城市轨道交通智能综合监控系统及关键技术
城市轨道交通智能综合监控系统及关键技术
王富章,李平,刘德山
(铁道科学研究院电子计算技术研究所,国家RITS工程中心,北京
100081)
摘要: 结合铁路智能运输系统体系框架的研究成果,提出了城轨智能运
输系统的基本
构想,并对其中作为其他子系统研究基拙的城轨智能化综合监控系统进
行了探讨;在对
城市执道交通监控系统的国内外现状进行分析的基拙上,明确提出智
能化、综合化将是
未来城市轨道交通监控系统的发展方向.最后,文章对城轨智能化综合监
控系统的内
涵、结构及其涉及到的关健技术进行了分析.
关键词: 城市轨道交通;智能交通系统;综合监控
中图分类号: U491. 5
Key Technologies and Intelligent Monitoring
System on Urban Rail Systems
WANG Fu-zhang,LI Ping,LIU De-shan (Institute of Computing Technology, China Academy of Railway Sciences,National RITS Project Center,
Beijing 100081,China)
Abstract: Considering about the outcome of the research on the
framework of the intelligent
railway transport system, the paper raises the basic thoughts of
the intelligent urban railway
transport system, and also studies the intelligent urban railway
comprehensive monitoring system,
which is the foundation of the other sub-system of the intelligent
urban railway transport system.
Based on the analysis about the domestic and abroad status of the urban railway traffic monitoring
system, the developing direction of the urban railway traffic
monitoring system, in the future, is
clearly pointed out. The direction is intelligent and
comprehensive. At last, the meaning, configuration and key techniques concerned, of the intelligent
urban railway comprehensive
monitoring system, are analyzed.
Key words: urban railway traffic;intelligent traffic system;
comprehensive monitoring
CLC number: U491. 5
1 关于城轨智能运输系统的构想
《中华人民共和国国民经济和社会发展第十个
五年计划纲要》中曾明确指出:"充分发挥各种运输
方式的优势,发展和完善城市间旅客快速运输、大
城市旅客运输、集装箱运输、大宗物资运输和特种
货物运输五大系统.以信息化、网络化为基础,加快
智能型交通的发展",因此发展智能运输系统已经
成为我国交通运输领域界的研究重点.基于上述认
识,我国面向道路运输的智能交通系统(ITS)、面
向轨道交通的铁路智能运输系统(RITS)的相关研
究都得到了极大的重视和关注,并在体系框架、标
准体系、发展战略等方面取得了若干有意义的研究
成果.中国作为世界上第一人口大国,目前地铁拥
有量远远低于世界发达国家,已经不能满足经济和
社会飞速发展的需要."十五期间"我国计划投资
8 000亿元用于城市轨道交通建设,建设总里程将
达到450公里.因此可以说我国城市轨道交通已经
进人了快速发展时期,在这一时期从系统的角度出
发规划城市轨道交通的整体发展尤为重要.根据铁
路智能运输系统体系框架的研究成果Ell,围绕城市
收稿日期:2004-01-18
王富章:铁道科学研究院电子计算技术研究所书记,主要从事铁路智能运
输系统、城市轨道交通方面的研究.
第3期城市轨道交通智能综合监控系统及关键技术
轨道运输系统"高品质服务、高安全、高效率"的三
大目标,城轨智能运输系统应由以下6部分组成:
(1)智能化用户导航系统.
包括车站导航、车上信息提供及相关辅助决策
服务,用于为旅客提供从进人城轨交通系统直至退
出该系统的全程运输信息服务及相关的决策支持.
(2)综合运输系统.
用于实现城轨与公路、铁路、航空、水运等其他
运输方式的互补,提供数据共享及多式联运决策服
务,为旅客提供门到门的运输服务.
(3)智能化城轨运输资源管理系统.
包括移动设备、固定设备等运输资源的管理,
运输资源的维修等.目的在于通过GIS等先进技
术建立统一的基础数据库,实现对城轨运输资源的统一管理,建立维修决策知识库实现运输资源的及
时修,保障列车运营安全.
(4)智能化城轨营运管理系统.
综合考虑旅客的交通需求特点及城轨的运输
资源,以优化的方式配置移动及固定设备,实现面向用户需求的城轨列车开行计划,最终提供优质的服务和达到运输资源的高效利用.
(5)智能化行车控制与调度系统.
