城市轨道交通综合自动化系统的研究与示范应用.pdf

1、城市轨道交通综合自动化系统的研究与示范应用 李天辉 摘 要： 本文 通过分析城市轨道交通综合自动化系统的需求和研究背景，详细介绍了该系统的典型构成、 总体思 路和相 应的技 术方案 。最后 作者给 出了示 范应用 案例所 取得的 具体成 果，表 明国产 城市轨 道交 通 综 合自动化系统已替代进口，打破国外产品垄断，具有良好的市场推广前景。 关键词 ： 城 市轨道交通、综合自动化系统 1 背景 进入新世纪以来， 随着国民经济发展， 我国城市化的进程大大加快， 城市人口急剧膨胀 ， 大城市的客运量迅速膨胀， 轨道交通以其安全、 正点、 大容 量、 高效率等诸多优点被公认为 解决城市拥堵的最佳途径

2、。 随着我国国民经济的发展， 已经进入到城市轨道交通的大发展时 期，2011 年 我国已建成地铁 480 公里 ，2020 年 总里程将达 6100 公里。北 京、上海、天津、 武汉、 大连、 南京、 重 庆、 青岛、 沈阳、 哈尔滨、 杭州、 苏州、 成都、 西安、 长 春等以及以 广州和深圳为中心的珠江三角洲、 长江三角洲地区都已经或将要陆续开工几十条地铁、 轻轨 线。 到时候城市内甚至城市与城市之间， 将组建成为一个庞大的地铁、 轻轨网络。 在这样一 个轨道交通大发展的背景下， 推动了各种新技术， 特别是自动化技术与信息技术在轨道交通 中的应用融合， 有利于建成从运营自动化、 单线路运营

3、到线网运营管理及决策的完整的城市 轨道交通综合自动化集成系统， 符合城市轨道交通 “人文交通、 科技交通、 绿色交通” 的 战 略发展要求。 城市轨道交通是以人员运输为根本目标的多系统的综合体。 我国以往的城市轨道交通自 动化系统， 不同的专业， 如电力、 环 境和防灾监控等， 都分别采用厂家提供的自动化控制系 统， 这些分立的专业子系统形成了一个个互不相连的自动化孤岛， 即使有简单的数据交换也 是建立在弱集成的水平上。 这种分立的系统难于实现信息互通、 资源共享、 以及地铁运营的 协调统一管理， 不同厂家的多种设备、 软件的存在也给运营维护带来困难。 城市轨道交通综 合自动化系统 （Inte

4、grated Supervisory Control System，简 称 ISCS ） 是指对城市轨道交通线路 中众多厂 家 的供电系 统 、机电系 统 、乘客信 息 向导系统 、 自动售检 票 系统、 、信 号 系统、通 信系统、 火灾自动报警系统、 屏蔽门系统、 视频系统等大小二十多个系统进行集成， 实现信 息共享， 使地铁各类设备系统安全、 高效、 协调、 稳定、 可靠地运转起来。 作为通用 SCADA （Supervisory Control And Data Acquisition ， 即数据采 集与监视控制系统） 系统在城市轨道交 通行业的具体应用， 综合自动化系统用系统化方法将

5、各分散的自动化系统联结为一个有机的 整体，实现轨道交通各专业系统之间的信息互通、资源共享，提高各系统的协调配合能力， 高效地实现系统间的联动， 提高了轨道交通的整体自动化水平， 增强应对各种突发事件的应 变能力， 提高轨道交通的运营管理水平， 提高轨道交通服务质量和服务水平， 更好地为广大 乘客服务， 为建设数字化轨道交通打好基础， 有利于改进轨道交通资源管理水平， 提高经济 效益。 2 总体思路 城市轨道交通综合自动化系统一般以电力监控、 环境与设备监控为核心进行集成； 通过 与屏蔽门、 广播、 闭路电视等系统进行界面集成， 显示其系统信息的同时， 具备对其底层设 备的控制功能； 另外， 还

6、 与列车自动监控系统、 时钟系统、 火灾防护系统、 乘客信息系统等 系统进行互联， 只接收相关信息， 在必要的情况下， 由人机界面推出窗口进行显示， 而不进行控制。典型的综合自动化系统构成如下图 1 所示，包括控制中心系统、各车站管理系统、 停车场和车辆段监控系统、网络管理系统、设备管理系统以及培训管理系统等组成。 综合自动化系统采用主备、 冗余、 分 层、 分布式结构， 分为车站级综合自动化系统、 中 心级综合自动化系统以及骨干网三层， 实现为热备、 冗余、 开放、 可靠、 易扩展的计算机系 统。系统提供的主要功能有： （1 ）ISCS 基本功能： 包括数据采集与处理、 数据点管理、 通用图

