地鐵環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

樓燦燦

同方股份有限公司 北京 100083

為保障地鐵的安全有序運(yùn)營，對(duì)各類車站設(shè)備開展全面有效地自動(dòng)化監(jiān)控、管理，采集、處理相關(guān)數(shù)據(jù)信息，開展歷史信息檔案及設(shè)備維修管理；以及為滿足在緊急狀況下的報(bào)警、乘客疏散等要求，在軌道交通車站還配備有火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)、水消防系統(tǒng)等設(shè)備系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)這些系統(tǒng)、設(shè)備之間的有效聯(lián)動(dòng)監(jiān)控，地鐵環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。地鐵環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS)作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，依托通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)集成、自動(dòng)控制等一系列技術(shù)，對(duì)地鐵車站內(nèi)的照明系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、自動(dòng)電扶梯系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等機(jī)電設(shè)備采取三級(jí)控制管理模式，以保障機(jī)電設(shè)備始終處在安全、可靠、高效的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)一步為乘客創(chuàng)造一個(gè)安全、舒適的乘車候車環(huán)境。與此同時(shí)，BAS系統(tǒng)在非正常運(yùn)行狀態(tài)下，諸如出現(xiàn)火情、列車故障等狀況，可通過采集并判定各機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，采取相應(yīng)的防災(zāi)、阻塞模式，與各機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行，進(jìn)一步保障車站環(huán)境及乘客的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，本文將對(duì)地鐵環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究分析。

1 地鐵環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)概述

地鐵大多是處在地下，盡管其整體空間十分龐大，然而在于外部空間進(jìn)行空氣流通交換的區(qū)域則相對(duì)有限，所以，地鐵站屬于是一個(gè)較為封閉的空間，再加上車站內(nèi)部往往聚集著大量人群，這在一定程度上加大了地鐵運(yùn)營時(shí)的安全隱患。為保障地鐵運(yùn)營安全性、高效性，以及保障乘客的安全性、舒適性，地鐵系統(tǒng)采用了諸多的機(jī)電設(shè)備，而因?yàn)檫@些設(shè)備種類繁多，功能各不相同，且零散分布，為實(shí)現(xiàn)對(duì)各類機(jī)電設(shè)備的全面監(jiān)管，相關(guān)研究人員提出了環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS)。近些年，我國不斷加大了城市軌道交通的發(fā)展力度，各大地鐵公司憑借過往豐富的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，并借鑒國內(nèi)外先進(jìn)地鐵建設(shè)運(yùn)營方案，積極引入工業(yè)級(jí)PLC以打造地鐵BAS系統(tǒng)，收獲了顯著的成果。如今，國內(nèi)外地鐵BAS系統(tǒng)已然從各站分離階段，邁入全線組網(wǎng)的新階段，在設(shè)備監(jiān)控方面，廣泛實(shí)行分散控制、集中管理的系統(tǒng)模式。

作為近年來得到迅速發(fā)展的一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，地鐵BAS系統(tǒng)綜合應(yīng)用了多項(xiàng)科學(xué)技術(shù)，包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)、通信技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等，同時(shí)依托分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)地下車站、車輛段、地下區(qū)間隧道等系統(tǒng)開展實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且在不同站級(jí)的BAS經(jīng)由冗余通信接口與站級(jí)綜合監(jiān)控系統(tǒng)相連，將采集信息統(tǒng)一傳輸至綜合監(jiān)控系統(tǒng)，達(dá)成在綜合監(jiān)控系統(tǒng)中的集成，并與綜合監(jiān)控系統(tǒng)一并對(duì)各類設(shè)置的一系列正常運(yùn)營保障設(shè)施及事故緊急防救災(zāi)設(shè)施開展實(shí)時(shí)監(jiān)管，進(jìn)而保障各類系統(tǒng)的安全有序運(yùn)行。另外，地鐵BAS系統(tǒng)還與火情報(bào)警系統(tǒng)密切相連，一旦發(fā)生事故，報(bào)警系統(tǒng)可第一時(shí)間向BAS系統(tǒng)傳輸救災(zāi)模式指令，讓BAS系統(tǒng)轉(zhuǎn)至救災(zāi)模式，調(diào)控對(duì)應(yīng)設(shè)備做出有效應(yīng)對(duì)，盡可能保障乘客的人身財(cái)產(chǎn)安全。

