城市轨道交通综合监控系统技术创新与实践探索

张鹏雄

(1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

1 概述

城市轨道交通综合监控系统是城市轨道交通的核心控制系统之一。构建以行车指挥为核心的综合监控系统是综合监控系统技术发展方向之一。2018年年底北京地铁6 号线西延工程综合监控系统顺利开通。历时10 余载，6 号线一期、二期、西延综合监控系统先后完成建设，顺利通过北京市交通委组织的开通验收。这是以行车指挥为核心的综合监控系统设计实施的一次成功实践。本文将对该项创新作技术总结，并提出未来发展的思考。

2 北京地铁6号线综合监控系统的设计创新和技术实践

2.1 设计创新的背景

6 号线设计之初的2008 年，综合监控系统主流设计是采用以电调环调为核心的系统设计方案，即综合监控系统深度集成环境与设备监控系统（以下简称BAS）和电力监控系统（以下简称PSCADA）。同时，综合监控系统与闭路电视系统、广播系统、乘客导向系统、自动售检票系统、列车自动监控系统（以下简称ATS）等地铁各个系统进行数据交换。综合监控系统与深度集成系统数据完全融合，与进行数据交换的系统（如ATS）的关系，则只是由综合监控系统向ATS 提供供电接触网带电状态等简单数据。

当时，以电调环调为核心的综合监控系统方案已广泛应用于国内地铁建设。截至2008 年年底，广州地铁、深圳地铁、北京地铁等多条线路综合监控系统采用此方案进行建设并开通运营。城市轨道交通日常运营由供电、机电、车辆、通信信号、乘客向导、自动售检票等多个系统进行支撑。PSCADA、BAS、火灾自动报警系统（以下简称FAS）等系统对供电、机电等大量传统设备管理实现信息化管控。综合监控系统又将各个信息化系统进行整合，实现所监控数据在同一数据库内统一管理；操作、报警、登录等人机交互在同一界面上统一操作。

2.2 设计理念和思路

2008 年年底，北京地铁6 号线一期工程进入初步设计阶段。北京全路通信信号研究设计院集团有限公司与业主单位北京市轨道交通建设管理有限公司，对综合监控系统设计思路和技术路线进行深入探讨后，认为：多系统联动是综合监控系统支撑地铁运营的核心；综合监控系统应实现的核心功能是“联动”。为此，依照地铁运营管理相关规章制度要求，编制了地铁运营场景简图，如图1、2 所示，将地铁运营一天内各种主要状态通过流程图的方式进行展现，主要包括早间开站、正常运营、异常运营、晚间关站等几大环节。

通过对运营规章、场景的分析，认为：地铁运营的本质是运输，运输中包含两大要素“车”与“人”。人是运输的目的、车是运输的载体。信号系统是车辆运转的指挥系统、安全保障系统。信号系统中的ATS 系统是调度人员、车站值班人员掌控车辆运输状态的唯一工具。为实现对地铁运营更加有力的技术支撑，综合监控系统应与ATS 系统实现数据深度融合。

基于以上分析，北京地铁6 号线一期工程综合监控设计团队与信号设计团队开展多次技术研讨，联合提出了构建以行车指挥为核心的综合监控系统设计思路。思路明确后，做出一套全新设计方案。方案保持了原综合监控系统中三级控制、两级管理的基本架构，即中心、车站、现场三级控制，中心、车站两级管理。在基本架构基础上，对于中心级和车站级核心设备的组成与关联进行了创新。中心级核心设备包括两套冗余配置的实时服务器、一套冗余配置的历史服务器（含磁盘阵列）、一套冗余配置的信号专用通信前置机（FEP）、一套冗余配置的综合监控专用FEP、工作站若干；车站级核心设备包括一套冗余配置的车站级服务器、一套冗余配置的信号专用FEP、一套冗余配置的综合监控专用FEP、工作站若干；中心与车站之间采用独立光纤、工业以太网交换机组成的冗余工业以太环网的组网方案。

