周东红   罗安   毕承恩

1  概述
    我国以往的城市轨道交通自动化系统，不同的专业，如电力监控、环境监控和防灾监控，都分别采用完全独立的自动化控制系统，形成各个互不相连的自动化孤岛。这种自动化运行模式既不利于各专业的信息共享，又不利于硬件资源的共享，自动化控制水平低，而且增加投资和运行维护成本。为了使北京地铁监控系统赶上国际先进水平，北京和利时系统工程股份有限公司（以下简称为和利时公司）依托北京地铁十三号线工程，提出了实施综合监控系统的方案。

    北京地铁十三号线工程自西直门经回龙观到东直门，沿线四十余公里，设车站16座和车辆段1座。其综合监控系统由和利时公司开发，按专业划分为三个子系统：供电系统、环控系统和防灾报警系统。在西直门指挥中心设有电力监控中心、环境监控中心、防灾监控中心，在各个车站设有车站监控主站，区间变电所接入邻近车站的监控主站，对全线供电系统设备、机电系统设备和防灾系统设备实现监控和远程维护。

    地铁十三号线综合监控自动化系统从结构上由以下几个部分组成：① 完成对一次主设备数据采集和就地控制的基础自动化层（I/O层）；② 完成本车站电力和环控设备监控功能的车站监控层；③ 基于SDH骨干网的通信骨干网络；④ 完成全线电力、环控设备监控和接入防灾报警系统的中心监控层。

2  系统监控对象
    为了实现地铁十三号线综合监控系统的开发，监控对象应包括：属于供电范畴的10kV交流一次开关设备、直流750V开关设备、380V低压配电设备、牵引变压器、牵引整流器、配电变压器、杂散电流排流设备、直流屏、事故照明电源设备；属于环控范畴的消防、给排水、采暖水系统泵，各类电梯、扶梯，各类风机、风阀，各类空调、制冷机组，采暖锅炉，隔断门；属于防灾系统的报警系统设备和消防水系统设备。

3  综合监控系统的体系结构

图1  地铁十三号线综合监控系统架构图

    地铁十三号线综合监控系统是一个基于城域网的适应地理上分散，面向系统集成应用的实时分布式综合监控系统，其系统架构如图1所示。

    从系统软件结构的角度看，图1中的每个虚线框是一个局域网系统，称为“域”。系统各个域之间地位是不对等的，由一个“主域”和若干个“从域”组成。地铁十三号线综合监控系统将监控中心所在域定义为“主域”，其他域作为“从域”。每个从域内部构成一个相对独立的车站级监控系统，主域监控中心与各从域之间则构成一个全局的监控系统，域与域之间通过城域骨干网连接，形成一个地理分散的实时分布式大型控制系统。

    以城域骨干网为中心组织起来的的分层分布式控制系统，相对于各从域、主域具有“虚拟”的数据集中功能。“虚拟”的含义是从主域操作站可以访问任何从域的实时数据，看上去就像主域服务器集中了全系统所有实时数据一样。

    通过主域、从域的灵活定义和系统组态，所有的现场数据可以在主域和从域之间共享。系统可以实现分区管理，即可以将某个车站定义为主域，临近的几个车站定义为它的从域，定义为主域的这个车站作为一个虚拟的中心，对临近几个定义为它的从域的车站进行分区管理，便于更加灵活的运行维护。

4  车站监控局域网
    车站级监控层是以冗余100M以太网为中心组织起来的局域控制网。由车站基础自动化层和车站监控层组成，构成一个相对独立的监控系统（见图1中的下面虚框）。

(1) 车站基础自动化(I/O)层
    车站基础自动化层是监控系统联系一次主设备和车站监控层的纽带。车站基础自动化层通过现场总线或串口进行组织，它包括数据采集模块和接口通信管理设备。现场采集模块通过硬接线与一次主设备连接，并通过现场总线或串口与接口通信管理设备交换数据。接口通信管理设备完成协议的转换和数据格式的统一后上传给应用服务器和操作员站。

    车站基础自动化层根据被控对象的不同又可以划分为几个部分：① 10kV高压开关设备保护测控模块，这是一种集测量、控制、信号采集和微机保护于一体，直接安装在被保护对象10kV开关柜上的远方智能终端；② 750V直流开关设备保护测控模块，采用PLC，安装于直流开关柜上，完成对750V直流开关柜的测量、控制、信号采集和微机保护；③ 380V低压配电测控模块，也是采用PLC，完成对配电系统运行状态的测量、控制、信号采集；④ 对整流机组、牵引变压器、动力变压器自身所带的测控模块，如温控器；⑤ 用于环控设备如电梯、扶梯、电热锅炉、污水处理、空调、风机、污水泵等设备监控的模块，通常采用PLC。基础自动化层的通信接口管理设备出于电力专业和环控专业设备地理分散的原因，上述被控对象的前4个部分划入电力专业，通过总线或串口接入电力通信控制器，第5部分为环控专业，通过总线或串口接入环控通信控制器。

