作者：城市轨道交通标准技术委员会 魏晓东

7.2　城市轨道交通综合监控系统的系统集成技术

7.2.1　概论

城市轨道交通近年来在现代工业发展中，占有愈来愈重要的位置，特别是我国的城市轨道交通更是高速发展，处于世界前列。据中国轨道交通网统计，2016年底共有30个城市开通运营城市轨道交通，共计133条线，运营总里程4152.8公里，在建线路总长5636.5公里。全年完成客运量160.9亿人次。共有58个城市城规线网规划获批，规划线路总长达7305.3公里。2020年城轨总里程将达9000公里。城市轨道交通如此大发展，带动了城市轨道交通信息化、自动化技术的大进步，十多年的时间，城市轨道交通领域相当于从工业2.0经历工业3.0向工业4.0前进了。

我国城市轨道交通事业的发展是近十几年的事情，发展的重点是在一、二线城市建设地铁线路及地铁网。城市轨道交通的自动化与信息化的发展则以建设各条线路的自动化系统为主，以自动化与信息化支持线路开通和运营为主，因此本节将以介绍城市轨道交通线路自动化系统的系统集成技术为主，以介绍线路级的现场设备层、控制层与线路MES层的系统集成为主要内容。线路自动化系统最典型的是综合监控系统，通过对构建综合监控系统的系统集成技术分析，可以了解这一领域的系统集成技术内涵。

7.2.2　城市轨道交通信息化集成系统

城市轨道交通也像其他工业领域一样，正沿着工业4.0，沿着两化融合的大方向发展。按照本书第一章信息化集成系统的结构，城市轨道交通的信息化集成系统也分为H1、H2、H3三级，其架构如图7所示。

图7 城市轨道交通信息化集成系统结构

城市轨道交通的线路一级相当于一般工业体系中的厂级系统，它是城市轨道交通运营（生产活动）的基础实体。城市轨道交通的运营是以线路运营为基础的。线路信息化集成系统即城市轨道交通厂级信息化集成系统是典型的普度模型五层结构：车站里的现场设备层、车站控制层、线路运营中心（OCC）的监控层（相当于第3层MES层）每条线路的经营管理层和决策层。城市轨道交通线路级主要在1、2、3层，以实现自动化控制与监控为主要目标。地铁里几个大专业有不同的自动化控制与监控系统，主要有信号系统专业、通信系统专业与综合监控系统专业。这些控制与监控系统中的系统集成技术在城市轨道交通至为重要，本章将以综合监控系统为典型进行仔细分析，主要说明城市轨道交通信息化集成系统1、2、3层的的系统集成技术。

目前，城市轨道交通领域正在兴起的建设本城市线网调度指挥系统（TCC）就是建设城市轨道交通信息化集成系统的H2和H3。大部分城市仅有H3级，个别城市建有区域级TCC。以H3级全市级城市轨道交通信息化集成系统为例，线网调度指挥系统包含了：TCC（调度指挥系统），线网经营管理系统和线网决策系统，即普渡模型的第3、4、5层。在TCC级，即线网调度指挥中心层，将要实现整个城市轨道交通行车运营总计划及总计划调整（即全市轨道交通运行图编制及调整）；将要实现整个城市轨道交通供电系统（主变电站与牵引变电站）的监控；将要实现全市轨道交通重大设备的管理与资源共享；将要实现对全市轨道交通运营的客流分析及调整对策；将要实现城市轨道交通防灾级应急指挥功能；将要构建整个城市轨道交通的安防体系等。

而经营管理与决策层将会建立起城市轨道交通的云计算中心，建立全市轨道交通经营管理系统实现全面的城市轨道交通信息化。

我国城市轨道交通的发展处于全世界最前列，巨大的市场将会催生出新的技术。近年城市轨道交通事业的快速发展将会促进城市轨道交通信息化与自动化的融合，将会促进城市轨道交通智能化的发展，将会推动构建城市轨道交通信息化集成系统的新工业革命。绿色的轨道交通，低碳的、生态的地铁将构成智慧城市的重要部分。

7.2.3　城市轨道交通自动化监控系统

建设城市轨道交通信息化集成系统，目前工作的重点还是在自动化系统的建设方面，因为近十多年主要是建设新地铁；自动化开通；安全、可靠地运营。建设的重点必然放在自动化系统建设上。城市轨道交通工程建设也就要求站在工程的总体的高度考虑自动化系统的建设，用自动化技术重点解决设备监控与智能化管理，提高整个城市轨道交通工程的建设水平。

