北京和利时系统工程有限公司

    北京正在面临轨道交通的一个新的大发展期，4号线、5号线、奥运支线和机场快线都将相继开工。在这新的发展期，新线路显然不同于六十年代的1、2号线，也不同于近年的城市铁路。这些新地铁线的建设应该有新的起点、新的建设思路和新的设计思想。作为轨道交通建设中重要方面的自动化系统更应该成为新地铁线新面貌、新技术水平的展现窗口，更应该充分利用最新的自动化技术提升地铁建设和运营的水平。

    北京和利时公司近年来，投入了大量的人力和大量的资源，在多条地铁和轻轨线路进行实践，向世界先进国家的轨道交通自动化技术学习，对新的轨道交通自动化系统进行开发研究，有了一整套适应国情、适应北京具体情况的自动化解决方案，这就是地铁主控系统解决方案。本文件分为四个部分来阐述：

1. 轨道交通自动化系统发展的趋势

    地铁运营中，为了保证旅客的安全、保证列车的有效运营、保证设备正常工作，必须对地铁各个环节进行监控管理。地铁的管理围绕地铁的运营进行，要实现有效的运营就要对设备进行全面的监控。早期的监控系统由于技术的局限，地铁供电、通信、信号、环控等等专业的监控管理主要依靠人工进行，操作者与管理者之间的通信联系，多以电话方式进行。自动控制系统技术多以半导体电路、分立元件为主的设备来实现。地铁的监控管理水平较低。
随着计算机技术和自动控制技术的进步，地铁的各专业按照自身的技术特点，不同程度地应用计算机技术、网络技术。供电自动化采用计算机监控、出现了RTU（远程端子单元）加低速（数据传输率）数据通道的方法，在中央监控中心采用前置通信机将各车站信号综合在一起。环控系统也采用PLC系统和PLC网络，通过骨干网将各车站PLC控制系统的信息传至中央监控中心。（甚至个别应用中，错误地将地铁环控系统当作楼宇控制系统，采用DDC控制。）防灾报警系统也有自己独立的遍布全线的网络；AFC也有自己独立的网；而信号系统更是发展了自己的强大的ATC系统。这样、地铁自动化监控系统便发展成为一种分立监控系统的方式。这些分立的系统在中央监控中心（OCC）都有本专业的服务器、操作站及外用设备，都有自己的不同结构的通信网络，采用的是各不相同的监控软件；在车站也有本专业的监控网络及监控站。例如、广州地铁一号线、二号线即是这种分立监控系统的方式。这种分立的监控系统方式在计算机控制系统理论上称为多岛监控系统，一个网络称为一个自动化孤岛（Automation-island）。

    地铁分立监控系统的各子系统也不完全是自动化孤岛。一些重要的信息还是有联系的。例如：防灾报警信号会传到各系统，触发各系统的灾害模式；例如：列车位置阻塞信息，也会触发各系统的阻塞模式。但是分立系统的硬件平台与软件平台是分立的，它们之间的联络是既困难又高成本的，有些系统之间甚至是难于沟通的。这种分立的系统难于实现信息互通、资源共享。往往要实现地铁运营的协调统一管理，不得不加入人工干预，不得不用电话沟通，不得不手工进行某些工作。这样就降低了可靠性、响应性和运营效率。一般来说，地铁工程都采用经过反复应用、反复考验的技术，工程实践滞后技术发展较长的时间，所以，我国大多数的地铁还是处于这种分立监控的技术水平上。

