城市軌道交通控制系統—體化解決方案的探討

【摘要】本文根據我國城市軌道交通設備控制系統的實際情況，并結合國內許多城市軌道交通探討的控制系統集成的問題，提出了解決城市軌道交通控制系統—體化的兩種方案，且分析了兩種方案結構的特點，對兩種方案進行比較，提出了兩種結構分別適用于不同需求的城市軌道交通。
【關鍵詞】控制系統 系統集成 網絡結構

0 引言
城市軌道交通是解決現代城市交通擁擠、保護城市生態環境的有效途徑，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展趨勢。軌道交通是一個復雜、龐大的系統工程，涉及到的大小專業上百個，所有的機電控制系統包含有控制技術(CONTROL)、計算機技術(COMPUTER)和網絡技術(NETWORK)在內的現代科學技術，隨著這些技術的發展，為解決軌道交通控制系統的一體化問題提供了技術的基礎，如何實現城市軌道交通控制系統—體化已成為軌道交通亟待解決的重大技術問題。
1 分離控制系統及存在的問題
在城市軌道交通的所有機電控制系統中，具有代表性的系統有：信號系統(ATC)、環境控制系統(EMCS)、防災報警系統(FAS)、電力監控系統(SCADA)、自動售檢票系統(AFC)、屏蔽門系統(PDS)、環控設備(ECS)、通訊系統、電視監控(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，這些系統均為分離的獨立系統，系統之間的聯鎖關系僅限于簡單的數據接口(1NTERFACE)或繼電器接口，傳輸的信息量有限。系統之間的關系如圖1所示。

圖1 分離系統與系統(設備)之間數據接口和控制關系
圖中是以典型地鐵車站所需控制系統為例，說明的只是各系統之間的聯系。在軌道交通中，運營需求面對所有機電系統是一個統一的整體，當發生某一事件時，必須在有限的時間內通過系統之間的邏輯聯鎖關系處理所發生的事件，而這正是分離的獨立系統缺陷所在。可見，使用分離的獨立系統主要存在以下幾方面的問題：
①系統之間傳輸的信息量有限，不能完全實現所有系統之間的聯鎖關系，且司靠性差。
②系統之間聯鎖關系單一，不能完全滿足現代運營的需求。
③使用分離的機電設備控制系統，在運營中要投人丈量的系統維護、管理人員，增加了運營成本。
2 控制系統一體化解決方案
隨著經濟和技術的發展，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、全面地掌握系統的運行狀態，因此控制系統由分離的系統發展為集成系統，而計算機技術、自動控制技術和網絡技術的發展，為此提供了技術支持。
從技術的發展情況看，集成系統主要有兩種不同結構。一種結構將全線的每一個車站所需集成系統設置為該局域網的子系統，全線通過每個站的路由器構成廣域網，稱之為系統網絡化觀點。另一種結構將全線設置為局域網絡，信息的分析和處理主要集中在控制中心(OCC)，每個現場設備則通過總線方式連接，稱之為信息集成化觀點。
2．1 系統網絡化觀點
系統網絡化的觀點是將全線以車站為單位劃分為若干個局域網(LAN)，每一個局域網有一套自己完整的網絡設備，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，所有信息的集成是在兩個層次上實現的即：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以太網連接，采用TCP／IP協議。如圖2所示。
服務器采用Windows NT或UNIX操作系統，以ORACLE數據庫為平臺存儲、處理該站所有集成子系統的信息，車站發生事件的連鎖關系以及與控制中心(OCC)聯系由該服務器執行。為了提高系統的可靠性，在每一個局域網(LAN)中使用“熱備”兩臺服務器，主備服務器之間的數據同步，以保持系統數據的完整性。主控級通過中心交換機與廣域網連接，且使用具有強大處理數據能力、熱備方式的gR務器系統，服務器宜采用UNIX操作系統和大型數據庫管理系統為平臺，主要進行全線的數據分析、處理以及各局域網(車站級)之間邏輯連鎖關系的分析。此方式構成的集成系統，主要有以下幾個特點：
①車站級使用局域網(LAN)將各子系統連接，子系統之間實現了“無縫”連接，接口簡單、明了，便于系統調試。

圖2 集成系統結構

②以車站為單位將全線劃分若干局域網(LAN)，每個局域網中有完整軟件、硬件，系統相對獨立，因此具有較好的擴展陛。
③由于局域網相對獨立，與控制中心的信息交換僅限于車站子系統中變化信息(參數)，因此每
個車站的局域網可相對刊—域網獨立運行，系統具有較高的可靠性和可維護性。
④每個局域網具有自己完整的網絡設備和“熱備”服務器系統，因此具有強大的分析、處理和存儲數據能力，適用于控制和監測對象相對復雜、子系統多、集成度要求高的地鐵工程。
⑤便于與其他系統的連接。
⑥由于整個系統使用了較多的網絡設備和服務器系統，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的是信息集中和管理統一。如圖3所示。
可根據設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”方式設具有全線的數據分析、處理、存儲能力的服務器(Server、SecondServer)和Switch、Router、OperatorWorkstation等設備，控制中心根據需求設置為控制中心局域網(LAN)，再通過路由器(Router)與車站級的主可編程邏輯控制器(PLC)構成廣域網。全線月盼器宜采用UNIX操阼系統，以ORACLE數據庫為平臺。所有數據分析、處理以及車站級與車站級之間的邏輯連鎖關系的分析都集中在控制中心系統處理。車站級的主要設備有冗余的主PLC和路由器(Router)、OperatorWorkstation等，現場設備通過總線方式(如CAN、DH+等)與該級的主PLC連接，所有現場設備的狀態則通過該級的主PLC傳輸到控制中心，子系統的邏輯連鎖關系由主PLC執行，車站級的OperatorWorkstation用于工作人員的實際操作和系統管理，使用Windows操作系統。此方式構成的集成系統，有以下幾個主要特點
①系統結構簡單，控制對象少，便于安裝、調試和維護工作。

圖3 集成系統結構
②信息高度集成，減少了管理人員數量，降低運營成本。
③由于車站級使用了主PLC控制器，相對服務器系統更有利于邏輯運算，適用于控制對象少、
結構相對簡單、投資總額低的輕軌工程。
④由于信息的高度集中，結構相對簡單，不利于系統的擴展。

3 結束語
兩種結構的系統集成，都避免了分離控制系統的弊病，做到信息集成，各系統之間的實現了“無縫”連接。在這兩種不同結構的集成系統中，系統網絡化的集成系統具有完善的網絡結構和強大處理數據能力的服務器系統，因此更適用于控制監測對象多、投資規模大、分多期建沒的地鐵工程。而信息集成化的系統具有結構簡單、使用冗余方式的主PLC系統，適用于控制和刪，J對象少、要求設備智能化程度高、投資規模不大的輕軌工程。
這兩種結構的系統集成是目前解決軌道交通控制系統的一體化問題的有效方案，國內外許多廠家都在積極研究和探討中。使用何種結構進行系統集成，應結合自己城市的實際情況和投資規模以及兩種結構綜合考慮來決定，不能一味追求大而全的集成系統結構，否則帶來系統可靠性低、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：清華大學出版社，1992