城市轨道交通综合监控系统顶层设计中的GWQS-ISCS理念

卢萌萌 安俊峰 高元军

(1. 山东劳动职业技术学院， 250022， 济南； 2. 济南轨道交通集团有限公司， 250101， 济南//助理讲师)

1 综合监控系统顶层设计目标

顶层设计的理念是，采用全局思想，对某项任务进行全面、深度的统筹和规划，以实现高效性的目标。借鉴顶层设计的相关概念和理论，在城市轨道交通综合监控系统(ISCS)的设计中，从动力、能力和方法论几个层级进行充分考虑，做好ISCS的顶层设计。

ISCS的顶层设计应该站在整条线路以及整个城市的轨道交通建设角度上，做好合理、详细、科学的规划设计，实现开通顺利、投资节省、调试顺利、运营便捷的目标。建设规划阶段是做好顶层设计的关键时期，因此，要做好ISCS的顶层设计，就要重视运营需求，做好整体规划；同时，遵循“设计为建设服务，建设为运营服务”的理念。顶层设计的范畴理应囊括城市轨道交通全生命周期，而最长时间周期是在运营阶段，运营安全又是运营阶段的核心内容，因此，顶层设计的理念要围绕运营安全的宏观主题开展，同时要重视原始设计时系统品质的因素和系统运维保障的因素，把运维保障的实现与应用作为一个重要层面。

ISCS顶层设计的目标是：提升信息化的先进水平，实现互联互通、智能化和安全化的信息架构，构建更加智能的ISCS，提高ISCS的服务质量、监管效能、管理效益，为后期运营、后期新线建设及换乘站设置做好规划，确保系统品质、运营安全、运维保障等关键环节顺利实施。

2 ISCS规划与设计的通用需求

通过ISCS顶层设计的实施，ISCS将在现有信息化基础上充分发挥信息互联互通的作用，通过一系列传感器、硬件交换设备、传输通道等，实现对设备信息、状态、模式等的全面感知、有效传输，实现系统和系统之间的互联互通，使城市轨道交通工作人员能够及时发现相关信息，并为运营提供便捷、实时的信息服务。实现面向服务、面向运营、面向安全的安全兼容综合模型。

在ISCS的顶层设计中，ISCS就像一张网，先将城市轨道交通信息化建设工作中已经取得良好成效的做法和措施“连成线”，再通过构建顶层设计的信息系统和基础设施构架模型，将整个信息化建设工作“连成面”。这样一张“信息网”由车站级别的ISCS、车站与车站之间的传输通道、中央级(中央级控制中心)ISCS等组成，实现中心级的调度和控制功能，实现全线多系统监控的目标。

国内ISCS的具体实施规划中主要包含以下内容：

(1) 实现中央级、车站级、就地级三级控制，并且制定好传输通道、组网模式、网络构架等相关内容[5-7]。

(2) 综合考虑实现多系统的互联互通，在设计初期制定好ISCS需要互联互通的系统，并且规定准确无误的接口和传输协议。

(3) 规划好换乘站的实施方案，换乘站ISCS的建设既要考虑各条线路的连续性，又要考虑换乘站的完整性。建议遵循以下原则：同期建设、站厅共用，车控室与ISCS合设，集成或者互联的BAS(环境与设备监控系统)、FAS(火灾自动报警系统)的设备最好采用同一型号，正常情况下各线路独立运营，灾害情况下实现联动功能。

(4) 在城市轨道交通建设初期，做好HMI(人机界面)的标准化规划工作，制定HMI标准，图库统一。

(5) 交换机、服务器等关键设备的选型，既要满足系统功能需求，又要满足国产化率的要求，确保系统设备能在城市轨道交通环境中可靠运行。

(6) 规划控制中心设置方案，可以采用单一中心、主备中心和无主中心等设置方案。选择合适的配置方案。

(7) 充分考虑各相关系统的接入方式。ISCS与各个子系统间通常采用交换机或FEP(前端处理器)两种接入方案。根据具体的情况，选择合适的接入方案。

3 顶层设计在ISCS建设中的发展前景

目前，国内ISCS建设中仍存在的一些全局性、系统性问题，因此应重视ISCS的顶层设计,这将会使后期的建设和运维受益匪浅。为确保ISCS这张“网”不出现任何的“断线”情况，要统筹管理ISCS的全面建设，提升信息化建设水平，增强建设合力；要通过统一的思路、统一的管理体制，激发整个车站、整条线路，乃至整个城市的轨道交通信息资源的综合效能。为使ISCS这张“网”不出现任何的“断线”情况，需要把握三个基本点：关键核心设备的安全性和可靠性，系统构架的合理性，监控平台的稳定性。