包括智能列车控制、综合调度控制、车站自动控制等,该系统采用先进的技术实现列车的定位, 对列车运行及在车站的作业进行智能化控制,实现在无人干预或较少人工干预下的列车自动运行,采用智能决策技术对城轨各类资源进行综合调度.
(6)智能化综合监控系统.
用于对城轨的通信信号设备、电力设备、环境、站段设备、车辆状态、线路状态等进行综合监控,通过数据共享平台对上述监控信息进行统一管理,实现数据共享基础之上的各类紧急救援决策,以便充
分保障城轨运营的安全.
在上述6个系统中,智能化综合监控系统作为
各类基础运输数据采集、发布、管理等的统一平台, 无疑将成为其余5个系统建设的基础.因此研究智能化综合监控系统将是实现城市轨道智能运输系
统的前提和基础.
2 城市轨道交通监控系统的国内外现状
近年来随着信息技术、计算机技术、传感技术、
控制技术等的发展,在我国以京、津、沪等为首的城
市轨道交通监控系统取得了迅速的发展,建立了AFC, ATC, SCADA,
BAS, FAS以及高速通信网
等系统,发挥了很大的作用.但由于现行的监控系
统多是按控制功能、对象、范围的不同划分为若干
个子系统,各子系统之间是独自建设、彼此孤立的,
由此带来以下一系列系统内部及系统与外部系统
的互连互通问题,主要有:
(1)由于城市轨道交通具有投资巨大、建设周
期较长的特点,规划路网中的各条线路分不同时期
修建,因此造成设备制式、通信制式等的不一致.这
种多样性、不兼容性为后期城市轨道交通的扩容、
管理带来极大困难,此外还会带来维护困难、资源
设备难以共享、增大运营成本等问题,极大地阻碍
了我国城市轨道交通的可持续发展.
(2)现有的监控系统是一系列彼此孤立的、异
域异构、缺乏统一编码的监控子系统,如行车调度
监控系统、通信监控系统、电力监控系统、环境及防
灾监控系统、站段设备监控系统、车辆状态及检测
监控系统、紧急事件管理系统、维修管理系统等.其
中为多个系统共用的大量业务信息难以共享,而且
还存在人机交互界面的多样性、不一致性问题,严
重影响了信息的充分利用以及综合决策水平.
(3)各独立的监控子系统没有统一的通信制
式和通信平台,带来通信资源的严重浪费和传输效
率低下,造成设备难以共享、实时控制水平低下.
(4)城市轨道交通作为整个道路ITS系统的
重要组成部分,与公交、铁路、航空等存在着大量的
数据交换需求,但现有的监控系统都没有考虑到接
口需求.
显然上述问题的存在将成为制约我国城市轨
道交通快速发展的瓶颈,当务之急是在大规模城市
轨道建设之初,充分利用智能决策技术、信息处理
技术、通信技术等新兴技术,研究具有高级决策支
持能力的智能化综合监控系统.从总体上规范作为
城市轨道运营管理核心的综合监控系统,以便实现
各城市之间、各城市轨道系统内部以及城市轨道系
统与ITS系统及其他运输方式的互通互联、信息
共享,并通过综合信息的深层次加工和利用,提高
决策支持水平.从而大大提高城市轨道领域的市场
竞争力和管理服务水平,为各级领导、运营管理人
员、广大市民提供直观而丰富的决策和信息支持.
目前一些发达国家和地区在实现综合监控方
面取得了很大进展,如香港九广铁路公司(KCRC)
运用的综合监控系统包含了列车监控系统、旅客向
导系统、SCADA系统、无线列调系统,并在此系统
中实现了系统信息和维护信息的共享.日本新干线
交通运输系统工程与信息2004年8月
的运行监控系统不仅包括了旅客向导、SCADA系统,而且还包括快速地
震监测报警系统、环境监控
系统(测量隧道水位、风速监测)、通信信息监控,并
同列车无线电话系统接口.同时新干线运行管理系统可将列车信息通知车辆基地,以利于列车车辆的维护.新加坡地铁的综合监控系统目前处于世界最高水平,该系统集成了自动列车控制系统和自动列车保护系统、设备监控系统等,总共由500多个电脑监控系统来操控.在这一监控系统支持下,新加坡地铁已成为世界上首个实现了智能型自动化操作运行的地铁线路.由此可见智能化、综合化将是未来城市轨道交通监控系统的发展方向.
