轨道交通监控系统集中式和分布式结构研究.pdf

餐i 繁黼帮熏懑蓦懑瓣蜜嚣|；|藩瓣瓣蘩瓣戮蒸熏嚣藩交蓠蠹嚣垂懑蠹垂鬻懑鞭嚣蘸鞭熏|；|蠹蒸|惹囊蘩|澍矮：|鞭 溶|媲|溅；黎轫道交通监控系统集由式和分布式结构研究程畅(上海宝信软件股份有限公司，2 0 1 9 0 0，上海工程师)摘要分析了轨道交通监控系统集中式结构和分布式结构的软件模型和硬件配置，从可靠性和成本、实用性和可扩展性、可维护性和单一的应用等方面，对两种结构进行比较。结合轨道交通实际运营需求，提出了不同运营管理模式下的系统构成方案。同时，根据“单一的应用”的概念，对系统构成方案进行了优化，在保证系统可靠性的前提下，提高系统可维护性，达到降本增效的目的。关键词城市轨道交通；监控系统；集中式；分布式；单一的应用中图分类号U2(一3 9O nt h eC e n t r a l i z a t i o na n dD i s t r i b u t i o no fM o n i t o r i n ga n dC o n t r o lS)s t e mf o rR a i lT r a n s i tC h e n gC h a n gA b s t r a c tA f t e ra n a l y z i n gt h es o f t w a r em o d e la n ds y s t e mc o n f i g u r a t i o n，t h e nc o m b i n e dw i t ht h ea c t u a ld e m a n df o rr a i lt r a n s i to p e r a t i o n，ap r o p o s a lf o rc o n s t i t u t i n gas y s t e mp l a ni sf o r w a r db a s e do nd i f f e r e n tm a n a g e m e n tm o d e s A c c o r d i n gt ot h ec o n c e p t i o no f“s i n g l ea p p l i c a t i o n”，t h es y s t e r ns t r u c t u r ei so p t i m i z e dt oe n s u r eah i g h e rr e l i a b i l i t y，T h i ss o l u t i o ni sc x p c c t e dt oi m p r o v et h em a i n t e n a n c eo ft h es y s t e m，a c h i e v et h eg o a lo fr e d u c i n gc o s ta n de n h a n c i n ge f f i c i e n c y K e yw o r d su r b a nr a i lt r a n s i t；m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e r n；c e n t r a l i z e dt y p e；d i s t r i b u t e dt y p e；s i n g l ea p p l i c a t i o nA u t h o r sa d d r e s sS h a n g h a iB a o s i g h tS o f t w a r eC o 2 0 1 9 0 0，S h a n g h a i，C h i n a轨道交通监控系统的对象包括电力系统(P S C A D A)设备、环控与楼宇系统(B A S)设备、火灾报警系统(F A S)设备，以及其它机电设备，如屏蔽门(P S D)系统、自动售检票(A F C)系统、门禁系统(A C S)等的设备。