设计西安地铁2号线综合监控系统

　　地下铁道，简称地铁，亦简称为地下铁，狭义上专指在地下运行为主的城市铁路系统或捷运系统；但广义上，由于许多此类的系统为了配合修筑的环境，可能也会有地面化的路段存在，因此通常涵盖了都会地区各种地下与地面上的高密度交通运输系统。地铁是城市轨道交通的一部分，随着社会、经济及科技的高速发展，为了缓解城市交通的紧张状况地铁应运而生。地铁是在城市中修建的快速，且大量用电力牵引的轨道交通，它的线路通常设在地下隧道内，有的也在城市中心以外的地区从地下转到地面或高架桥上。地铁与城市其他交通工具相比，具有以下特点：1）地铁是在人口密集区的地下封闭隧道中运行的，而在郊外人口不密集区则是在高架或地面封闭环境中运行的，其占用地面面积较少，能够避免城市地面拥挤，节约城市用地；2）地铁的客运量为4～6万人／小时以上，其运输能力比一般地面交通工具大7～1O倍；3）地铁列车以电力作为动力，对空气污染程度比较小。地铁综合监控系统作为保证地铁正常运行的管理系统具有非常重要的作用，这里提出了主要针对西安地铁2号线的综合监控系统设计方案。

　　1 地铁综合监控系统

　　绝大多数的城市轨道交通系统都是用来运载市内通勤的乘客，而在很多场合下城市轨道交通系统都会被当成城市交通的骨干。通常，城市轨道交通系统是许多都市用以解决交通堵塞问题的方法。地铁综合监控系统集成了地铁各自动化系统，它采用统一的计算机硬件和软件平台。无论是电力监控还是设备监控，无论是行车调度还是通信监控，它们都是建立在一个统一的计算机网络平台上，由统一的软件系统支持。

　　地铁综合监控系统实现了电力监控系统（SCADA）、环境与设备监控系统（BAS）、火灾自动报警系统（FAS）、屏蔽门（PSD）等系统的集成，实现了信号系统（SIG）、自动售检票系统（AFC）、广播系统（PA）、视频监控系统（CCTV）、乘客信息系统（PIS）和时钟系统（CLK）的互联。图1为地铁综合监控系统组成框图。

　　电力监控子系统可实现控制、遥信及信息处理、遥测及数据处理、遥调以及模块操作等功能，而环境与设备监控系统则实现监控、正常显示、故障显示以及运营统计等功能。

　　2 地铁综合监控系统集成

　　在地底下挖隧道并不是一件容易的事，而且需要极大量的金钱和时间，至少也要好几年才能完成。 明挖回填 简单直接的方法是明挖随填（明挖回填）。这种方法一般是在街道上挖掘大坑，再在下面建造隧道结构，隧道有足够的承托力后才把路面重新铺上。系统集成就是通过结构化的综合布线系统和计算机网络技术，将各个分离的设备（如个人电脑）、功能和信息等集成到相互关联的、统一和协调的系统之中，使资源达到充分共享，实现集中、高效、便利的管理。

　　综合监控系统从集成的深度来划分，有现场层集成——完全集成（深度集成）、执行层集成——准集成、管理层集成——表层集成（顶层集成）3种集成方案。

　　1）顶层集成  在OCC和车站的监控层将子系统集成。综合监控系统在管理层面汇集，处理各子系统的数据，实现各子系统间的信息共享、交互及系统联动功能。这种方案的优点是实现简单，但仍然存在车站级设备及接口种类多、实现联动困难等缺点，这种方案集成度。

　　2）准集成  现场采集、驱动设备与执行层之间的通信协议均为系统内部协议，二层设备密不可分，一般综合监控系统不选择在此层面进行集成。

　　3）深度集成  采用统一软件平台将被集成的子系统完全集成在一起。被集成子系统的中央层、车站监控层和控制层被集成在综合监控平台上，它们的功能都由综合监控软件来实现。系统应用软件完全统一，数据处理简约、迅速，系统间联动功能种类多、安全、简洁，综合监控系统与各子系统之间配合协调工作，由综合监控系统集成商来完成，减轻了建设方的工程管理工作。

