PLC/DCS/SCADA轨道交通综合监控系统的设计研究
时间：2023-01-18 12:30:12 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
柏乃琳
（吉林科技职业技术学院 吉林 长春 130000）
随着我国城市轨道交通的快速发展，国内有越来越多的城市开通地铁交通。随着轨道交通在全国范围内铺开，其综合监控系统也受到更多的关注及重视，成为自动化研究领域的热点内容。综合监控系统就是综合使用各类自动化技术，将机电系统联系起来，集成各种信息资源，便于对各类机电设备进行管理。国外轨道交通中自动化系统已得到广泛应用，依托综合监控系统，管理者可对城市轨道交通各子系统开展管理，大大提升管理效率，也能减少事故发生率。综合监控系统作为轨道交通开展自动化调度工作的主要工具，也是新时期城市轨道交通监控系统发展的必然趋势。综合监控系统具有监控对象多、数据量大等特点，设计轨道交通综合监控系统有利于提升指挥调度的统一性及协调能力。本文针对轨道交通综合监控系统，对其系统需求及框架展开分析，详细介绍系统的各项功能，以期为推进轨道交通项目的发展提供一定的参考。
1.1 PLC技术
PLC作为一种专门用于工业环境下而设计的数字运算操作电子设施，它使用支持编制程序的存储器，用在其内部存储执行运算、计时、算术运算等一系列操作指令。此外，依托数字式或者模拟式输入、输出，用于不同类型的机械或者生产过程。PLC主要特点如下：（1）抗干扰能力：PLC通过软件替代大量中间继电器和时间继电器，剩余与输入、输出相关的少数硬件，能有效减少至继电器控制系统1/10-1/100，避免因触点接触不良引起的故障明显减少[1]。PLC采用大规模的集成电路技术，借助严格的制造工艺，内部电路使用良好的抗干扰技术，可靠性高。（2）安装、维护方便：PLC梯形图程序通常使用顺序控制设计方法，这种编程非常有规律，便于掌握。PLC通过存储逻辑替代接线作业逻辑，不仅可以缩短控制系统设计及建造所用时间，也便于维护，比较适合多品种、小批量生产场景。（3）具有完善的功能：PLC已形成一些不同规模的系列化产品，具有标准化、模块化等特征，配置各类硬件装置便于用户选择。一台小型PLC包含上千个便于用户操作的编程元件，顺利实现较为复杂的控制功能。
1.2 SCADA系统
SCADA系统可表述成数据采集与监视控制系统，就是分布式的计算机监控系统，旨在对较大分布范围、测控点比较分散的设备进行监控。SCADA系统主要由通信网络、人机界面等构成，其广泛用于环境监测与警示、水电站监管、轨道交通监控等领域。
1.3 DCS系统
DCS系统就是分散型控制系统，其能够克服集中式计算机控制系统及仪表监控的不足之处，并集中二者的优点，实现连续监控、数据采集等功能。DCS结构由多个分支和分布式的树状结构组成，见图1。其中，其核心功能在于分散控制功能，主要利用现场控制站完成。从硬件方面分析，DCS现场控制站主要构件为主控单元、过程量I/O等。DSC现场控制站支持独立供电，并对所管辖的回路、各点展开控制，确保各过程量根据设定值相关要求自动实现控制[2]。DCS现场控制站作为较为自律的计算机控制单元，确保DCS各项功能的实现。
1.4 人脸识别技术
人脸识别就是依托计算机算法对人脸特征开展计算和记录，借助复杂的计算机系统对人脸在各时间、不同的图像开展分散分析，完成身份确认工作[3]。轨道交通中使用人脸识别技术，配置完善的监测系统，借助人脸识别可对系统安防体系予以升级处理。通过分析城市轨道交通基本特点后，明确在进出站口设计专业的监控设备对人群信息展开收集，并在机房设计信息分析服务器，对所收集的人脸信息展开集中处理，大大提升工作效果。
2.1 总体架构设计
根据综合监控系统的需求分析，设计的系统要达到地铁资源互通要求，从而提升地铁的可靠性。系统设计严格按照国家设计规范要求，提高更全面的乘车服务。轨道交通一期工程监控及调度工作使用两级制，依次为中央级、车站级，现场控制依据各集成和互联系统实现。中央级综合监控系统设置在调度控制中心，包含历史数据服务器、局域网、中央FEP等，主要功能在于对消防设备、车站机电设施、客流情况等进行监视和控制[4-5]。如果遇到突发情况，支持预案帮助决策，并开启设备联动控制操作，有利于降低事故带来的不良影响。车站综合监控系统（见图2）设计在车站控制或者客运中心，主要由数据服务器、局域网、值班工作站等构成，完成车站与邻区之间各种机电及消防设备的监视及控制功能。停车场及车辆段的综合监控系统设置在信息楼值班室，其结构与车站的大致相同，不同之处在于，因无乘客的服务需求，因此，无需将自动售检票、乘客导向、屏蔽门等接口考虑在内。
2.2 系统网络架构设计
系统的网络架构使用设备层、线网及线路信息管理层、控制层，在线路信息管理层建立1号线综合治理监控系统，在线网管理层建立相应的线网指挥平台。为方便施工调试及开展运营管理，系统骨干传输网利用千兆工业级以太网，不仅可以减少中间不必要的环节、便于调试，也能有效进行扩展，满足轨道交通综合监管工作的实际需求。系统网络的以太网交换机具有虚拟局域网功能，从而将系统及其相关接入系统划分为相互独立的虚拟子网，将各子系统划分为相互独立的虚拟维修子网，便于开展维修、监控信息管理工作[6]。
