控系统技术创新与实践

2.1 设计思路分析

2.1.1 城市轨道交通综合监控系统运行需求

对于城市轨道交通综合监控系统的设计思路，需要分析现阶段的城市轨道交通运营管理真实需求。 多个功能系统协同合作，即多系统联动，是保障城市轨道交通综合监控系统稳定运行的核心内容，即在综合监控系统设计中，需要保证可以顺利实现联动功能。 可以根据现阶段城市轨道交通的运营管理规章制度，设计在不同条件的运营场景需求。 比如在启动城市轨道交通运营系统后，需要进行一次全系统的自检作业，包括BAS、PSCADA、ATS 等都需要以报警态的方式进行自检。 通过检查后，再对信号系统、供电系统、火灾信息等进行详细检查，如果出现报警信息，需要及时将问题信息发送至人工调度台，由调度技术人员采用人工方式进行处理，并对当天的城市轨道交通运营计划部分细节内容进行调整。 判断当天是正常工作日、节假日或其他日期，选择相应的时间模式，确认具体的城市轨道交通综合监控系统运行数据。 在完成各种机械设备的自检后，正式开启城市轨道交通。 可以认为，城市轨道交通的运营管理主要涉及早间开站、晚间关站两个重要时间节点，以及正常运营与异常运营两种运营情况等内容。 在对城市轨道交通运营场景进行分析后，可以发现城市轨道交通核心为运输，涉及作为运输目标的人，以及作为运输载体的车。 在车辆运行过程中，需要通过信号系统进行有效指挥，为车辆安全运行提供安全保障。 而ATS系统可以为调度技术人员、值班人员提供当前车辆运行状态的数据信息，可以让城市轨道交通运营获得更为强有力的技术条件，在设计城市轨道交通综合监控系统时，需要将ATS 系统进行合理应用。

2.1.2 城市轨道交通综合监控系统设计内容

在大量的数据分析、国内外城市轨道交通综合监控系统对比中，许多优秀设计内容都是将行车指挥作为综合监控系统的核心内容使用。 在对城市轨道交通综合监控系统进行设计时，可以在保持中心、车站、现场三级控制模式，以及中心、车站两级管理模式的原设计基础上，针对中心级机械设备与核心级机械设备的相互关联展开相应分析。 对于中心级机械设备，涉及实时服务器、包含磁盘阵列的历史服务器、信号通信前端处理器（front end processor，FEP），以及若干的工作站；对于核心级机械设备，涉及服务器、信号通信FEP、综合监控FEP，以及若干的工作站。 对于中心和车站通信模式，使用独立光纤＋以太网，构成工业级别的以太环网组网模式，满足数据信息的快速、精准传输［2］。

2.2 方案实施对策

2.2.1 方案实施基础内容

对于城市轨道交通综合监控系统技术方案实施，可以细化为软件系统与服务器两个方面。 对于软件系统，考虑到在以往使用的综合监控系统平台软件，是以UNIX 系统作为设计工具，ATS 软件是以操作系统作为设计工具。 为合理提升城市轨道交通综合监控系统的后期维护效率，需要对综合监控系统的核心系统进行平台移植，全部以操作系统进行设计。 对于大量机械设备的操作界面，也采用统一化处理，结合相应的数据库融合，实现综合监控系统功能的有效整合。 由此生成的数据总线开发需求，也采用重新开发设计方案，让数据总线可以适配于城市轨道交通综合监控系统；对于服务器，在原本的城市轨道交通综合监控系统设计中，采用1＋1 模式的配置模式，即使用两套实时服务器，以一套使用一套备用的方式，保障综合监控系统的稳定运行。 而在之后的设计中，可以开源整合成一套实时服务器的配置模式，采用云端服务器＋检测数据实时化分析，降低实时服务器的运行时间成本，从而突出城市轨道交通综合监控系统的行车指挥核心功能［3］。