　　深度集成的综合监控系统，是我国地铁工程实践中自主创新出的一种类型。它克服了顶层集成的缺点，采用同一种软件平台将被集成子系统完全融入综合监控系统，软件平台可延伸至现场级，可完成实时控制与互动功能，系统的有效性、响应性好。地铁因列车在隧道内高速移动，可能产生隧道及车厢内 的压力剧烈改变，而造成旅客不舒适的感觉，或者影响设备的使用寿命，其压力改变的现象可详活塞效应。 地铁因列车高速移动产生的压力波若传抵隧道出口，将产生隧道口微压波噪音，干扰附近住民的安宁。

　　3 西安地铁2号线综合监控系统集成设计

　　3.1 系统功能

　　综合监控系统（ISCS）是一个高度集成的综合自动化监控系统，其目的主要是通过集成地铁多个主要弱电系统，形成统一的监控层硬件平台和软件平台，从而实现对地铁主要弱电设备的集中监控和管理功能，实现对列车运行情况和客流统计数据的关联监视功能，终实现相关各系统之间的信息共享和协调互动功能。通过综合监控系统的统一用户界面，运营管理人员能够更加方便、有效地监控管理整条线路的运作情况。

　　3.2 系统设计

　　在一些地区，轨道交通系统的票价无论时间还是乘车长度的长短都是定额的。但是也有很多国家的轨道交通票价是按照乘坐距离（或依里程划分不同区间）来决定的。在德国等欧洲国家，轨道交通的票价采取地域制，以某地方为中心，向外辐射来划定地域，在一个地域（里程）内票价相同，而下一个地域内则又有新的票价。很多国家组织了交通营运联合体，轨道交通系统与其他大众运输工具进行票证整合，轨道交通系统的车票在其他交通工具（如公共汽车或地区铁路）上也能使用。综合监控系统由位于控制中心的中央级综合监控系统和系统仿真测试平台、位于车站的车站级综合监控系统，位于车辆段的车辆段综合监控系统等多个部分组成。通过全线通信传输网把车站、车辆段与中央的各级综合监控系统连接到一起，从而形成一个有机的整体，如图2所示。

　　3.2.1 系统层次划分

　　综合监控系统的监控对象主要是行车和行车指挥、防灾和安全、乘客服务等相关内容。为了满足两级制监控和调度指挥的需求，综合监控系统采用两级管理三级控制的分层分布式结构。两级管理分别是中央级管理和车站级管理，三级控制分别是中央级控制、车站级控制和现场级控制。综合监控系统的整体层次划分如图3所示。

　　3.2.2 中央级综合监控系统（CISCS）设计

　　很多城市轨道交通系统导入了自动收费系统，这样可节省大量人工，节省运营成本。只要插入专用车票或IC卡，自动收费系统的验票闸门就可自动放行。在日本，城市轨道交通系统的自动收费装置还有诸如自动判定票的余额是否不足与判定使用次数等智慧功能。中央级综合监控系统在控制中心设置中央级局域网络，通过全线网络将各车站监控网的监控信息传送到控制中心，并在控制中心与PI-S、AFC、PA、CCTV、CLK、SIG、综合网络管理等系统进行互联，从而实现对多个相关接入系统的集中监控功能。

　　1）系统组成  中央级综合监控系统在控制中心设置中央级局域网络，通过全线的主干网络将各车站监控网的监控信息传送到控制中心，并在控制中心与SIG、AFC、PA、CCTV、PIS、CLK和综合网络管理等系统进行互联，从而实现对多个相关接入系统的集中监控功能。典型的闭路监控系统主要由摄像机部分、传输部分、控制与记录部分以及显示部分四大块组成。

　　监控不单纯指闭路电视监控系统，但传统意义上说的监控系统系统由前端摄像机（包括：半球摄像机、红外摄像机、一体机等）加中端设备（光端机、网络视频服务器等）加后端设备主机（硬盘录像机、矩阵等）组成。中央级综合监控系统对全线重要监控对象的状态、性能等数据进行实时的收集与处理，通过各种调度员工作站和综合显示屏以图形、表格和文本的形式显示出来，供调度人员参考和使用，并且可根据一定的逻辑关系自动或由调度员人工向分布在各站点的被监控对象或系统发送模式、程控、点控等相关控制命令，从而实现对全线各弱电系统的集中监控。

　　2）中央级综合监控系统的接入系统  在控制中心，综合监控系统中央级一方面必须实现供电设备、车站机电设备、环境监测、火灾报警、屏蔽门等的主要监控功能，另一方面可按照系统工作模式实现必要的联动功能。在中央实现的互联系统包括：信号系统（SIG）、自动售检票系统（AFC）、广播系统（PA）、闭路电视监视系统（CCTV）、乘客信息系统（PIS）、综合网络管理系统、时钟系统（CLK）。

