GoA4地鐵環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張思宇，郝勇，龔玉澤，劉澤昱

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

0 引言

截至2021年末，我國(guó)內(nèi)地已運(yùn)營(yíng)的全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)線路共計(jì)30條，運(yùn)營(yíng)里程為728.46km；在建的全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)線路共計(jì)45條，運(yùn)營(yíng)里程為1 541.01km[1]。以全自動(dòng)運(yùn)行為核心的軌道交通智能化是當(dāng)下的研究熱點(diǎn)，業(yè)內(nèi)多基于車輛、信號(hào)等核心系統(tǒng)開(kāi)展全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)線路的研究，對(duì)非核心系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)注較少。全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)對(duì)運(yùn)營(yíng)提出了新的要求，環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)新的要求進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)方案有著重要的意義。成都軌道交通9號(hào)線一期工程是成都首條全自動(dòng)運(yùn)行軌道交通線路，采用了GoA4等級(jí)的全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)，于2020年底開(kāi)通初期運(yùn)營(yíng)。環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)城市軌道交通車站、車輛段、停車場(chǎng)、區(qū)間隧道等區(qū)域的照明設(shè)施、給排水設(shè)施、通風(fēng)空調(diào)設(shè)施、電扶梯等的實(shí)時(shí)監(jiān)控及管理，旨在提高軌道交通自動(dòng)化程度，優(yōu)化運(yùn)營(yíng)、維護(hù)人員工作流程。本文根據(jù)全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)線路對(duì)系統(tǒng)提出的新需求，進(jìn)一步研究GoA4地鐵環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，提出了若干功能優(yōu)化建議供相關(guān)項(xiàng)目參考。

1 BAS系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

BAS基于控制中心、車站、就地三級(jí)控制方式，滿足控制中心、車站兩級(jí)管理模式需求。BAS系統(tǒng)由控制中心級(jí)BAS、車站級(jí)BAS（包括設(shè)置在各車站、車輛段、停車場(chǎng)的BAS系統(tǒng)）、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和主干網(wǎng)構(gòu)成。BAS在車站深度集成至綜合監(jiān)控系統(tǒng)，其中央級(jí)功能和車站級(jí)功能以及全線主干通信網(wǎng)絡(luò)由綜合監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)[2]。

現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)監(jiān)控功能由BAS獨(dú)立完成，現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)功能主要包括實(shí)現(xiàn)對(duì)車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)、車站防排煙設(shè)備、車站通風(fēng)空調(diào)大、小系統(tǒng)、空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)備、車站給排水、區(qū)間給排水設(shè)備、自動(dòng)扶梯、電梯、車站公共區(qū)導(dǎo)向系統(tǒng)、事故電源、應(yīng)急照明、廣告照明、區(qū)間隧道智能誘導(dǎo)標(biāo)志等的監(jiān)控。

1.1 現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)選型

現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)是環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的核心，其性能、穩(wěn)定性直接影響方案的優(yōu)劣，目前城市軌道交通主要有工業(yè)用DCS（分散控制系統(tǒng)）、工業(yè)用PLC（可編程控制系統(tǒng)）、樓宇用DDC構(gòu)成的控制系統(tǒng)三種方案，比選如表1所示。

表1 方案比選

綜上，在城市軌道交通環(huán)境中，終端設(shè)備、系統(tǒng)以開(kāi)關(guān)量監(jiān)控及模式控制為主。因此，PLC系統(tǒng)綜合性能優(yōu)于DCS系統(tǒng)，而且在全國(guó)各大城市軌道交通工程中已經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，效果良好，能滿足軌道交通運(yùn)營(yíng)需要，成都軌道交通9號(hào)線BAS采用PLC系統(tǒng)。