    从分立系统的的具体情况分析，分立系统在自动化系统方面存在的主要问题如下：

    （1）在围绕正常运营的行车调度和灾害情况下的救灾调度所进行的综合规划方面缺少一个综合管理系统来进行收集信息与综合处理信息，影响行车与救灾调度工作的效率；

    （2）系统之间的信息关联不够，处理突发事件的综合应变能力较差。因此各系统之间的自动化程度还有待提高；

    （3）各个自动化系统操作平台与管理软件彼此独立且数量多，全面掌握难度较大，造成各自动化系统之间互相不了解，运行与维护成本较高。

    人类历史进入九十年代、计算机技术突飞猛进，以著名的摩尔定律向前发展，即每18个月，计算机性能增强1倍，成本下降1倍。而计算机通信和网络技术进步更快，以所谓超摩尔定律发展，18个月的时间间隔进步为6个月。由于计算机、自动控制系统、计算机通信网络特别是大型计算机监控系统技术的长足进步，多岛控制的自动化孤岛被打破，分立的监控系统逐步地走向综合自动化监控。通信网络的带宽增强，高速交换以太网技术的成熟，数据库技术特别是实时分布式数据库的广泛应用，为开发地铁综合自动化监控平台打下了基础，出现了主控系统技术。什么是地铁的主控系统呢？

    地铁主控系统是采用地理上分散的大型SCADA系统作为地铁各专业自动化系统统一平台。主控系统采用分层分布网络构成OCC和车站级监控网，采用同一个软件平台、集成或互联地铁各专业自动化子系统。主控系统对子系统的集成是将此子系统的全部信息通过主控系统接入、传输、监控和管理。而主控系统对子系统的互联是与相对独立的子系统进行必要的信息交换和互联。主控系统可根据具体应用不同，对一些子系统进行集成，对一些子系统进行互联。这样在一个统一的硬件和软件的大平台上，集成所需的子系统，互联所需的子系统构成的大型SCADA系统、便是本文件论述的主控系统。

    无论是电力监控还是设备监控，无论是行车调度监控还是通信监控，它们都可建立在主控系统的统一的计算机网络平台上，由一个统一的软件体系统支持。因此，主控系统中，多岛的孤岛结构变为综合的统一网络结构。在OCC、全线监控系统由高可靠性工业监控网支持，采用一套或多套冗余配置的全局服务器（高端、增强型），几个相邻专业共用一台操作员站，外围设备全系统共用，特别是软件、共用一个统一的软件平台。同时，在车站、监控系统由高可靠的工业监控网支持，车站建立综合监控室，配有冗余服务器和操作站、集成管理车站各个专业的信息。这样就可以实现地铁全线各专业资源共享，信息互通。全线系统在一个平台上运行。

    主控系统在计算机技术和网络技术的推动下诞生，并在地铁监控的工程实践中日益成熟。一个新建的地铁工程选择主控系统已成为技术进步的必然。

    目前主控系统已是国际地铁发展的主流、是国内地铁发展的趋势。国外轨道交通系统中已有许多线路采用了主控系统，如新加坡地铁的东北线、西班牙毕巴尔巴额地铁、韩国的仁川地铁、汉城地铁7号线和8号线、法国巴黎地铁14号线等。香港地铁的新机场快线，将军澳线也采用了主控系统。而一些著名的新线，如西班牙马德里地铁则进行了更现代化的综合自动化监控。如前所述，技术的进步推动了地铁工程的进步。今天主控系统已成为国外诸多轨道交通系统中的主流系统。

    分析国外地铁主控系统的经验，实际系统的形式多种多样，集成的程度也不尽相同，集成的子系统和互联的子系统的多少和种类不尽相同，一般讲，按照各个地铁的具体情况，按照已有地铁线的技术状况和所在国的技术发展水平，具体的管理水平与运营水平，以及资金、资源等情况综合考虑决定集成范围的大小，考虑集成和互联的具体子系统。但无论集成度是大是小，尽量采用统一平台，尽量地将子系统集成或互联，实现资源共享，信息互连则是共同的。例如，美国南新泽西轻轨，OCC采用了Harmmen公司的综合监控平台（USDATE平台，Industry-link软件）在这个平台上集成并互联了电力系统、旅客信息系统、广播系统、无线电系统、设备监控系统等。又如、香港将军澳地铁，法国Syseca公司的主控系统并未将行车调度系统集成在里面，但互联了几乎所有的专业子系统。这样的作法，现在已经在许多地铁综合监控系统中应用。因为非常重要的行车调度系统（ATC）独立运作对地铁安全运营极为有利。总之，国际上兴建的地铁工程大多选择主控系统。主控系统以其灵活的结构适应着地铁工程的不同需求。

