孟慶波， 張惠敏

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系， 鄭州 450052; 2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，鄭州 450052)

1 概述

當(dāng)前，我國(guó)地鐵建設(shè)和運(yùn)營(yíng)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。綜合監(jiān)控系統(tǒng)作為一種大型分層分布式集散系統(tǒng)，可以提供一個(gè)信息互通和資源共享的平臺(tái)，整合系統(tǒng)資源，優(yōu)化體系結(jié)構(gòu)，提高信息采集和控制處理的實(shí)效性，確保運(yùn)營(yíng)安全并提升管理水平。在系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)中，綜合監(jiān)控系統(tǒng)通常包括網(wǎng)絡(luò)、硬件和軟件3種構(gòu)架，且其軟件架構(gòu)一般包括接口通信層(包含通信協(xié)議)、應(yīng)用數(shù)據(jù)處理層(包括數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)系統(tǒng))、人機(jī)界面層(包括SCADA軟件平臺(tái)系統(tǒng)、用戶定制應(yīng)用功能模塊)等[1]。目前，綜合監(jiān)控系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)主要有英國(guó)Invensys Wonderware公司的Wonderware ArchestrA、法國(guó)Thales IS公司的SCADA Soft、澳大利亞Invensys Rail公司的SystematICS、澳大利亞Foxbro公司的RailSCADA、新加坡科技電子公司的C3、北京和利時(shí)公司的MACS-SCADA、國(guó)電南瑞公司的RT21-ISCS、北京南凱監(jiān)控系統(tǒng)工程有限公司的RAILSYS等[2]。本文基于美國(guó)通用電氣公司(GE)的Proficy HMI/SCADA-iFIX軟件平臺(tái)，開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)的人機(jī)交互界面。

2 GE Proficy HMI/SCADA-iFIX簡(jiǎn)介

Proficy HMI/SCADA-iFIX是美國(guó)通用電氣公司(GE)最為重要的上位監(jiān)控軟件產(chǎn)品，專為在工廠級(jí)和商業(yè)系統(tǒng)之間提供易于集成和協(xié)同工作的設(shè)計(jì)環(huán)境和高性能的自動(dòng)化監(jiān)控解決方案。iFIX的HMI作為監(jiān)視控制生產(chǎn)過(guò)程的窗口，可以提供設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)人機(jī)界面所需要的所有工具；而iFIX的SCADA則提供監(jiān)視、報(bào)警、管理和控制功能，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的絕對(duì)集成和真正的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

基于強(qiáng)大的SCADA引擎、豐富的通訊連接能力和開(kāi)放的系統(tǒng)架構(gòu)，GE Proficy HMI/SCADA-iFIX可以提供豐富的功能特性：基于Windows XP/2003/7/2008、SQL/ODBC容易與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)集成、過(guò)程可視化(HMI)、監(jiān)視控制(SCADA)、基于用戶和基于節(jié)點(diǎn)的安全管理、實(shí)時(shí)歷史趨勢(shì)、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)管理、報(bào)警和報(bào)警管理、智能圖符生成向?qū)?、ActiveX控件數(shù)據(jù)庫(kù)連接、基于時(shí)間和事件調(diào)度、內(nèi)置VBA、支持OPC服務(wù)器和OPC客戶端、基于對(duì)象的圖形界面、工作臺(tái)開(kāi)發(fā)環(huán)境等。

GE Proficy HMI/SCADA-iFIX的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在快速的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)配置和應(yīng)用集成等2個(gè)方面。iFIX開(kāi)放性的功能特性可以實(shí)現(xiàn)與第三方應(yīng)用之間的無(wú)縫集成，減少項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)時(shí)間，縮短系統(tǒng)的升級(jí)維護(hù)過(guò)程，綜合性能(易用性、安全性、穩(wěn)定性等)非常顯著。作為分布式結(jié)構(gòu)的技術(shù)核心，iFIX在標(biāo)準(zhǔn)WINDOWS技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，利用PLUG&SLOVE結(jié)構(gòu)及COM組件技術(shù)，ActiveX、OPC、VBA也可像COM一樣，可在廣泛局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上提供第三方應(yīng)用的簡(jiǎn)單集成。