城市轨道交通自动化系统的核心技术就是对所有设备有效监控的技术，同时为乘客方便出行提供完善地服务。

（1）车辆监控系统——信号系统

城市轨道交通的最重要设备之一是车辆，是组成城市轨道运输的核心。从监控的视角来看，对车辆这一移动设备的监控远比对固定设备的监控困难复杂的多。城市轨道交通对车辆的监控是由信号系统实现的。

信号系统（SIG）由列车自动控制系统（ATC即Automatic Train Control ）与外围通用信号设备组成，它是城市轨道交通系统中保证行车安全，缩短列车运行间隔，提高列车运行质量的先进控制系统。ATC系统采用计算机及网络技术实现对列车自动控制的各项专用功能，在我国城市轨道交通建设中已经广泛使用。随着新技术的发展，不同的ATC系统制式和运用模式相继研制成功，安全性、可靠性和系统功能更臻完善。ATC系统由列车自动监控系统（ATS即Automatic Train Supervision）、列车自动防护系统（ATP即Automatic Train Protection）、列车自动运行系统（ATO即Automatic Train Operation）和计算机联锁系统（CI即Computer Interlocking）构成。ATS系统依据列车时刻表，自动监控列车运行，并实现列车运行自动调整。ATP系统是保证列车运行的重要安全设备，自动控制列车运行间隔和超速防护。ATO系统在ATP系统的基础上，实现列车自动驾驶，优化列车运行曲线，并在车站站台准确停车。计算机联锁系统保证列车进路上的道岔位置正确和运行安全。

ATS系统主要实现对列车运行的监督与控制，辅助调度人员对全线列车进行管理。其功能主要包括：调度区段内的列车运行情况的集中监视与控制；监测列车进路控制、列车间隔控制设备的工作，按照列车行车计划自动控制轨旁信号设备以完成列车的接发、运行轨迹的自动记录、时刻表的自动生成、显示、修改与优化、运行数据的统计报表自动生成、设备运行状态监视、设备状态及调度员的操作记录，还具有列车车次号自动传递等功能。

ATS系统一般包括控制中心和ATS车站、车辆段/停车场子系统。控制中心ATS设备有中心计算机系统、工作站、显示屏、绘图仪、打印机等。每个设备集中站设置ATS分机，用于采集车站设备的信息与传送控制命令，并实现车站进路的自动控制。车辆段ATS分机用于采集车辆段内库线列车的占用情况及进/出车辆段列车信号的状态。

（2）固定设备监控系统——综合监控系统

除车辆以外的所有固定设备进行监视与控制是由城市轨道交通综合监控系统来完成。监控的信息范围有（不以此为限）：系统本身；所有变电所；所有环境与机电设备；车辆基地所有设备系统；火灾报警系统；通信系统的信息；闭路电视（CCTV）；公共广播（PA）；乘客信息系统（PIS）；城市轨道交通的各类电话系统；门禁系统（ACS）；自动售检票系统；信号系统（运营要求的必要信息）；地铁沿线各类公用设施、设备；地铁工程结构的设施及检测仪表；其他运营需要接入的信息。

城市轨道交通综合监控系统是对城市轨道交通线路中所有电力和机电设备进行监控的分层分布式计算机集成系统。包含了内部的集成子系统，并与其他专业自动化系统互联，实现信息共享，促进城市轨道交通高效率运营。综合监控系统包含了自身的子系统（按照国家标准应将地铁供电系统PSCADA与环境与机电设备监控系统BUS集成为子系统）并互联了诸多地铁自动化专业系统。集成子系统（Integrated Subsystem）是被综合监控系统完全集成在其内的专业自动化子系统。集成子系统完全融入综合监控系统，构成系统主体，其全部功能都由综合监控系统实现，是综合监控系统的一部分。其中央功能和车站功能都由综合监控系统实现。综合监控系统的硬件网络取代了被集成子系统的网络，综合监控系统的软件取代了被集成系统的软件。被集成子系统构成了地铁线路信息共享平台的基础。互联系统（Interconnected System）是仍保持独立运行的具有自身完整结构的专业自动化系统。综合监控系统通过外部接口与互联系统进行必要的信息交互以支持综合监控功能实现。综合监控系统是线路的信息共享平台。

国内轨道交通综合监控系统建设始于2001年北京13号线，虽然发展时间并不长，但是伴随着国内地铁建设高潮的到来，综合监控系统的建设水平有了飞跃式的发展，从建设初期的软件平台完全依赖进口到目前国产化软件平台成为了主流，掌握了核心技术的诸多系统集成商将会把综合监控系统建设推向新的发展高度。

