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周東紅   羅安   畢承恩

1  概述
    我國以往的城市軌道交通自動化系統，不同的專業，如電力監控、環境監控和防災監控，都分別采用完全獨立的自動化控制系統，形成各個互不相連的自動化孤島。這種自動化運行模式既不利于各專業的信息共享，又不利于硬件資源的共享，自動化控制水平低，而且增加投資和運行維護成本。為了使北京地鐵監控系統趕上國際先進水平，北京和利時系統工程股份有限公司（以下簡稱為和利時公司）依托北京地鐵十三號線工程，提出了實施綜合監控系統的方案。

    北京地鐵十三號線工程自西直門經回龍觀到東直門，沿線四十余公里，設車站16座和車輛段1座。其綜合監控系統由和利時公司開發，按專業劃分為三個子系統：供電系統、環控系統和防災報警系統。在西直門指揮中心設有電力監控中心、環境監控中心、防災監控中心，在各個車站設有車站監控主站，區間變電所接入鄰近車站的監控主站，對全線供電系統設備、機電系統設備和防災系統設備實現監控和遠程維護。

    地鐵十三號線綜合監控自動化系統從結構上由以下幾個部分組成：① 完成對一次主設備數據采集和就地控制的基礎自動化層（I/O層）；② 完成本車站電力和環控設備監控功能的車站監控層；③ 基于SDH骨干網的通信骨干網絡；④ 完成全線電力、環控設備監控和接入防災報警系統的中心監控層。

2  系統監控對象
    為了實現地鐵十三號線綜合監控系統的開發，監控對象應包括：屬于供電范疇的10kV交流一次開關設備、直流750V開關設備、380V低壓配電設備、牽引變壓器、牽引整流器、配電變壓器、雜散電流排流設備、直流屏、事故照明電源設備；屬于環控范疇的消防、給排水、采暖水系統泵，各類電梯、扶梯，各類風機、風閥，各類空調、制冷機組，采暖鍋爐，隔斷門；屬于防災系統的報警系統設備和消防水系統設備。

3  綜合監控系統的體系結構

圖1  地鐵十三號線綜合監控系統架構圖

    地鐵十三號線綜合監控系統是一個基于城域網的適應地理上分散，面向系統集成應用的實時分布式綜合監控系統，其系統架構如圖1所示。

    從系統軟件結構的角度看，圖1中的每個虛線框是一個局域網系統，稱為“域”。系統各個域之間地位是不對等的，由一個“主域”和若干個“從域”組成。地鐵十三號線綜合監控系統將監控中心所在域定義為“主域”，其他域作為“從域”。每個從域內部構成一個相對獨立的車站級監控系統，主域監控中心與各從域之間則構成一個全局的監控系統，域與域之間通過城域骨干網連接，形成一個地理分散的實時分布式大型控制系統。

    以城域骨干網為中心組織起來的的分層分布式控制系統，相對于各從域、主域具有“虛擬”的數據集中功能。“虛擬”的含義是從主域操作站可以訪問任何從域的實時數據，看上去就像主域服務器集中了全系統所有實時數據一樣。

    通過主域、從域的靈活定義和系統組態，所有的現場數據可以在主域和從域之間共享。系統可以實現分區管理，即可以將某個車站定義為主域，臨近的幾個車站定義為它的從域，定義為主域的這個車站作為一個虛擬的中心，對臨近幾個定義為它的從域的車站進行分區管理，便于更加靈活的運行維護。

4  車站監控局域網
    車站級監控層是以冗余100M以太網為中心組織起來的局域控制網。由車站基礎自動化層和車站監控層組成，構成一個相對獨立的監控系統（見圖1中的下面虛框）。

(1) 車站基礎自動化(I/O)層
    車站基礎自動化層是監控系統聯系一次主設備和車站監控層的紐帶。車站基礎自動化層通過現場總線或串口進行組織，它包括數據采集模塊和接口通信管理設備。現場采集模塊通過硬接線與一次主設備連接，并通過現場總線或串口與接口通信管理設備交換數據。接口通信管理設備完成協議的轉換和數據格式的統一后上傳給應用服務器和操作員站。

    車站基礎自動化層根據被控對象的不同又可以劃分為幾個部分：① 10kV高壓開關設備保護測控模塊，這是一種集測量、控制、信號采集和微機保護于一體，直接安裝在被保護對象10kV開關柜上的遠方智能終端；② 750V直流開關設備保護測控模塊，采用PLC，安裝于直流開關柜上，完成對750V直流開關柜的測量、控制、信號采集和微機保護；③ 380V低壓配電測控模塊，也是采用PLC，完成對配電系統運行狀態的測量、控制、信號采集；④ 對整流機組、牽引變壓器、動力變壓器自身所帶的測控模塊，如溫控器；⑤ 用于環控設備如電梯、扶梯、電熱鍋爐、污水處理、空調、風機、污水泵等設備監控的模塊，通常采用PLC。基礎自動化層的通信接口管理設備出于電力專業和環控專業設備地理分散的原因，上述被控對象的前4個部分劃入電力專業，通過總線或串口接入電力通信控制器，第5部分為環控專業，通過總線或串口接入環控通信控制器。