3.1 国内ISCS的发展前景

(1) ISCS与无人驾驶模式相结合。无人驾驶技术可以提高城市轨道交通系统的可靠性、安全性、可用性、可维护性，有助于提升运营应急处置水平。无人驾驶技术具有众多优点：① 可缩短运行时间间隔，可以减少因运营人员的参与而对运营效率造成的影响；② 可减少人员配置，相应地减少运营成本；③ 有助于提高运营安全和服务质量；④使运营组织更加灵活。

(2) ISCS与线网控制中心调度指挥相结合。线网控制中心具有综合监视城市轨道交通网络的功能，具有运营协调、应急指挥、信息共享等作用；在非正常情况下，尤其是当2条及以上轨道交通线路发生紧急灾害情况时，线网控制中心将代表政府行使指挥权。线网控制中心的出现给整个城市的轨道交通运维带来很大的便捷性，从顶层设计角度看有较大的必要性。搭建线网控制中心，对全网络轨道交通线路进行监控，协调各条线路的控制中心及各运营主体。

3.2 GWQS-ISCS理念

从一个城市的轨道交通建设伊始，就应站在城市规划和轨道交通建设规划的基础上进行顶层设计，这对于整个城市的轨道交通建设具有指导作用。本文从绿色ISCS、智慧ISCS、品质ISCS、安全ISCS四个方面提出ISCS顶层设计中的相关理念，简称GWQS-ISCS(Green， Wisdom， Quality， Security-ISCS)。绿色ISCS，是指在ISCS顶层设计中充分考虑绿色节能、环保的问题，做到节电、节水、节地、节材、环保，从ISCS的系统到设备，从控制中心到车站，从设计到建设等方方面面达到绿色的要求；智慧ISCS，是指在ISCS的顶层设计中，充分发挥各种信息和数据的作用，利用先进的技术和热点问题，提高ISCS的智慧程度和智能水平；品质ISCS，是指在ISCS的顶层设计中，建设设备稳定可靠、用户满意、运营方便、乘客舒适度高的ISCS；安全ISCS，是指在ISCS的顶层设计中，达到安全系数高、不易被攻击、持续安全可靠的网络环境和系统运维环境。GWQS-ISCS构架如图1所示。

图1 GWQS-ISCS构架图

3.3 GWQS-ISCS理念的具体内容

3.3.1 绿色ISCS顶层设计的主要内容

(1) 避免信息孤岛，实现服务器、工作站、网络信息的全面共享。如何缩减设备数量也是顶层设计的一个方面。

(2) 在保证质量和可靠性的前提下，设备的制造和使用优先考虑国产化，以节约进口设备需要的运费等成本。

(3) 打造智能节能理念，全面贯彻落实“绿色地铁”的设计方案，加强节能策略的落实，积极采用先进技术(如再生能源制动等)。

(4) 共享空间，节约土地。比如换乘站公用车控室、多条线路共用一个OCC(运营控制中心)等，以提高设备房的利用率。

3.3.2 智慧ISCS顶层设计的主要内容

(1) 从硬件、软件设计等方面逐步演变、升级，为ISCS提供发展空间。建造一个“智能化综合监控系统平台”。

(2) 实现智能化ISCS，进而实现信息互联互通、信息交互、大数据分析和诊断的智能化，以及智能运维等，用机器学习代替人脑实现智慧ISCS。

(3) 将BIM(建筑信息模型)技术运用到ISCS的建设和运营环节，利用BIM进行施工进度和施工质量的监督，利用BIM对物资进行管理。

(4) 建设智能化系统平台，加入模式识别分析理念和算法，实时采集数据信息，进行设备的在线检测和诊断。

3.3.3 品质ISCS顶层设计的主要内容

3.3.3.1 线网层级的设计

(1) 实现子系统与ISCS的深度集成，而不是简单的互联互通。

(2) 规划好ISCS中线网IP地址的划分，做到整齐划一、科学实用。

(3) 建立门禁系统的线网平台，解决门禁基础数据管理混乱、效率低下、难以共享、重复初始化、跨线用卡难等问题。建立统一的门禁线网管理中心，实现线网级、线路级、车站级三级门禁的操作及监控。