7、形界面、 监视、 远程 控制和操作、 联动、 报警和事件列表、 雪崩过滤、 时间同步、 系统安全与权限管理、 统计和 报表、 历史数据存档和查询、 历史和实时趋势记录、 冗余设备切换、 系统备份和恢复、 降 级 模式； （2 ）电力监 控功能： 监视电力设备的运行状态，如开关位置、故障状态、电压、电流等； 通过单控、 顺控命令对开关设备（ 例如 750V 、10KV 开关设 备）进行分 、 合 操 作； 对开关保护装置进行保护复归操作； 根据系统运行方式的需要，对供电系统设备的保护软压板进行投退操作； SOE 事件记录、故障录波显示 （3 ）环境与 设备监控功能 远程控制功 能。可对单 个设备

8、或成 组设备进行 单设备控制 或系统组控 ，其中控 制命令包括： 风机的启动、 停止控制； 风阀开、 关控制； 照明回路合、 分控制； 电扶梯的启、停和方向控制；系统组控启动、停止控制等。 模式控制。 模式控制属 于一种特定 的设备组控 制，与基本 的遥控功能 相同。当 发生阻塞或 紧急状况时 ，通过模式 的执行使设 备按照预先 定义的模式 表按顺序 启动响应的风机和风阀。 例如： 正常模式、 阻塞模式、 火灾模式、 夜间模式等。 时间表控制 。系统能够 按照预先设 定的时间表 的控制内容 ，控制相应 设备启动 或停止。 （4 ）火灾 监 控：监 视火 灾设备 的状 态信息 及火 灾报警 信息

9、 ；必要 时进 行相关 系统 的联 动，使相关系统进入火灾模式。 （5 ） 其它集成互联系统功能， 如行车监视、 广播、 乘客信息专用功能， 以及网络管理 、 培训开发、设备管理、决策支持等专业化应用功能。 中心调度工作站 维护工作站 接口管理系统 黑白打印机 彩色打印机 教师工作站 TMS打印机 NMS工作 站 NMS服务器 学员工作站 （1n台） OCC 局域网 交换机 局域网 交换机 局域网交 换机 TMS服务器 接口管理系统 打印机 局域网交换机 车站工作站 车站1N ATS AFC PIS CCTV PA UPS CLK 其他 PSCADA FAS 风机 其他 BAS 通信系统 打印

10、机 车辆段服务器 局域网交换机 车辆段工作站 车辆段 车站服务器 冗余FEP 电梯 其他 扶梯 中心数据服务器 中心交换机 中心实时服务器 大屏幕显示 工作站 冗余FEP 车辆段工作 站 冗余PLC 接口管理系统 PSCADA FAS 风机 其他 BAS 通信系统 冗余 FEP 电梯 其他 扶梯 冗余PLC 光纤 局域网 硬线 串口 路由器 模拟仿真设备 FEP 视频输出 视频输出 骨干网 远程 I/O 远程 I/O图 1 典型综 合自动化系统的构成 城市轨道交通综合自动化系统采用分层设计思想， 分为设备层、 平台层、 应用层和显示 层： （1 ）设备层 由该系统的主要硬件设备组成， 包括了综

11、合自动化设备、 数据接入设备、 数据服务等设 备。 （2 ）平台层 平台层主要由数据接入平台和数据服务平台组成。 数据接入平台主要用于被监控设备的 数据采集和协议转换，主要由中心和车站的网关计算机完成。数据服务平台用于实时数据、 历史数据、 行车数据、 报警等数据的存储和管理， 主要由中心、 车站服务器构成。 综合自 动 化系统各应用模块之间的信息基于统一数据库， 可实现最大限度的信息共享以及供电、 环控 等专业子系统的深度集成。 （3 ）应用层 通过利用共享数据服务平台中的行车信息及机电等设备运行状态和数据， 实现低碳、 节 能的优化算法， 并由该模块来统一控制实现轨道交通及相关系统的联动、

12、 节能优化、 应急管 理等功能。 （4 ）显示层 用于处理人机接口， 主要由调度员操作站构成， 通过从中心、 车站服务器获取数据， 在 操作站上显示人机界面， 完成各种监控操作。 显示层为操作员提供统一风格的人机界面， 能够针对不同工种， 定制不同的显示功能， 使得作业标准化， 处理的信息更快更准更到位， 减 轻运营人员的劳动强度。 城市轨道交通综合自动化系统研发的核心内容是实现一个具有积木结构的、 开放的自动 化监控系统软件， 采用 “平台+ 应用+ 工程”3 级 的分级、 多平台支撑设计模式。 平台级是开 发一个经 过 高度功能 抽 象的通用 自 动化监控 系 统软件基 础 平台，实 现