2. 主控系统解决方案

    本文件提出的地铁主控系统解决方案是在北京城市铁路西直门――东直门电力、环控和防灾报警综合自动化监控系统实施经验的基础之上，是在深圳地铁EMCS+FAS+SCADA集成系统详细设计和施工过程中，是在广州地铁三号线主控系统科研和中标方案的分析研究中总结出的一个适应于多条线组成地铁网络时的工程实际的自动化系统解决方案。这一主控系统包括以下技术内涵：

    灵活的结构构架。
    稳定可靠、高速响应的软件体系。
    具有一整套适应地铁运营管理的完善功能和相应的人机界面体系。
    具有强大的对多种子系统的接入能力。

2.1 主控系统构架

    主控系统构架设计的原则如下：
    （1）主控系统是一个大型的地理上分散的SCADA系统，又是一个关系地铁运营安全的高可靠、高响应的综合监控系统。必须保证系统构架可靠性高、稳定性高，具有安全保护机制。
    （2）主控系统采用双纤自愈环千兆以太网作骨干网保证主控系统对主干网络的高性能要求。
    （3）主控系统采用分层分布结构，中央级与车站级实现无缝连接。
    （4）OCC中央监控网可构建服务器群、操作工作站群，实现OCC功能。
    （5）主控系统集成和互联子系统时采用前端处理机技术并对其进行高可靠、高稳定和高适应性设计。

主控系统的构架如图1所示：

    A线主控系统构架
    单条线路中（例如线路A）：主控系统的骨干网由双纤自愈环结构的千兆以太网构成。千兆以太网的中心节点接入OCC中央监控网，换言之，骨干网的中央节点交换机（带有路由模块）作为中央监控网的核心交换机。骨干网的其他节点交换机作为此线各车站监控网的核心交换机，构成各车站的监控以太网。A线主控系统构成包括下列部分：
    A线中央主控系统（CMCS）。
    A线车站主控系统（SMCS）。
    A线车辆段主控系统（DMCS）。
    A线主控骨干网（MBN）。
    前端处理机（FEP）。
    大屏幕系统（OPS）。
    网络管理系统（NMS）。
    A线培训管理系统（TMS）。
    A线系统仿真测试平台（STP）。

    A线中央主控系统（CMCS）

    A线中央主控系统CMCS结构主要由以下部分组成，它们是：中央监控网；OCC实时数据服务器；OCC历史和事件服务器；磁盘阵列；磁带记录装置；电调工作站；环调工作站；行调工作站；维调工作站；A线OCC彩色打印机；A线OCC的前端处理机（FEP）；总调度员工作站（多线共用）；TIS/SIS信息编辑工作站（多线共用）；网管服务器（多线共用）；网管工作站（多线共用）；大屏幕（多线共用）。

    （1）中央监控网为100/1000Mbps双星型交换以太网，TCP/IP协议、C/S结构，符合IEEE 802.3标准。中央监控网以千兆网交换机为核心。冗余配置的交换机的各相应端口链接OCC各个设备构成了双星型中央监控网。

    中心配置2套核心交换机，每个交换机中配有单模光纤千兆网双口接入模块三块和一个路由模块，分别连接两台冗余配置的实时服务器、两台冗余配置的历史服务器和骨干环网。通过多个百兆以太网模块（多口）的RJ45口连接其他的OCC网络设备，构成中央监控网。
中央监控网与骨干网专网的界面在骨干网中心交换机。