2.3 系统各功能设计与实现
系统主要功能包含用户管理、操作记录、设备管理等，如图3所示。设备状态信息页：每一个设备信息均由设备属性框展现出来（见图5），所有具有设备监视权的用户支持查看设备静态或状态信息，具备这个专业的维修人员方能对累计运行时间、故障报警信息实施清零处理。
②运营控制页：全部拥有设备监视权的用户支持查看操作场地，只有这一专业的调度及操作员方可支持控制设备，所有控制联锁关系通过模型自行判定，如图6所示。
（1）主模板包含报警栏、菜单栏等内容，选站栏配置选站灯并采用各类颜色代表该站所处的报警状态。
（2）用户管理主要功能在于展示用户名、时间、信息提示等内容；
报警栏展现最新的报警信息，包含车站名称、报警内容及等级、时间等。用户只需在登录界面输入准确地用户名及密码，用鼠标点击登录按钮即可进入轨道交通综合监控系统，系统依据用户权限展示相应的初始界面，见图4。
（3）设备管理主要管理内容为机电系统的设备信息，这个体系建立标准的信息显示模型及用来开展设备管理的接口。以射流风机为对象，具体操作如下：①静态及
③设备维修信息及控制页：只有专业的运营管理者方可对设备开展禁止、预维修时间设置等操作。
④高级控制页：模型能够自动判定数据点是否能开展禁止扫描、报警等操作；
仅有专业的人员方可对数据点开展操作。
（4）报警功能旨在提示要求调度、操作及维修工作人员注意的信息，根据其重要性划分为低级、中级、高级、紧急级；
依据状态性质分成确诊、未确诊；
根据活动性质划分为活动、恢复。报警功能支持对报警或事件进行确认等操作，借助站级状态过滤可挑选已经发生告警、报警及紧急事件，筛选相应程度的报警。
（5）操作记录功能有利于管理人员及工程师查询各项操作记录、系统各位置所有人员的操作，查询条件包含起始时间、关键字、结束日期等，系统默认显示这一天所用的操作内容。
（6）趋势功能能够展现实时或历史趋势情况，包含单组、双组趋势，可挑选已配置完成的趋势组显示出来。
（7）调试功能旨在为维修者提供一系列的调试操作，包含内核调试、标签调试、IO设备状态调试等。
轨道交通综合监控系统中使用人脸识别技术，在于自视频图像获得一些人员的人脸图像，依托于人脸数据库的信息进行对比，依据未知与已知人脸相似情况，判定未知人员是否可能是重点人员[7]。根据识别服务器给出的结果，向本地监控终端及远程控制中心输出结果并发出报警。操作步骤如下。（1）人脸获取：根据车站出入口或者换乘通道设计的摄像头捕获一些视频图像；
采用视频分析器对图像流内的人脸进行检测，开展背景分离处理，通过后续识别分析自动进行存储。而摄像机的光照、安装位置、是否遮挡等均影响人脸捕捉效果。（2）人脸特征提取、对比：综合监控系统支持信息提取，获得一系列属性模式。在这种模式下，提取相应的面部特征，有利于预防光照、表情等因素对人脸识别的不良影响。人脸识别对比会在远程监控中心实现，利用一对多比对方法，依托搜索重点人员人脸的数据库，判定不同车站获得的人脸是否有重点人员的数据库。（3）报警输出：本地设置的监控室及远程监控中心设计报警设施及监控终端，依据人脸识别对比结果，如果出现可疑人员，可利用声音、语音等进行报警。在此基础上，对报警位置、时间等信息进行存储，方便事后核查。综合监控系统使用一系列设备，设备上有多种运行软件，多种软件、硬件组成完整的系统，包含高清摄像机、人脸识别服务器等，系统管理牵涉设备配置管理、日志管理等功能。
当车站对数据进行处理时，中心主要功能在于汇总信息，车站向中心传送相应的数据，主要机制在于订阅或数据压缩拷贝，这种做法有利于分散复合，对于中心服务器的要求比较低，未出现瓶颈，操作流程见图7。
根据线路建设顺序依次设计中央实时服务器及集群方法衔接，共采用历史服务器、中央设计实时及全线历史数据库。
监控数据采集包含查询、触发两种方法，通过事件代表数据量变化情况，且每一个事件均对应相应的存储记录，每一条记录按照512个字节完成计算。假定每一个车站每日平均发生50 000个事件，会形成相应处理的存储记录[8]。必须注意，因历史服务器的硬盘容量的限制，从原则上来说，历史服务器仅保留1年的历史信息。基于此，为满足运营例数数据存储及日后查询需求，设计的综合监控系统要在中央设计磁带机设备。加之，综合监控系统中有待传送的信息还包含各类维修信息，会通过事件触发的方法传送到维修中心，且每一个子系统的维修量不会大于5 Mbps。因大多数设备在相同时间出现概率的可能性比较小，基于此，各集成系统维修信息使用的传输网链路容量是10 Mbps。
综上所述，综合监控系统具有稳定性高、实时性好、可靠性高等特点，支持开展数据的远距离传输，并设计良好的人机交互界面，有利于对警报信息进行处理及解决。文中根据轨道交通综合监控系统实际需求基础上，设计系统的整体架构及网络架构，详细介绍系统各功能的设计及实现，便于更好地实现轨道交通监控与管理工作。
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