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城市轨道交通的综合监控系统网络架构及功能分析

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来源: 发布:2016-10-11 浏览:813

关键词  轨道交通  广州地铁  系统集成  信息互通  资源共享

1       前言

广州市轨道交通九号线一期工程综合监控系统是根据轨道交通线路特点和技术发展情况量身定制的大型综合自动化项目,通过综合监控系统可实现城市轨道交通信息互通、资源共享,并能够提升自动化水平和提高城市轨道交通运营的安全性、可靠性和响应性,最终达到减员增效的目的。

2   项目概况

广州市轨道交通九号线以花都汽车城西侧的飞鹅岭为起点,沿风神大道向东,在农新大桥北侧下穿天马河后下穿广清高速公路进入农新路,之后线路沿秀全西路南侧往东,在广州北站与武广客运专线和京广铁路换乘。线路继续沿秀全大道向东行进,在秀全中学西侧转向北,然后穿过花果山公园、公益大道,在花都广场处进入迎宾大道。之后线路沿迎宾大道、迎宾大道东延线往东,上跨机场高速公路北延线、下穿机场高速公路后,在高增站与三号线北延线高增站地下岛式平行换乘(预留远期贯通)。

九号线线路路由为飞鹅岭、风神大道、农新路、广州北站、秀全大道、花果山公园、公益大道、区政府、迎宾大道、高增。线路全长约20.1km,全线地下敷设。初、近、远期均采用六辆B型车编组,列车最高运行速度120km/h,列车旅行速度为53km/h。九号线初期独立运营,在高增站与三号线北延段换乘;预留远期与三号线贯通运营的条件,即待三号线支线(天河客运站~体育西路)拆解后,利用三号线北延段高增站预留的道岔接入三号线北延段。九号线设定、临修车辆段一处,控制指挥中心一座,位于线路西端、风神大道与平步大道交叉路口处。设主变电站两座,一座建在车辆段里面,另一座建在106国道与迎宾大道交叉路口东北侧处。九号线的功能定位是以解决汽车城、花都中心城区主要发展组团与广州中心组团的交通需求为重点,并兼顾花都区内交通出行及其与机场的交通联系。为实现这一功能,九号线预留远期与三号线贯通运营的条件。

全线共有1座车站与其它轨道交通线换乘,高增站(与三号线北延线换乘)。

本线综合监控系统(ISCS)的工程范围为:

(1)      10座车站,包括换乘站既有综合监控系统/主控系统的改造及功能实现

(2)      1座车辆段

(3)      1座控制中心(位于大石控制中心)、九号线综合监控系统接入地铁大厦线网指挥平台部分

(4)      2座主变电站(岐山主变电站—在车辆段内、白鳝塘主变电站—近清布站)

(5)      1座区间变电所(清布—高增区间变电所)

3   ISCS系统概述

3.1   系统组成

本线综合监控系统由中央级综合监控系统[1]、车站级综合监控系统、车辆段综合监控系统和其他辅助功能子系统(例如培训管理系统、集中告警系统、仿真测试平台和网络管理系统等)等多个部分组成。通过综合监控骨干传输网将以上各部分联接起来,形成一个有机整体。

具体的系统构成如下:

(1)      CISCS –中央级综合监控系统;

(2)      SISCS -车站级综合监控系统;

(3)      DISCS - 车辆段级综合监控系统;

(4)      TMS - 培训管理系统;

(5)      IAS-集中告警系统;

(6)      STP - 软件测试系统;

(7)      NMS-网络管理系统

(8)      WEB系统;

(9)      MBN – 系统数据传输主干网;

(10)  UPS-不间断电源系统;

(11)  视频分析系统。

3.2   集成及互联子系统

综合监控系统(ISCS)集成是指综合监控系统与各子系统之间存在紧密的耦合关系,子系统的数据处理、监控功能、人机界面均通过ISCS完成,正常情况下集成的相关系统依赖ISCS实现正常操作功能。

综合监控系统(ISCS)互联是指综合监控系统与各子系统是采用松耦合的结构,子系统是与ISCS有数据交换但其数据处理相对独立,综合监控系统与互联子系统交换必要的信息,实现联动等功能。

本线综合监控系统(ISCS)集成了下列系统:

(1)      变电所综合自动化系统(PSCADA)

(2)      环境与设备监控系统(BAS)

(3)      火灾自动报警系统(FAS)

(4)      屏蔽门(PSD)

(5)      防淹门(FG)

(6)      车辆段安防系统(AF)

(7)      集中UPS(UPS)

本线综合监控系统(ISCS)互联了下列系统:

(1)      信号系统(SIG)

(2)      自动售检票系统(AFC)

(3)      门禁系统(ACS)

(4)      广播系统(PA)

(5)      闭路电视系统(CCTV)

(6)      乘客信息显示系统(PIDS)

(7)      通信集中告警系统(TEL/ALARM)

(8)      时钟系统(CLK)

(9)      无线通信系统(RCS)

(10)  供电运行安全管理系统(WF)


 