(4) 建立门禁和一卡通线网平台，实现售票、员工购物、门禁、考勤、食堂就餐等功能的综合统一。做好充分的预留工作，所选产品要符合国家和国际标准，做到接口、维护和扩展三个层次上的简单易行，并且达到功能灵活扩展的目的。

3.3.3.2 统一化的设计理念

(1) 关于设备统一的顶层设计理念，在设备安全可靠、价格合理的前提下，要做好如下几点：工作站的颜色、容量、配置要与其他专业的工作站统一，开关柜、机柜的颜色需要与其他专业匹配。

(2) 制定统一的标准化建设要求。具有多条线路和线网综合监控需求的城市，要做到标准先行，制定统一的ISCS建设标准，以制约后续工程中的ISCS建设，更好地服务于运营。城市轨道交通行业应该统一ISCS建设、运维、设计等方面的需求，制定一套标准化建设要求。

3.3.3.3 提高系统的可靠性和运维的便利性

通过采用各种有益手段，增加ISCS的可靠性，使运维更加便捷。就ISCS子系统BAS的组网模式而言，长期以来，BAS组网模式采用的是以太网和总线两种模式，在国内大多数城市的轨道交通系统中，BAS的两种模式都有采用；有个别城市存在一条线路采用两种组网模式、两个厂家的PLC(可编程逻辑控制器)的情况，这种混搭模式可能会对运营期的网络通信、运营维护造成一些影响。

为了确保运维的便利性、备品配件的一致性，建议整个城市采用统一的、某种固定的组网模式，充分比选发展趋势、系统配置、网络稳定性、网络可靠性、网络协议、组网便捷性、网络复杂程度，以及传输速率、传输距离等，选择固定的组网模式，做到统一化。

3.3.3.4 采用先进技术

通过采用先进技术，使ISCS的整个生命周期协调、和谐、美好。在进行ISCS顶层设计时，就应考虑采用先进技术，提高系统的整体技术水平，降低外界干扰，提高运营管理效率。比如，在UPS(不间断电源)的整合方案中，要具体考虑电池的容量选择方案、UPS的电源供电运行模式、电池容量计算与配置、UPS电源的后备时间等。

3.3.4 安全ISCS顶层设计的主要内容

(1) 参考标准GB/T 21562—2008，安全ISCS需要满足相应的指标要求。ISCS的安全性是由系统的可用性和可靠性定量指标来保证的，可用性指标A=tMTBF/(tMTBF+tMTTR)。其中，tMTBF为系统平均无故障时间，tMTTR为系统平均修复时间。

(2) 充分考虑关键设备的先进性和系统安全性，按照RAMS(可靠性、可用性、可维修性、安全性)理论的安全性指标，产品要具有不导致人员伤亡、系统损坏、重大财产损失、不危害员工健康与环境的能力。只有保证ISCS设备的可靠运行、设备处于先进的水平，才能为ISCS的安全运维保驾护航。因此，选择ISCS设备时要以安全可靠为重，同时要充分考虑关键设备的先进性。

(3) 采用人工智能、互联网、大数据等先进技术，以及信息化的安全技术手段，使ISCS更加安全可靠。用技术手段为ISCS的安全保驾护航。

4 GWQS-ISCS理念在济南地铁的应用

济南地铁R1线的ISCS拟采用多种顶层设计方案，主要方案见表1。

表1中的内容为济南地铁R1线建设拟采用的顶层设计方案，以达到节约资源、便捷运维的目的。可以肯定的是，随着技术的发展和更新，在城市轨道交通的建设过程中，会出现更有意义的方案和策略。

表1 GWQS-ISCS拟在济南地铁R1线的应用情况

5 结语

本文从绿色ISCS、智慧ISCS、品质ISCS、安全ISCS四个方面提出了ISCS顶层设计中的相关理念，即GWQS-ISCS理念。在城市轨道交通行业发展中，对ISCS还会有更多、更高、更深的要求，主要有以下几点：

(1) 实现车站无人值守，设备和系统代替人工完成值守工作，但是实现困难，需要从网络设备、软件等方面进行深入研究；

(2) 实现设备故障自诊断和自愈功能，实现专家诊断和维护功能；

(3) 一方面要加强ISCS安全等级措施，另一方面ISCS要能真正实现对设备的控制功能。

相信随着技术的进步和科学的发展，ISCS将更加智能，更加人文，更加便捷。