轨道交通车载综合监控系统设计

蒋卫中

(国电南瑞科技股份有限公司 南京 210061)

计算机、通信、自动控制等技术的不断发展及在轨道交通领域的广泛深入应用，城市轨道交通列车运行控制系统从最初基本的自动监督和防护功能，到提供部分的自动控制功能，最终完全替代列车驾驶员的职能，实现无人驾驶。目前，在很多国内外城市规划、建设及既有轨道交通线路改造中，有相当部分采用无人驾驶系统。

全自动无人驾驶系统作为先进的城市公共交通系统，代表了城市轨道交通领域的发展方向，它要求系统具有高度的可靠性、可用性、可维护性和安全性，具有完善的控制功能，具备快速、准确的故障检测与排除功能。控制中心直接面向乘客、直接服务乘客，可指导乘客处理紧急事务;通信系统具备高度可靠的、大容量的实时传输功能，可实现列车与控制中心的实时联系，提供视频信息，并具有较为完善的维护辅助功能。

1 综合监控系统概述

综合监控系统(integrated supervisory control system，ISCS)对于实现无人驾驶至关重要，它直接服务于运营管理及非常事件的处理，起着重要的作用。ISCS通过机电系统的集成及互联，构成ISCS的集成方案。从传统系统的各个子系统独立分散监控，到为集成的机电系统进行综合监控，并与车辆、信号系统协调配合，这是技术的飞跃。上海轨道交通10号线综合监控系统采用完全分布式体系结构，由车站综合监控系统、车载综合监控系统、控制中心综合监控系统、备用中心综合监控系统等组成;每个节点都是一套独立的小综合监控系统，能自治独立运行，相互共享数据，协调工作，共同构成一个大综合监控系统，如图1所示。

图1 综合监控系统总体结构

上海轨道交通10号线综合监控集成了电力监控、设备监控、闭路电视监控、广播、乘客信息、门禁、维修支持、车载综合监控等系统，以及互联火灾报警，列车自动监控、自动售检票和屏蔽门等系统，可实现对全线各车站和区间内设备及其相关系统的全面集中监视、报警、遥控、时间同步、信息汇总、报表、网络管理等功能。根据无人驾驶的特殊功能要求，10号线在常规ISCS的要求上增加了车载综合监控(TISCS)的集成，确保在全自动无人驾驶运营时，实现地面对列车的乘客保护、车载信息通信及乘客监控，这在国内尚属首次。

2 车载综合监控系统的组成及原理

为实现对列车的乘客保护、车载信息通信及乘客监控功能，上海轨道交通10号线车载综合监控系统囊括了车载闭路电视监控系统(TCCTV)及车载乘客信息系统(TPIS)，由车载综合监控服务器统一管理，见图2。

图2 车载综合监控系统组成

车载综合监控系统由车载摄像机、视频编码器、工业以太网交换机、车载网路录像机、TISCS服务器(兼车载视频服务器)、司机室液晶触摸显示屏等设备组成。

TISCS服务器是车载综合监控系统的核心设备，由车头、车尾两台同时工作的冗余热备服务器组成。TISCS的两台车载服务器通过其自身的10/100 Mbit/s自适应以太网端口与车载局域网连接，通过车载局域网保持工作、信息同步。在系统运行时，两台服务器均处于工作状态，但其中一台为主TISCS服务器，另外一台为从TISCS服务器，主服务器和从服务器之间通过“心跳”连接机制，保持同步、“握手”和数据交换。

在正常情况下，只有主服务器可以被其他系统访问，接受或拒绝与TCCTV、TPIS连接及信息交换。当主服务器发生故障、不能与从服务器维持心跳连接时，从服务器会接管TISCS的控制权，并打开服务端口供其他系统连接。当主服务器恢复到正常工作状态并能够维持心跳检测时，从服务器就交还控制权，并关闭服务端口。当TPIS与车载综合监控系统建立连接时，主TISCS服务器打开TPIS的服务端口，从TISCS服务器关闭TPIS的服务端口。当主TISCS服务器故障、TISCS需要切换时，从TISCS服务器会打开TPIS的连接端口。此时，当TPIS发现无法连接到主TISCS服务器时，也会尝试连接从TISCS服务器。同时，TPIS的切换不影响TISCS。另外，TCCTV系统与车载综合监控系统建立连接的工作方式与此类似。

TISCS服务器提供车载综合监控系统与其他相关系统的接口，包括车辆管理系统TMS、无线集群系统Tetra、无线宽带系统WRF及控制中心信息接入等。

对于TMS，TISCS服务器同时响应TMS的请求，并由主服务器来处理，从服务器会根据其同步来的设备状态应答TMS。从TISCS服务器会将所有来自于TMS的请求转发到主服务器，进行相应的处理。当TMS与TISCS主服务器发生通信故障时，TISCS从服务器将接管对TMS的链接控制权，并发送带主标志位的数据给TMS。当TISCS发生切换时，对TMS没有影响。