2.2.2 城市轨道交通综合监控系统基础逻辑

对于城市轨道交通综合监控系统基础逻辑，可以划分为以下几个环节：第一环节、在启动城市轨道交通综合监控系统后，列车正式开始运行，针对列车是否正点运行的运行状态进行分析。 如果列车的偏离程度小于预设水平，则由综合监控系统自动调整，让列车恢复到整合运行状态。 如果列车的偏离程度大于预设水平，则由调度技术人员进行人工控制；第二环节，乘客信息系统（public address system，PIS）／公共广播系统（passenger information system，PA）系统发布单次列车到站相关信息。 在此过程中，需要判断供电区域的工作状态，通过电力调整与环境调整显示进行辅助分析。 对于调整列车的运行状态，通过PIS／PA对车站内的乘客进行疏导，利用PIS／PA 对列车内的乘客进行提醒，启动BAS 阻灾模式。 如果综合监控系统无法有效判断，仍然由调度技术人员作人工控制。 对于列车到车站之间的区间障碍物，与供电区域判断模式相仿，但是需要额外增加闭路电视（closed circuit television，CCTV）切换功能与远程控制（remote control，RC）切换功能，确保列车与乘客的安全。 由调度技术人员负责做二次处理另外还有信号故障、车辆故障、地面火灾、列车火灾等判断需求，参考列车到车站之间的区间障碍物进行判断［4］。

2.2.3 方案实施效果

将本文设计的城市轨道交通综合监控系统应用到某超一线城市的城市轨道交通线路后，经过当地交通委组织竣工验收，正式开始试运营。 经过近十年的运行分析，该条线路先后经历二期车站、二期车辆段的接入，线路控制中心迁移，西延车站接入等多次线路层面的调整，当前负责三十余座地下车站，以及两座车辆段与一座停车场的监控控制。 每天处理百万级别的客流量，为六十余列城市轨道交通提供运营指挥需求。 在大量的运行数据分析中，可以发现该条线路在采用本文设计的综合监控系统后，平均无故障时间远超过以往采用的电力调整＋环境调整的综合监控系统平均无故障时间。

3 在城市轨道交通综合监控系统中应用云平台技术方法

3.1 云平台技术的应用价值

我国现阶段的城市轨道交通综合监控系统技术，需要花费较多的资金，采购进口服务器，购买相应的服务器平台系统，才能保障城市轨道交通的安全运营。 本文以三级控制＋两级管理模式为基础，设计的综合监控系统可以大幅度降低软件系统的开发支出，降低硬件设备的采购成本，仍然无法处理进口服务器与平台系统的资金成本问题。 我国近些年计算机技术得到发展，以云平台技术为主的各类新兴技术逐渐从研发领域步入生产领域，已经成为各个领域的重要生产工具。 可以考虑将云平台技术与城市轨道交通综合监控系统进行融合，逐步摆脱对于进口服务器平台系统的技术依赖，也可以探索综合监控系统未来发展方向。 在分析国内外的研究内容后，可以从横向、纵向两个方向，开展云平台技术应用的相关研究。

