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周東紅   羅安   畢承恩

1  概述
    我國以往的城市軌道交通自動化系統(tǒng)，不同的專業(yè)，如電力監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控和防災(zāi)監(jiān)控，都分別采用完全獨立的自動化控制系統(tǒng)，形成各個互不相連的自動化孤島。這種自動化運行模式既不利于各專業(yè)的信息共享，又不利于硬件資源的共享，自動化控制水平低，而且增加投資和運行維護成本。為了使北京地鐵監(jiān)控系統(tǒng)趕上國際先進水平，北京和利時系統(tǒng)工程股份有限公司（以下簡稱為和利時公司）依托北京地鐵十三號線工程，提出了實施綜合監(jiān)控系統(tǒng)的方案。

    北京地鐵十三號線工程自西直門經(jīng)回龍觀到東直門，沿線四十余公里，設(shè)車站16座和車輛段1座。其綜合監(jiān)控系統(tǒng)由和利時公司開發(fā)，按專業(yè)劃分為三個子系統(tǒng)：供電系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)和防災(zāi)報警系統(tǒng)。在西直門指揮中心設(shè)有電力監(jiān)控中心、環(huán)境監(jiān)控中心、防災(zāi)監(jiān)控中心，在各個車站設(shè)有車站監(jiān)控主站，區(qū)間變電所接入鄰近車站的監(jiān)控主站，對全線供電系統(tǒng)設(shè)備、機電系統(tǒng)設(shè)備和防災(zāi)系統(tǒng)設(shè)備實現(xiàn)監(jiān)控和遠程維護。

    地鐵十三號線綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上由以下幾個部分組成：① 完成對一次主設(shè)備數(shù)據(jù)采集和就地控制的基礎(chǔ)自動化層（I/O層）；② 完成本車站電力和環(huán)控設(shè)備監(jiān)控功能的車站監(jiān)控層；③ 基于SDH骨干網(wǎng)的通信骨干網(wǎng)絡(luò)；④ 完成全線電力、環(huán)控設(shè)備監(jiān)控和接入防災(zāi)報警系統(tǒng)的中心監(jiān)控層。

2  系統(tǒng)監(jiān)控對象
    為了實現(xiàn)地鐵十三號線綜合監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)，監(jiān)控對象應(yīng)包括：屬于供電范疇的10kV交流一次開關(guān)設(shè)備、直流750V開關(guān)設(shè)備、380V低壓配電設(shè)備、牽引變壓器、牽引整流器、配電變壓器、雜散電流排流設(shè)備、直流屏、事故照明電源設(shè)備；屬于環(huán)控范疇的消防、給排水、采暖水系統(tǒng)泵，各類電梯、扶梯，各類風(fēng)機、風(fēng)閥，各類空調(diào)、制冷機組，采暖鍋爐，隔斷門；屬于防災(zāi)系統(tǒng)的報警系統(tǒng)設(shè)備和消防水系統(tǒng)設(shè)備。

3  綜合監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

圖1  地鐵十三號線綜合監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

    地鐵十三號線綜合監(jiān)控系統(tǒng)是一個基于城域網(wǎng)的適應(yīng)地理上分散，面向系統(tǒng)集成應(yīng)用的實時分布式綜合監(jiān)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

    從系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的角度看，圖1中的每個虛線框是一個局域網(wǎng)系統(tǒng)，稱為“域”。系統(tǒng)各個域之間地位是不對等的，由一個“主域”和若干個“從域”組成。地鐵十三號線綜合監(jiān)控系統(tǒng)將監(jiān)控中心所在域定義為“主域”，其他域作為“從域”。每個從域內(nèi)部構(gòu)成一個相對獨立的車站級監(jiān)控系統(tǒng)，主域監(jiān)控中心與各從域之間則構(gòu)成一個全局的監(jiān)控系統(tǒng)，域與域之間通過城域骨干網(wǎng)連接，形成一個地理分散的實時分布式大型控制系統(tǒng)。

    以城域骨干網(wǎng)為中心組織起來的的分層分布式控制系統(tǒng)，相對于各從域、主域具有“虛擬”的數(shù)據(jù)集中功能。“虛擬”的含義是從主域操作站可以訪問任何從域的實時數(shù)據(jù)，看上去就像主域服務(wù)器集中了全系統(tǒng)所有實時數(shù)據(jù)一樣。

    通過主域、從域的靈活定義和系統(tǒng)組態(tài)，所有的現(xiàn)場數(shù)據(jù)可以在主域和從域之間共享。系統(tǒng)可以實現(xiàn)分區(qū)管理，即可以將某個車站定義為主域，臨近的幾個車站定義為它的從域，定義為主域的這個車站作為一個虛擬的中心，對臨近幾個定義為它的從域的車站進行分區(qū)管理，便于更加靈活的運行維護。

