城市軌道交通環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控仿真系統(tǒng)研發(fā)

邱薇華，李 健，黃 璐，黃遠(yuǎn)春

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，上海201620)

0 引言

城市軌道交通的環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(Building Automation System，簡(jiǎn)稱BAS系統(tǒng))是對(duì)城市軌道交通建筑物內(nèi)的環(huán)境與空氣條件、通風(fēng)、給排水、照明、乘客導(dǎo)向、自動(dòng)扶梯及電梯、屏蔽門、防淹門等建筑設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)視、控制和管理的系統(tǒng)［1］。

由于城市軌道交通的空間狹窄、人流密集、相對(duì)封閉的特殊性，在發(fā)生火災(zāi)或列車阻塞等事故情況時(shí)，能夠及時(shí)迅速地進(jìn)入防災(zāi)運(yùn)行模式，根據(jù)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)送的著火點(diǎn)信息或列車自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)送的阻塞點(diǎn)信息自動(dòng)調(diào)度送風(fēng)和排風(fēng)，進(jìn)行通風(fēng)排煙，引導(dǎo)人員疏散，是保證安全的前提［2］。同時(shí)在運(yùn)行時(shí)為了節(jié)能，綜合考慮列車、客流、車站設(shè)備、通風(fēng)等影響空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)負(fù)荷的各種因素，根據(jù)城市軌道交通熱環(huán)境變化的規(guī)律，對(duì)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的全年運(yùn)行方式自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，在保障城市軌道交通車站機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，創(chuàng)造安全、舒適、高效的乘車環(huán)境的同時(shí)，要降低系統(tǒng)的運(yùn)行能耗，減少運(yùn)營(yíng)成本［3］。

然而城市軌道交通的BAS系統(tǒng)是將現(xiàn)代科技的計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化控制原理，以專門的地鐵環(huán)境通風(fēng)空調(diào)及防災(zāi)處理等理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，運(yùn)營(yíng)管理人員要掌握系統(tǒng)運(yùn)行，并且進(jìn)行系統(tǒng)演練，以確保在突發(fā)事件時(shí)及時(shí)采取正確的操作［4-5］，同時(shí)降低能耗，但作為現(xiàn)場(chǎng)安全聯(lián)動(dòng)設(shè)備，由于城市軌道交通運(yùn)營(yíng)作業(yè)的特點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的使用設(shè)備進(jìn)行演練式的操作。

目前，國(guó)內(nèi)城市軌道交通正在快速發(fā)展期，相應(yīng)的仿真系統(tǒng)缺乏，特此設(shè)計(jì)開發(fā)了城市軌道交通BAS系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)，采用設(shè)備操作控制裝置、設(shè)備模型仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)軟件仿真技術(shù)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了BAS系統(tǒng)所含建筑設(shè)備和系統(tǒng)的集中監(jiān)視、控制和操作管理。該仿真系統(tǒng)可直觀地掌握BAS系統(tǒng)的整體構(gòu)成、設(shè)備的安裝布置及功能，可進(jìn)行各個(gè)子系統(tǒng)聯(lián)合操作，并進(jìn)行各個(gè)突發(fā)事件的預(yù)案演練，可用于運(yùn)營(yíng)管理的教學(xué)、實(shí)訓(xùn)、預(yù)案演習(xí)和科研。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了能體現(xiàn)城市軌道交通BAS系統(tǒng)中的空調(diào)、給排水、照明、乘客導(dǎo)向、自動(dòng)扶梯及電梯、屏蔽門、防淹門等建筑設(shè)備和系統(tǒng)［6］，根據(jù)城市軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范，參照某地鐵實(shí)際站臺(tái)，按1∶16的比例設(shè)計(jì)設(shè)備模型，通過小風(fēng)機(jī)、繼電器、行程電機(jī)等小型電氣設(shè)備和LED狀態(tài)燈實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備模型的實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)模擬，采集各個(gè)監(jiān)控信號(hào)，采用現(xiàn)場(chǎng)控制柜實(shí)現(xiàn)就地實(shí)時(shí)控制模擬，并采用以太網(wǎng)通信端口連接至監(jiān)控仿真軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備模型的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，以及系統(tǒng)間聯(lián)動(dòng)功能的模擬等功能。仿真系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)分為3層，見圖1。