4   综合监控系统结构

4.1   硬件分解结构

广州市轨道交通九号线一期工程综合监控系统的分解结构(仅硬件设备),如图1所示。



图 1  硬件分解结构图

4.2   主干网结构概况

广州市轨道交通九号线一期工程综合监控系统主干网由CISCS(中央控制系统)、DISCS(车辆段控制系统)、SISCS(车站控制系统)等组成,全线采用双环网[2]的方式进行组网。

双环网络的通信控制方法,其特征在于,双环网络构成为具备可以双向通信的两个通信端口的两个以上的传送站通过各自的该两个通信端口经由传送路径相互连接为环状从而可以在传送站相互间进行相互通信。在所述双环网络中,所述传送站包括:从该传送站的两个通信端口一次同时送出包含信息的传送帧的步骤;对从该两个通信端口中的一方接收的从其它该传送站送出的传送帧进行检测的步骤;以及可以向相对于上述一方的通信端口成为另一方的另一方的通信端口进行中继,并从该另一方的通信端口送出上述的该传送帧的步骤,在相互连接为环状的该两个以上的传送站中的相邻的两个该传送站的各自中,包括:从一方的该传送站的通信端口送出上述传送帧的步骤;以及由该传送站对从经由传送路径连接的另一方的该传送站的通信端口接收的传送帧进行检测的步骤,其中,根据包含在该传送帧中的信息进行应答,但不会通过从该接收到的通信端口向另一方的通信端口进行中继而从该另一方的通信端口送出该传送帧,由此不会将该接收到的传送帧送达至处于其中继方向上的、连接为环状的下一目的地的传送站,从而使上述的从该传送站送出的传送帧不在构成为环状的网络内循环。

主干网结构示意图如图2所示:

 

2主干网结构概况图

双环网络包括有向双环网络和无向双环网络,是计算机网络的一类重要拓扑结构,具有良好的对称性、易于扩展、具有一定的容错能力等特点。它是云计算和物联网等网络潜在的组网形式,或可作为局部网络嵌入其中。传统方法侧重利用组合网络理论来研究双环网络,晦涩难懂。本文在图论的基础上,借助计算机仿真,充分利用计算机高效算法的设计和实现来系统研究双环网络的两类路由策略。在网络中各节点无故障的情况下,为了提高网络节点的访问速度,设计具有高速传输效率的双环网络,我们对其最优路由策略进行了研究,并且分别针对有向双环网络和无向双环网络展开了分析;在网络中某些节点发生故障,无法进行正常通信的情况下,为了确保网络节点之间的路由,设计具有高安全容错性能的双环网络,我们研究了其容错路由策略,主要针对无向双环网络进行了分析。

1)无故障节点情况下,对有向双环网络最优路由策略的研究。基于有向双环网络的L形拓扑结构来研究其最优路由,可在不构造出L形构图的情况下,直接借助L形瓦的参数设计单位步长和非单位步长有向双环网络的最优路由算法,并仿真出有向双环网络的最优路由。

2)无故障节点情况下,对无向双环网络最优路由策略的研究。按照最短路径访问方式将无向双环网络拓扑结构映射到平面直角坐标系,形成最优路由构图CG (N;±r,±s),使节点可见可控。根据双环网络的对称性,基于此构图以及节点坐标进行节点的最优路由思想即可编程仿真出无向双环网络的最优路由。

3)有故障节点情况下,对无向双环网络G (N;±r,±s)容错路由策略的研究。针对源节点和目的节点周围的故障节点所形成的区域进行了研究,当出现故障节点逃逸区时,源节点和目的节点之间仍可以建立最优路由;当出现故障节点封闭区时,仅仅借助最优路由构图CG (N;±r,±s)无法进行最优路由,因此提出了目的节点的等价节点的想法,通过增加一层节点对CG (N;±r,±s)进行扩充构图,形成扩展路由构图ECG (N;±r,±s)

                

 

4.3   综合监控系统架构

城市轨道交通是一个庞大的系统工程,需要许多个机电子系统参与并 协调一致的工作来完成预定的运营任务。传统情况下,大部分运营中心(OCC)分别设有运行调度、电力调度、环控调度、防灾调度、维修调度等,各个子系统独 立运行管理,相互之间的数据不能实现共享,这种方式已不能满足日益增长的客运量和运行安全的需要。特别是城市轨道交通形成大规模路网时,需要构建整个城市轨道交通路网运营指挥中心(TCC),建设所有线路的信息共享平台以便于路网中心的指挥和协调。构建一个数字信息共享平台已成为城市轨道交通发展的方向和实现城市轨道交通信息化的重要措施。

图3  综合监控系统架构图


4.4   与子系统的组网方式

地铁综合监控系统是将多个相似自动化系统的监控层,集合成一个统一的监控系统(硬件和软件)平台[3],综合实现各集成和互联系统的信息整合和共享、综合监视和操作、及跨系统联动和控制的自动化系统,是自动化系统的重要组成部分。ISCS与子系统的组网方式如图4所示。

1) 地铁原有分立系统(如:信号、环境与设备监控、火灾自动报警、屏蔽门、自动售检票、门禁、CCTV*2、乘客信息、办公自动化等系统)在控制室有多达10个工作站,采用综合监控系统后可以优化到67个。