城市轨道交通综合监控系统的系统集成技术发展到现在，主要经历了以下两个阶段的发展：（1）对孤岛系统的信息整合：综合监控系统的初期阶段，主要整合全线的BAS和PSCADA系统，各子系统独立招标，系统接口管理工作复杂，综合监控的目的在于把各子系统的信息整合进行集中显示，综合监控系统软件仅对各自动化系统的信息进行整合，在各系统之上加了一顶“帽子”，构成所谓“帽子工程”。（2）深度集成的综合监控系统：随着全国地铁的兴建，各地方都规划了复合自身管理特色的综合监控系统，国内系统集成商对自有软件平台的不断开发和完善，综合监控系统软件平台可以将线路中所有电力和机电设备进行监控，将与此有关的自动化系统深度集成为自身的一部分。实现分层分布式计算机集成。同时综合监控系统与其他自动化系统互联进行信息交互，支持地铁运营。

目前我国的轨道交通综合监控系统集成的发展正在以设备监控、乘客服务、运营管理为基础，向面向城市轨道交通路网的决策管理方向延伸。综合监控系统集成进一步发展的目标是：安全、节能、高效和易用。本章以下各节将以分析综合监控系统构成与信息集成为主，通过对1、2、3层系统集成技术的分析来说明城市轨道交通领域构建信息化集成系统的系统集成技术内涵。

7.2.4　综合监控系统构成

城市轨道交通综合监控系统是按两级管理（中央、车站）、三级控制（中央、车站及就地）的原则设计的。综合监控系统对环境与设备监控系统（BAS）、电力监控系统（PSCADA）系统进行集成，将它们包含在系统之内。另外，综合监控系统实现与火灾自动报警系统（FAS）、安全门（PSD）、信号系统（SIG）、自动售检票系统（AFC）、门禁系统（ACS）、广播系统（PA）、闭路电视监视系统（CCTV）、乘客信息系统（PIS）等互联，掌握全线设备的运行情况，负责管辖范围内设备监控与调度。

中央级设备主要设置在控制中心，面向的操作对象是运营部门的行调、电调、环调（兼维调）和总调及相关维修人员。在中央级可以对整个线路各个站点系统管辖范围内设备运行状态、故障情况进行监视，并向各个站点发布指令，统一指挥、协调各个站点的运行。

车站（含车辆段）级设备的监控功能主要是完成本站点设备监控、管理。综合监控系统在车站级集成了BAS、PSCADA子系统的车站级功能，一方面负责管辖范围内设备监视，并根据本站的情况向下级子系统发布控制指令，另一方面将本站设备的运行数据传输给中央级，并接受中央级运行指令。车站级综合监控系统设备主要设置在综合监控设备室、车控室等地，面向的操作对象是车站的值班员。

图8 综合监控系统总图

7.2.4.1　中央级系统构成

CISCS设置在地铁1、2、3号线控制中心。中央综合监控系统存储、处理从被控系统读取的数据，实时反映现场设备状态的变化并生成报表。中央综合监控系统将记录这些信息，更新中央数据库。中央操作员工作站和大屏幕可显示这些信息。中央综合监控系统处理操作员的控制命令，相关的控制信息同时被传送给被控系统。

相关参考配置如下：

（1）传输速率为100M/1000Mbps的冗余、带路由功能的工业级以太网交换机。

（2）冗余的实时服务器，完成实时数据采集和处理工作。冗余实时服务器应能自动进行切换。每个实时服务器应通过冗余的以太网接口与中央以太网交换机连接。

（3）配置冗余的历史服务器，完成历史数据的存储、记录和管理等工作。冗余历史服务器应能自动进行切换，并配置外部磁盘阵列和磁带机。历史服务器应配置关系型数据库管理系统，用来管理历史数据。每个历史服务器应通过冗余的以太网接口与中央以太网交换机连接。

（4）调度员工作站

2 套行车辅助调度员工作站；

2 套电力调度员工作站；

2 套环控（兼维调）调度员工作站；

1 套总调度员工作站。

（5）前端通信处理机（FEP）。

（6）报表/事件打印机和图形打印机。

（7）网络管理系统（NMS）。

NMS可对ISCS的全部网络设备进行配置、监视和控制。控制中心设置网络管理系统1套，主要包括网管服务器、网管工作站、网管软件和网管打印机等。

7.2.4.2　车站级系统构成

车站综合监控系统存储、处理从被监控系统读取的数据，实时反映现场设备状态的变化并生成报表。车站综合监控系统将记录这些信息，更新车站数据库。车站操作员工作站可显示这些信息。车站综合监控系统处理操作员的控制命令，相关的控制信息同时被传送给被控系统。