    （2）OCC实时数据服务器由2套服务器冗余配置组成。
    （3）OCC历史和事件服务器由2套冗余服务器组成。
    （4）磁盘阵列一套，为实时数据服务器阵列。
    （5）提供一台磁带机，该设备通过SCSI接口与主历史服务器连接。
    （6）电调工作站由两台电力调度员工作站、一台事件打印机、一台报表打印机等组成。电力调度员工作站选用双电源工控机。配置2台17英寸液晶显示器。一台事件打印机；一台报表打印机。
    （7）环调工作站由两个环境调度员工作站、一台事件打印机、一台报表打印机、组成。具体配置同电调工作站。
    （8）行调工作站由两个行车调度员工作站、一台事件打印机、一台报表打印机、等组成。配置完全与电调工作站的相应配置相同。
    （9）维调工作站由两个维护调度员工作站、一台事件打印机、一台报表打印机、等组成。配置完全与电调工作站的相应配置相同。
    （10）A线OCC彩色图形打印机一台。
    （11）OCC设主控系统的网管中心由一台网管服务器和一台网管工作站组成。多线共用。
    （12）A线OCC的前端处理机（FEP）。
    OCC配有一对冗余配置的A线前端处理器（FEP）接入需在A线OCC互联的系统（它们是PA、AFC、SIG、CCTV、TIS、SIS和CLK）。
    （13）总调度员工作站由两台总调度员操作站、一台事件打印机、一台报表打印机、多线共用。
    （14）PIS信息编辑工作站，多线共用。
    （15）大屏幕
配置大屏幕系统产品，由MCS和SIG两个系统的大屏幕显示系统及CCTV的显示系统三部分组成，多线共用。

    A线车站主控系统（SMCS）

    A线各车站主控系统SMCS硬件主要由以下4部分组成：

    （1）车站级监控网为冗余配置的双星型高速交换以太网，100Mbps，TCP/IP协议，符合IEEE802.3标准，冗余配置两台以太网核心交换机。
每台交换机中配有单模光纤千兆网接入模块1块连接到主干网，通过多个百兆以太网模块的RJ45口连接其他的SMCS设备。

    （2）车站服务器由2套服务器冗余配置组成。

    （3）车站操作员工作站选用双电源工控机；每套操作员站配置2台17英寸 TFT 液晶面板；事件打印机一台；报表打印机一台。

    （4）车站前段处理机根据应用的具体情况配置。

    A线车辆段主控系统（DMCS）

    A线DMCS系统包括三个部分：

    （1） 车辆段DMCS监控系统：网络设备采用冗余双星型高速交换以太网（100Mbps、TCP/IP协议、IEEE802.3标准）、双套以太网核心交换机；服务器2套冗余配置。操作员工作站二套采用双电源工控机冗余配置，每套配二台液晶显示器；配置1对冗余前段处理机。

    （2） A线培训系统（TMS）：模拟实际系统运行，作为培训操作人员使用。

    （3） A线模拟测试系统（STP）：模拟各种接口设备的通讯协议，模拟各种子系统的工作，用于测试MCS系统

    A线主控骨干网

    A线主控系统MCS通过A线主控骨干网（MBN）将CMCS、SMCS和DMCS连为一体。主控骨干网是一个地理上分散于OOC、各车站和车辆段的广域网，它是连接车站级监控网和中央监控网的主干，在MCS中处于极为重要的位置。
主控骨干网的选择原则是：

    双纤自愈环环网。
    千兆以太网。
    地铁骨干网或类似应用的应用业绩。
    交换机为工业级产品。
    具有QoS功能。

    前端处理机FEP

    主控系统的最重要特点在于对子系统的灵活的集成或互联。前端处理机承担了这一重要任务。前端处理机将各子系统的信息接入主控系统并进行预处理，将各子系统的数据格式进行转换，由主控系统软件进行统一处理。应用前端处理机技术，既减轻了数据服务器的负担提高了系统的可靠性，又隔离了子系统与主控系统间的故障干扰，保障了系统的安全。前端处理机相当于子系统和主控系统间的网关。