2 地鐵環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

地鐵BAS系統(tǒng)主要是對(duì)地鐵內(nèi)的照明系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、自動(dòng)電扶梯等車站設(shè)備開展全面實(shí)時(shí)的自動(dòng)化監(jiān)控、管理，重要作用于保障地鐵的安全、可靠、高效、節(jié)能運(yùn)行，為乘客提供安全舒適的候車、乘車環(huán)境。因而，對(duì)于地鐵BAS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)秉承相應(yīng)的原則：一是安全性原則。為保障BAS系統(tǒng)運(yùn)行及信息傳輸?shù)陌踩裕瑧?yīng)建設(shè)網(wǎng)絡(luò)防火墻、建立木馬、病毒攔截，同時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)訪問權(quán)限及檢索范圍，防止不法分子進(jìn)入系統(tǒng)開展非法操作；二是先進(jìn)性原則。應(yīng)基于BAS系統(tǒng)特殊性，建立滿足技術(shù)要求的設(shè)計(jì)方案，接著打造一個(gè)完善的通信平臺(tái)，保證設(shè)計(jì)流程與操作技術(shù)相匹配，讓BAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)得更為先進(jìn)、科學(xué)；三是實(shí)用性原則。BAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)其實(shí)用性、前瞻性進(jìn)行綜合分析，以此保證系統(tǒng)良好的性價(jià)比，防止前期投入過多的成本；四是可拓展性原則。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，相關(guān)的系統(tǒng)功能也得以不斷拓展完善，因而在BAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)關(guān)注系統(tǒng)未來相關(guān)技術(shù)的可拓展性，并在相應(yīng)區(qū)域設(shè)置接口；五是開放性原則。BAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢應(yīng)當(dāng)是一個(gè)開放性的信息平臺(tái)，并裝置配套的網(wǎng)絡(luò)接口、軟件接口、數(shù)據(jù)接口等；六是互連性原則。BAS系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)控制功能，應(yīng)當(dāng)與其他電子設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相連接，不同網(wǎng)關(guān)相互間經(jīng)由通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)連接；七是便捷性原則。BAS系統(tǒng)既是一個(gè)信息系統(tǒng)，也是一個(gè)可操作的信息平臺(tái)，伴隨系統(tǒng)規(guī)模的逐步拓展，應(yīng)保證其管理的便捷性；八是可靠性原則。BAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)具備一定的容錯(cuò)性，保證系統(tǒng)可有序運(yùn)行，依托系統(tǒng)故障診斷、調(diào)節(jié)，保證其具備較高的可靠性。

3 地鐵環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的功能分析

3.1 監(jiān)視功能

首先，設(shè)備動(dòng)態(tài)圖形顯示功能。在地鐵BAS系統(tǒng)人機(jī)界面，操作人員可觀測(cè)BAS系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀況；還可通過設(shè)備屬性板塊，了解各項(xiàng)設(shè)備相關(guān)運(yùn)行參數(shù)。其次，故障報(bào)警功能。倘若出現(xiàn)有相關(guān)異常情況，地鐵BAS系統(tǒng)會(huì)第一時(shí)間通過人機(jī)界面對(duì)異常情況予以呈現(xiàn)，提示操作人員對(duì)系統(tǒng)故障開展及時(shí)處理，保證系統(tǒng)有序運(yùn)行。地鐵BAS系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)報(bào)警類型主要分為三種：一是開關(guān)量設(shè)備的動(dòng)作報(bào)警；二是模擬量設(shè)備的越限報(bào)警；三是設(shè)備狀態(tài)報(bào)警。