13、同类软件/ 系 统所必须 的各种底层设施，包括分布式架构、实时数据库、通用 HMI 、命令系统、报警/ 事件系统、 日志系统、 历史数据库、 权限管理、 部件冗余和诊断、 校时等， 以及支持后续开发的扩展机 制，包括 一 组应用开 发 工具和一 套 基于相关 标 准的集成/ 互 联接口； 应 用级是根 据 地铁各专 业的应用特点、 相关规范和标准， 运用基础平台提供的工具， 开发各专业可复用的应用功能 软件包； 工程级是在项目实施阶段， 依据具体用户的要求， 在前两级平台的基础上定制开发 特定的应用功能、实现接口互操作以及配置目标系统。 系统研发采用面向对象设计方法， 分层抽象使各种系统功能得

14、到适当的、 最大化的复用， 提高最终目标系统的稳定性和项目实施的效率。 系统通过采用构件技术， 构造了一个面向多 服务器的、开放的、可配置和可伸缩的系统平台。该系统具备以下特征： （1 ）可伸 缩 性。是 指系 统的规 模可 以扩展 ，从 单机到 大规 模的广 域系 统。规 模的 扩展 是通过追加硬件配置，而不是预留计算能力来达到的，并且这种扩展是在线的； （2 ）可扩 展 性。是 指系 统具备 开放 性接口 ，符 合可持 续发 展策略 ，可 以扩展 新的 功能 和新接口； 可订制用户数据、 操作界面、 统计分析； 具有对不同子系统厂商产品的集成能力 （协议、数据、工作模式等） ；对地 铁扩站

15、、扩线、线网的发展需求具有极强的适应能力； （3 ）高可用 性。是指系统具备自律分散和故障下快速重构的能力； （4 ）松耦 合 。是指 系统 部件之 间的 连接是 动态 确定的 ，而 不是预 先固 化的， 重要 的是 系统部件的服务化，连接通过服务发现来建立； （5 ）访问 安 全。是 指对 开发的 应用 程序， 以及 应用程 序运 行的环 境提 供保护 ，防 治信 息安全方面的漏洞导致系统安全问题； （6 ） 管控一体化。 是指不单是一个采集系统或监控/ 调度系统， 同时也是一个信息系统， 原始信息经过一定加工以层次化的形式展现给操作员和管理信息系统; （7 ）分布式 数据处理； （8 ）大

16、容量 的实时数据库和历史数据库； （9 ）具有 成 熟、稳 定的 软件系 统内 核框架 ，并 允许在 此基 础上完 成定 制功能 组件 的模 块化扩展。 3 技术方案 整个系统研发主要的工作内容包括： （1 ）系统需 求和总体架构的研究； （2 ）系统软 件平台的开发 数据接口： 开发与信号、 供电、 机电 、 通信、PIS 、AFC 等设备系统的数据接口 协议，实现双向实时通讯； 实时数据库 ：开发大容 量对象化实 时数据库， 提供实时数 据服务，支 持多机集 群、异地灾备、分期分段施工无扰扩展功能； 历史数据库 ：开发大容 量历史数据 库，提供历 史数据服务 ，支持双机 冗余、异 地灾备、

17、分期分段施工无扰扩展功能，并支持磁盘阵列和长期数据备份； 报警服务：开发报警生成和管理系统，提供报警服务； 日志服务： 开发日志管理系统， 收集管理系统产生的事件信息， 提供日志服务； 设备数据服 务：开发设 备管理数据 库，收集管 理设备数据 ，提供设备 信息数据 服务； 视频数据服务：开发视频流数据服务系统，提供视频集成服务。 （3 ）地铁主 要专业的应用软件包 人机操作界 面：设计人 机界面体系 ，实现操作 工位和大屏 幕的各种动 态监控画 面显示和操作交互功能； 设备控制： 设计并实现 全线设备的 单控、组控 、顺控、时 间表、模式 、多系统 联动等逻辑控制功能； 设备管理： 设计并实

18、现 全线设备运 行数据管理 、维修管理 、缺陷和故 障管理、 备件管理等功能； 决策支持和 优化控制： 采用先进的 信息技术和 交通管理技 术，基于实 时运营数 据，采用优化控制技术，提供决策支持信息，提升运营效率，降低能源消耗。 （4 ）设备集 成模型和接口设计规范 （5 ）应用开 发和系统构成规范 城市轨道交通综合自动化系统采用热备、冗余、开放、可靠、易扩展的原则进行设计。 分层、 分布式设计， 软件功能可以在硬件上灵活配置。 服务器端部署公共服务模块和各种应 用模块， 用于实时数据和历史数据； 客户端部署人机界面等模块， 用于调度员进行监视和操 作；所有的机器上都运行系统管理模块，进行系