圖1 城市軌道交通BAS仿真系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)Fig.1 Logic structure of urban road BAS simulation system

1.1 模型仿真層

城市軌道交通車站的空調(diào)系統(tǒng)分為大系統(tǒng)、小系統(tǒng)、水系統(tǒng)、隧道通風(fēng)系統(tǒng)，其中大系統(tǒng)是指車站公共區(qū)(站廳/站臺(tái))的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng);小系統(tǒng)是指車站設(shè)備用房的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng);水系統(tǒng)是指地下站冷水機(jī)組系統(tǒng);隧道通風(fēng)系統(tǒng)是指執(zhí)行隧道區(qū)間正常及緊急情況下通風(fēng)排煙工況的環(huán)控子系統(tǒng)［7-8］。

仿真系統(tǒng)采用縮小模型搭建通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備，風(fēng)系統(tǒng)由隧道風(fēng)機(jī)、射流風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥、冷水機(jī)組、空調(diào)機(jī)組等組成，在模型內(nèi)設(shè)置小型電機(jī)模擬風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)，風(fēng)閥能模擬設(shè)備的關(guān)/開狀態(tài);空調(diào)水系統(tǒng)由冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔組成，在模型內(nèi)設(shè)置小型電機(jī)模擬設(shè)備的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn);同時(shí)在模型內(nèi)設(shè)置紅、綠、黃LED燈表示通風(fēng)空調(diào)設(shè)備的狀態(tài)，如設(shè)備為正、反轉(zhuǎn)或雙速風(fēng)機(jī);在模型內(nèi)設(shè)置風(fēng)水管路(風(fēng)水管路走夾層下，模型的上下層樓板采用有機(jī)玻璃以方便觀察)，在模型上加指示箭頭(或飄帶)表示流動(dòng)方向。

仿真系統(tǒng)設(shè)備按照實(shí)際車站在不同機(jī)房、設(shè)備區(qū)進(jìn)行分布。模型基座采用細(xì)木工板和鋁塑板結(jié)構(gòu)，車站主體透明材質(zhì)采用亞克力材料，車站設(shè)備模型采用ABS工程塑料。動(dòng)態(tài)演示材料包含電機(jī)、行程電機(jī)、行程開關(guān)、LED流水燈、小型PLC控制器、小型變壓器、LED照明燈、LED閃爍信號(hào)燈、道岔繼電器等，以及線纜、電阻繼電器等模型電氣材料。

最后在該仿真模型中建立了城市軌道交通地下車站的2個(gè)公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)大系統(tǒng)、6個(gè)設(shè)備房區(qū)通風(fēng)空調(diào)小系統(tǒng)、空調(diào)水系統(tǒng)、活塞通風(fēng)系統(tǒng)、軌頂/站臺(tái)熱排風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電梯電扶梯系統(tǒng)和PSD屏蔽門系統(tǒng)，仿真模型的外形見圖2，可以清晰地展示各個(gè)設(shè)備在車站的位置及走向，建立空間概念。