1.2 車站PLC布置方案

PLC的布置涉及BAS的穩(wěn)定性和可靠性，目前城市軌道交通主要有兩種布置方案，比選如表2所示。

（1）方案一：?jiǎn)味巳哂嘀骺刂破鞣桨?/p>

在車站大端環(huán)控電控室內(nèi)設(shè)置一組冗余工業(yè)級(jí)PLC控制器，控制器與RI/O、IBP控制器等采用總線連接。本主方案的特點(diǎn)是監(jiān)控管理更集中，投資相對(duì)偏低，編程方便，但現(xiàn)場(chǎng)總線較長(zhǎng)，整個(gè)車站需集中調(diào)試。

（2）方案二：雙端冗余主控制器方案

在車站大端環(huán)控電控室內(nèi)配置一組冗余的工業(yè)級(jí)PLC主控制器，在車站小端環(huán)控電控室配置一組冗余的從控制器。本方案采用車站雙端冗余PLC配置，系統(tǒng)冗余程度高，可靠性高。

表2 PLC設(shè)置方案比較表

綜合上述優(yōu)缺點(diǎn)分析，考慮到成都9號(hào)線均為地下車站且車站規(guī)模較大（采用8A編組列車），被控對(duì)象較多且分布范圍較廣，地下車站對(duì)BAS系統(tǒng)可靠性要求相對(duì)較高，同時(shí)鑒于目前成都各線的實(shí)施情況，成都軌道交通9號(hào)線BAS采用方案二布置PLC。

1.3 控制器組網(wǎng)方案

車站兩端環(huán)控電控室的冗余PLC控制器是現(xiàn)場(chǎng)級(jí)BAS系統(tǒng)的樞紐，有著承上啟下的作用。目前，對(duì)于車站兩端冗余PLC的組網(wǎng)方式主要有以下兩種方案。

（1）方案一：光纖雙環(huán)網(wǎng)+雙總線方案

車站大、小兩端的PLC控制器組建冗余環(huán)形光纖以太網(wǎng)。主控制器的冗余PLC分別與綜合監(jiān)控系統(tǒng)和IBP盤PLC連接；大、小兩端的PLC控制器與RI/O之間采用雙總線網(wǎng)絡(luò)。

本方案的特點(diǎn)是：BAS車站級(jí)網(wǎng)絡(luò)由光纖以太環(huán)網(wǎng)構(gòu)成，通信速率為100Mbps，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)由現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成，系統(tǒng)層次清晰，但是由于系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度較高，導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)試較復(fù)雜。

（2）方案二：全以太環(huán)網(wǎng)方案

車站大、小兩端的PLC控制器組建冗余環(huán)形光纖以太網(wǎng)。主控制器的冗余PLC分別與綜合監(jiān)控系統(tǒng)和IBP盤PLC連接；大、小兩端的PLC控制器與RI/O之間也采用以太環(huán)網(wǎng)絡(luò)。

本方案的特點(diǎn)是：BAS車站級(jí)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)均由以太環(huán)網(wǎng)構(gòu)成，通信速率為100Mbps，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

兩種方案各有特點(diǎn)，且在國(guó)內(nèi)地鐵領(lǐng)域均有較多成熟應(yīng)用，考慮到全以太網(wǎng)方案具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率、較好的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放性和互換性，可靠性也滿足實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸需求，增加設(shè)備投資有限，特別是該組網(wǎng)方式是未來(lái)的發(fā)展方向，因此9號(hào)線采用方案二。

2 BAS系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 控制中心級(jí)功能

BAS深度集成于綜合監(jiān)控系統(tǒng)，其控制中心功能主要由綜合監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，控制中心級(jí)功能主要有管理功能、監(jiān)視功能、控制功能等。

（1）管理功能一般包括全線模式表管理、時(shí)間表管理、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)管理、監(jiān)督全線機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行工況、確定系統(tǒng)運(yùn)行工況、運(yùn)行工況的調(diào)控、設(shè)備狀態(tài)信息的處理等，滿足中心調(diào)度員對(duì)全線車站環(huán)境與監(jiān)控系統(tǒng)接口設(shè)備的統(tǒng)一管理需求。