2.3 方案实施和设计实现

2010 年，北京地铁6 号线一期工程进行信号系统与综合监控系统组团招标，经过激烈竞争，卡斯柯信号有限公司上海总公司与南京南瑞集团有限公司组成的团队中标。回顾整个项目实施过程，上述两家公司组成的实施团队在技术创新、信息支撑、设备完善等各个方面不断探索，为北京地铁6 号线综合监控系统与ATS 系统成功整合、设计目标顺利完成，付出了艰苦努力。在软件系统方面，由于传统综合监控系统平台软件是基于UNIX 系统搭建、传统ATS 软件是基于WINDOWS 系统形成，实施团队进行了卓有成效的核心系统移植、操作界面整合、数据库融合、内部数据总线重新开发等系统性工作。在服务器方面，原设计方案中为保障开通设置了两套冗余配置的实时服务器，实施团队整合形成一套冗余配置的实时服务器。为实现设计，两家企业艰苦革新，分别对自有的成熟的核心技术进行了修改、移植与测试。经过近半年的努力，以行车指挥为核心的综合监控系统通过上线测试。

图1 地铁运营场景简图（一）Fig.1 Diagram of metro operation（1）

2012 年年底，北京地铁6 号线一期以行车指挥为核心的综合监控系统通过北京市交通委组织的验收，开通试运营。截止目前，北京地铁6 号线综合监控系统经历了6 号线二期车站接入、6 号线二期车辆段接入、6 号线控制中心移设、6 号线西延车站接入等多次磨炼，负责了全线34 座地下车站、两座车辆段、一座停车场、52.9 km 线路、每日百万客流、68 列上线客车的运营指挥。据相关统计，北京地铁6 号线综合监控系统的平均无故障时间略高于传统综合监控系统的平均无故障时间。

2.4 简要总结

北京地铁6 号线综合监控系统经历了10 余年的运行。这套以行车指挥为核心的综合监控系统实现了“三个统一”，一是供电系统、机电系统、信号系统实时监控数据、实时报警数据由一个数据库统一管理；二是供电系统、机电系统、信号系统历史数据由一个数据库统一管理；三是全系统人机界面为一个统一界面，进行实现了全系统被监控各系统联动的可配置性。北京地铁6 号线经行车指挥为核心的综合监控系统的成功实施，表明以下几点。

1）综合监控系统与ATS 系统深度融合，在技术上完全可行，在系统自身安全上完全可控。城市轨道交通供电系统、机电系统、通信信号系统由一个技术平台统一管控，实现相互之间联动，其技术方案的可行性、可靠性、安全性均得到了验证。

图2 地铁运营场景简图（二）Fig.2 Diagram of metro operation（2）

2）综合监控系统与ATS 系统深度融合，促进城市轨道交通综合监控集成商在软件开发管控方面创新。由于历史原因，城市轨道交通信号系统集成商的软件管控模式对标的是欧洲安全软件管控模式，执行IRIS 管理体系（即国际铁路工业标准）。通过综合监控与ATS 软件融合，要求城市轨道交通综合监控集成商适应信号集成商软件需要，在软件开发模式、软件验证模式、软件上线模式进行软件开发管控，并进行了SIL2 级的安全完整性等级评估和认证。这对于加强综合监控软件开发的规范性、拓展综合监控软件海外平台市场都具有重要意义。

3）综合监控系统与ATS 系统深度整合，促进城市轨道交通运营管理和建设能力水平提升。自动化系统的运营管理不同于传统基础设备（如：变压器、轴流风机等机电设备）的运营管理。自动化程度越高、信息孤岛越少，原有的条块分割的运营管理职责越不能适应。最新信息化系统将各个独立的系统进行信息互联，各系统间界面越来越模糊，这对传统维修运营管理体制要求的“职责界面清晰，考评模块简单”来讲，是一次新挑战。城市轨道交通建设信息化程度越高，原有的维修运营管理体制越难与之匹配。为适应这一变化和挑战，上海地铁10 号线针对新建设方案而独立设置运维体制，在业界做出了有益尝试。

此外，2012 年以来，探索综合监控与ATS 整合的同时，可以看到，城市轨道交通监控系统建设（此处指综合监控系统、ATS 系统、通信集中告警系统等城市轨道交通中用于监控各种基础设备的系统）领域，也进行了一些探索与创新。如，北京燕房线、新机场线在原6 号线综合监控与ATS 整合的基础上，将无人驾驶场景直接应用于整合后的综合监控系统；上海等城市地铁在一些重点站，依托综合监控系统、自动售检票系统等系统构建智慧地铁车站；呼和浩特地铁、广州地铁、昆明地铁在地铁监控系统建设中将云技术引入监控系统（综合监控系统、列车自动监控系统、通信集中告警系统），等等。所有这些技术方案对未来城市轨道交通监控系统建设方案的升级完善提供了重要的技术创新和实践探索。