    車站基礎自動化層的通信控制器通過冗余的100M以太網交換機與通信骨干網絡進行數據交換，將數據傳輸到中央監控層，實現中央監控層對各車站的監控。同時通過冗余的100M以太網交換機與通信骨干網進行數據交換，將數據傳輸到車站綜合控制室，實現相對獨立的車站級監控。結構示意如圖2所示，黑粗線表示網絡部分。

圖2  車站基礎自動化層的結構示意圖

(2) 車站監控層
    車站監控層包括2臺冗余配置的數據服務器，雙屏配置的電力操作員站和雙屏配置的環控操作員站，它們通過以太網交換機與基礎自動化層的通信控制器進行數據交換。車站服務器負責收集并管理所在車站的全部數據和事件，向車站操作員站提供車站數據服務。車站監控層設備分別安裝在車站綜合控制室和車站變電站控制室，完成本車站的電力、機電等子系統的運行狀態，完成車站級的操作控制功能。

5  通信骨干網絡
    綜合監控系統在車站和監控中心OCC之間的數據交換以及車站與車站之間的數據交換，沒有采用獨立的通信網絡，而是借用地鐵骨干網的信道。通信專業提供的SDH骨干網信道在每個車站提供兩個冗余E1端口，在監控中心提供了34個E1端口，與全線16個車站和1個車輛段實現點對點的通信。由于SDH網在整個網絡里僅起傳輸作用，為了實現車站局域網和中心局域網接入骨干網，在車站局域網側增加了冗余配置的CISCO1705低端路由器和ETHERNET/E1轉換器完成以太網對通信光端機上E1口的接入，在中心局域網側增加支持高速執行服務質量(QoS)、安全、壓縮和加密等網絡服務的CISCO7206高端路由器。兩個中心路由器匯結骨干網的34個E1口，并分別引出兩個以太網口，與中心局域網的交換機連接。

    監控中心設計了一個網管系統，實現如下網管功能：網絡拓撲的發現和識別；網絡設備的發現和修改；故障處理；執行QoS；提高設備利用率。

    這樣就在SDH骨干網傳輸信道的基礎上建立了一個應用與綜合自動化系統的通信城域網，其結構示意如圖3所示。

圖3  通信城域網結構示意圖

6  OCC中央監控局域網
    監控中心也應是由冗余100M以太交換網為中心組織起來的局域控制網。監控中心配置兩臺可以完全替代，互為備份的全局數據服務器，1臺歷史服務器、3套電力操作員站、2套環控操作員站、1套網絡管理工程師站和2套維護工程師站。監控中心服務器負責收集并管理全線各車站的全部數據、事件和歷史記錄。兩臺服務器之間通過網絡交換驗證雙方數據，以保證數據的一致性。工程師站是系統工程師的工作站，在這里工程師進行系統組態、系統組態修改、系統維護、系統診斷、系統狀況的監視，另外還有打印服務器和打印機。

    不同專業的任何一臺操作站在登錄權限允許的條件下，可以完成系統所有的操作，即中心操作站之間可以互為備用。由于綜合監控系統的網絡系統具有全互聯結構，所有的操作站在網絡上所處的地位是相同的，中心操作站可以登錄到車站，車站操作站也可以登錄到中心或其他車站。這種方式有利于分區段管理，按照區段設置維護人員，將區段中的某個車站設置為這一區段的中心，對臨近的無人值班車站進行監控和維護。

7  系統的集成能力
    在車站級，將本車站電力自動化系統和環控自動化系統的信息進行集成，并接入了視頻系統。基礎自動化層具有強大的接入第三方現場控制站和第三方PLC的能力。

    在中央監控中心，將各車站的信息匯集于全局服務器中，支持多個專業的中央監控中心，如電力監控中心、環控監控中心。同時也可接入諸如：FAS、AFC等其他專業系統的信息，實現不同專業的信息共享。由于信息共享，所以可以實現系統的聯調聯動。

    對通信專業提供的SDH骨干網加入了路由器和網管站，使通信骨干網具有了路由和接入功能，可實現QoS和VLAN，形成了集成系統功能強大的主干網絡，為實現系統集成奠定了基礎。

8  結語
    本系統以和利時公司MACS-SCADA大型監控系統為基礎，構造了一個基于城域網的自動化體系結構。方案的提出和實施克服原先的自動化孤島，由于在必要的信息上各專業實現共享，因而各專業可以在更短的時間內，更準確的協調動作，從而為城市軌道交通的安全高效運營提供更好的保障的同時，降低硬件重復投資和隨后的運行維護成本，也為軌道交通今后提高運營信息化水平提供基礎。

    大型綜合監控自動化軟件完全具有自主版權，項目的實施將極大的推進軌道交通綜合監控自動化系統國產化進程。該軟件在城市軌道交通監控系統領域中可以替代進口，打破國外產品壟斷，經濟效益十分明顯。系統為適應地理上分散的、高性能、面向系統集成應用的實時分布式綜合監控系統平臺。具有很強的集成能力和二次開發能力，通過定制開發可應用于其他如公路交通、輸氣管道等大型工程的自動化監控。