表I留能化综合监控系统组成
子系统名称内容动力监控
·高压电供给系统、牵引动力系统、低压照明系
统及轨道紧急关闭系统
·牵引动力连接
·悬挂线路状况的计算
.误差距离和动力计算
·反馈
·降低高峰负荷
·供电网结构自动重组
·隧道通风系统
环境监控·站台通风系统
·密集人群管理
3 智能化综合监控系统的涵义
智能化综合监控系统是指将彼此孤立的各类设备控制系统通过网络有机地连接在一起,监控和协调各相关子系统设备的工作,充分提高各类设备
的效率、降低城轨运营成本、提高综合决策水平,为乘客提供一个便利快捷舒适的乘车环境,并在灾害发生的情况下最大限度地保护人和财产安全,实现"高安全、高效率、高品质服务"的智能型城市轨道交通.智能化综合监控系统可定义为动力监控、环境监控、车站附属设备监控、通讯系统监控、列车运行自动监控、决策支援等6个子系统的集成(详见
表1).
采用智能化综合监控系统的益处在于:
(1)实现集中化管理.
各类监控信息由现场的传感器或智能节点发
送至监控中心的设备,对其运行及状态参数实时进
行集中化管理.
(2)实现合理化运行.
可完成设备例行性时序操作,如节假日、周末
及每日上下班定时启动、停止及顺序操作均由控制系统白动完成,可以减少人为的操作,提高可靠性.
(3)实现设备的节能运转.
由于环境负载不断变化,其随人员多少、设备
开关、外气冷热及时段特性而异,人工管理无法适应如此即时、繁琐的调整,而智能化综合监控系统
则可自动即时完成.
(4)实现一体化协调运作.
当防灾报警系统检测到火警信号时,将电梯、
空调、供配电等设备使其进人紧急状态,并使消防系统的高压水泵打开等等,实现一体化协调运作.
(5)实现设备、信息的高度共享和智能决策.
车站附属
设备监控
通讯系统
监控
列车运行
自动监控
决策支援
.电梯、扶梯和输送设备
·照明系统
,FAS系统
·AFC系统
·屏蔽门系统
.安保系统
·乘客导引系统
.电视监控系统
·公共广播((PA)
·公共信息显示系统(PIDS)
·闭路电视(CCTV)
·无线电
·电话(直拨电话系统,PABX)
·时钟
·列车跟踪(方位、识别、监控)
.列车线路
·列车调整(离站监控、列车时刻表、列车运行
状态)
.车站管理
·紧急救援决策支持
·维修决策支持
4 智能化综合监控系统的结构
(1)传统控制系统结构.
在监控系统和自动化系统发展的早期,一般都
按照系统的控制功能、控制对象、控制范围、控制特
点或操作管理上的分界,将一个系统划分为若干子
系统,每个子系统使用一套计算机实现控制,各个
计算机控制系统之间是互相独立的.这种系统控制
方式被称为"多岛控制系统"或"分岛控制系统".显然,在多岛控制方式下,
各个控制系统独立运行,互
不干扰.但同时也不能共享资源,包括宝贵的信息
资源.在多岛控制系统中,要对不同子系统之间的
数据进行比较并得出它们之间的相互关系是很困
难的,尤其是需要实时得到结果时更是困难.
在多岛系统设计中,各个子系统均配备自己的
现场数据采集/控制设备、远程通信设备、实时数据
库和历史数据库服务器、操作员/调度员工作站和
大屏幕显示设备(见图1).由于各个子系统都要通
第3期城市轨道交通智能综合监控系统及关键技术
过骨干网传送信息,因此需要各自配备骨干网的接
人设备.这种接人方式将造成网络带宽被分割,不
能集中使用.在早期的监控系统中,各个不同厂家
都采用专用的远程通信规约,这些规约之间没有互
通性,要实现互相通信,就必须开发专门的规约转
换软件,有时甚至需要开发专门的硬件.
EIvCS系统FAS系统SCADA系统
图1传统控制系统结构
<2)智能化综合监控系统.
智能化综合监控系统结构如图2所示.从图中
可以看出,集成系统仍然保留了各自的现场数据采集/控制设备和各自的操作员/调度员工作站;而将远程通信、实时数据/历史数据服务器和大屏幕显示设备合并成为统一的系统.这样使得各个子系统可以共享骨干网的带宽,所有的实时数据/历史数据也实现了共享.由于大屏幕在集成系统中被合并为一个超大屏幕,因此每个专业的操作员/调度员的观察视野更加开阔了,他们不仅可以通过超大屏幕了解到本专业所关心的系统状态,还可以同时了解其它专业的相关系统状态,这为操作/调度人员全面了解情况,及时做出正确判断提供了有力的手段.另外,大屏幕合并后就要求各个专业的操作员/调度员集中在同一间调度室内,这也有利于各个专业互相之间及时沟通情况,在紧急工况下共同商
讨对策,以做出快速反应.