系统实现两级管理(控制中心级(即中央级)、车站级)、三级控制(控制中心级(即中央级)、车站级、就地级)的方式，要求软硬件的设计充分考虑系统的可靠性、可维护性、可扩展性、通用性和先进性。根据建设成本、监控对象、环境等情况的不同，国内轨道交通监控系统在构成和技术方案上有不同的选择，包括集中式、分布式等。目前，很多监控系统已投入运营，效果良好，但也存在一定的问题。为此，必须对系统构成方案进行合理的优化。无论是硬件还是软件，系统设计者都需要根据实际运营需求对系统结构进行全面的考虑，在实现系统功能的同时，保证系统的可靠性，提高系统的可维护性，并达到降本增效的目的。本文通过分析典型的集中式结构和分布式结构，结合不同运营管理模式下的运营需求，提出适用的监控系统构成方案。1 集中式系统结构集中式系统的典型软件模型如图1 所示，包括中央级监控系统、车站级监控系统、车辆段监控系统及主干通信传输网等。1 1 中央级监控系统集中式系统在中央服务器设置实时数据库和历史数据库，用于采集并保存全线所有机电系统的数据信息，全线所有的实时数据、历史数据、报警事件均集中在巾央服务器进行处理和存储。在主干通信传输网正常运转的情况下，为了保证集中式系统的可靠性，一般在中央级设置冗余服务器；当在线服务器出现故障时，数据处理和应用可以切换到另一台服务器。以B A S 监控系统为例，假设全线有2 0 个车站，每个车站的B A S 有5()(1 0 点的规模，中央大楼按车站级考虑，中央级计算机的实时数据规模将达到2 1 50 0 0=1 0 50 0 0 点，同时还需设置历史数据库。这就意味着中央级必须使用较高配置的冗余服务器，针对海量数据存储的需求，还应配置磁盘阵列。中央级工作站设置H M I(人机界面)用于对设备进行监视和控制。8 9 万方数据淤瓣黼潞黼鋈交酒鼹蕊蕊|；一溪臻溪添添黼黼瓣黼瀚黼瓣蛾黼黼惑惑鬻蕊蕊惑蠢懑窝鬻慧惑曩燃斓莲2 壤服务器(冗余)、二蒿巍操历史数据库作系实时数据库操工作站统其它应用软件作系H M I(人机界面)接口通信模块统监控组态软件J大楼机电系统：=t=一一一。厂一广主韵酯童输网。1、一f 一弋弋一工作站，服务器车站机电系统操维修工作站操实时数据库作H M I作摹。诨级模式系系其它应用软件统系统维修软件统接口通信模块IIjIIlH M l一七址船I 瞻摘歪赫!车辆段监控系统+”。1 二L“、“j一一-_，、图1 集中式系统软件模型1 2 车站级监控系统在主干通信传输网正常的情况下，车站级计算机仅用于对设备进行监视和控制，车站的实时数据、历史数据、报警事件集中在中央级进行处理和存储。当中央级监控系统与车站级监控系统的网络通信中断时，为了保证系统的可靠性，车站级计算机必须设置实时数据库以独立完成本车站的数据信息采集和保存。这种情况称为降级运营模式。此时车站级计算机作为服务器使用，必须设置服务器级别的计算机而不是一般的操作员工作站。由于实时数据规模仅包括本车站数据，硬件配置可采用低配。1 3 车辆段监控系统车辆段监控系统主要用于维修。车辆段维修工作站设置H M I 用于对设备故障报警进行监视，同时设置维修软件对设备进行在线故障诊断和维护。2 分布式系统结构分布式系统在中央级(中央大楼也作为车站级考虑)和各车站级服务器设置实时数据库，用于采集本站点的机电系统数据信息，历史数据库可分布到各车站服务器，也可以在中央级统一考虑。一般要求车站服务器存储本站点3 个月的历史数据，中央服务器集中存储全线1 2 年的历史数据。分布式系统在中央、车站、车辆段设置工作站，实现运营各岗位的监控需求。工作站的数据信息均来源于各车站级服务器的实时数据库。在主干通信传输网正常运转的情况下，为了保9 n 证分布系统的可靠性，一般在各站点均设置冗余服务器；当在线服务器出现故障时，数据处理和应用可以切换到另一台服务器。