4  車站監(jiān)控局域網(wǎng)
    車站級監(jiān)控層是以冗余100M以太網(wǎng)為中心組織起來的局域控制網(wǎng)。由車站基礎(chǔ)自動化層和車站監(jiān)控層組成，構(gòu)成一個相對獨立的監(jiān)控系統(tǒng)（見圖1中的下面虛框）。

(1) 車站基礎(chǔ)自動化(I/O)層
    車站基礎(chǔ)自動化層是監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)系一次主設(shè)備和車站監(jiān)控層的紐帶。車站基礎(chǔ)自動化層通過現(xiàn)場總線或串口進行組織，它包括數(shù)據(jù)采集模塊和接口通信管理設(shè)備。現(xiàn)場采集模塊通過硬接線與一次主設(shè)備連接，并通過現(xiàn)場總線或串口與接口通信管理設(shè)備交換數(shù)據(jù)。接口通信管理設(shè)備完成協(xié)議的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一后上傳給應(yīng)用服務(wù)器和操作員站。

    車站基礎(chǔ)自動化層根據(jù)被控對象的不同又可以劃分為幾個部分：① 10kV高壓開關(guān)設(shè)備保護測控模塊，這是一種集測量、控制、信號采集和微機保護于一體，直接安裝在被保護對象10kV開關(guān)柜上的遠方智能終端；② 750V直流開關(guān)設(shè)備保護測控模塊，采用PLC，安裝于直流開關(guān)柜上，完成對750V直流開關(guān)柜的測量、控制、信號采集和微機保護；③ 380V低壓配電測控模塊，也是采用PLC，完成對配電系統(tǒng)運行狀態(tài)的測量、控制、信號采集；④ 對整流機組、牽引變壓器、動力變壓器自身所帶的測控模塊，如溫控器；⑤ 用于環(huán)控設(shè)備如電梯、扶梯、電熱鍋爐、污水處理、空調(diào)、風(fēng)機、污水泵等設(shè)備監(jiān)控的模塊，通常采用PLC。基礎(chǔ)自動化層的通信接口管理設(shè)備出于電力專業(yè)和環(huán)控專業(yè)設(shè)備地理分散的原因，上述被控對象的前4個部分劃入電力專業(yè)，通過總線或串口接入電力通信控制器，第5部分為環(huán)控專業(yè)，通過總線或串口接入環(huán)控通信控制器。

    車站基礎(chǔ)自動化層的通信控制器通過冗余的100M以太網(wǎng)交換機與通信骨干網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交換，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒氡O(jiān)控層，實現(xiàn)中央監(jiān)控層對各車站的監(jiān)控。同時通過冗余的100M以太網(wǎng)交換機與通信骨干網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰囌揪C合控制室，實現(xiàn)相對獨立的車站級監(jiān)控。結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，黑粗線表示網(wǎng)絡(luò)部分。

圖2  車站基礎(chǔ)自動化層的結(jié)構(gòu)示意圖

(2) 車站監(jiān)控層
    車站監(jiān)控層包括2臺冗余配置的數(shù)據(jù)服務(wù)器，雙屏配置的電力操作員站和雙屏配置的環(huán)控操作員站，它們通過以太網(wǎng)交換機與基礎(chǔ)自動化層的通信控制器進行數(shù)據(jù)交換。車站服務(wù)器負責(zé)收集并管理所在車站的全部數(shù)據(jù)和事件，向車站操作員站提供車站數(shù)據(jù)服務(wù)。車站監(jiān)控層設(shè)備分別安裝在車站綜合控制室和車站變電站控制室，完成本車站的電力、機電等子系統(tǒng)的運行狀態(tài)，完成車站級的操作控制功能。

5  通信骨干網(wǎng)絡(luò)
    綜合監(jiān)控系統(tǒng)在車站和監(jiān)控中心OCC之間的數(shù)據(jù)交換以及車站與車站之間的數(shù)據(jù)交換，沒有采用獨立的通信網(wǎng)絡(luò)，而是借用地鐵骨干網(wǎng)的信道。通信專業(yè)提供的SDH骨干網(wǎng)信道在每個車站提供兩個冗余E1端口，在監(jiān)控中心提供了34個E1端口，與全線16個車站和1個車輛段實現(xiàn)點對點的通信。由于SDH網(wǎng)在整個網(wǎng)絡(luò)里僅起傳輸作用，為了實現(xiàn)車站局域網(wǎng)和中心局域網(wǎng)接入骨干網(wǎng)，在車站局域網(wǎng)側(cè)增加了冗余配置的CISCO1705低端路由器和ETHERNET/E1轉(zhuǎn)換器完成以太網(wǎng)對通信光端機上E1口的接入，在中心局域網(wǎng)側(cè)增加支持高速執(zhí)行服務(wù)質(zhì)量(QoS)、安全、壓縮和加密等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的CISCO7206高端路由器。兩個中心路由器匯結(jié)骨干網(wǎng)的34個E1口，并分別引出兩個以太網(wǎng)口，與中心局域網(wǎng)的交換機連接。