19、统的协调和管理。该系统遵循开放的原则， 如标准的硬件设备和模块化软件，便于系统扩展，采用标准的 TCP/IP 协议，便于进行统一 的网络管理。 采用开放系统标准设计和实施， 确保与其他软件模块的互操作性， 并且易于集 成其它的系统。系统研发采用以下关键技术： （1 ）开放 的 软件体 系结 构设计 。大 型系统 集成 项目的 特点 要求供 货商 提供的 软件 具备 多种系统体系结构的适应性和应用扩展性。 研发项目中采用组件技术、 中间件技术和面向对 象技术的有机结合， 实现系统内不同应用组件之间的相互操作和无缝连接； 采用面向对象技 术和 XML 等 技术的结合， 实现实时数据库的开放； 采用

20、驱动器- 适配器模型实现系统对外 接 口的开放。 （2 ）模块 化 结构。 系统 软件采 用模 块化设 计思 想，由 配置 总控、 类编 辑器、 实例 编辑 器、 图形编 辑器、 设备 组态工具、 命名服务、 数据管道、 对象数据库、 历史数据 库、 报 警 事 件服务、 日 志服务、 权 限服务、 人 机界面 HMI、在线下 装 、校时、 接 口模块、 报 表服务 等 模块组成。 （3 ）面向 对 象的实 时数 据库。 传统 的监控 系统 包括商 品化 组态软 件， 其实时 数据 库多 数不具备结构开放能力， 使得应用功能的开发或复用受到局限。 研发的数据库具有面向对象、 分布式、 实时、

21、事件驱动和内存数据库的特征。 支持对象持久化服务， 支持重要的面向对象 设计概念， 如封装、 对象标识、 对象关系、 继承和多态等， 支持多对象复合行为。 具备基本 的数据库操作， 如对象创建、 修改和删除等。 提供通用的数据查询接口和对象暴露的操作接 口。 （4 ）分布 式 通讯技 术。 综合自 动化 系统本 质上 是一个 大型 分层分 布式 系统， 应用 表现 在局域网和广域骨干网上， 通讯协议包括标准 TCP/IP 、 专用协议等， 系统结构包括点对点、 客户/ 服务 器 等，通讯 方 式表现有 同 步、异步 、 主被动结 合 等。系统 采 用符合工 业 标准的、 开放的 CORBA （

22、Common Object Request Broker Architecture ，公 共对象请求代理体系结构） 中间件作 为 系统软件 体 系的通讯 “ 软总线” ， 使 得各层之 间 、各子系 统 之间的接 口 便利和通 用。 系统软件支持多任务、 多用户和实时处理， 提供基于 CORBA 中间件的、 标准的、 先进的客户/ 服务器结构。CORBA 中间件的应用保证了系统内部数据交换的可靠。 （5 ）脚本 集 成技术 。由 于综合 自动 化系统 软件 应用领 域的 特殊性 ，不 同用户 、不 同应 用对监控的要求都会存在差异， 需要系统软件提供一定的高级编程能力。 研发的软件产品通 过集

23、成通用的 VBA 和 Tcl 脚本系统提 供这种能力。 （6 ）跨平 台 技术。 大型 综合自 动化 系统的 用户 都会有 安全 性、稳 定性 、灵活 性、 易维 护、 性价比等多方面考虑。 系统软件通过采用抽象的平台适配器层、 开放的软总线架构和标 准的软件组件， 实现为一个具有可伸缩性的、 跨平台的软件系统， 软件的构成独立于硬件和 操作系统配置， 支持多种硬件结构， 支持多种操作系统 （Windows 、Unix 、Linux ） ， 可按照 项目的具体硬件配置进行工程设计和部署，以满足具体的功能要求。 （7 ）可靠 性 和可用 性保 证技术 。工 业现场 的特 殊性要 求多 种可靠 性

24、保 障技术 。系 统具 有完善的冗余管理机制， 单个模块的故障或部分交叉故障不会导致数据丢失或系统瘫痪。 系 统中的关键组件全部支持冗余配置， 提供多种高可用性机制， 典型包括： 接口冗余， 分布式 体系架构，服务组件冗余，报警、历史数据存储转发，数据热备份等。 （8 ）基于开 放 GUI 和人 机工程学的 HMI 技术。 由于综合自动化系统用户的计算机应 用能力存在差异， 同时不同用户也存在不同的专业规范、 使用习惯等， 方便易学、 符合大规 模实时监控特点和一定行业标准的图形界面和人机交互设计是极为必要的。 （9 ）多媒 体 技术。 大型 系统需 要结 合动画 、声 光、图 形图 象以及