圖2 城市軌道交通BAS仿真系統(tǒng)模型外形Fig.2 Model of urban road BAS simulation system

仿真模型的剖面見圖3，其中標(biāo)號(hào)1是雙通道活塞通風(fēng)系統(tǒng)，標(biāo)號(hào)2是左機(jī)房通風(fēng)小系統(tǒng)，標(biāo)號(hào)3是衛(wèi)生間污水泵房通風(fēng)小系統(tǒng)，標(biāo)號(hào)4是通風(fēng)空調(diào)左大系統(tǒng)，標(biāo)號(hào)5是通風(fēng)空調(diào)右大系統(tǒng)，標(biāo)號(hào)6是右機(jī)房通風(fēng)小系統(tǒng)，標(biāo)號(hào)7是變電所通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，標(biāo)號(hào)8是空調(diào)水系統(tǒng)，標(biāo)號(hào)9是軌頂/站臺(tái)熱排風(fēng)系統(tǒng)。

圖3 城市軌道交通BAS仿真系統(tǒng)模型剖面Fig.3 Cross-section of urban road BAS simulation system

1.2 控制柜層

控制柜層包含4個(gè)現(xiàn)場(chǎng)就地控制柜和1個(gè)控制器柜，柜體采用Q235A，ō=2 mm標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制柜用碳鋼板材，表面噴塑處理，柜體包含接地和散熱結(jié)構(gòu)?？刂乒窦闪苏麄€(gè)控制系統(tǒng)所需的電氣設(shè)備，如遠(yuǎn)程輸入采集模塊、遠(yuǎn)程輸出采集模塊、開關(guān)電源、接線端子、繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕指示燈等以及其他所需電氣輔料。

控制柜面板分系統(tǒng)設(shè)計(jì)，見圖4。其中控制柜C1包括BAS左通風(fēng)空調(diào)大系統(tǒng)，BAS右通風(fēng)空調(diào)大系統(tǒng)，BAS左通風(fēng)空調(diào)小系統(tǒng)等3個(gè)系統(tǒng);控制柜C2包括BAS右通風(fēng)空調(diào)小系統(tǒng)，BAS衛(wèi)生間污水泵房等設(shè)備房通風(fēng)小系統(tǒng)，BAS氣瓶室消防泵房等設(shè)備房通風(fēng)小系統(tǒng)，BAS人員設(shè)備房通風(fēng)空調(diào)小系統(tǒng)等4個(gè)系統(tǒng);控制柜C3包括BAS變電所通風(fēng)空調(diào)小系統(tǒng)，BAS空調(diào)冷水系統(tǒng)，BAS熱排風(fēng)系統(tǒng)，BAS活塞通風(fēng)/隧道通風(fēng)系統(tǒng)等4個(gè)系統(tǒng);控制柜C4包括FAS消防系統(tǒng)，照明系統(tǒng)，電扶梯電梯系統(tǒng)，屏蔽門系統(tǒng)等4個(gè)系統(tǒng)。

圖4 城市軌道交通BAS仿真系統(tǒng)模型控制柜Fig.4 Control cabinets of urban road BAS simulation system

現(xiàn)場(chǎng)就地控制柜與仿真模型、中央監(jiān)控平臺(tái)均通過串口總線通信;通過現(xiàn)場(chǎng)控制柜上各個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控面板和上位機(jī)來完成仿真模型內(nèi)各個(gè)系統(tǒng)的操作過程，并現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控各個(gè)系統(tǒng)中的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

控制器柜(圖5)內(nèi)部安裝了模型上所需的I/O控制器模塊。DI輸入模塊采用R-8041數(shù)字量輸入模塊，DO模塊輸出模塊采用R-8042數(shù)字量輸出模塊，模塊通信方式采用RS-485串口通信，Mod-bus串口通信協(xié)議。控制器柜與現(xiàn)場(chǎng)控制柜和模型之間的通訊采用24芯航空插頭對(duì)接的形式。

圖5 城市軌道交通BAS仿真系統(tǒng)模型控制器柜Fig.5 Controller cabinets of urban road BAS simulation system

1.3 中央監(jiān)控層

中央監(jiān)控層包含監(jiān)控臺(tái)、后備式應(yīng)急控制IBP盤、若干個(gè)監(jiān)控工作站和一套仿真監(jiān)控軟件平臺(tái)。