3 城市轨道交通监控系统引入云平台技术的思考

云平台技术目前是城市轨道交通领域经常探讨的技术。云平台技术有助于城市轨道交通监控系统逐渐摆脱对进口服务器平台的依赖，有助于城市轨道交通监控系统技术的进步，在城市轨道交通中的运用尚需深入研究积极探索。现提出以下认识和思考。

3.1 横向实现软件信息互通

云平台技术引入城市轨道交通监控系统，将为城市轨道交通监控系统提供巨大的计算资源。充分利用这些资源服务于城市轨道交通运营管理，是必须要面对的课题。当前完全分立的软件开发，已不适应统一云平台技术硬件资源使用的需要。这种软件部署方式与城市轨道交通早期的UPS 资源整合比较相似，虽然最初设想是要降低UPS 供电总容量，但最后方案落地时，为保证可靠性，UPS 供电总容量不降反升。当前云平台设想方案中的主要模式是，各个系统提出资源需求，云平台通过虚拟CPU、虚拟内存的方式进行资源分配。因此，表面上看，云平台是一个硬件资源整体，但本质上看，云平台内部是一个个相对独立的虚拟硬件组。相对于传统的集群方案的传统冗余服务器部署，此方式下的云平台部署，从硬件规模到经济效益均无较大的改善。对此，提出两种解决思路。

思路一：考虑提供一个软件平台，各个监控系统以功能模块的方式运转在该软件平台之上。软件平台主要功能是与云平台的云管理系统深度融合，负责各个功能计算资源的动态分配。该平台应该既能随时掌握各模块资源需求，又能对计算资源进行全面管控。

思路二：各监控系统的软件相对独立。各软件与云平台的云管理系统进行信息交互。信息交互内容主要包括资源需求信息，资源划分信息等等内容。云管理系统根据各个系统软件资源需求信息，进行资源分配、资源回收、资源冲突管理。

3.2 纵向实现系统架构优化

城市轨道交通各监控系统硬件架构，由传统的集群架构升级至云平台架构，其必要性值得考虑。可以通过云平台计算资源的优势，改变目前监控系统中心、车站、现场的3 层体系。在现有体系中，各监控系统中心、车站均部署服务器，维护工作量分散而巨大。云平台技术引入城市轨道交通监控系统建设中后，中心服务器可进行整合，车站服务器可以取消；同时，扩大通信传输系统的容量，建议设置大容量数据传输专网；强化边缘计算，增强现场级系统的计算能力及设备运转可靠性。具体架构如图3 所示。通过这种方式，精简了监控系统的纵向层级，城市轨道交通中分散在各个车站的服务器维修力量可以集中在控制中心一地，在一定程度上降低了运维难度，缩短设备维修时长。

3.3 简要总结

通过横向信息互通，纵向结构优化，云平台的计算能力优势得到充分的发挥。云平台技术助力城市轨道交通综合监控系统技术发展成为现实。

图3 综合监控系统架构对比图Fig.3 Comparison of two ISCS frameworks

4 总结

城市轨道交通综合监控系统与ATS 系统深度融合的技术方案完全可行。但是，由于综合监控系统与城市轨道交通的调度指挥、运营维护密切相关。因此，该技术方案若想发挥全面的作用，必须具备与之配套的运营调度管理体系。

目前，城市轨道交通监控系统发展中云平台技术的引入是一个重要的方向。提出云平台计算资源充分利用的方案以供参考。但是，云平台的可靠性、运维易损件的辨识还需要长期追踪。云平台中自身的软件和硬件都不同于普通服务器的操作系统和硬件，云平台的供应商不同于原来服务器的供应商。这些都给城市轨道交通的建设和运维带来新的课题。技术进步将为城市轨道交通运转优化升级提供支撑与服务。随着技术进步和应用，城市轨道交通监控系统也将在探索创新中不断发展进步。