2)地铁采用综合监控系统主要是在操作层面实现信息共享、实现跨系统的联动、操作及控制、实现硬件资源共享,减少控制室工作站的数量;统一人机介面,较少操作人员的工作强度;实现相互关联的具有实用价值的数据统计报表,有利于企业由自动化向信息化和智能化的方向发展。在管理和维护层面统一系统的软、硬件平台,便于维护和管理。


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


4  ISCS与子系统的关系图

5   ISCS系统功能

4  

5  

5.1   功能定位

综合监控系统的功能定位[4]:乘客服务、行车运营管理、设备运行管理、防灾和安全、管理(企业管理和维修管理)。

1)与乘客服务有关的系统

2)与行车安全有关的系统

3)与动力和设备运行管理有关的系统

4)与防灾和安全有关的系统

5)与运营管理有关的系统

5.2   面向的对象

综合监控系统面向的对象: 地铁机电系统设计面向的对象有外部人员和内部人员。外部人员主要是乘客;内部人员(1)操作人员,包括:OCC的调度员(如行车调度员、电力调度员、环境调度员、信息调度或维修调度员、值班主任等)和车站的值班人员等。(2)维修人员;(3)管理人员。各系统都应满足上述岗位的功能要求。除了防灾外,今后可能还将增加安防、安检、节能等功能。

5.3   监控管理模式

地铁全线的监控管理模式[5]种类:国内外地铁的监控管理模式主要有以下几种

1)全中央管理+车站无人值守管理+列车无人驾驶

2)中央管理+中心车站管理(邻站监控、区域车站监控)+子站无人值守

3)中央管理+单站少人管理

4)中央管理+单站管理

5.4   研究的内容

       综合监控系统要研究的内容

1)研究系统软件和软件平台,操作系统(windows/linux/unix)和数据库及应用软件的发展趋势和应用方式。研究线网统一系统平台的功能需求,工程实施方案。可参照爱康诺软件平台。要求容量大、响应时间快(越快越好)、接口驱动、一体化软件平台(控制层、监控层、信息管理层)。透明接入控制层系统,实现远程编程、软件下载、参数设置和修改、数据收发及编程数据的收取等。

2)研究主要硬件(服务器、网络设备)的发展趋势和应用方式和选型。研究软件和硬件的国产化,国产化部分是如何使用和检验的,研究服务器的选型。

3)研究系统安全措施(冗余设备配置、冗余设备布置、电源的设置和回路设置、端口设置和防护、接口界面划分等)。

4) 研究传输网络的要求和网络设备选型。同步实现信息传输与信息的互联互通,减少系统的层级和硬件配置,实现一体化组网。

5) 研究平滑的系统升级和换代的方式。

6)研究系统安全和防病毒、防入侵和防攻击等安全防护措施。系统安全性要求,防病毒、防攻击、防止非法接入系统、防止非法操作、隔离问题系统。

7)研究与BIM系统的功能需求、系统和构成界面划分、系统要求等。研究与北斗和GPS的接入。


1.5      

2.5      

3.5      

6   结语

综合监控系统集成ATS是今后技术的发展趋势,这是运营进一步提高管理水平的需要,也是综合监控系统集成水平的标志。我们欣喜的看到北京地铁已经开始迈出了国内集成ATS的第一步,各地也都在积极的准备之中。综合监控系统集成和互联的系统向着统一传输网络平台和全以太网的方向发展。地铁线网的综合监控系统向着统一系统平台,实现线网内信息的互联和互通信息共享方向发展。

当前的综合监控系统解决了信息的整合问题,但没有考虑信息的挖掘和功能挖掘等深层次的问题,信息挖掘和功能挖掘将为优化运营和管理、节能降耗提供更多的数字依据。 综合监控系统将从监控功能型系统的形式,向监控功能和任务型结合的系统发展方向转变。《地铁综合监控系统设计规范》已经编制完成,正在报批阶段,已经与大家见面,虽然还不是很完善,可阶段性的作为设计的参考,以后再逐步的完善。  

地铁建设进入快速的发展时期,给各城市、地铁公司、设计单位、系统集成商等各方面提供了良好的发展机遇。综合监控系统为相关各方技术水平的提升和发展提供了练兵的舞台,让我们共同珍惜这个提高和发展的机遇,迎接新的挑战。

 

参考文献

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.  城市轨道交通综合监控系统工程设计规范(GB 50636-2010)[M]. 1 . 北京:中国计划出版社2011

[2] 广州市地下铁道总公司(组编).  城市轨道交通综合监控系统研究与应用[M]. 1. 北京:机械工业出版社,2003

[3] 赵惠祥. 城市轨道交通系统的运营安全性与可靠性研究[博士论文]. 上海:同济大学,2006

[4] 李为为. 城市轨道交通调度指挥智能集成系统研究[博士论文].  北京:交通大学,  2006

[5] 杨京帅. 城市轨道交通线网合理规模与布局方法研究[博士论文].  四川:西南交通大学,2006

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