城市軌道交通控制系統(tǒng)—體化解決方案的探討
【摘要】本文根據(jù)我國城市軌道交通設(shè)備控制系統(tǒng)的實際情況，并結(jié)合國內(nèi)許多城市軌道交通探討的控制系統(tǒng)集成的問題，提出了解決城市軌道交通控制系統(tǒng)—體化的兩種方案，且分析了兩種方案結(jié)構(gòu)的特點，對兩種方案進行比較，提出了兩種結(jié)構(gòu)分別適用于不同需求的城市軌道交通。
【關(guān)鍵詞】控制系統(tǒng) 系統(tǒng)集成 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
0 引言
城市軌道交通是解決現(xiàn)代城市交通擁擠、保護城市生態(tài)環(huán)境的有效途徑，在世界許多國家的城市交通中得到廣泛的應(yīng)用。我國也有許多城市已建或籌建軌道交通，已成為解決城市交通問題的必然發(fā)展趨勢。軌道交通是一個復(fù)雜、龐大的系統(tǒng)工程，涉及到的大小專業(yè)上百個，所有的機電控制系統(tǒng)包含有控制技術(shù)(CONTROL)、計算機技術(shù)(COMPUTER)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(NETWORK)在內(nèi)的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，隨著這些技術(shù)的發(fā)展，為解決軌道交通控制系統(tǒng)的一體化問題提供了技術(shù)的基礎(chǔ)，如何實現(xiàn)城市軌道交通控制系統(tǒng)—體化已成為軌道交通亟待解決的重大技術(shù)問題。
1 分離控制系統(tǒng)及存在的問題
在城市軌道交通的所有機電控制系統(tǒng)中，具有代表性的系統(tǒng)有：信號系統(tǒng)(ATC)、環(huán)境控制系統(tǒng)(EMCS)、防災(zāi)報警系統(tǒng)(FAS)、電力監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)、自動售檢票系統(tǒng)(AFC)、屏蔽門系統(tǒng)(PDS)、環(huán)控設(shè)備(ECS)、通訊系統(tǒng)、電視監(jiān)控(CCTV)、電扶梯、照明和給排水等，在我國已建成并投人運營的軌道交通中，這些系統(tǒng)均為分離的獨立系統(tǒng)，系統(tǒng)之間的聯(lián)鎖關(guān)系僅限于簡單的數(shù)據(jù)接口(1NTERFACE)或繼電器接口，傳輸?shù)男畔⒘坑邢?。系統(tǒng)之間的關(guān)系如圖1所示。
圖1 分離系統(tǒng)與系統(tǒng)(設(shè)備)之間數(shù)據(jù)接口和控制關(guān)系
圖中是以典型地鐵車站所需控制系統(tǒng)為例，說明的只是各系統(tǒng)之間的聯(lián)系。在軌道交通中，運營需求面對所有機電系統(tǒng)是一個統(tǒng)一的整體，當(dāng)發(fā)生某一事件時，必須在有限的時間內(nèi)通過系統(tǒng)之間的邏輯聯(lián)鎖關(guān)系處理所發(fā)生的事件，而這正是分離的獨立系統(tǒng)缺陷所在。可見，使用分離的獨立系統(tǒng)主要存在以下幾方面的問題：
①系統(tǒng)之間傳輸?shù)男畔⒘坑邢?，不能完全實現(xiàn)所有系統(tǒng)之間的聯(lián)鎖關(guān)系，且司靠性差。
②系統(tǒng)之間聯(lián)鎖關(guān)系單一，不能完全滿足現(xiàn)代運營的需求。
③使用分離的機電設(shè)備控制系統(tǒng)，在運營中要投人丈量的系統(tǒng)維護、管理人員，增加了運營成本。
2 控制系統(tǒng)一體化解決方案
隨著經(jīng)濟和技術(shù)的發(fā)展，對城市軌道交通的安全性、舒適性提出了更高的要求，管理人員也要求更加簡單、直觀、全面地掌握系統(tǒng)的運行狀態(tài)，因此控制系統(tǒng)由分離的系統(tǒng)發(fā)展為集成系統(tǒng)，而計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，為此提供了技術(shù)支持。
從技術(shù)的發(fā)展情況看，集成系統(tǒng)主要有兩種不同結(jié)構(gòu)。一種結(jié)構(gòu)將全線的每一個車站所需集成系統(tǒng)設(shè)置為該局域網(wǎng)的子系統(tǒng)，全線通過每個站的路由器構(gòu)成廣域網(wǎng)，稱之為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化觀點。另一種結(jié)構(gòu)將全線設(shè)置為局域網(wǎng)絡(luò)，信息的分析和處理主要集中在控制中心(OCC)，每個現(xiàn)場設(shè)備則通過總線方式連接，稱之為信息集成化觀點。
2．1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化觀點
系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的觀點是將全線以車站為單位劃分為若干個局域網(wǎng)(LAN)，每一個局域網(wǎng)有一套自己完整的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，包括：Server、Second Server、Switch、Router、Operator Workstation、PLC等。全線通過各站路由器(Router)連接形成一個廣域網(wǎng)，所有信息的集成是在兩個層次上實現(xiàn)的即：主控級和車站級。車站級的Server、Second Server、Switch、Router、Operator Workstation、PLC等沒備通過冗余的10／100Mbps以太網(wǎng)連接，采用TCP／IP協(xié)議。如圖2所示。