    前端处理机可采用工控机构成，可采用PLC构成，也可用其他工业总线装置构成。前端处理机一般为冗余配置，根据集成子系统和互联子系统的不同情况可选用一对或多对。前端处理机一般采用嵌入式实时多任务操作系统。

    大屏幕系统（OPS）

    大屏幕系统相当于主控系统的大型显示器。一般采用背投影墙做大屏幕，由多层（例如3层），多投影单元并列（例如每层14个单元并列）组成；选用多个投影拼接控制器控制所有单元，实现用户显示要求。大屏幕系统的选择原则是：

    按单线或全线的实际情况，按施工进程考虑大屏幕的规模。
    大屏幕墙的组成应考虑OCC的装修效果。
    大屏幕的整屏显示效果、画面的刷新速度、满足应用要求的信息接入能力和处理能力。
    大屏幕控制器的数量、性能的配合与选择。大屏拼接控制器是此系统的最关键设备。
    主控系统大屏幕应用具有特殊性，大屏幕厂商应与主控系统供应商做好接口联络。
    大屏幕厂商必须提供良好的售后服务。

    主控系统的网络管理系统

    主控系统网管系统可由4部分组成：

    网管服务器一套（可选）。
    网管工作站一台，选用双电源工控机。双液晶显示器；
    便携式计算机多台。（可选）
    高性能并与骨干网相适应的网管软件。

    A线培训管理系统

    培训管理系统模拟OCC的全部功能，单服务器、没有冗余配置，用于对操作人员和维护管理人员的技术培训。培训系统由以下部分组成：

    实时数据服务器一台。
    工作站多台，选用工控机。分为教员工作站一台和学员工作站多台。
    前端处理机一台；
    以太网交换机一台。
    报表打印机一台。
    事件打印机一台。

    系统仿真测试平台（STP）

    系统仿真测试平台模拟OCC的全部功能，单服务器、无冗余，用于模拟各种接口设备的通讯协议，模拟各种子系统的工作，用于测试MCS系统。仿真系统的体系结构包括：

    实时数据服务器。
    测试工作站，选用工控机。
    以太网交换机。
    仿真模拟器 ，1台PC机 (同普通操作员工作站一样)。
    报表打印机一台。
    事件打印机。

    以上为单线主控系统的构架。如果地铁工程有多条线组成，则其构架如图1所示：B线和C线的构架与A线相似（也可有较大差异），B线和C线的中央节点与A线的中央节点联于同一局域网络中，B线，C线的电力、环控和行调工作站可与A线相应工作站集中在一起，组成全线的电力、环控和行调工作站。如此构架，三条线是相互独立的，但它们的OCC是共网的，可实现信息互通、资源共享。

2.2 主控系统软件体系

     主控系统的软件体系应考虑以下原则：

    （1） 软件操作系统可选UNIX或NT，以UNIX为多。
    （2） 人机界面软件以NT为平台。
    （3） 前端处理机（FEP）的软件采用多任务实时系统。
    （4） 软件采用中间件加模块结构，应用软件可灵活挂接。
    （5） 软件须设计满足多线监控要求和适当扩展的实时分布式数据库。
    （6） 软件体系为分层分布式结构，各层间必须实现可靠的通信。
    （7） 软件模块间连接是无缝的。
    （8） 软件必须是成熟的，在工程中应用成功并不断进行技术更新的。
    （9） 软件体系支持强大的人机界面体系的设计，保证地铁工程对主控系统的全面功能要求。
    （10） 软件具有稳定、可靠运行的性能和安全保护机制。