相关参考配置如下： （ 1 ） 传输速率为100M/1000Mbps的冗余、带路由功能的工业级以太网交换机。（2）冗余的实时服务器，完成实时数据采集和处理工作。冗余实时服务器应能自动进行切换。每个实时服务器应通过冗余的以太网接口与车站以太网交换机连接。（3）值班员工作站。（4）前端通信处理机（FEP）。（5）报表/事件打印机。（6）IBP 盘及操作台等。

7.2.4.3　车辆段系统构成

车辆段设有维修系统、仿真测试平台及培训系统、网络管理系统。

（1）综合监控维修系统

车辆段设置综合监控系统维修中心，设1套本系统内维修调度员工作站，用于本维修中心的日常检修和临时抢修。综合监控维修系统设备包括2套1000M工业级交换机、2套维修系统服务器、1套ISCS维修工作站、1套BAS系统维修工作站、2套PSCADA维修系统工作站（其中1套设于供电车间）等设备。实现对综合监控系统及集成系统及其监控设备的故障报警的汇总、分析和统计功能，并具备对相关设备的备品备件管理及维修人员的维修工作的管理等功能。

（2）培训系统（TMS）

TMS包括培训服务器、教员工作站、学员工作站、网络交换机及打印机、仿真模拟器、模拟IBP、BASPLC及远程I/O、PSCADA的监控单元等设备构成。

承包商应提供培训系统的软件，并对相应的功能做出详细说明。

（3）仿真测试平台（STP）

STP包括服务器、仿真模拟器、FEP、网络交换机及打印机等设备。STP用于综合监控系统和各机电设备系统软硬件接口、通讯协议、数据格式等内容进行测试，可以作为软件升级、修改时的调试平台，还具有综合监控系统自身的功能仿真等作用。仿真测试平台还应与主干网络相连，起到上载软件、更新软件的作用。

（4）网络管理系统（NMS）

NMS可对ISCS的全部网络设备进行配置、监视和控制。车辆段设置网络管理系统1套，主要包括网管服务器、网管工作站、网管软件和网管打印机等，承包商还应根据系统运营和维护的需要，配置相应的网络安全设备和软件，例如硬件防火墙及防病毒软件等。承包商应采取相关措施有效防止L2（数据链路层）攻击，以及来自防火墙内部的网络攻击。

7.2.4.4　网络构成

综合监控系统的网络大致可以分为两部分，即主干传输网、中央和车站局域网。

（1）主干传输网络

用于综合监控系统控制中心与各车站、车辆段局域网的连接。

主干传输网络通过通信系统提供的单模光纤实现连接，与通信传输系统的接口在OCC及各车站（含车辆段）的通信设备房光纤配线架的外线侧。中央、车站和车辆段与主干网的连接采用1000Mbps单模光纤接口。主干传输网的交换设备应为工业级的以太网交换机。

主干网采用冗余双环拓扑结构进行构建。

（2）局域网

包括控制中心、各车站、车辆段的综合监控系统内部局域网。

中央综合监控系统局域网

中央局域网为双冗余的1000Mbps以太网，符合IEEE802.3系列的相关标准。

中央采用千兆工业以太网交换机，配置千兆单模光纤接口模块，用于与主干网络的连接。

中央工业以太网交换机需具备路由功能。

为便于布线，在控制中心的中央控制室考虑另设两台车站级工业以太网交换机。

车站级局域网

车站级局域网为双冗余的1000Mbps以太网，符合IEEE802.3系列的相关标准。

车站级采用千兆工业以太网交换机，配置千兆单模光纤接口模块，用于与主干网络的连接。

车站级工业以太网交换机需具备路由功能。

作者简介：

魏晓东，1967年毕业于天津大学精仪系。1984~1991年任安徽工业大学自动化系副教授。1991年出版《分散型控制系统》（ 上海科技文献出版社） 。2000~2012年任北京和利时系统工程公司副总工、事业部总设计师，北京地铁13号线、深圳地铁一期工程、广州地铁3号线综合监控系统工程技术总负责人。2006、2010年出版《城市轨道交通自动化系统与技术》初版与第二版（电子工业出版社）；2010年主编国家标准《城市轨道交通综合监控系统工程设计规范》（GB50636-2010）、《城市轨道交通综合监控系统施工与质量验收规范》（GB/T50732-2011）；2010年主编关于两化融合的国家标准《工业企业信息化集成系统规范》（GB/T26335-2010）。2013年至今任清华同方数字城市工程中心技术专家，住建部城市轨道交通标注技术网Eu委员会委员，全国自动化系统与集成标准技术委员会委员。

摘自《自动化博览》2018年3月刊