当中央级监控系统与车站级监控系统的网络通信中断时，分布式系统可立即进入降级运营模式，因为车站级监控系统是独立运行的。各车站级服务器实时数据规模仅包括本车站数据，硬件配置可采用低配，但需要配置2 台。中央级需单独配置历史服务器和磁盘阵列，用于实现海量数据存储。分布式系统的典型软件模型如图2 所示。3 单一的应用对于一个接口设备，监控系统在实时服务器设置实时数据库采集数据信息并下发控制指令，监控工作站通过该实时数据库实现监控功能，称之为“一个应用”。当另一台实时服务器也设置实时数据库采集相同设备的数据信息并下发控制指令时，称之为“另一个应用”。两个应用必然会对系统产生以下影响：两个应用产生的历史数据、报警、事件时间戳不同且不同步；操作员对两个应用分别进行报警确认，确认时问和数量都不同；操作员可能会在同一时刻对同一设备发送不同的控制指令。如果在两个服务器之间建立冗余同步机制解决了以上3 个问题，那么系统仍然能够保证单一的应用；如果两个服务器完全独立设置，那么系统存在多次应用。单一的应用和多次应用的典型数据流如图3 所示。万方数据第1 0 期；F 禁霉撵睦_ 娑竺三竺=娄霾黜阼萎萎R 产毛苄麓戡；H 玉燕寥l 萎卜矗 匹蓝i 五巫乒燮 匕竺到；f 兰孝量|孝；毒三l：考i；。；穗一蔺 I 一1iI 箨卜j 羹簪l 羹E 兰1 蛩Iii1 羹E j 型塾i驿罔簪兰掣铡引I 舡里型口；：=一一L _ j：!o，一一一一一丽晰一一一一一、-，一一一一一丽隔石一一一一一、甲甲田丫旗啕1 型钧1 弛l接II 沁坠：I：l、i 一一一一一篓二唑鏖旦一一一一一，-：一一一兰；塑一一一一一，图3单一的应用和多次应用的数据流4 集中式结构和分布式结构的比较4 1 可靠性及成本集中式系统一般在中央级设置较高配置的冗余服务器；在车站级只需设置配置较低的服务器或工摔机实现单站独立运行和车站监控功能，所以为了保证系统可靠性，数据规模不宜过大。在保证系统a T 靠性的前提下，集中式系统成本较低。例如点数较多的B A S 系统中央级的点数规模有1 f)万点左右，高配置的服务器1 1 丁以与数据规模相匹配；车站级点数规模仅5()()(1 点。即使采用低配置的服务器，C P U 占用率也不会很高所以车站级尤需再配置工作站监控功能和H M l 也可在牟=站级计算机I：运行。集f f l 式系统可以充5)-币1 J 用硬件资源；分布式系统通常在各车站级均没置冗余眼务熬朋锻漆器，即使系统设计者为了节约成本，在单车站只设置一台服务器而在相邻车站的服务器设置冗余同步机制，但仍然需要设置单独的车站级工作站用于监控。成本显然比集中式系统高。如果数据规模庞大，分布式系统将系统负荷分散到各车站，即实现了负载均衡，系统可靠性较高；如果数据规模较小，分布式系统的实用性不如集中式系统。4 2 实时性及可扩展性集中式系统在r 卜央级处理的数据较多。数据的传输都由中央服务器保证负荷较大可以选择配置较高的计算机和集中处理能力较强的系统软件。其实时数据响应和控制响应以满足具体的监控需求为设计依据和目的与分佰式系统的实时性响应相同。当建设延伸线时，分布式系统呵方便地存延伸线车站增加硬件设备和软件应用，所有的系统调试9 1。万方数据图|N 潮t f f l 锺；交避翼i均在车站内完成，只需在中央工作站增加延伸线的监控功能，不影响已建成的系统运行；集中式系统却需要在中央与延伸线车站进行系统调试，同时在中央服务器增加延伸线的数据应用，在中央工作站增加延伸线的监控功能。显然，分布式系统的可扩展性优于集中式系统。4 3 可维护性及单一的应用从道路分析的角度看，分布式系统虽然将系统负荷分散到了各车站，但同时增加了各车站的系统维护工作量；集中式系统只需重点维护中央服务器，可维护性优于分布式系统。