3 系統(tǒng)功能概述

地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的集成子系統(tǒng)一般包括電力監(jiān)控系統(tǒng)PSCADA、環(huán)境與機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)BAS、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)FAS等；而對(duì)屏蔽門(mén)系統(tǒng)PSD、防淹門(mén)系統(tǒng)FG、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)AFC、門(mén)禁系統(tǒng)ACS、乘客信息系統(tǒng)PIS、公眾廣播系統(tǒng)PA、閉路電視系統(tǒng)CCTV、信號(hào)系統(tǒng)SIG、自動(dòng)列車監(jiān)控系統(tǒng)ATS等子系統(tǒng)則進(jìn)行界面集成或互聯(lián)。這種系統(tǒng)間的集成、互聯(lián)和信息交互構(gòu)筑了一個(gè)信息共享平臺(tái)。本文構(gòu)建的地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)交互界面，集成、互聯(lián)了綜合監(jiān)控系統(tǒng)的8大子系統(tǒng)，接收來(lái)自綜合監(jiān)控各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，或采用系統(tǒng)的內(nèi)部觸發(fā)信號(hào)源，模擬地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)模擬大型分層分布式集散控制系統(tǒng)。其基本功能包括：操作安全、穩(wěn)定友好的人機(jī)交互；建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)；數(shù)據(jù)采集保存；歷史數(shù)據(jù)查詢；報(bào)警一覽及歷史報(bào)警查詢；實(shí)時(shí)監(jiān)控；日?qǐng)?bào)表的生成、保存、打印等。本文主要針對(duì)用戶安全策略與登陸界面、主菜單和主界面、電力監(jiān)控PSCADA、環(huán)控BAS、火災(zāi)監(jiān)控FAS、列車信號(hào)ATS、閉路電視CCTV、報(bào)警一欄等設(shè)計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)闡述。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包含3個(gè)站點(diǎn)，集成或互聯(lián)8個(gè)子系統(tǒng)。8個(gè)子系統(tǒng)可分別歸入實(shí)時(shí)子監(jiān)控系統(tǒng)和事務(wù)管理系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 子系統(tǒng)的劃分

4.2 系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)

4.2.1 用戶安全策略與登陸界面

綜合監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面采用用戶安全策略：只有相應(yīng)權(quán)限的工作人員才能登錄指定的子系統(tǒng)；成功登入后顯示相關(guān)專業(yè)信息，進(jìn)行相關(guān)操作；有些關(guān)鍵操作需要進(jìn)行授權(quán)，并給出相關(guān)提示。用戶安全策略(分配)如表1所示。用戶登錄界面時(shí)，必須判斷該用戶的權(quán)限，是否允許其進(jìn)入相應(yīng)的子系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)界面登錄的功能可由VBA腳本來(lái)實(shí)現(xiàn)。

表1 用戶安全策略(分配)

4.2.2 主菜單和主界面

圖2顯示了綜合監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)。根據(jù)此架構(gòu)，搭建的主菜單如圖3所示。主菜單分為3層，包含3個(gè)站點(diǎn)(第一層)、8個(gè)子系統(tǒng)(第二層)和13個(gè)界面(第三層)。為完成主菜單的調(diào)用，需設(shè)置3個(gè)全局變量，每一層對(duì)應(yīng)1個(gè)全局變量。通過(guò)3個(gè)全局變量的值，來(lái)判斷主屏幕應(yīng)該顯示哪個(gè)車站的子系統(tǒng)。設(shè)計(jì)該人機(jī)界面需要4張圖片：主菜單2張圖片、主界面和報(bào)警一覽各1張圖片。主菜單中，一、二級(jí)菜單在一張圖片里，三級(jí)菜單在另一張圖片里。一、二級(jí)菜單基本不變，通過(guò)一、二級(jí)菜單的選擇，來(lái)判斷第三級(jí)菜單的顯示內(nèi)容，通過(guò)打開(kāi)或關(guān)閉圖片的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。調(diào)用13個(gè)界面時(shí)，通過(guò)添加timer控件，實(shí)時(shí)掃描全局變量的值，判斷屏幕中該載入哪個(gè)標(biāo)簽組。主界面主要顯示地鐵總體線路圖，可以查詢線路走向、車站名稱和具體位置等整體信息；也可以根據(jù)具體需要，自由調(diào)看圖片信息(放大、縮小、左移、右移、上移、下移等)。在地鐵總體線路圖中，通過(guò)編輯VBA腳本，可實(shí)現(xiàn)上下左右移動(dòng)和放大縮小圖片的功能。