城市軌道交通的IBP盤放置在每個(gè)地鐵車站的綜合控制室內(nèi)。監(jiān)控臺(tái)IBP盤上設(shè)置緊急控制按鈕，狀態(tài)指示燈等，可對(duì)重要設(shè)備進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)控。當(dāng)車站設(shè)備服務(wù)器或者人機(jī)界面出現(xiàn)故障時(shí)，值班員可通過IBP盤采用人工介入方式進(jìn)行運(yùn)行模式操作和某些設(shè)備的遠(yuǎn)程單動(dòng)操作。監(jiān)控內(nèi)容包括：緊急情況下自動(dòng)扶梯的停止、啟動(dòng)及轉(zhuǎn)向控制功能;屏蔽門/安全門系統(tǒng)(PSD)的開門控制;隧道通風(fēng)火災(zāi)運(yùn)行模式IBP層操作;消防設(shè)備的IBP層操作;氣滅系統(tǒng)的IBP操作等。

BAS仿真系統(tǒng)的中央監(jiān)控臺(tái)后備式應(yīng)急控制IBP控制盤采用Q235A工業(yè)控制柜用碳鋼板材，表面噴塑處理，控制盤內(nèi)含IBP應(yīng)急控制系統(tǒng)電氣材料，實(shí)現(xiàn)緊急情況下自動(dòng)扶梯的停止、啟動(dòng)及轉(zhuǎn)向控制功能;屏蔽門/安全門系統(tǒng)(PSD)的開門控制;隧道通風(fēng)火災(zāi)運(yùn)行模式IBP層操作等。仿真監(jiān)控軟件平臺(tái)為BAS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控，并有各個(gè)系統(tǒng)的操作、計(jì)算等軟件仿真。

現(xiàn)場(chǎng)控制柜實(shí)現(xiàn)對(duì)車站模型內(nèi)所有設(shè)備和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)就地實(shí)時(shí)監(jiān)控，中央監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)BAS系統(tǒng)的遠(yuǎn)程自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)控仿真，可以對(duì)模型內(nèi)所有設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，以及BAS系統(tǒng)的信號(hào)連鎖。整個(gè)BAS仿真系統(tǒng)共含400多個(gè)信號(hào)控制點(diǎn)。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主要功能

仿真系統(tǒng)包含各個(gè)設(shè)備和系統(tǒng)，主要功能包括：

1)實(shí)現(xiàn)城市軌道交通BAS系統(tǒng)多個(gè)建筑設(shè)備與系統(tǒng)的模型仿真，包括通風(fēng)空調(diào)大系統(tǒng)、設(shè)備房區(qū)通風(fēng)空調(diào)小系統(tǒng)、空調(diào)水系統(tǒng)、活塞通風(fēng)系統(tǒng)、軌頂/站臺(tái)熱排風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和PSD屏蔽門系統(tǒng)。

2)采用中央監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)視通風(fēng)空調(diào)大系統(tǒng)、通風(fēng)空調(diào)小系統(tǒng)、空調(diào)水系統(tǒng)、軌頂/站臺(tái)熱排風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電扶梯電梯系統(tǒng)和PSD屏蔽門系統(tǒng)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及環(huán)境參數(shù)。

3)可使用現(xiàn)場(chǎng)就地控制柜或中央監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)所有BAS系統(tǒng)控制的機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行模式和設(shè)備啟動(dòng)順序時(shí)間間隔控制，避免對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

4)采用中央監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的機(jī)電設(shè)備主/備用設(shè)備的自動(dòng)切換。

5)可使用現(xiàn)場(chǎng)就地控制柜或中央監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)所有BAS控制的機(jī)電設(shè)備的災(zāi)害模式控制，啟動(dòng)緊急預(yù)案。

6)采用中央監(jiān)控平臺(tái)仿真軟件實(shí)現(xiàn)定風(fēng)量空調(diào)機(jī)組的溫度調(diào)節(jié)與節(jié)能策略、空氣質(zhì)量計(jì)算和仿真。