3.2 控制功能

首先，設(shè)備控制功能。就地鐵車站設(shè)備控制而言，操作人員可通過車站工作站開展相關(guān)的設(shè)備控制工作，諸如開展單體設(shè)備控制、開展時(shí)間表控制、開展焓值自動(dòng)控制等。其次，模式控制功能。該項(xiàng)功能主要是指對(duì)一組機(jī)電設(shè)備開展控制，在地鐵BAS系統(tǒng)人機(jī)界面中會(huì)呈現(xiàn)模式控制畫面，操作人員既可通過畫面中選定相關(guān)組別設(shè)備開展模式控制，也可對(duì)模式參數(shù)開展調(diào)節(jié)，并由工作站傳輸至PLC中，讓相關(guān)設(shè)備以其他模式進(jìn)行運(yùn)行。通常而言，地鐵工藝要求不同，則模式也不盡相同，模式控制不僅可依托系統(tǒng)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)，也可人為開展控制，模式控制方式主要分為異常模式控制、正常工況模式控制、早晚換氣模式控制、阻塞模式控制等。

3.3 顯示功能

在地鐵BAS系統(tǒng)人機(jī)界面，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行動(dòng)態(tài)、警示信號(hào)等信息的實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，操作人員還可基于對(duì)應(yīng)畫面發(fā)出控制命令。畫面顯示類型主要包括以下幾種：一是設(shè)備狀態(tài)分區(qū)域顯示，在地鐵BAS系統(tǒng)人機(jī)界面，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各區(qū)域系統(tǒng)狀況的分區(qū)域顯示，操作人員通過相關(guān)的畫面，進(jìn)而有效掌握相關(guān)區(qū)域的設(shè)備運(yùn)行狀況。二是控制方式顯示，系統(tǒng)或者設(shè)備的控制方式、控制權(quán)限，均會(huì)通過地鐵BAS系統(tǒng)人機(jī)界面進(jìn)行呈現(xiàn)。三是設(shè)備統(tǒng)計(jì)顯示，地鐵BAS系統(tǒng)相應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)等信息，通過PLC進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并可通過相關(guān)畫面進(jìn)行顯示。四是模式運(yùn)行顯示，在地鐵BAS系統(tǒng)人機(jī)界面中可顯示模式的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)及預(yù)計(jì)模式運(yùn)行狀態(tài)，并通過各種顏色進(jìn)行呈現(xiàn)，以此為操作人員查找模式運(yùn)行過程中設(shè)備故障等情況提供有效便利。

4 地鐵環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及方案設(shè)計(jì)

4.1 地鐵地下車站BAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本地鐵BAS系統(tǒng)與地鐵照明系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等系統(tǒng)密切相關(guān)，系統(tǒng)主要由Control Logix PLC控制器、壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、RI/O模塊等設(shè)備組成，該部分設(shè)備主要依據(jù)分層分布式結(jié)構(gòu)組成BAS系統(tǒng)?；诘罔F地下車站設(shè)計(jì)要求，本BAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)成雙端冗余控制器配置的全總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。地下車站BAS系統(tǒng)由A、B端組成，其中，A端對(duì)應(yīng)的是與車站控制室一側(cè)相靠近的環(huán)控系統(tǒng)電控室，B端對(duì)應(yīng)的是與車站控制室一側(cè)相偏離的環(huán)控系統(tǒng)電控室，并以A端為主導(dǎo)，以B端為輔助，兩端電控室均裝配有控制器，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，兩端的控制器均為兩組相一致配置的控制器構(gòu)成的冗余控制器，在車站控制室中裝置通信網(wǎng)關(guān)，以此實(shí)現(xiàn)BAS系統(tǒng)與火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的有效交互，同時(shí)，通信網(wǎng)關(guān)與A端控制器保持連接狀態(tài)。車站控制室綜合后備盤裝備RI/O，BAS系統(tǒng)選取冗余的ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線，通過現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)A端與B端控制器的有效連接，綜合后備盤則經(jīng)由內(nèi)部RI/O接入現(xiàn)場(chǎng)總線，BAS系統(tǒng)與RI/O及其他系統(tǒng)通信網(wǎng)關(guān)的連接，同樣是通過現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)的。另外，BAS系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)的連接則是通過A端控制器實(shí)現(xiàn)的，A端控制器裝備有雙以太網(wǎng)卡，可促使將BAS系統(tǒng)信息傳輸至綜合監(jiān)控系統(tǒng)。

