城市轨道交通综合监控系统集成测试平台的设计与实现＊

钱存元 王露秋 忻鸣祥 孙 煜

（1.同济大学铁道与城市轨道交通研究院，201804，上海；2.上海申通地铁集团有限公司技术中心，201103，上海∥第一作者，副教授）

城市轨道交通综合监控系统将各个分散独立的子系统集成于一体，在突发情况下，能够在有限时间内通过接口将信息传递给控制台，各系统能触发联动效应，从而增强各系统间的协调和配合能力，将灾害损失降到最低。然而，城市轨道交通综合监控系统技术的研究与应用目前尚处于起步阶段，相关的设计、施工及运营管理缺乏统一的技术规范和执行标准，也没有权威的第三方测评机构，给设计院和建设单位的选型带来了困难。此外，综合监控系统涉及城市轨道交通全部机电设备及其系统，接口数量繁多，接口方式各异，任何接口协调上的问题都可能导致工程进度的拖延。

鉴于此，以同济大学轨道交通综合试验线（以下简为“试验线”）为依托，构建了一个包括火灾报警系统（FAS）、环境与机电设备监控系统（BAS）、闭路电视监控（CCTV）、广播（PA）、屏蔽门（PSD）等子系统在内的城市轨道交通综合监控系统集成测试平台，以期以第三方的身份，对国内城市轨道交通系统集成商的综合监控系统功能和性能提供测试验证的技术服务，促进我国城市轨道交通综合监控系统的规范和健康发展。

1 综合监控系统集成测试平台的结构

1.1 集成测试平台的设计原则

根据试验线分期建设的特点，综合监控系统集成测试平台的设计遵循如下原则：

（1）按照总体规划、分步实施的原则，首期建设示范性的城市轨道交通综合监控系统集成测试平台，预留后期扩展的接口条件；

（2）综合监控系统的结构应同时满足示范演示功能要求和接口测试功能要求；

（3）综合监控系统至少能提供PSCADA（电力监控）、BAS、FAS、PSD、PA、CCTV等系统的实际操作模拟，能提供行车监控有关的联动运行模拟；

（4）综合监控系统的设计以简单实用为指导思想，并体现一定的先进性；

（5）综合监控系统的设备构成应尽量采用模块化，以便于今后扩展或重新组合。

1.2 综合监控系统的集成方式

城市轨道交通综合监控系统的集成方式一般分为集中式和分层式。

集中式又称为顶层集成模式，如图1所示。数据库位于中央，车站级控制中心通过前端处理器收集各系统的运行状态信息，汇总后上传到中央级控制中心；中央控制系统通过分析处理这些信息，产生相应的控制信号，通过网关及接口发送到车站级控制中心，由车站级控制中心转发到各个就地系统。该集成方式的特点是：各子系统可以独立工作；所有数据均由中央级服务器处理，保证各车站级接收到的同类型数据的一致性。但由于城市轨道交通的数据信息量十分大，集中式对传输的带宽、数据库容量和计算机处理数据能力等的要求较高，成本也较高。除此之外，各站级子系统之间的通信需要另外组网而不通过骨干网，会造成一定的资源浪费；同时，各子系统的接口较多且不统一，运行联动较为复杂。

图1 集中式综合监控系统集成模式示意图

分层式又称深度集成模式，如图2所示。服务器数据库不仅置于中央级控制中心，各车站级控制中心也配备，形成一个冗余结构；中央级监控系统通过车站局域网直接获取就地集成系统的信息；互联系统仍通过前端处理器接入车站级局域网，由车站级监控系统进行筛选后上传到中央级监控系统；中央级监控系统接收信息并存储到数据库，以便随时调用。这样的模式简化了网络的结构层次，且相关子系统能充分利用骨干网的带宽进行异地通信。在遇到突发情况时，中央级控制中心将权力下放到车站级控制中心，车站级监控系统可以根据自身数据库所做的记录采取相应措施。该集成模式不仅提高了控制中心的处理速率，也降低了设备成本。

1.3 集成测试平台的结构

基于集成测试平台的设计原则，试验线综合监控系统集成测试平台采用分层分布式网络结构：顶层为OCC（运营控制中心）控制层，第二层为车站级控制层，第三层为各子系统的基础自动化层网络和设备。综合考虑试验环境及建设条件等因素，对集成测试平台的控制中心系统与车站系统进行融合，简化了控制中心的网络结构；控制中心的操作调度与车站值班员复用一套工作站，控制中心的数据处理与车站数据处理复用一套服务器。考虑到系统测试的要求，集成测试平台由设置在中央控制室的操作调度系统和设置在设备机房的车站级综合监控系统构成，采用冗余网络结构。其中，车站级综合监控系统包括FAS、BAS、PSD、CCTV、PA等子系统。集成测试平台结构如图3所示。

通信骨干网络由2套冗余配置的100M／1000 M工业级以太网交换机及配线构成，具有较高的可靠性。中央级／车站级综合监控系统由2套前端处理器、数据服务器、操作员工作站、综合显示屏、打印机、综合后备盘（IBP）等设备构成。其中，1套前端处理器用于综合监控平台各集成子系统的接入，另1套前端处理器为新的子系统接入预留接口，用于进行接口测试。