    監(jiān)控中心設(shè)計了一個網(wǎng)管系統(tǒng)，實現(xiàn)如下網(wǎng)管功能：網(wǎng)絡(luò)拓撲的發(fā)現(xiàn)和識別；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā)現(xiàn)和修改；故障處理；執(zhí)行QoS；提高設(shè)備利用率。

    這樣就在SDH骨干網(wǎng)傳輸信道的基礎(chǔ)上建立了一個應(yīng)用與綜合自動化系統(tǒng)的通信城域網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3  通信城域網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

6  OCC中央監(jiān)控局域網(wǎng)
    監(jiān)控中心也應(yīng)是由冗余100M以太交換網(wǎng)為中心組織起來的局域控制網(wǎng)。監(jiān)控中心配置兩臺可以完全替代，互為備份的全局?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)器，1臺歷史服務(wù)器、3套電力操作員站、2套環(huán)控操作員站、1套網(wǎng)絡(luò)管理工程師站和2套維護工程師站。監(jiān)控中心服務(wù)器負責(zé)收集并管理全線各車站的全部數(shù)據(jù)、事件和歷史記錄。兩臺服務(wù)器之間通過網(wǎng)絡(luò)交換驗證雙方數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的一致性。工程師站是系統(tǒng)工程師的工作站，在這里工程師進行系統(tǒng)組態(tài)、系統(tǒng)組態(tài)修改、系統(tǒng)維護、系統(tǒng)診斷、系統(tǒng)狀況的監(jiān)視，另外還有打印服務(wù)器和打印機。

    不同專業(yè)的任何一臺操作站在登錄權(quán)限允許的條件下，可以完成系統(tǒng)所有的操作，即中心操作站之間可以互為備用。由于綜合監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有全互聯(lián)結(jié)構(gòu)，所有的操作站在網(wǎng)絡(luò)上所處的地位是相同的，中心操作站可以登錄到車站，車站操作站也可以登錄到中心或其他車站。這種方式有利于分區(qū)段管理，按照區(qū)段設(shè)置維護人員，將區(qū)段中的某個車站設(shè)置為這一區(qū)段的中心，對臨近的無人值班車站進行監(jiān)控和維護。

7  系統(tǒng)的集成能力
    在車站級，將本車站電力自動化系統(tǒng)和環(huán)控自動化系統(tǒng)的信息進行集成，并接入了視頻系統(tǒng)。基礎(chǔ)自動化層具有強大的接入第三方現(xiàn)場控制站和第三方PLC的能力。

    在中央監(jiān)控中心，將各車站的信息匯集于全局服務(wù)器中，支持多個專業(yè)的中央監(jiān)控中心，如電力監(jiān)控中心、環(huán)控監(jiān)控中心。同時也可接入諸如：FAS、AFC等其他專業(yè)系統(tǒng)的信息，實現(xiàn)不同專業(yè)的信息共享。由于信息共享，所以可以實現(xiàn)系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)聯(lián)動。

    對通信專業(yè)提供的SDH骨干網(wǎng)加入了路由器和網(wǎng)管站，使通信骨干網(wǎng)具有了路由和接入功能，可實現(xiàn)QoS和VLAN，形成了集成系統(tǒng)功能強大的主干網(wǎng)絡(luò)，為實現(xiàn)系統(tǒng)集成奠定了基礎(chǔ)。

8  結(jié)語
    本系統(tǒng)以和利時公司MACS-SCADA大型監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，構(gòu)造了一個基于城域網(wǎng)的自動化體系結(jié)構(gòu)。方案的提出和實施克服原先的自動化孤島，由于在必要的信息上各專業(yè)實現(xiàn)共享，因而各專業(yè)可以在更短的時間內(nèi)，更準(zhǔn)確的協(xié)調(diào)動作，從而為城市軌道交通的安全高效運營提供更好的保障的同時，降低硬件重復(fù)投資和隨后的運行維護成本，也為軌道交通今后提高運營信息化水平提供基礎(chǔ)。

    大型綜合監(jiān)控自動化軟件完全具有自主版權(quán)，項目的實施將極大的推進軌道交通綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)國產(chǎn)化進程。該軟件在城市軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域中可以替代進口，打破國外產(chǎn)品壟斷，經(jīng)濟效益十分明顯。系統(tǒng)為適應(yīng)地理上分散的、高性能、面向系統(tǒng)集成應(yīng)用的實時分布式綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺。具有很強的集成能力和二次開發(fā)能力，通過定制開發(fā)可應(yīng)用于其他如公路交通、輸氣管道等大型工程的自動化監(jiān)控。