圖2 綜合監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

圖3 主菜單和主界面設(shè)計(jì)

4.2.3 電力監(jiān)控PSCADA

電力監(jiān)控PSCADA主要監(jiān)控車站一次主接線圖。圖4為電力監(jiān)控的車站一次主接線界面，它可以實(shí)時(shí)監(jiān)控所選車站一次電力設(shè)備的電壓和電流等數(shù)據(jù)；擁有操作權(quán)限的電力調(diào)度人員也可以進(jìn)行關(guān)鍵隔離開(kāi)關(guān)的分合閘等操作，以完成遠(yuǎn)程電力調(diào)度[3]。在車站一次主接線界面中，建立模擬信號(hào)數(shù)據(jù)源，通過(guò)數(shù)據(jù)戳添加該數(shù)據(jù)源可模擬電壓和電流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；單擊閥即可對(duì)數(shù)字量數(shù)據(jù)源取反，改變閥的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)隔離開(kāi)關(guān)的分合閘動(dòng)作；閥的數(shù)據(jù)戳通過(guò)可視動(dòng)畫(huà)設(shè)置成隔離開(kāi)關(guān)合閘時(shí)可視和分閘時(shí)不可視；且該閥具有電子簽名功能，只有一定權(quán)限的人才可對(duì)其操作。

圖4 電力監(jiān)控PSCADA設(shè)計(jì)

4.2.4 環(huán)控BAS

環(huán)控BAS主要監(jiān)控大系統(tǒng)和小系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)如圖5所示。(1)大系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)車站公共區(qū)域(站臺(tái)層、站廳層)的環(huán)境狀態(tài)調(diào)節(jié)?？梢员O(jiān)控送風(fēng)通道中空調(diào)機(jī)組BLQ-A的啟停(冬夏季節(jié)常開(kāi)/春夏季節(jié)停用)。可以控制進(jìn)出風(fēng)通道中自動(dòng)送風(fēng)機(jī)ZSF、自動(dòng)排風(fēng)機(jī)ZPF的開(kāi)閉(運(yùn)行狀態(tài)常開(kāi)/嚴(yán)重火災(zāi)不可控時(shí)關(guān)閉)。自動(dòng)控制空調(diào)通風(fēng)管道的通斷。ZSF/ZPF設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)界面操作，以查看電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)和曲線圖等信息。(2)小系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)車站辦公區(qū)和設(shè)備區(qū)(站臺(tái)層、站廳層)的環(huán)境狀態(tài)調(diào)節(jié)。可以監(jiān)控相關(guān)區(qū)域的設(shè)備啟停、開(kāi)閉和空調(diào)通風(fēng)管道的通斷狀況?？照{(diào)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)可根據(jù)季節(jié)進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)春秋季節(jié)時(shí)，空氣比較適宜，為了節(jié)省電能空調(diào)關(guān)閉，打開(kāi)DM-A4。當(dāng)冬夏季節(jié)時(shí)，空調(diào)打開(kāi)，關(guān)閉DM-A4。由于2個(gè)狀態(tài)相反，可用同一個(gè)數(shù)據(jù)源，使它們的狀態(tài)為一開(kāi)一關(guān)。選擇春秋模式，對(duì)數(shù)據(jù)源寫(xiě)1操作。選擇冬夏模式，對(duì)數(shù)據(jù)源寫(xiě)0操作。在空調(diào)的數(shù)據(jù)源中，設(shè)置電子簽名校驗(yàn)，即需要有電子簽名校驗(yàn)權(quán)限的人才可對(duì)此數(shù)據(jù)源進(jìn)行操作。

圖5 環(huán)控BAS設(shè)計(jì)