图2 分层式综合监控系统集成模式示意图

图3 综合监控系统集成测试平台结构图

中央级／车站级综合监控系统的数据服务器和操作员工作站分别配置综合监控系统软件，数据服务器采用Unix操作系统，工作站Windows操作系统。前端处理器采用嵌入式Linux操作系统，配置通信管理软件，完成与集成子系统／被测试系统之间的接口数据交互。

2 集成测试平台的功能

2.1 综合监控系统的示范功能

试验线综合监控集成测试平台具有一般综合监控系统的通用功能，包括：

（1）单点和顺序控制。单点控制包括对单个设备对象的控制；顺序控制是将多个单点控制组成一个系列控制，简化操作员的工作。

（2）闭锁控制。在控制命令发出前所进行的检查，用于核查控制条件是否满足，以确定此次控制命令被执行或被取消，防止误操作。

（3）预案。具有预案的建立、调用、修改和查询等功能，且预案执行过程中能自动生成操作记录。

（4）报警管理。当系统检测到异常情况时，可通过声光报警设备及桌面弹出式告示窗口向相关的调度员或值班员发出分级预警信息，并根据需要提出相应的处理预案。

（5）权限管理。登录系统时，操作人员需要提供相应的账号和密码，以保证综合监控系统的安全控制和安全审计功能。

（6）自检和自恢复。在系统启动时，各服务器和工作站均进行自检，若自检出错，在对应的显示器上给予提示。在系统运行过程中，对软件和硬件设备的状态进行实时检测；出现故障时，实现热备设备的自动切换（包括主备通道的相互切换）；当软件因某些原因处于死机状态时，能自动恢复系统运行。

（7）时钟同步。通过网络NTP（Network Time Protocol）方式与时间服务器对时同步，使综合监控系统各车站设备与中央服务器进行软件对时同步。

此外，系统还具备数据采集与处理、数据库管理、时间表调度、日志管理、打印及画面拷贝、人机界面操作和联动等功能。

2.2 综合监控系统的测试功能

由于具备开放性的接口，集成测试平台可以为综合监控系统集成商或设备制造商提供第三方的接口测试。根据GB／T 50732—2011《城市轨道交通综合监控系统工程施工与质量验收规范》，综合监控系统的测试主要分为系统硬件检查、软件配置与信息通信测试、系统功能测试、系统安全性与可靠性测试等四大部分。

（1）系统硬件检查：主要检查系统各控制柜硬件设备及元件的规格、数量、外观是否符合要求，安装位置是否与图纸相符，电源系统中各回路的绝缘性能、供电电源是否满足各设备要求，熔断器的熔芯是否安装，箱柜内接线及箱柜与被监控设备的接线线缆标志是否正确，接地与防雷是否符合要求等。

（2）软件配置与信息通信测试：主要检测软件配置是否正确，PLC（可编程逻辑控制器）版本及其软件是否符合运行环境，设备的软件配置、网络地址设置和预置参数是否符合设计要求。为了减小网络负荷，增加网络的稳定性，保证数据传输的可靠性及控制响应的实时性，需要合理设置网络参数。此外，还要检查各CPU（中央处理单元）、控制网卡及输入输出模块配置是否正确。

（3）系统功能测试：主要针对环境与设备监控功能和火灾自动报警功能两大部分进行检测。功能测试的内容主要包括：各调度工作站和综合显示屏的人机界面是否能够显示全线所需监控对象的状态参数及监控系统总画面和设备运行工况图画面，各系统间是否能够按照联动触发条件实现设备联动；是否能监控本试验线范围内的环境与机电设备、防灾设备运行情况，是否能对其子系统和互联系统监控画面进行选择和分屏显示，在设定的权限范围内能否遥控遥调各设备；对于互联系统（主要是指PA系统、CCTV系统、信号系统等），主要检查通信链路的状态及发送信息的正确性。另外，信息是否能够记录显示打印备份也是功能测试的一项内容。

（4）系统安全性与可靠性测试：系统安全性测试包括交换机环网单点断开时系统是否正常运行、单个模块或接口故障时的影响区及相关信息、系统电力回复后是否能够自动重启并正常运行等。可靠性测试主要是在一段时间内（通常选24h、48h或72h）对系统进行不间断运行测试。实时可靠的报警系统可及时发现故障，减少系统故障时间，因此要确保三级系统均具备在发生问题时及时触动报警和保护复归的能力。

3 结语

试验线综合监控系统集成测试平台的建设与运用，一方面可针对工程项目中突出的接口管理难题，为系统集成商或设备制造商提供第三方的接口测试和认证服务，规范系统接口标准，为我国城市轨道交通建设又好又快发展提供技术层面的基础保障；另一方面也必将促进同济大学“洁净能源地面交通工具”学科群的发展，从而进一步提高同济大学在城市轨道交通领域的影响力。

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