    国际上较为成熟的主控系统软件是法国泰雷兹（Thales-IS）公司的soft-SCADA软件。和利时公司与该公司将合作为广州三号线构建主控系统。

3. 地铁主控系统的特点

    地铁主控系统与其他系统相比有以下特点：

    （1）资源共享，信息互通，可实现信息互联互锁，可实现各子系统间的互动。
    （2）可以全自动实现灾害工况下，全线进入防灾体制。防灾体制以最小损失转为正常运营。
    （3）可以全自动实现阻塞工况下，全线进入阻塞模式，疏散旅客尽快恢复为正常运营。
    （4）可以实现正常工况下的时间表运营，使地铁运营有序、高效、安全。
    （5）在车站和OCC进行一体化监控。可实现系统的全线监控和协调。
    （6）为地铁构造了一个具有广阔扩展能力的平台。主控系统的骨干网的节点数量可以增加以扩展地铁线车站数量；中央监控网支持服务器群工作方式，服务器数量扩展可扩大实时数据库的容量，也可增加监管的线路范围和线路数目；车站级网络交换机可扩展模块增加网络接口数，从而增加接入的网络设备数以扩展车站接入能力；可通过增加前端处理机的插件，增加前端处理机的数量扩展集成和互联系统的数量。
    （7）主控系统软件的升级十分方便。一次软件的升级可带来全线自动化系统技术水平的提升。
    （8）为地铁构造了一个全线系统的数据库，支持地铁开发专家运营系统，为地铁高效运营奠定了基础。

4. 主控系统适应性分析

    （1）主控系统在本质上是各主控系统的中央，车站级的监控功能与系统底层基础自动化层的实时控制功能分开。在监控层实现统一的硬件和软件平台，并具有极其广阔的扩展能力。这种分层分布式结构，适应于地铁工程地理分散、地域广阔的特点，适应于城市地铁工程多条线分期实施的特点。同时，基础自动化层采用分散结构极大地增强了系统的可靠性和灵活性。

    （2）主控系统结构构架十分灵活，顶层OCC的服务器群支持系统线路的接入和共网。网络的前端处理机支持对各种子系统的集成和互联，系统集成子系统的数量可多可少，互联的规模可大可小。这种灵活的构架体系适应中国国情，适应北京的具体情况。地铁各条线的工程概况各不相同，哪条线适合集成哪些系统、适合互联哪些系统，需要业主与系统集成商深入研究，但主控系统为业主提供了多种选择的可能。

    （3）和利时公司提出了主控系统对子系统集成和互联的概念，图2和图3说明了典型的子系统集成和子系统互联，这一总体设计思想，使得主控系统的构成具有了结构柔性，增加了对应用的适应性。一般情况下，主控系统对电力自动化系统，环控系统，机电设备系统的集成是较为方便、技术上也较为成熟。对防灾报警系统是集成是互联则因地而异、因条件而异。对信号系统，对通信系统则以互联接入为好。对售检票系统（AFC）因其为事务系统，理应与实时监控系统严格分开。合理地对子系统进行集成或互联使得主控系统的灵活性和适应性大大提高。

    （4）主控系统并非在分立系统的顶层加了一层“帽子”，似乎增加了投资。实质上是将被集成的系统的车站级和OCC级综合在一起，采用同一硬软件平台，使分立系统集成，反而节约了OCC的设备数量，节约了投资。这样的主控系统更适应自动化水平的提高。

    （5）主控系统的数据库容量极大，服务器处理能力极强，适应监控地铁复杂的监控对象，统具有极强的适应地铁复杂场合的能力。

    （6）主控系统在设计上，因为技术水平较高，可以挂接各类实用的系统，例如，地铁培训管理系统，仿真测试系统，运营仿真系统等，为主控系统的多功能服务提供了条件，增加了系统的适用范围。

    （7）主控系统是一个广阔的计算机系统平台，它及其适于对地铁未来的开发和服务。

    （8）主控系统将对地铁运营的更新和改进起到积极的作用，以地铁数据库为基础的专家运营系统将会适应对地铁管理的更高要求。

    本文件仅为对主控系统的概论，和利时公司将虚心听取地铁领导和专家的意见，改进解决方案，做出更好的地铁自动化系统。