城市轨道交通控制系统—体化解决方案的探讨

【摘要】本文根据我国城市轨道交通设备控制系统的实际情况，并结合国内许多城市轨道交通探讨的控制系统集成的问题，提出了解决城市轨道交通控制系统—体化的两种方案，且分析了两种方案结构的特点，对两种方案进行比较，提出了两种结构分别适用于不同需求的城市轨道交通。

【关键词】控制系统 系统集成 网络结构

0 引言
城市轨道交通是解决现代城市交通拥挤、保护城市生态环境的有效途径，在世界许多国家的城市交通中得到广泛的应用。我国也有许多城市已建或筹建轨道交通，已成为解决城市交通问题的必然发展趋势。轨道交通是一个复杂、庞大的系统工程，涉及到的大小专业上百个，所有的机电控制系统包含有控制技术(control)、计算机技术(computer)和网络技术(network)在内的现代科学技术，随着这些技术的发展，为解决轨道交通控制系统的一体化问题提供了技术的基础，如何实现城市轨道交通控制系统—体化已成为轨道交通亟待解决的重大技术问题。
1 分离控制系统及存在的问题
在城市轨道交通的所有机电控制系统中，具有代表性的系统有：信号系统(atc)、环境控制系统(emcs)、防灾报警系统(fas)、电力监控系统(scada)、自动售检票系统(afc)、屏蔽门系统(pds)、环控设备(ecs)、通讯系统、电视监控(cctv)、电扶梯、照明和给排水等，在我国已建成并投人运营的轨道交通中，这些系统均为分离的独立系统，系统之间的联锁关系仅限于简单的数据接口(1nterface)或继电器接口，传输的信息量有限。系统之间的关系如图1所示。

图1 分离系统与系统(设备)之间数据接口和控制关系
图中是以典型地铁车站所需控制系统为例，说明的只是各系统之间的联系。在轨道交通中，运营需求面对所有机电系统是一个统一的整体，当发生某一事件时，必须在有限的时间内通过系统之间的逻辑联锁关系处理所发生的事件，而这正是分离的独立系统缺陷所在。可见，使用分离的独立系统主要存在以下几方面的问题：
①系统之间传输的信息量有限，不能完全实现所有系统之间的联锁关系，且司靠性差。
②系统之间联锁关系单一，不能完全满足现代运营的需求。
③使用分离的机电设备控制系统，在运营中要投人丈量的系统维护、管理人员，增加了运营成本。
2 控制系统一体化解决方案
随着经济和技术的发展，对城市轨道交通的安全性、舒适性提出了更高的要求，管理人员也要求更加简单、直观、全面地掌握系统的运行状态，因此控制系统由分离的系统发展为集成系统，而计算机技术、自动控制技术和网络技术的发展，为此提供了技术支持。
从技术的发展情况看，集成系统主要有两种不同结构。一种结构将全线的每一个车站所需集成系统设置为该局域网的子系统，全线通过每个站的路由器构成广域网，称之为系统网络化观点。另一种结构将全线设置为局域网络，信息的分析和处理主要集中在控制中心(occ)，每个现场设备则通过总线方式连接，称之为信息集成化观点。
2．1 系统网络化观点
系统网络化的观点是将全线以车站为单位划分为若干个局域网(lan)，每一个局域网有一套自己完整的网络设备，包括：server、second server、switch、router、operator workstation、plc等。全线通过各站路由器(router)连接形成一个广域网，所有信息的集成是在两个层次上实现的即：主控级和车站级。车站级的server、second server、switch、router、operator workstation、plc等没备通过冗余的10／100mbps以太网连接，采用tcp／ip协议。如图2所示。
服务器采用windows nt或unix操作系统，以oracle数据库为平台存储、处理该站所有集成子系统的信息，车站发生事件的连锁关系以及与控制中心(occ)联系由该服务器执行。为了提高系统的可靠性，在每一个局域网(lan)中使用“热备”两台服务器，主备服务器之间的数据同步，以保持系统数据的完整性。主控级通过中心交换机与广域网连接，且使用具有强大处理数据能力、热备方式的gr务器系统，服务器宜采用unix操作系统和大型数据库管理系统为平台，主要进行全线的数据分析、处理以及各局域网(车站级)之间逻辑连锁关系的分析。此方式构成的集成系统，主要有以下几个特点：
①车站级使用局域网(lan)将各子系统连接，子系统之间实现了“无缝”连接，接口简单、明了，便于系统调试。

图2 集成系统结构

②以车站为单位将全线划分若干局域网(lan)，每个局域网中有完整软件、硬件，系统相对独立，因此具有较好的扩展陛。
③由于局域网相对独立，与控制中心的信息交换仅限于车站子系统中变化信息(参数)，因此每
个车站的局域网可相对刊—域网独立运行，系统具有较高的可靠性和可维护性。
④每个局域网具有自己完整的网络设备和“热备”服务器系统，因此具有强大的分析、处理和存储数据能力，适用于控制和监测对象相对复杂、子系统多、集成度要求高的地铁工程。
⑤便于与其他系统的连接。
⑥由于整个系统使用了较多的网络设备和服务器系统，带来了投资大，工程造价高等问题。
2．2 信息集成化观点
信息集成化的观点强调的是信息集中和管理统一。如图3所示。
可根据设备种类和功能需求将全线划分为两部分：控制中心级和车站级。控制中心级以“热备”方式设具有全线的数据分析、处理、存储能力的服务器(server、secondserver)和switch、router、operatorworkstation等设备，控制中心根据需求设置为控制中心局域网(lan)，再通过路由器(router)与车站级的主可编程逻辑控制器(plc)构成广域网。全线月盼器宜采用unix操阼系统，以oracle数据库为平台。所有数据分析、处理以及车站级与车站级之间的逻辑连锁关系的分析都集中在控制中心系统处理。车站级的主要设备有冗余的主plc和路由器(router)、operatorworkstation等，现场设备通过总线方式(如can、dh+等)与该级的主plc连接，所有现场设备的状态则通过该级的主plc传输到控制中心，子系统的逻辑连锁关系由主plc执行，车站级的operatorworkstation用于工作人员的实际操作和系统管理，使用windows操作系统。此方式构成的集成系统，有以下几个主要特点
①系统结构简单，控制对象少，便于安装、调试和维护工作。

图3 集成系统结构
②信息高度集成，减少了管理人员数量，降低运营成本。
③由于车站级使用了主plc控制器，相对服务器系统更有利于逻辑运算，适用于控制对象少、
结构相对简单、投资总额低的轻轨工程。
④由于信息的高度集中，结构相对简单，不利于系统的扩展。

3 结束语
两种结构的系统集成，都避免了分离控制系统的弊病，做到信息集成，各系统之间的实现了“无缝”连接。在这两种不同结构的集成系统中，系统网络化的集成系统具有完善的网络结构和强大处理数据能力的服务器系统，因此更适用于控制监测对象多、投资规模大、分多期建没的地铁工程。而信息集成化的系统具有结构简单、使用冗余方式的主plc系统，适用于控制和删，j对象少、要求设备智能化程度高、投资规模不大的轻轨工程。
这两种结构的系统集成是目前解决轨道交通控制系统的一体化问题的有效方案，国内外许多厂家都在积极研究和探讨中。使用何种结构进行系统集成，应结合自己城市的实际情况和投资规模以及两种结构综合考虑来决定，不能一味追求大而全的集成系统结构，否则带来系统可靠性低、维护成本高等问题。

参考文献
【1】张载鸿 微型机(pc系列)接口控制教租北京：清华大学出版社，1992