如图3所示,从信息流的角度出发,智能化综
合监控系统的结构大体分为3层结构:监控数据接人层、监控数据共享层、决策层.底层为监控数据接人层,包括列车运行自动监控、电力监控、环境及附属设备监控、售检票监控系统、通信设备监控等.其中既包括城市轨道交通运输调度、机车车辆、线路、
电力、通信信号等各业务系统的静态数据,又包括
图2智能化综合监控系统结构
交通运输系统工程与信息2004年8月
上述各业务系统的实时动态数据.监控数据共享层
包括数据共享平台和通信平台,用于实现不同通信
制式、不同数据格式的数据源的统一传输和共享.
顶层为统一的人机接口界面层,即决策层,用于辅
助制定设备维修决策、调度指挥决策、防灾减灾决
策、安全及救援决策、运营规划决策等.
人机界面/决策皮援系统(NIIVLS/DSS)
{"备维修决策一{调度指挥"策}}防灾减"决策}{"全及救援决策!}运营规划"策一安全及救援决策运营规划决策防灾减灾决策设备维修决策调度
指挥决策
决策层数据平台
动态信息
(列车位置、速度、现场设备实时信息、电力设
备信息、广播信息、电视信息、语音信息)
静态信息
(线路信息、车站信息、时刻表信息等)
监控数据共享层通信平台
(OC0IV, PAS, NNIS, RADIO, PIDS, Telephone等)
列车运行
自动监控
电力监
控
环控系统/
附属设备
闭路电视、公共广播、乘客
信息显示、无线电、电话
售检票
设备
图3 智能化综合监控系统信息流分层结构
监控数据接人层5智能化综合监控系统的关键技术
智能化综合监控系统涉及到的关键技术包括
共享平台数据安全技术、信息源接口与信息标准技术、信息融合技术、中间件技术、数据挖掘技术、智
能组态技术等.
(1)共享平台数据安全技术.
研究平台数据库的安全、保密、完整和可用性
问题,主要包括数据的提取安全技术、数据的存储安全技术、数据的组织安全技术和数据的使用安全技术.从分析保障网络安全途径人手,将网络安全分区、分层和分级,针对其对网络安全要求的不同, 规划所要采取的安全防护措施.
<2)信息源接口与信息标准技术.
智能化综合监控系统要从现有信息系统或现
场提取大量的信息和数据,必须按一定规则将上述来源不同、位置不同、类型不同、数量庞大的数据发送给数据共享平台,由平台进行规范化处理后进行存储,根据需要以规范格式将数据发送出去,因此建立统一的接口标准和数据规范是智能化综合监控系统能否正常运行的关键之一
(3)信息融合技术·
对多模态、多来源数据进行智能分析、综合以完成所需的决策和评估.信息融合的综合分析能力是决定数据共享平台运行效率的主要因素之一
(4)中间件技术.
智能化综合监控系统中集成了不同类型、不同操作平台、不同协议的数据库和应用,如何在数据共享平台中实现跨平台、透明的数据库共享和通讯,是智能化综合监控系统建成的关键,而实现上述问题的关键是采用中间件技术.中间件是泛指能够屏蔽操作系统和网络协议的差异,为异构系统之间提供通讯服务的软件.中间件位于硬件、操作系统平台和应用程序之间,能满足大量应用需要,运行于多种硬件和操作系统平台,支持分布计算,提供跨网络、硬件和操作系统平台透明性的应用和服务的交互,支持标准的接口和协议.
<5)数据挖掘技术.
基于智能化综合监控系统数据共享平台,从多维角度进行分析比较,实现面向数据和面向模型分析方法的统一,充分利用智能技术提取隐藏在数据中的信息,发现数据背后的规律和知识,预测未来的行为,为行车调度、综合维修等业务提供决策支持服务.
(6)智能组态技术.
智能化综合监控系统各业务信息系统的各类
数据的组态接人,数据存储层次模型、结构的组态, 城市轨道交通业务重构涉及的各类数据组态.
参考文献
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