但系统设计者和维护人员往往忽略了一个问题，那就是单一的应用和多次应用在可维护性方面的差异。集中式系统在中央服务器设置了一个应用，车站计算机独立运行的实时数据库又设置了一个应用，然而其无法在中央服务器和所有车站计算机间都建立冗余同步机制，违反了“单一的应用”原则，增加了系统的维护难度。这也是集中式系统结构的一个缺陷。为尽量避免该问题，可作两点考虑以提高系统的可维护性：其一，影响运营服务能力且可控设备较多的系统如B A S、A F C 可考虑降级运营模式，即在车站设置独立运行的实时数据库，已有后备控制的系统如P S D、P S C A D A(所内)可不考虑车站独立监控。其二，在主干通信传输网正常运转时，车站计算机作为客户机使用，而车站的实时数据库处于备用状态；当降级运营开始后，车站才启用后备实时数据库；当降级运营结束后，车站实时数据库应切换到备用状态。一般降级运营的切换由人工操作，系统需要一定的时间将设备操作权降级到车站，所以车站的实时数据库可采用热备用方式。在数据库启动性能较快的情况下，车站的实时数据库也可采用冷备用方式。分布式系统在各车站设置冗余服务器采集本车站的数据信息，中央不再对数据信息进行多次应用，是完全的“单一的应用”。5 不同运营管理模式的系统构成方案尽管轨道交通建设者在设计和实施监控系统时都提出了两级管理的需求，但仍然存在两种常见的运营管理模式：每个机电系统单独设置监控系统，如P S C A D A、B A S、A F C 等；统一设置综合监控系统，P S C A D A、B A S、A F C 等系统作为子系统接9 2 入。不同的运营管理模式适合采用不同的系统结构。5 1 单独设置监控系统的管理模式各机电系统分别在中央级、车站级和车辆段设置监控系统，系统数量较多，每个系统的数据规模较小，为了降低总的建设成本和总的维护工作量，宜采用集中式的系统结构。由于数据规模较小，集中式系统的实时性也可以保证。各监控系统之间的关联依赖于单系统的双方，在系统扩展时，应采用逐系统、多车站的调试方法，使得对集中式系统的影响最小。5 2 以综合监控系统为主的管理模式在中央级、车站级和车辆段设置综合监控系统，各机电系统均设置接口实现数据通信，单站和总的数据规模较大，为了保证系统的可靠性，宜采用分布式的系统结构。为了降低成本，系统设计者可采用相邻车站冗余或集中站冗余的方式，既减少各车站硬件设备和软件模块的数量，也降低了系统维护的工作量。6 结语无论是单系统监控还是设置综合监控系统，都需满足轨道交通的三大运营需求，即面向岗位的运营管理需求，面向设备的运营监控需求，面向乘客的运营安全需求，同时保证整个系统的可靠性、实时性、可扩展性及可维护性。系统构成方案是实施监控系统的基础。系统设计者需结合轨道交通具体线路的运营管理模式和成本规划，全方位考虑运营需求，科学分析可靠性、实时性、可扩展性、可维护性的标准以及在系统中所占的比重，深入研究集中式、分布式结构的优缺点，为每个监控系统设计合理、最优的系统结构方案。参考文献 1 刘共华，陈辉地铁综合监控系统的几点技术争议E J 3 城市轨道交通研究，2 0 1()(1 2)：9 2 王开满，王军，张慎明城市轨道交通自动化综合监控系统的集成模式 J 城市轨道交通研究，2(1(1 7(3)：5 7 3 黄昱曼地铁综合监控系统的构成及优化 J 城市轨道交通研究，2 0 1()(1 0)：6 3 4 杨韬城市轨道交通主控系统构成方案研究 D 成都：西南交通大学，2()0 7(收稿日期：2 0 1 1 0 1 1 8)万方数据轨道交通监控系统集中式和分布式结构研究轨道交通监控系统集中式和分布式结构研究作者：程畅，Cheng Chang作者单位：上海宝信软件股份有限公司,201900,上海刊名：城市轨道交通研究英文刊名：Urban Mass Transit年，卷(期)：2012,15(10)本文链接：http:/