　　3）中央级综合监控系统设备组成  在控制中心，中央级综合监控系统的设备由2台实时服务器（冗余配置）、2台历史服务器（冗余配置）、1套RAID5磁盘阵列、1套LTO磁带机、2台带路由功能的工业级以太网交换机（冗余配置）、2套前端处理器（FEP）（冗余配置）、2套在线式后备电源（UPS）、6套调度员工作站（其中环调、电调各1套，行调2套，维调和值班调度各1套）、4套CCTV监视器（其中行调2套，环调和值班调度各1套）、6台事件打印机、1台报表打印机、1台彩色打印机和综合显示屏等组成。

　　3.2.3 车站级综合监控系统（SISCS）设计

　　车站级综合监控系统通过分布在本站（或车辆段）范围内的站级局域网络，将本站范围内的各有关机电系统（SCADA、BAS、FAS和PSD等）集成在一起，并与站点的PA、CCTV、AFC和PIS等系统互联，使它们能相互协调工作。其中，车辆段范围内的机电系统只包括SCADA、BAS和FAS，无互联系统。

　　1）系统组成  车站级综合监控系统包括西安市城市快速轨道交通二号线（铁路北客站——韦曲段）工程各车站的车站级综合监控系统，车辆段是作为一个特殊站点考虑，车辆段综合监控系统、控制中心大楼综合监控系统属于站级监控系统的范畴。在主变电站所集成系统就近接入相邻车站的车站级综合监控系统。

　　车站级综合监控系统通过分布在本站点范围内的站级局域网络，将本站点范围内的各有关机电系统集成在一起，并与车站PA、CCTV和PIS等系统互联，使它们能相互协调工作。车站级综合监控系统对本站范围内监控对象的状态、性能等数据进行实时的收集，通过车站操作员工作站以图形、表格和文本的形式显示出来，供车站值班人员参考和使用，并且可根据一定的逻辑关系自动或由调度员人工向分布在本站的被监控对象或系统发送模式、程控、点动控制等相关控制命令。在一个监控系统进入调试阶段、试运行阶段以及交付使用后，有可能出现这样那样的故障现象，如：不能正常运行、系统达不到设计要求的技术指标、整体性能和质量不理想，亦即一些“软毛病”。这些问题对于一个监控工程项目来说，特别是对于一个复杂的、大型的监控工程项目来说，是在所难免的。

　　当车站级综合监控系统工作在正常模式时，车站级的各种状态信息均上传至中央级综合监控系统，控制命令主要由中央级直接下达。除个别需要车站监控的控制命令外，车站级仅进行设备状态监视，无控制权。当综合监控系统工作在灾害模式、故障模式及阻塞模式时，控制中心视具体情况下放控制权限，使车站级可以在一定权限范围内对车站设备进行控制。系统恢复正常工作模式后，车站级以上控制权限应上交或由中央级收回。简单的定点监控系统就是在监视现场安置定点摄像机（摄像机配接定焦镜头），通过同轴电缆将视频信号传输到监控室内的监视器。

　　2）车站级综合监控系统接入的系统  在车站和车辆段，综合监控系统中央级一方面必须实现车站机电设备、环境监测、火灾报警、屏蔽门等的主要监控功能，另一方面可按照系统工作模式实现必要的联动功能。这些需要在站级的接入系统包括集成系统和互联系统，而前者具有：电力监控系统（SCADA）、环境与设备监控系统（BAS）、火灾自动报警系统（FAS）、屏蔽门（PSD）。而后者则具有广播系统（PA）、闭路电视系统（CCTV）、乘客信息系统（PIS）、自动售检票系统（AFC）。

　　3）车站级综合监控系统设备组成  车站级综合监控系统在车站设置2台工业级以太网交换机（冗余配置）、2套实时服务器（冗余配置）、2套前端处理器（FEP）（冗余配置）、1台工作站、1台事件打印机、1台报表打印机、1套在线式后备电源（UPS）、1台CCTV监视器和1套车站综合后备盘（IBP）等。