4.2.5 火災(zāi)監(jiān)控FAS

火災(zāi)監(jiān)控FAS主要監(jiān)控車站公共區(qū)、辦公區(qū)和設(shè)備區(qū)(站臺(tái)層、站廳層)的火災(zāi)緊急狀況信息，其設(shè)計(jì)如圖6所示。每個(gè)區(qū)域設(shè)置感溫探測(cè)器和煙霧濃度探測(cè)器；當(dāng)檢測(cè)到某區(qū)域溫度或煙霧高于設(shè)定值時(shí)，該區(qū)域會(huì)出現(xiàn)火災(zāi)聲光綜合報(bào)警信息。在界面中添加溫度和煙霧濃度檢測(cè)，并設(shè)置成滑動(dòng)輸入和梯度輸入?；馂?zāi)報(bào)警的判斷條件設(shè)定為溫度超過(guò)70 ℃或煙霧濃度達(dá)到80%自動(dòng)報(bào)警。報(bào)警現(xiàn)象為火災(zāi)區(qū)出現(xiàn)閃爍區(qū)域框并伴隨報(bào)警聲音。iFIX通過(guò)PG塊判斷是否報(bào)警。當(dāng)溫度或濃度達(dá)到報(bào)警限值時(shí)，調(diào)用報(bào)警聲音文件，產(chǎn)生聲音報(bào)警。未達(dá)到報(bào)警限值時(shí)，則關(guān)閉報(bào)警聲音文件。報(bào)警區(qū)域框通過(guò)動(dòng)畫(huà)設(shè)置成閃爍。

圖6 火災(zāi)監(jiān)控FAS設(shè)計(jì)圖

4.2.6 列車信號(hào)ATS

列車信號(hào)ATS主要監(jiān)控上下行線路的行車狀態(tài)信息，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)2種模式下的行車調(diào)度；可以根據(jù)列車位置，通過(guò)廣播系統(tǒng)PA向乘客實(shí)時(shí)報(bào)站；當(dāng)出現(xiàn)中途故障停車時(shí)，發(fā)出高級(jí)別警報(bào)，封閉故障區(qū)間，并通知行車調(diào)度和信號(hào)專業(yè)及時(shí)快速排除故障。其設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 列車信號(hào)ATS設(shè)計(jì)圖

行車調(diào)度可設(shè)定為自動(dòng)調(diào)度或手動(dòng)調(diào)度模式。當(dāng)為自動(dòng)模式時(shí)，手動(dòng)行車調(diào)度按鈕均不可操作。自動(dòng)模式應(yīng)用iFIX中的時(shí)間調(diào)度項(xiàng)，每日觸發(fā)，7：00：00開(kāi)車，23：00：00停車，如圖8所示。若有特殊情況，需人工實(shí)現(xiàn)行車調(diào)度時(shí)，可切換成手動(dòng)模式。當(dāng)ATS出現(xiàn)故障導(dǎo)致意外停車時(shí)，列車位置圖顯示停止，彈出報(bào)警對(duì)話框并伴隨聲音報(bào)警。行車調(diào)度員確認(rèn)報(bào)警后，報(bào)警取消，列車才可以繼續(xù)行駛(此操作為關(guān)鍵操作!需通知信號(hào)專業(yè)處理隧道區(qū)間或站臺(tái)區(qū)間ATS設(shè)備故障，解除區(qū)間閉塞鎖定，才能恢復(fù)正常行車)。上、下行列車離開(kāi)或到達(dá)車站時(shí)，可利用PG塊，發(fā)出報(bào)站語(yǔ)音廣播提示。

圖8 基于時(shí)間項(xiàng)的自動(dòng)調(diào)度模式

4.2.7 閉路電視CCTV

閉路電視CCTV主要利用攝像頭以實(shí)時(shí)監(jiān)控或視頻形式來(lái)顯示車站、行車、客流等信息[4]。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，在VB6.0中需預(yù)先編寫(xiě)腳本程序?qū)崿F(xiàn)攝像頭的調(diào)用，在界面中設(shè)置按鈕，通過(guò)編輯VBA腳本，調(diào)用VB6.0已生成的camera.exe文件，即可完成在iFIX中對(duì)攝像頭的調(diào)用，其設(shè)計(jì)如圖9所示。在界面中，利用視頻控件可實(shí)現(xiàn)車載視頻監(jiān)視和車站視頻監(jiān)視功能，如圖10所示。

圖9 閉路電視CCTV設(shè)計(jì)圖

圖10 車載視頻監(jiān)視和車站視頻監(jiān)視

4.2.8 報(bào)警一欄

報(bào)警一欄可以顯示系統(tǒng)所有的報(bào)警信息，也可通過(guò)過(guò)濾功能進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，顯示當(dāng)前系統(tǒng)的監(jiān)控、報(bào)警信息，其設(shè)計(jì)如圖11所示。在報(bào)警一欄中添加定時(shí)器，通過(guò)在定時(shí)器中鍵入VBA腳本，可實(shí)現(xiàn)操作員級(jí)別判斷的功能。iFIX還可以通過(guò)已編寫(xiě)的VBA腳本程序，能判斷出當(dāng)前操作者打開(kāi)的是哪個(gè)子系統(tǒng)，并可以對(duì)報(bào)警信息顯示進(jìn)行有選擇性的過(guò)濾。

