需求分析與技術(shù)挑戰(zhàn)

　　地鐵系統(tǒng)具有線路長、車站多、管理人員少的特點(diǎn)。各個車站、車輛段、主變電站以及運(yùn)營控制中心是地鐵運(yùn)行的控制管理區(qū)域，大部分房間為無人值班。為確保地鐵正常、安全運(yùn)營，保證授權(quán)人員在受控情況下方便地進(jìn)入設(shè)備管理區(qū)域，防止非授權(quán)人員進(jìn)入限制區(qū)，需要在車站、控制指揮中心、車輛段、停車場主要的設(shè)備管理用房設(shè)置門禁系統(tǒng)(ACS系統(tǒng))。

　　已建地鐵系統(tǒng)的門禁系統(tǒng)擴(kuò)容續(xù)建主要帶來的技術(shù)難點(diǎn)是新舊系統(tǒng)的兼容互通。

　　新興城市的地鐵系統(tǒng)則通常為多條線路整體規(guī)劃建設(shè)，作為綜合安防管理的核心系統(tǒng)，需求方對門禁系統(tǒng)提出了更多新的需求：基于多條線路的整體平臺規(guī)劃、大型分布式應(yīng)用、需要具備強(qiáng)大的伸縮擴(kuò)展能力、實現(xiàn)通訊穩(wěn)定可靠、各類報警信息實時上傳、系統(tǒng)軟件智能化操作等等。

　　優(yōu)化設(shè)計思路

　　為適應(yīng)地鐵的復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境，應(yīng)對大型地鐵門禁系統(tǒng)的新需求，設(shè)計需要從立足于高技術(shù)起點(diǎn)，結(jié)合已有的具體工程實踐，進(jìn)行優(yōu)化及創(chuàng)新的設(shè)計：

　　分布式數(shù)據(jù)庫，分級管理

　　總體兼容規(guī)劃，滿足后續(xù)線路無縫接入

　　采用新型多總線通訊，實現(xiàn)通訊穩(wěn)定可靠冗余

　　組態(tài)軟件架構(gòu)，實現(xiàn)操作簡單智能化

　　提供標(biāo)準(zhǔn)接口，滿足綜合監(jiān)控平臺集成聯(lián)動

　　高彈性，具備伸縮擴(kuò)展能力

　　由于篇幅所限，本文集中介紹披克電子公司分布式架構(gòu)及多總線通訊網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

　　分布式系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

　　地鐵ACS系統(tǒng)主要由ACS系統(tǒng)軟件、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等相關(guān)軟件及運(yùn)行以上軟件的服務(wù)器、工作站，以及有關(guān)控制器、前端設(shè)備及通信設(shè)備組成。

　　傳統(tǒng)地鐵ACS系統(tǒng)通常采用單一中央數(shù)據(jù)庫，各個控制器、管理工作站通過內(nèi)部局域網(wǎng)與中央數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通訊。這種過于依賴中央數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)，當(dāng)局域網(wǎng)通訊故障時，各個管理工作站、控制器進(jìn)入離線工作狀態(tài)，只能依照原有參數(shù)設(shè)置進(jìn)行自行工作，雖然不影響已存儲門禁權(quán)限的判斷，但授權(quán)變更、遠(yuǎn)程維護(hù)恢復(fù)等都無法操作。傳統(tǒng)地鐵ACS系統(tǒng)的可靠性往往取決于中央服務(wù)器、局域網(wǎng)絡(luò)的性能，而且通常對于系統(tǒng)擴(kuò)容及后續(xù)線路的接入都造成技術(shù)困難。

　　分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計，則完全可滿足地鐵ACS系統(tǒng)的應(yīng)用需求。分布式地鐵ACS系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)，在車站、線路、線網(wǎng)級管理中心均設(shè)置分布式數(shù)據(jù)庫，每一層管理中心都依照層次關(guān)系，接受上一層管理中心的控制管理，同時根據(jù)被賦予的權(quán)限進(jìn)行向下控制管理。系統(tǒng)不再完全依賴于中央數(shù)據(jù)庫，在網(wǎng)絡(luò)故障時，可依照權(quán)限進(jìn)行自行向下管理，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時，自行信息同步。系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、安全性高，易于維護(hù)，自行恢復(fù)能力強(qiáng)，可大大提高最終用戶的操作效率。

　　分布式地鐵ACS系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)設(shè)備組成如下：

　　1)車站及就地級門禁設(shè)備：電磁鎖、門磁開關(guān)、讀卡器、開門按鈕、緊急破玻按鈕、就地控制器、門禁網(wǎng)絡(luò)控制器等;車站通信管理器、車站級門禁工作站(可與綜合監(jiān)控專業(yè)共享)。

　　2)線路級門禁管理系統(tǒng)：線路級ACS服務(wù)器、線路級ACS管理工作站、線路級ACS授權(quán)工作站、ACS維修工作站。

　　3)線網(wǎng)級門禁管理系統(tǒng)：線網(wǎng)級ACS服務(wù)器、線網(wǎng)級ACS管理工作站、線網(wǎng)級ACS授權(quán)工作站、線網(wǎng)級ACS維修工作站。