服務(wù)器采用Windows NT或UNIX操作系統(tǒng)，以O(shè)RACLE數(shù)據(jù)庫為平臺存儲、處理該站所有集成子系統(tǒng)的信息，車站發(fā)生事件的連鎖關(guān)系以及與控制中心(OCC)聯(lián)系由該服務(wù)器執(zhí)行。為了提高系統(tǒng)的可靠性，在每一個局域網(wǎng)(LAN)中使用“熱備”兩臺服務(wù)器，主備服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)同步，以保持系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性。主控級通過中心交換機與廣域網(wǎng)連接，且使用具有強大處理數(shù)據(jù)能力、熱備方式的gR務(wù)器系統(tǒng)，服務(wù)器宜采用UNIX操作系統(tǒng)和大型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為平臺，主要進行全線的數(shù)據(jù)分析、處理以及各局域網(wǎng)(車站級)之間邏輯連鎖關(guān)系的分析。此方式構(gòu)成的集成系統(tǒng)，主要有以下幾個特點：
①車站級使用局域網(wǎng)(LAN)將各子系統(tǒng)連接，子系統(tǒng)之間實現(xiàn)了“無縫”連接，接口簡單、明了，便于系統(tǒng)調(diào)試。
圖2 集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
②以車站為單位將全線劃分若干局域網(wǎng)(LAN)，每個局域網(wǎng)中有完整軟件、硬件，系統(tǒng)相對獨立，因此具有較好的擴展陛。
③由于局域網(wǎng)相對獨立，與控制中心的信息交換僅限于車站子系統(tǒng)中變化信息(參數(shù))，因此每
個車站的局域網(wǎng)可相對刊—域網(wǎng)獨立運行，系統(tǒng)具有較高的可靠性和可維護性。
④每個局域網(wǎng)具有自己完整的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和“熱備”服務(wù)器系統(tǒng)，因此具有強大的分析、處理和存儲數(shù)據(jù)能力，適用于控制和監(jiān)測對象相對復(fù)雜、子系統(tǒng)多、集成度要求高的地鐵工程。
⑤便于與其他系統(tǒng)的連接。
⑥由于整個系統(tǒng)使用了較多的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器系統(tǒng)，帶來了投資大，工程造價高等問題。
2．2 信息集成化觀點
信息集成化的觀點強調(diào)的是信息集中和管理統(tǒng)一。如圖3所示。
可根據(jù)設(shè)備種類和功能需求將全線劃分為兩部分：控制中心級和車站級。控制中心級以“熱備”方式設(shè)具有全線的數(shù)據(jù)分析、處理、存儲能力的服務(wù)器(Server、SecondServer)和Switch、Router、OperatorWorkstation等設(shè)備，控制中心根據(jù)需求設(shè)置為控制中心局域網(wǎng)(LAN)，再通過路由器(Router)與車站級的主可編程邏輯控制器(PLC)構(gòu)成廣域網(wǎng)。全線月盼器宜采用UNIX操阼系統(tǒng)，以O(shè)RACLE數(shù)據(jù)庫為平臺。所有數(shù)據(jù)分析、處理以及車站級與車站級之間的邏輯連鎖關(guān)系的分析都集中在控制中心系統(tǒng)處理。車站級的主要設(shè)備有冗余的主PLC和路由器(Router)、OperatorWorkstation等，現(xiàn)場設(shè)備通過總線方式(如CAN、DH+等)與該級的主PLC連接，所有現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)則通過該級的主PLC傳輸?shù)娇刂浦行?，子系統(tǒng)的邏輯連鎖關(guān)系由主PLC執(zhí)行，車站級的OperatorWorkstation用于工作人員的實際操作和系統(tǒng)管理，使用Windows操作系統(tǒng)。此方式構(gòu)成的集成系統(tǒng)，有以下幾個主要特點
①系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制對象少，便于安裝、調(diào)試和維護工作。
圖3 集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
②信息高度集成，減少了管理人員數(shù)量，降低運營成本。
③由于車站級使用了主PLC控制器，相對服務(wù)器系統(tǒng)更有利于邏輯運算，適用于控制對象少、
結(jié)構(gòu)相對簡單、投資總額低的輕軌工程。
④由于信息的高度集中，結(jié)構(gòu)相對簡單，不利于系統(tǒng)的擴展。
3 結(jié)束語
兩種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)集成，都避免了分離控制系統(tǒng)的弊病，做到信息集成，各系統(tǒng)之間的實現(xiàn)了“無縫”連接。在這兩種不同結(jié)構(gòu)的集成系統(tǒng)中，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的集成系統(tǒng)具有完善的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和強大處理數(shù)據(jù)能力的服務(wù)器系統(tǒng)，因此更適用于控制監(jiān)測對象多、投資規(guī)模大、分多期建沒的地鐵工程。而信息集成化的系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、使用冗余方式的主PLC系統(tǒng)，適用于控制和刪，J對象少、要求設(shè)備智能化程度高、投資規(guī)模不大的輕軌工程。
這兩種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)集成是目前解決軌道交通控制系統(tǒng)的一體化問題的有效方案，國內(nèi)外許多廠家都在積極研究和探討中。使用何種結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)集成，應(yīng)結(jié)合自己城市的實際情況和投資規(guī)模以及兩種結(jié)構(gòu)綜合考慮來決定，不能一味追求大而全的集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，否則帶來系統(tǒng)可靠性低、維護成本高等問題。
參考文獻
【1】張載鴻 微型機(PC系列)接口控制教租北京：清華大學(xué)出版社，1992