圖11 報(bào)警一欄設(shè)計(jì)

另外，乘客信息主要監(jiān)控視頻控制機(jī)柜和液晶顯示屏LCD，可向上行站臺(tái)和下行站臺(tái)的LCD輸出乘車、廣告和緊急等信息，供乘客觀看。屏蔽門(mén)主要監(jiān)控上行站臺(tái)和下行站臺(tái)屏蔽門(mén)，可監(jiān)控屏蔽門(mén)的電源故障、總線故障和信號(hào)故障燈信息[5]。日?qǐng)?bào)表采集和記錄系統(tǒng)各項(xiàng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(每天零點(diǎn)開(kāi)始、間隔1 h、整點(diǎn)采集)，并可實(shí)現(xiàn)在監(jiān)控界面內(nèi)查看、手動(dòng)保存和打印功能。報(bào)警歷史、歷史數(shù)據(jù)曲線主要向用戶顯示重要數(shù)據(jù)源的歷史數(shù)據(jù)曲線和所有的歷史報(bào)警(操作用戶、時(shí)間、操作內(nèi)容等)，便于事故調(diào)查。限于篇幅，在此不再贅述。

5 結(jié)語(yǔ)

在綜合監(jiān)控應(yīng)用模式中，軟件平臺(tái)已經(jīng)成為技術(shù)方案的核心內(nèi)容和技術(shù)精華。在軟件平臺(tái)基礎(chǔ)上可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、監(jiān)視和控制，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的各

項(xiàng)功能?；谲浖脚_(tái)可開(kāi)發(fā)各種城市軌道交通和鐵道實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)，并保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可靠性。由于地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件綜合性強(qiáng)、技術(shù)復(fù)雜、價(jià)格極其昂貴，掌握該技術(shù)的多為國(guó)外公司[5-6]。在地鐵建設(shè)過(guò)程中，在成本允許的情況下，由國(guó)內(nèi)有較強(qiáng)實(shí)力的軟件系統(tǒng)提供商采用國(guó)外成熟軟件平臺(tái)實(shí)施，不失為一種穩(wěn)妥的做法[7]。國(guó)內(nèi)公司可針對(duì)綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)管理、網(wǎng)絡(luò)通信管理、人機(jī)界面管理、報(bào)警管理和權(quán)限管理等模塊中的一項(xiàng)或幾項(xiàng)進(jìn)行重點(diǎn)研究，有所突破。

本文基于GE Proficy/HMI SCADA-iFIX，對(duì)地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)界面進(jìn)行開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)，在以下幾個(gè)方面進(jìn)行了技術(shù)嘗試和方法創(chuàng)新：(1)大型分層分布式集散控制系統(tǒng)(集成/互聯(lián))人機(jī)交互界面HMI設(shè)計(jì)策略；(2)用戶安全策略(權(quán)限分配登錄、關(guān)鍵操作授權(quán))；(3)環(huán)控模式控制；(4)火災(zāi)監(jiān)控聲光綜合報(bào)警；(5)列車信號(hào)(基于時(shí)間項(xiàng)的調(diào)度、實(shí)時(shí)報(bào)站、ATS故障報(bào)警)；(6)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控；(7)報(bào)警一覽、數(shù)據(jù)篩選過(guò)濾等。本文完成的項(xiàng)目具有鮮明的地鐵特色和強(qiáng)大的系統(tǒng)集成優(yōu)勢(shì)，是GE智能平臺(tái)iFIX組態(tài)軟件技術(shù)在地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域的一種探索和嘗試，希望對(duì)相關(guān)應(yīng)用具有一定的借鑒價(jià)值，而產(chǎn)品化的解決方案還需要完成超大規(guī)模試驗(yàn)系統(tǒng)的壓力測(cè)試，才能完全滿足SCADA系統(tǒng)的高可靠性要求[8]。另外，目前國(guó)內(nèi)公司(如北京和利時(shí))正在研發(fā)或?qū)嵤┰诮y(tǒng)一的系統(tǒng)軟件平臺(tái)上深度集成ATS子系統(tǒng)，以提供行車指揮為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)解決方案，是今后綜合監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向[9-11]。

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