对于TETRA系统，TISCS服务器同时响应TETRA系统的请求，从TISCS服务器会将所有来自于TETRA的请求转发到主服务器进行处理。当TETRA系统发生切换时，对TISCS没有影响。

当TISCS发生切换时，TISCS发送TISCS与TETRA系统的通信故障信息给TMS。

3 系统的功能实现与软件设计

TISCS具备管理控制、监控、联动等相关功能。

3.1 管理功能

TISCS具备对TCCTV及TPIS的管理功能。

1)能够在控制中心的控制下，调用TCCTV的任意一路或多路图像，并通过WRF系统，将实时图像码流发送到监控中心。

2)能够实时接收由TMS和Tetra传送过来的实时TPIS信息，并将相关的实时TPIS信息发送给TPIS，实现相关信息在车载LCD屏上的显示。

3)能够接收TMS时钟信息，进行TCCTV系统与TPIS的时钟同步。

3.2 监控功能

TISCS具备对自身系统、TCCTV、TPIS的监控功能。

1)显示主从TISCS服务器的状态、主从TISCS服务器的同步异常等相关信息。

2)显示TCCTV系统中的视频服务器状态、视频编码器状态、车载摄像机状态、车载交换机状态。

3)显示TPIS中车载服务器、车载控制器等的状态。

4)TISCS实时汇总各种故障信息，汇报到TMS。

5)TISCS也会将所有故障信息通过WRF系统，传送给中心ISCS。

3.3 联动功能

1)列车客室车门紧急拉手动作/复位、盖子动作/复位时，通过TMS将车门的位置信息和联动控制信息发送给车载TISCS服务器，报警信息和相关位置的摄像头信息将由TISCS服务器通知到地面控制中心，由控制中心来调度、调用和显示。

2)列车两端紧急疏散安全门手动装置或盖子移动/复位，通过TMS将相关位置信息和联动控制信息发送给车载TISCS服务控制器，报警信息和相关位置的摄像头信息将由TISCS服务器通知到控制中心，由控制中心来调度、调用和显示。

3)车载火灾报警信息通过TMS发送给车载TISCS控制器，相关位置的摄像头图像将由TISCS服务控制器发送给控制中心。

4)列车上乘客紧急对讲(IPH)的信息通过TMS发送给车载TISCS控制器，报警信息和相关位置的摄像头信息将由TISCS服务器通知到控制中心，由控制中心来调度、调用和显示。

5)TISCS接收列车TMS提供的列车运营信息，并传给TPIS。

6)当控制中心调用TCCTV系统的车头车尾摄像机图像时，TISCS将通知TMS将车头车尾泛光灯打开。

3.4 软件功能模块设计

TISCS系统的软件结构及组成模块如图3所示。

图3 车载综合监控系统软件结构

TCCTV系统接入模块用于和TCCTV系统进行对接，具有调用多路图像、状态监控等功能;TPIS接入模块用于和TPIS进行对接，将相关的实时TPIS信息发送给TPIS，实现相关信息车载LCD屏上的显示;TETRA系统接入模块用于接收TETRA的TPIS命令;WRF系统接入模块用于和WRF系统进行对接，实现和监控中心的连接;TMS接入模块用于和TMS进行对接，实现对TISCS的集中控制功能;TCCTV配置管理模块用于实现TCCTV系统的硬件管理和参数配置;TCCTV实时图像控制模块负责对TCCTV的实时图像进行控制和传输，并在液晶触摸屏上提供实时图像监控等功能;系统监控和联动模块主要负责对系统的状态进行监控，并对相关事件进行联动处理;同步管理模块负责和另一台TISCS服务器进行双向数据同步和信息处理。

3.5 数据流

在地面控制中心的操作下，控制中心的命令通过WRF无线传输系统送至车载TISCS实时图像控制模块，该模块将列车任意一路或多路图像通过WRF系统，将实时图像发送到监控中心。TPIS信息系统接入模块实时接收地面控制中心通过WRF系统传送的TPIS信息，将相关的实时TPIS信息发送给TPIS，实现相关信息在车载LCD屏上的显示。车载综合监控系统的系统监控和联动模块监控主从TISCS服务器的状态与同步异常等信息，并汇报给列车上的TMS。同时，车载综合监控系统的系统监控和联动模块还负责监控TCCTV系统中视频服务器、视频编码器、车载摄像机、车载交换机的状态以及TPIS中车载服务器、车载控制器等的状态，并汇报给列车上的TMS。

4 结语

目前，我国城市轨道交通的车载信息及监控系统、综合监控系统尚处于刚刚起步或初始应用阶段。通过上海轨道交通10号线车载综合监控系统的建设，地面控制中心能够实时掌握列车乘客的相关信息，在发生意外时能及时做出响应，保护乘客。车载综合监控系统是无人驾驶模式下一个非常重要的系统，也是未来轨道交通自动化系统建设的一个重点。

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