地下車站BAS系統(tǒng)的RI/O裝備于系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制箱中，RI/O與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相連，遠(yuǎn)程控制箱裝置于車站或者區(qū)間配電室、環(huán)控機(jī)房等室內(nèi)。BAS系統(tǒng)控制器依托現(xiàn)場(chǎng)總線將信息傳輸至RI/O，以此完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控。BAS系統(tǒng)為采集車站環(huán)境信息，在站臺(tái)、站廳、水管等區(qū)域裝備有一系列傳感器，依托調(diào)控二通閥控制冷水系統(tǒng)的供冷量，調(diào)節(jié)車站環(huán)境參數(shù)。通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)風(fēng)閥經(jīng)由智能低壓模塊，依托現(xiàn)場(chǎng)總線與控制器相連，冷水機(jī)房中智能照明、冷水機(jī)組控制器等系統(tǒng)都設(shè)置有相應(yīng)的通信接口，通過現(xiàn)場(chǎng)總線與控制器相連，進(jìn)而達(dá)成BAS系統(tǒng)對(duì)該部分設(shè)備的監(jiān)控。

4.2 地鐵車輛段BAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地鐵車輛段BAS系統(tǒng)對(duì)應(yīng)監(jiān)控的設(shè)備偏少，所以本BAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)成ControlNet全總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)選取一套冗余控制器全總線系統(tǒng)架構(gòu)，且本控制器與前文控制器屬于是相同型號(hào)，控制器經(jīng)由現(xiàn)場(chǎng)總線與RI/O相連，以此達(dá)成對(duì)車輛段BAS系統(tǒng)設(shè)備的有效監(jiān)控。車輛段BAS系統(tǒng)依托智能低壓模塊與通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)相連，依托RI/O模塊與各傳感器、二通閥等設(shè)備相連，依托通信接口模塊與動(dòng)力照明、給排水等系統(tǒng)相連，進(jìn)而達(dá)成對(duì)該部分系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)控。另外，車輛段BAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)有維修工作站，作為整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，其配備有特定的診斷維護(hù)工具軟件，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)有異常情況，則可通過該功能模塊進(jìn)行維修維護(hù)，并且維修工作站還可實(shí)現(xiàn)軟件更新升級(jí)、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)診斷等功能。車輛段BAS系統(tǒng)依托PLC控制器上的以太網(wǎng)網(wǎng)卡與綜合監(jiān)控系統(tǒng)相連，進(jìn)而車輛段BAS系統(tǒng)的信息及維修工作站的信息即可傳輸至綜合監(jiān)控系統(tǒng)，完成系統(tǒng)的集成。地鐵車輛段BAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 地鐵車輛段BAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4.3 地鐵停車場(chǎng)BAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

就地鐵停車場(chǎng)BAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，因?yàn)樵撓到y(tǒng)所需監(jiān)控的機(jī)電設(shè)備相對(duì)偏少，所以本系統(tǒng)依托智能低壓模塊與通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)相連，依托RI/O模塊與各傳感器、二通閥等設(shè)備相連，依托通信接口模塊與動(dòng)力照明、給排水等系統(tǒng)相連，依托PLC控制器上的以太網(wǎng)網(wǎng)卡與綜合監(jiān)控系統(tǒng)相連，進(jìn)一步停車場(chǎng)BAS系統(tǒng)的信息可傳輸至綜合監(jiān)控系統(tǒng)，完成系統(tǒng)的集成。地鐵停車場(chǎng)BAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 地鐵停車場(chǎng)BAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)語

總而言之，地鐵作為一種地下交通工具，其盡管無需實(shí)行路面的交通管理模式，但其所面臨的環(huán)境較為復(fù)雜、惡劣，地下的控制相對(duì)封閉，要求裝置照明、給排水、空調(diào)等設(shè)備，而該部分系統(tǒng)有賴于通過環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)開展管控，因此，在發(fā)展實(shí)踐中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信、自動(dòng)控制等技術(shù)的綜合應(yīng)用，結(jié)合地鐵實(shí)際情況，開展好地鐵BAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，提升BAS系統(tǒng)對(duì)各式各樣機(jī)電設(shè)備的智能化控制水平，保障地鐵的安全有序運(yùn)行。