基于?OPC UA?的新型城市轨道交通?BAS?系统

黄魏

摘 要：随着城市轨道交通工业互联网平台的快速发展，现有城市轨道交通 BAS 系统的各种弊端正逐渐显现。为解决这些问题，文章提出一种基于 OPC UA 的新型城市轨道交通 BAS 系统，并详细介绍其网络架构模型、优点及分阶段发展的特点，以期为城市轨道交通 BAS 系统的设计优化提供借鉴和参考。

关键词：城市轨道交通;BAS系统;OPC UA;工业互联网

1 研究背景

2013年，德国率先提出“工业4.0”概念，掀起全球智能化竞争浪潮。2015年，我国发布《中国制造2025》，自上而下全面推行制造强国战略，而打造工业互联网平台，拓展“智能+”，为制造业转型升级赋能，是实现制造强国的关键步骤之一。

不同于已经全方位成熟的消费互联网，工业互联网的核心任务是通过人、机、物的全面互联实现全要素、全产业链、全价值链的全面连接，因此对网络的低时延、高可靠性和高安全性等技术指标提出了更高要求。在很长一段时间，工业互联网平台的发展一直受制于网络基础设施迭代，而随着5G、物联网（IoT）、云计算、边缘计算等技术的迅速发展，工业互联网的超融合（即工控系统、通信系统和信息化系统的智能化融合）正在有序实现。

目前，城市轨道交通工业互联网平台有2个发展方向：①综合监控系统（ISCS）平台以及在其基础上整合车辆、通信和信号系统所形成的行车综合自动化系统（TIAS）平台;②智慧车站平台。

环境与设备监控系统（BAS）作为此平台中整合城市轨道交通环境与设备监控数据的关键边缘节点，其技术必须与平台的发展相适应。然而，目前BAS系统技术发展相对滞后，难以满足工业互联网平台发展的要求，应引起行业内的重视。

2 BAS系统现状及弊端

2.1 BAS系统现状

BAS系统的主要功能是对城市轨道交通建筑物及隧道内的环境与空气调节、通风、给排水、动力照明和乘客导向等系统，以及自动扶梯、电梯和人防门等设备进行集中监视、控制和管理，统筹规划这些系统和设备的运行状态，以降低城市轨道交通的能源消耗和运营成本。

目前，BAS系统的主流网络架构有光纤以太环网（图1）和冗余双总线（图2）2种方案，其中BAS系统与底层设备的数据交换均采用硬线（电压型/电流型）和软线（RS485协议为主）相结合的方案。以上2种有线网络架构已应用10余年。

2.2 BAS系统弊端

BAS系统的有线网络架构已经很成熟，但在工业互联网及物联网的新技术浪潮下，其弊端也逐渐显现，具体如下。

（1）底层数据的采集不完备。BAS系统的底层接口设备（如风机、电扶梯、水泵等）会产生大量数据，但BAS系统仅按需采集其中一小部分用于人机界面展示，大多数数据未被挖掘利用，且无法远程查看，使系统的进一步深化设计受限。

（2）线缆施工及维护困难。BAS系统施工及调试的主要内容是放线、接线和较线，而车站空间狭窄导致的敷线困难、线缆过长导致的信号衰减、线缆过多导致的接线错乱等问题极大影响了BAS系统的施工效率。运营时，因线缆老化及松动引起的BAS系统故障极难排查，因此后期维护困难。

（3）数据共享性差。BAS系统的底层接口设备（如照明、环境监测传感器等）采用硬线连接，其信号输出端子唯一，因此当多套系统均需采集同一设备信息时，操作十分不便，而且必须打通原本不相关联的信息系统，带来新的网络安全隔离问题。

总体而言，BAS系统的有线网络架构比较僵化，一经设计定型便难以调整，这一特性将无法满足城市轨道交通工业互联网平台在发展过程中不断升级迭代的需求。

3 OPC UA简介

用于过程控制的对象连接与嵌入（OPC）统一架构（UA）由OPC基金会联盟于2006年开发，是一套安全、可靠且獨立于制造商和平台的工业通信标准，该标准允许不同操作系统及不同制造商的设备之间进行数据交互，其可扩展性使系统、机器和工艺流程的横向和纵向联网成为可能。

目前，传统的工业控制系统正在朝着新型现场总线控制系统、基于个人计算机（PC）的工业控制计算机以及管控一体化系统集成技术等方向发展，这要求全面、广泛地推进系统的模块化、标准化、数字化和信息化，以实现设备的互联互通和“即插即用”功能，而OPCUA是通向工业4.0的关键通信标准。