7)采用中央監(jiān)控平臺(tái)的仿真軟件實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)最優(yōu)的運(yùn)行模式。

2.2 主要實(shí)訓(xùn)與演練

2.2.1 新風(fēng)排風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)操作與演練

對(duì)通風(fēng)空調(diào)大系統(tǒng)、通風(fēng)空調(diào)小系統(tǒng)的新風(fēng)排風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)，可利用實(shí)際小風(fēng)機(jī)的起停演練風(fēng)管路中風(fēng)的走向，也可結(jié)合箭頭形的LED，用LED燈顯示設(shè)備狀態(tài)，通過中央監(jiān)控平臺(tái)監(jiān)控各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，利用中央監(jiān)控平臺(tái)的仿真軟件對(duì)通風(fēng)空調(diào)大系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)、參數(shù)等設(shè)置，實(shí)現(xiàn)操作和演練，圖6為通風(fēng)空調(diào)大系統(tǒng)的控制操作界面。

圖6 通風(fēng)空調(diào)大系統(tǒng)操作控制界面Fig.6 Operation and control interface of air conditioner

2.2.2 活塞風(fēng)的實(shí)訓(xùn)操作與演練

利用隧道風(fēng)機(jī)、事故風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥等設(shè)備的靜態(tài)模型，用LED燈顯示各設(shè)備的狀態(tài)，通過中央監(jiān)控平臺(tái)監(jiān)控各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，利用中央監(jiān)控平臺(tái)的仿真軟件實(shí)現(xiàn)相關(guān)的演練。

2.2.3 冷水系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)操作與演練

利用水泵、冷水機(jī)組、冷卻塔等設(shè)備的靜態(tài)模型，用LED燈顯示各設(shè)備的狀態(tài)，通過中央監(jiān)控平臺(tái)監(jiān)控各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，利用中央監(jiān)控平臺(tái)的仿真軟件實(shí)現(xiàn)相關(guān)的演練。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

1)仿真效果高：整個(gè)模型以地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范為依據(jù)，采用實(shí)際控制設(shè)備、實(shí)物模型、計(jì)算機(jī)軟件仿真實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真，各種方法互補(bǔ)使得系統(tǒng)的仿真效果達(dá)到良好。

2)可擴(kuò)展性好：模塊化的設(shè)計(jì)使各子系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行功能增減等二次開發(fā)，控制柜現(xiàn)場(chǎng)控制面板均可拆卸更換，方便硬件的安裝、使用和維護(hù)，以及后期功能的擴(kuò)展和系統(tǒng)的升級(jí)。

3)實(shí)時(shí)性強(qiáng)：控制柜組和中央監(jiān)控平臺(tái)對(duì)模型內(nèi)所有系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)具備實(shí)時(shí)監(jiān)控和信號(hào)連鎖能力，現(xiàn)場(chǎng)控制柜各子系統(tǒng)控制可實(shí)現(xiàn)手自動(dòng)切換功能，軟件系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和高速通信能力，其所有數(shù)據(jù)的刷新周期和運(yùn)算周期小于500 ms。

4 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通BAS仿真系統(tǒng)模擬了城市軌道交通環(huán)控系統(tǒng)的場(chǎng)景，形象、直觀地模擬了正常情況下的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、空調(diào)水系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和屏蔽門系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系以及相應(yīng)的處置程序，完整地闡述了城市軌道交通BAS系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的關(guān)系和規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制和就地控制的結(jié)合，并可進(jìn)行應(yīng)急事件預(yù)案或?yàn)?zāi)害模式下的各設(shè)備聯(lián)動(dòng)的綜合演練，提高城市軌道交通的安全。

［1］GB 50157—2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.GB 50157—2003 Code for Design of Metro［S］.Beijing：China Planning Press，2003.

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