25、大屏 幕投影 等多 媒体 技术的综合运用，实时、真实、有效地反映现场被控设备的状态和信息综合加工的要求。 （10 ） 接口技 术。 综合自动化系统需要与多种外部设备和外部系统实现在各个层面上的 互操作， 因此系统软件必须保证各部分软件接口和通信协议的规范性， 通过开放的标准协议 （如Modbus TCP/IP 、IEC104 、OPC 、ODBC 等）的使用，实现系统与外部设备和外部系 统之间的接口，并提供统一的开发模板和应用接口以支持专用通讯接口的接入。 4 示范应用 目前， 国产城市轨道交通综合自动化系统已替代进口， 打破国外产品垄断， 已经或正在 多个地铁项目中获得应用， 包括北京亦庄地

26、铁、 深圳地铁二号线、 北京地铁八号线、 北京地 铁十四号线、香港地铁 XRL 线等。作为国产化系统的示范性应用，北京地铁亦庄线综合自 动化系统应用方案具有以下应用特点： （1 ）采用国 产综合监控软件； （2 ） 率先在国产系统上第一次实现后备中心功能， 并且后备中心和中心可以无扰切换， 便于应对突发事件； （3 ）率先 在 国际上 实现 变电所 自动 化系统 和综 合自动 化系 统采用 同一 软件平 台， 减少 接口调试环节、减少 PSCADA 数据的中间处理环境，有效提高系统的实时性，并且提高了 工程调试效率和便于日后运营维护； （4 ）具备 在 线培训 功能 ，能充 分利 用现场 实时

27、 数据、 历史 事故数 据进 行可定 制化 的培 训； （5 ）具备 设 备维修 提示 、保养 预警 、远程 维护 、维修 管理 等功能 ，并 且实现 了设 备维 护数据流与实时监控数据流的分离，有效的保证了监控系统的实时性和安全性。 北京地铁亦庄线于 2010 年 12 月通车 运营，2 年多 整个综合自动化系统运行效果良好 ， 首次实现了综合自动化系统系统的完全国产化。 5 总结 自动控制系统是轨道交通建设的一个重要环节， 是交通行业重要的技术装备， 在运营中 起神经中枢的作用，在促进节能、环保、提高运力、保证安全等多方面有不可替代的意义。 高端城市轨道交通大型综合自动化系统具有比较高的技

28、术门槛， 国外软件商和集成商的竞争 筹码一直都是这些核心技术问题的处理能力。 我国在大力进行轨道交通建设的同时， 也鼓励 和扶植国产化自动控制系统的产业化和升级改造， 以期在这一重要领域掌握核心技术和打破 垄断。 国产自主综合自动化系统的成功应用和产业化推广， 可为国家节约外汇资金和地铁运营 人力成本费用。 由于采用统一的硬件系统、 软件系统， 有利于实现资源的最大化共享， 可有 效降低建设成本、 维护成本和系统升级改造成本， 按已经投运的北京地铁亦庄线的标准， 综 合自动化系统投运后每年每条线所节省的人力成本大约在 300600 万左 右。 国产城市轨道交 通综合自动化系统的成功研发和示范性

29、应用有助于提高关键设备国产化率， 使我国城市轨道 交通建设的技术水平不断提高， 提高我国在高科技领域参与国际竞争的能力， 促进行业整体 技术进步。 参考资料 1 IEEE C37 1-2007 IEEE Standard for SCADA and Automation Systems 2 GB 50636-2010 城市轨道 交通综合自动化系统工程设计规范 3 张慎明， 王军， 新一代 综合自动化系统若干问题的研究和探讨 ， 现代 城市轨道交 通，2010 年 1 月 4 王婷婷， 汪文功， 现代 城市轨道交通综合自动化系统的设计理念 ， 自 动化技术与 应用，2010 年第 29 卷第 2 期 5 濮卫兴，车兆建， 城市 轨道交通综合自动化系统的 RAMS 管理 ，城市 轨道交通 研究，2011 年第 8 期 作者简介 李天辉（1974- ） ，男，高 级工程师，1999 年毕业于北京理工 大学计算机 与控制学院 ， 专业为控制理论与控制工程，现在主要从事大型 SCADA 系统和 DCS 系统的设计、研发工 作。