　　多級控制管理規(guī)劃

　　整個地鐵ACS系統(tǒng)基于TCP/IP協(xié)議通訊，可實現(xiàn)多級控制管理。各級控制管理功能規(guī)劃如下：

　　各車站、控制中心、車輛段、停車場各自組成一級門禁控制子系統(tǒng)，進(jìn)行本地化區(qū)域性的門禁管理和監(jiān)控;在線路控制中心設(shè)置線路控制系統(tǒng)，對各區(qū)域子系統(tǒng)進(jìn)行二級管理。在線網(wǎng)控制中心則設(shè)置線網(wǎng)級控制系統(tǒng)，對各線路進(jìn)行三級管理控制。

　　各區(qū)域子系統(tǒng)都建立有車站級管理工作站(可與綜合監(jiān)控專業(yè)共享)，作為各車站的管理工作站，門禁專業(yè)設(shè)置本地通信管理器，擁有獨(dú)立的區(qū)域數(shù)據(jù)庫。本地通信管理器運(yùn)行支持TCP/IP協(xié)議的專業(yè)門禁軟件，在系統(tǒng)中作為Socket通訊服務(wù)器，并為本地的車站管理工作站(Socket客戶端)提供可靠的數(shù)據(jù)、通信、時間管理、統(tǒng)計等服務(wù);保證各車站級依照權(quán)限規(guī)劃，可不依賴于外部通信環(huán)境和服務(wù)環(huán)境，自成一體，安全可靠的獨(dú)立運(yùn)行。

　　車站級管理工作站，通過綜合監(jiān)控系統(tǒng)提供的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)與線路級服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)，建立基于IP網(wǎng)絡(luò)的雙向數(shù)據(jù)通道。

　　線路級服務(wù)器將分散的各區(qū)域子系統(tǒng)整合在一起，形成一個完全的總體線路數(shù)據(jù)庫。此總體數(shù)據(jù)庫涵蓋各站點(diǎn)的門禁管理數(shù)據(jù)與事件數(shù)據(jù)，并可完成數(shù)據(jù)查看、修改、報表制作，線路級服務(wù)器通過車站管理工作站Socket通訊接口實現(xiàn)控制站點(diǎn)門禁的功能，實現(xiàn)二級聯(lián)網(wǎng)。

　　線網(wǎng)級服務(wù)器將各線路子系統(tǒng)整合在一起，形成一個完整的線網(wǎng)級數(shù)據(jù)庫。對整個線網(wǎng)ACS系統(tǒng)實現(xiàn)全面的聯(lián)網(wǎng)管理。

　　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)規(guī)劃如圖1。

　　多總線結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

　　為保證地鐵ACS系統(tǒng)的通訊可靠性，通訊冗余設(shè)計必不可少，目的是在某通訊線路故障時實現(xiàn)自行監(jiān)測和恢復(fù)。

　　我國已建的多個地鐵ACS系統(tǒng)參考國外已有系統(tǒng)，利用網(wǎng)絡(luò)控制器(主控器)RS-485總線環(huán)網(wǎng)連接就地控制器(分控器)的方式實現(xiàn)通訊冗余。如圖2所示。

　　主控器與分控器的環(huán)路總線結(jié)構(gòu)主要防范了環(huán)路中單一故障點(diǎn)風(fēng)險。例如，潛在故障點(diǎn)B或C發(fā)生時，其他分控器仍可通過另一端正常的總線進(jìn)行返回通訊。但在潛在故障點(diǎn)A發(fā)生以及潛在故障點(diǎn)B和C同時發(fā)生時，系統(tǒng)不再具備正常通訊能力。

　　創(chuàng)新的多總線結(jié)構(gòu)如圖3，進(jìn)一步發(fā)展了主控制和分控器通訊冗余能力，更加穩(wěn)定可靠。

　　如上圖所示，主控器通過雙TCP/IP連接網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，同時通過4組RS-485總線，每個分控器順序接入雙RS-485總線。在潛在故障點(diǎn)A、B、C、D單個或同時發(fā)生時，系統(tǒng)仍保持完整的通訊能力，且分控器還可擴(kuò)展選用TCP/IP直接連接網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)真正可靠的多總線通訊冗余。

　　多總線結(jié)構(gòu)并非簡單的通訊端口疊加，而是要實現(xiàn)可靠穩(wěn)定的通訊冗余。系統(tǒng)具備智能通訊監(jiān)控，故障自行恢復(fù)的同時，通過虛擬IP技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備在系統(tǒng)中的唯一映射，避免邏輯混淆;采用負(fù)載平衡機(jī)制，實現(xiàn)多總線同時通訊時傳輸速度翻倍，具有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)無法比擬的優(yōu)勢。

　　應(yīng)用展望

　　除上述內(nèi)容外，創(chuàng)新的分布式多總線地鐵ACS系統(tǒng)，還采用三層拓?fù)滠浖軜?gòu)、組態(tài)設(shè)計等新技術(shù)，為與綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成提供標(biāo)準(zhǔn)可靠的接口，為后續(xù)線路接入搭建標(biāo)準(zhǔn)化的接口平臺，全面滿足地鐵運(yùn)營方的“更安全、更可靠、更智能”的需求。

　　分布式多總線系統(tǒng)ACS系統(tǒng)不僅適應(yīng)于軌道交通行業(yè)，還將廣泛應(yīng)用于機(jī)場、銀行、大型集團(tuán)，具有廣泛的技術(shù)發(fā)展前景和市場潛力。

陳清泉 現(xiàn)任職于深圳市披克電子公司技術(shù)支持部經(jīng)理