　　3.2.4 维护管理系统设计

　　综合监控系统对所监控设备的维护管理功能分别在控制中心及车辆段维修中心实现。维护管理系统将包括以下主要设备：1套MMS服务器（配置与车站服务器类似，不用冗余配置）、1套MMS外置磁盘阵列、1套网络管理工作站（配置与车站工作站类似，设置在控制中心）、1套网络管理便携式计算机、1台MMS报表打印机（配置与车站报表打印机类似）、4台MMS工作站（配置与车站工作站类似）、4套维护管理便携式计算机、4台MMS报表打印机（配置与车站报表打印机类似）、1套UPS（配置与车站UPS类似）。

　　3.2.5 培训管理系统设计

　　在车辆段的综合监控系统培训室内设置培训管理子系统（TMS）。培训管理系统（TMS）将包括以下主要设备：培训服务器1台（培训服务器硬件配置与车站服务器类似，可不考虑冗余）、TMS工作站4台，其中培训教师工作站1台。学员工作站3台（配置与车站工作站类似）、1套TMS专用的前端处理器（FEP）、报表打印机、事件打印机各1台（配置与车站报表和事件打印机类似）、1套相关系统的仿真模拟器、以太网交换机（配置与站级以太网交换机类似）。

　　3.3 综合监控系统与其子系统接口

　　对于地铁综合监控系统来说，除PA、PIS、CCTV采用的是RS-422接口外，其他子系统都采用的是以太网数据通信接口。

　　4 综合监控系统的维护管理

　　综合监控系统的维修管理按照定期检修、故障维护和在线检修等模式。全方位监控系统是将前述定点监控系统中的定焦镜头换成电动变焦镜头，并增加可上下左右运动的全方位云台（云台内部有两个电动机），使每个监视点的摄像机可以进行上下左右的扫视，其所配镜头的焦距也可在一定范围内变化（监视场景可拉远或推进）。

　　1）定期维护  综合监控系统的设备定期维护由维修工作人员根据检修日程安排，定期（如周、月、季、年等）对设备进行维护。这些维护包括线路检查、设备运行情况检查、计算机设备磁盘清理等。

　　2）故障维护  综合监控系统的设备故障维护由维修工作人员根据维修调度人员或值班人员的设备故障信息进行设备更换、线缆更换或现场维修等。此种维护主要是针对设备突发故障进行的修护操作。

　　3）在线维护  综合监控系统的设备在线维护主要是指软件的维护。由技术工作人员根据地铁运营的需要进行一些功能调整，或监控对象的变化导致修改综合监控软件。这些检修一般由软件工程师来完成，但在正常运营期间不能对软件进行修改，由软件测试平台编制并测试通过在非运营段（如夜间）进行更新。

　　另外，综合监控的维修人员可以通过维护管理系统的终端了解设备运行状况，可以查看的设备模块级别的相关信息，通过这些信息进行组织相应的维修。

　　5 地铁的运营管理模式

　　设备监控与管理系统主要服务于地铁车站及地面控制中心的调度管理部门，因此它与地铁的运营管理模式密不可分。

　　1）分散管理模式  目前国内地铁运营管理普遍采用的是分散管理模式，各管理部门基本独立，互不干涉。这种管理模式制约了地铁运营管理科学化、现代化的步伐，加大了运营成本和设备投资。

　　2）集中管理模式  国内地铁自动化技术和管理水平的提高，使运营管理理念和运营模式发生了根本的改变。通过机构重组，地铁运营管理部门开始由分散向着集中管理的发展方向发展，为满足地铁新的管理模式，地铁综合自动化逐步在地铁领域得到推广应用，并且是未来地铁自动化的方案。实现地铁无人化管理、通过减员增效，降低设备和运营成本是地铁设计者和管理者追求的目标。

　　6 总 结

　　地铁不仅由于一般大都市的市区地皮价值高昂，将铁路建于地底，可以节省地面空间，令地面地皮可以作其他用途；铁路建于地底，可以减少地面的噪音；由于地铁的行驶路线不与其他运输系统（如地面道路）重叠、交叉，因此行车受到的交通干扰较少，可节省大量通勤时间；在暖化问题下，地铁是大众交通运输工具。由于地铁行车速度稳定，大量节省通勤时间，使民众乐于搭乘，也取代了许多开车所消耗的能源。西安地铁2号线为西安市南北向主客流走廊，是南北向对外的交通要道。本文设计的地铁综合监控系统互联了包括信号系统、自动售检票系统、广播系统、闭路电视监视系统、乘客信息系统、综合网络管理系统、时钟系统等，实现地铁系统信息互通、资源共享，提升自动化水平，提高地铁运营的安全性、可靠性和响应性。