    车站基础自动化层的通信控制器通过冗余的100M以太网交换机与通信骨干网络进行数据交换，将数据传输到中央监控层，实现中央监控层对各车站的监控。同时通过冗余的100M以太网交换机与通信骨干网进行数据交换，将数据传输到车站综合控制室，实现相对独立的车站级监控。结构示意如图2所示，黑粗线表示网络部分。

图2  车站基础自动化层的结构示意图

(2) 车站监控层
    车站监控层包括2台冗余配置的数据服务器，双屏配置的电力操作员站和双屏配置的环控操作员站，它们通过以太网交换机与基础自动化层的通信控制器进行数据交换。车站服务器负责收集并管理所在车站的全部数据和事件，向车站操作员站提供车站数据服务。车站监控层设备分别安装在车站综合控制室和车站变电站控制室，完成本车站的电力、机电等子系统的运行状态，完成车站级的操作控制功能。

5  通信骨干网络
    综合监控系统在车站和监控中心OCC之间的数据交换以及车站与车站之间的数据交换，没有采用独立的通信网络，而是借用地铁骨干网的信道。通信专业提供的SDH骨干网信道在每个车站提供两个冗余E1端口，在监控中心提供了34个E1端口，与全线16个车站和1个车辆段实现点对点的通信。由于SDH网在整个网络里仅起传输作用，为了实现车站局域网和中心局域网接入骨干网，在车站局域网侧增加了冗余配置的CISCO1705低端路由器和ETHERNET/E1转换器完成以太网对通信光端机上E1口的接入，在中心局域网侧增加支持高速执行服务质量(QoS)、安全、压缩和加密等网络服务的CISCO7206高端路由器。两个中心路由器汇结骨干网的34个E1口，并分别引出两个以太网口，与中心局域网的交换机连接。

    监控中心设计了一个网管系统，实现如下网管功能：网络拓扑的发现和识别；网络设备的发现和修改；故障处理；执行QoS；提高设备利用率。

    这样就在SDH骨干网传输信道的基础上建立了一个应用与综合自动化系统的通信城域网，其结构示意如图3所示。

图3  通信城域网结构示意图

6  OCC中央监控局域网
    监控中心也应是由冗余100M以太交换网为中心组织起来的局域控制网。监控中心配置两台可以完全替代，互为备份的全局数据服务器，1台历史服务器、3套电力操作员站、2套环控操作员站、1套网络管理工程师站和2套维护工程师站。监控中心服务器负责收集并管理全线各车站的全部数据、事件和历史记录。两台服务器之间通过网络交换验证双方数据，以保证数据的一致性。工程师站是系统工程师的工作站，在这里工程师进行系统组态、系统组态修改、系统维护、系统诊断、系统状况的监视，另外还有打印服务器和打印机。

    不同专业的任何一台操作站在登录权限允许的条件下，可以完成系统所有的操作，即中心操作站之间可以互为备用。由于综合监控系统的网络系统具有全互联结构，所有的操作站在网络上所处的地位是相同的，中心操作站可以登录到车站，车站操作站也可以登录到中心或其他车站。这种方式有利于分区段管理，按照区段设置维护人员，将区段中的某个车站设置为这一区段的中心，对临近的无人值班车站进行监控和维护。

7  系统的集成能力
    在车站级，将本车站电力自动化系统和环控自动化系统的信息进行集成，并接入了视频系统。基础自动化层具有强大的接入第三方现场控制站和第三方PLC的能力。

    在中央监控中心，将各车站的信息汇集于全局服务器中，支持多个专业的中央监控中心，如电力监控中心、环控监控中心。同时也可接入诸如：FAS、AFC等其他专业系统的信息，实现不同专业的信息共享。由于信息共享，所以可以实现系统的联调联动。

    对通信专业提供的SDH骨干网加入了路由器和网管站，使通信骨干网具有了路由和接入功能，可实现QoS和VLAN，形成了集成系统功能强大的主干网络，为实现系统集成奠定了基础。

8  结语
    本系统以和利时公司MACS-SCADA大型监控系统为基础，构造了一个基于城域网的自动化体系结构。方案的提出和实施克服原先的自动化孤岛，由于在必要的信息上各专业实现共享，因而各专业可以在更短的时间内，更准确的协调动作，从而为城市轨道交通的安全高效运营提供更好的保障的同时，降低硬件重复投资和随后的运行维护成本，也为轨道交通今后提高运营信息化水平提供基础。

    大型综合监控自动化软件完全具有自主版权，项目的实施将极大的推进轨道交通综合监控自动化系统国产化进程。该软件在城市轨道交通监控系统领域中可以替代进口，打破国外产品垄断，经济效益十分明显。系统为适应地理上分散的、高性能、面向系统集成应用的实时分布式综合监控系统平台。具有很强的集成能力和二次开发能力，通过定制开发可应用于其他如公路交通、输气管道等大型工程的自动化监控。