（2）監(jiān)視及顯示功能主要包括分區(qū)域設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、車站系統(tǒng)圖分系統(tǒng)顯示、趨勢(shì)圖顯示、暖通工藝圖顯示、控制方式顯示、系統(tǒng)顯示、模式運(yùn)行顯示、設(shè)備匯總顯示等，滿足中心調(diào)度員對(duì)全線監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)了解的需求。

（3）控制功能主要有遠(yuǎn)程控制、單點(diǎn)控制、模式控制、順序控制、時(shí)間表調(diào)度控制、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制等，滿足中心調(diào)度員對(duì)責(zé)任范圍內(nèi)的設(shè)備控制需求。

2.2 車站級(jí)功能

車站級(jí)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)能接受中心級(jí)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)下達(dá)的各種監(jiān)控指令與運(yùn)行模式控制指令，并下傳到車站操作工作站，執(zhí)行中心級(jí)系統(tǒng)制定的運(yùn)行方案，能更改系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行工況，主要具備監(jiān)視功能、顯示功能、控制功能等。

（1）監(jiān)視功能主要包括設(shè)備動(dòng)態(tài)圖形顯示、設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)查詢和報(bào)表打印、過(guò)程參數(shù)監(jiān)視等；顯示功能與中心級(jí)系統(tǒng)操作站的多級(jí)顯示功能相同。

（2）控制功能主要包括設(shè)備控制、模式控制、模式切換等。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備功能

現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)接口設(shè)備的具體監(jiān)控功能，通過(guò)數(shù)字量/模擬量輸入模塊采集車站各類信息，通過(guò)數(shù)字量/模擬量輸出模塊控制接口系統(tǒng)、設(shè)備。其主要功能如下：

（1）基于對(duì)環(huán)境參數(shù)（如車站溫濕度、室外溫度、二氧化碳濃度等）的采集結(jié)果，并加以統(tǒng)計(jì)分析，控制車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行，并優(yōu)化其運(yùn)行模式。

（2）接收火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的火災(zāi)模式信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)車站通風(fēng)空調(diào)、導(dǎo)向照明、事故照明等設(shè)備的模式控制功能。

（3）根據(jù)中央級(jí)BAS指令控制隧道風(fēng)機(jī)，執(zhí)行隧道阻塞通風(fēng)模式、排煙模式。

（4）隧道通風(fēng)模式功能，能按照時(shí)間規(guī)律或行車方案聯(lián)動(dòng)控制隧道風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

（5）接收車站級(jí)BAS指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)設(shè)備的單點(diǎn)控制。

（6）實(shí)現(xiàn)車站接口設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視、信息采集及數(shù)據(jù)輸出功能。

（7）提供通信接口，根據(jù)不同接口設(shè)備的通信要求滿足接口轉(zhuǎn)換需求，確保采集信息正確輸入和控制信息信號(hào)正確輸出。

3 GoA4地鐵環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)功能優(yōu)化建議

3.1 全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的定義

根據(jù)列車運(yùn)行過(guò)程中所需完成各項(xiàng)功能下人和設(shè)備的職責(zé)劃分，定義了5個(gè)軌道交通自動(dòng)化等級(jí)，詳見(jiàn)表3。而全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)是由信號(hào)、車輛、綜合監(jiān)控、通信、站臺(tái)門等設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行全自動(dòng)化的系統(tǒng)[3]。

表3 軌道交通自動(dòng)化等級(jí)劃分表

3.2 全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景分析

目前，全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)是基于運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行過(guò)程全自動(dòng)化的軌道交通系統(tǒng)，這種方案的實(shí)現(xiàn)需基于大量運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)和預(yù)案，通過(guò)對(duì)列車運(yùn)行全過(guò)程復(fù)盤，包括對(duì)列車早間喚醒、綜合自檢、出段運(yùn)行、車站發(fā)車、區(qū)間運(yùn)行等一系列正常工況場(chǎng)景的分析，研究各種可能發(fā)生的異常工況場(chǎng)景，確定各場(chǎng)景的觸發(fā)條件、責(zé)任人員、聯(lián)動(dòng)流程等。