3.2 横向软件系统信息互通

在城市轨道交通综合监控系统中应用云平台技术，可以为前者提供大量的计算资源。 如何合理应用云平台技术带来的计算资源，提升城市轨道交通运营管理综合质量，则是应用云平台技术需要处理的重要内容。 现阶段城市轨道交通综合监控系统采用的分离化软件开发模式，不再匹配云平台技术在硬件资源高效利用方面的实际需求。现阶段的云平台技术应用理论，是由城市轨道交通综合监控系统的各个子系统提出有关资源调用的具体需求，由云平台技术利用虚拟化，设计虚拟中央处理器与虚拟内存，向各个子系统合理分配相应的计算资源［5］。 意味着分析运行表现，云平台技术是一种硬件资源的运行模式。 而在功能本质层面上分析，云平台则是由若干具有相对独立性质的虚拟硬件构成的虚拟硬件组。 相比以往的硬件集群模式下的冗余服务器部署方法，硬件虚拟化的云平台技术部署，可以极大降低设计硬件使用数量，有效提升城市轨道交通综合监控系统的设计与改造经济效益。 针对云平台技术的横向软件系统信息互通需求，可以考虑从以下两个方向进行合理解决：方向一，建设一个软件平台，将城市轨道交通综合监控系统的各个子系统转化为功能模块，以模块形式在软件平台上进行运行。 对于建设的软件平台，主要负责与云平台技术的云管理系统进行技术层面的联动与数据层面的整合，确保两者的有效融合，并根据各个子系统的运行需求，以动态化的方式，对计算资源做合理分配。 通过此方式，可以让软件平台明确各个功能模块的真实计算资源需求，又可以让计算资源得到科学分配，以此实现云平台技术的计算资源有效管控。 方向二，保障城市轨道交通综合监控系统的各个子系统软件拥有相对独立特性，让各个软件和云管理系统做必要的信息交互处理。 对于信息交互的内容，涉及计算资源需求、计算资源划分等重要信息。 对于云管理系统，则以各个软件发出的各个子系统对于计算资源的真实需求，做相应的计算资源分配、回收等基础管理工作。 如果出现资源分配或回收冲突问题，云管理系统也需要与涉及的子系统软件进行相互交互，实现城市轨道交通综合监控系统的高效率管理［6］。

3.3 纵向系统架构优化升级

纵向系统架构优化升级与横向软件系统信息互通具有相对关系，但是在实际应用中，需要谨慎考虑。 特别是在城市轨道交通综合监控系统原有的硬件架构仍然处于正常运行状态下，直接升级成匹配云平台技术使用需求的硬件架构，需要对优化升级的必要性做合理分析。 针对本文设计城市轨道交通综合监控系统底层逻辑基础的中心、车站、现场三级控制模式，可以通过云平台技术的计算资源优势，对控制模式下的运行体系进行调整。 因为在当前运行体系下，会在监控系统中心、各个车站设置许多服务器，不仅存在较大的服务器维护工作量，而且维护工作也具有较大的分散性，在一定程度上增加城市轨道交通综合监控系统的整体运行维护成本［7］。 将云平台技术应用到城市轨道交通综合监控系统后，可以对中心服务器做相应的整合处理，并将各个车站的服务器设置计划取消掉。 而且，云平台技术还可以有效提升通信传输系统的最大容量，可以根据当地经济条件与城市轨道交通的发展情况，设置专用于综合监控系统的大容量数据传输网络，满足数据传输的需求。 同时，做好边缘计算的强化工作，提升纵向系统的数据计算性能，提高机械设备的运行安全性。 通过云平台技术，可以对城市轨道交通综合监控系统的纵向层级做简化处理，并将原本分散在各个车站的服务器做集中化处理，由控制中心的服务器提供整条线路的综合监控系统运行需求，进而有效降低服务器的维修管理时间成本，合理控制各类机械设备的维修周期。 而且，大容量数据传输网络也可以取代原本的骨干通信网，让云平台起来可以与计算单元产生直接联系，不再需要常规的中心服务器—骨干通信网—车站服务器—计算单元的冗余信息传输模式，进一步降低数据信息传输的时间成本，避免出现数据信息损失问题。

通过横向信息互通＋纵向结构优化的双重设计，可以极大发挥云平台技术的海量数据计算性能，让城市轨道交通综合监控系统实现技术层面的升级与优化。

4 结语

综上所述，在开展城市轨道交通综合监控系统技术创新工作时，除参考本文提供的基础理论内容外，也可以根据城市当前经济条件与未来发展需求，合理吸纳有关云平台技术内容，实现综合监控系统的长期优化。 在应用云平台技术后，需要将城市轨道交通综合监控系统技术的应用重心转移到软件系统定期更新、硬件设备科学维护等方面，确保城市轨道交通的稳定运营，为地区经济发展提供良好的基础条件。