作为一种通用性标准，OPC UA也适用于BAS系统，且早已经有国际知名自动化企业将OPC UA功能集成到BAS系统的核心——可编程逻辑控制器（PLC）中。OPC UA的应用前景广阔，未来必将在城市轨道交通工业互联网平台中普遍应用。

4 基于 OPC UA 的 BAS 系统

4.1 网络架构模型

基于OPC UA的BAS系统网络架构（以下简称“新架构”）模型如图3所示。

该模型由上层信息化层、BAS控制层和设备层3层组成。上层信息化层包含系统工作站和三层交换机，功能是实现BAS系统的人机界面展示与交互;BAS控制层包含PLC控制器，功能是对现场设备的数据进行采集及计算;设备层包含现场就地设备，功能是提供BAS系统所需的数据及接口。层级间的通信采用OPC UA规范，该规范可以映射到各种通信协议中，以UA二进制编码或可扩展标记语言（XML）编码传递数据，实现各种接口的标准化。

该模型在理想状态下采用全局无线通信，在技术过渡阶段可以考虑有线通信。若采用有线通信，新架构则无法完全发挥其相对于现有网络架构的优越性。

此外，该模型还采用时间敏感型网络（TSN）技术（主要解决时钟同步、数据调度与系统配置3个问题）以确保整个系统的低时延要求，并采用冗余结构（交换机冗余、PLC控制器冗余）以确保整个系统的高可靠性要求。

4.2 优点

与现有BAS系统网络架构相比，新架构具有以下优点。

（1）现有BAS系统网络架构依托各类线缆组网，采用有线模式。而新架构不受限制，可以采用有线模式、无线模式或者有线+无线组合模式。推荐采用无线模式，这样更利于城市轨道交通工业互联网平台的融合。

（2） 由于地铁横跨距离较长，因此现有BAS系统的有线网络架构划分主端和从端。而新架构采用无线通信模式，依托于无线网络基站的全覆盖，不受物理距离限制，因此仅保留单端（主端）。

（3） 现有BAS系统网络架构为三段式网络（控制层环网+主端设备层环网+从端设备层环网），远程I/O在设备层采集接口设备数据，PLC控制器在控制层进行整合计算，各层环网独立。而新架构采用扁平化网络，无严格的控制层与设备层划分，PLC控制器可直接与接口设备进行通信，也可由专用通信模块组件采集接口设备数据，再统一传送给PLC控制器，以降低PLC控制器的通信负荷。

（4）現有BAS系统网络架构采用冗余双总线或者光纤以太环网，以规避单点故障对整个网络的影响。而新架构仅需考虑硬件冗余，不会出现单点故障影响整个网络的情况。

此外，新架构中的底层接口设备由于具备OPC UA功能，因此可实现全数据共享。用户可通过设置分级用户权限规范自动控制系统的数据采集，并根据后续的应用需求灵活调整权限。

4.3 分阶段实现

目前，支持OPC UA的应用软件和PLC控制器已经问世，但尚未在城市轨道交通各类设备中普遍应用。因此，图3是一个理想化架构，实际中应分为3个阶段逐步实现。

（1）第1阶段：将OPC UA应用到PLC控制器与上层监控平台的通信中，全网络仍旧采用有线模式。这一阶段，新构架与现有BAS系统网络架构无显著差异，也不会出现明显的效率提升。

（2）第2阶段：随着工业用5G、TSN等技术走向成熟，支持OPC UA的就地接口设备达到一定规模，BAS系统的部分底层设备接口采用OPC UA，全网络采用有线+无线混合模式。

（3）第3阶段：OPC UA全面普及，BAS系统全网采用无线模式，并与城市轨道交通工业互联网平台中其他应用OPC UA的系统协同工作，城市轨道交通工业互联网平台实现超融合。

此外，城市轨道交通建筑及隧道内无线网络的规划与建设是实现BAS新架构的关键。考虑到城市轨道交通的各自动化系统在向工业互联网转型时将陆续引入OPC UA，具有低时延、高可靠、高安全性能的私有无线网络将成为公共需求，因此可以将其作为独立专业进行统筹设计。私有无线网络的电源供应应纳入一级负荷。

5 结语

OPC UA可实现跨平台通信，且具有更高的安全性和可靠性，能够满足工业信息高度连通的需求，不仅可以应用于城市轨道交通BAS系统，还可用于城市轨道交通安检、火灾报警、门禁等众多系统中，使各系统架构统一、业务整合，最终实现城市轨道交通的高度信息化。

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收稿日期 2020-02-12

责任编辑 苏靖棋