一般將全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)場(chǎng)景分為正常場(chǎng)景和非正常場(chǎng)景[4]，上海軌道交通結(jié)合運(yùn)營(yíng)管理經(jīng)驗(yàn)將非正常場(chǎng)景細(xì)化為故障場(chǎng)景和應(yīng)急場(chǎng)景[5]。其中正常場(chǎng)景一般分為運(yùn)營(yíng)準(zhǔn)備、早間上電、喚醒、出庫(kù)、進(jìn)入正線服務(wù)、進(jìn)站停車、站臺(tái)發(fā)車、折返換端、清客、停止正線服務(wù)、回庫(kù)、清掃、休眠、洗車、列車日常檢修、列車遠(yuǎn)程廣播、列車跳停、列車扣車、非計(jì)劃車調(diào)整等；非正常場(chǎng)景一般分為緊急制動(dòng)緩解、遠(yuǎn)程緊急制動(dòng)、運(yùn)行中設(shè)備故障處理、蠕動(dòng)模式、站臺(tái)門故障隔離車門、車門故障隔離站臺(tái)門、車門狀態(tài)丟失處理、故障復(fù)位控制、站臺(tái)門狀態(tài)丟失、遠(yuǎn)程限制人工駕駛模式、雨雪模式、列車緊急呼叫觸發(fā)、車輛火災(zāi)、車門緊急解鎖、障礙物/脫軌檢測(cè)報(bào)警、司機(jī)操作臺(tái)打開(kāi)報(bào)警、車站火災(zāi)、區(qū)間火災(zāi)、區(qū)間疏散等。

3.3 BAS功能優(yōu)化建議

在GoA4等級(jí)的全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)下，對(duì)系統(tǒng)有著最高級(jí)別的要求，環(huán)境與監(jiān)控系統(tǒng)作為綜合監(jiān)控系統(tǒng)的核心集成子系統(tǒng)之一，也應(yīng)具備匹配的功能。結(jié)合BAS特點(diǎn)，建議GoA4地鐵環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)加強(qiáng)對(duì)地下區(qū)間水位、區(qū)間人防隔斷門狀態(tài)監(jiān)視。

（1）過(guò)多的區(qū)間積水可能會(huì)影響行車安全，由于沒(méi)有司機(jī)對(duì)行車環(huán)境進(jìn)行觀察，區(qū)間水位的數(shù)據(jù)對(duì)中心調(diào)度員指揮行車有著關(guān)鍵支撐作用，建議結(jié)合各城市行車的管理辦法和習(xí)慣，設(shè)置監(jiān)視道床、軌面、軌面上等多級(jí)水位報(bào)警，輔助中心調(diào)度員指揮行車。

（2）區(qū)間人防隔斷門狀態(tài)監(jiān)視。建議增設(shè)區(qū)間人防門監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，在區(qū)間人防隔斷門附近安裝多種光電傳感器和攝像機(jī)，將傳感器和視頻數(shù)據(jù)接入智能分析采控箱，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和智能分析，并將分級(jí)報(bào)警信號(hào)接入BAS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)BAS對(duì)區(qū)間人防隔斷門的多級(jí)狀態(tài)監(jiān)視。

4 結(jié)語(yǔ)

環(huán)境與監(jiān)控系統(tǒng)是為統(tǒng)一監(jiān)控車站、隧道等區(qū)域的機(jī)電設(shè)備、系統(tǒng)而設(shè)置，確保了地鐵乘客安全及舒適的乘車、候車環(huán)境。BAS也應(yīng)提高軌道交通運(yùn)營(yíng)管理水平，節(jié)省人力，降低運(yùn)營(yíng)成本，并達(dá)到控制相關(guān)機(jī)電設(shè)備按節(jié)能優(yōu)化方式運(yùn)行的目的。在GoA4全自動(dòng)等級(jí)下的軌道交通線路，BAS不僅應(yīng)在火災(zāi)時(shí)接收火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)救災(zāi)設(shè)施的模式控制，還應(yīng)監(jiān)視與行車安全相關(guān)的信息，進(jìn)一步保障行車安全。