GoA4地铁环境与设备监控系统设计及应用

张思宇，郝勇，龚玉泽，刘泽昱

（中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031）

0 引言

截至2021年末，我国内地已运营的全自动运行系统线路共计30条，运营里程为728.46km；在建的全自动运行系统线路共计45条，运营里程为1 541.01km[1]。以全自动运行为核心的轨道交通智能化是当下的研究热点，业内多基于车辆、信号等核心系统开展全自动运行系统线路的研究，对非核心系统的设计关注较少。全自动运行系统对运营提出了新的要求，环境与设备监控系统根据新的要求进一步优化系统方案有着重要的意义。成都轨道交通9号线一期工程是成都首条全自动运行轨道交通线路，采用了GoA4等级的全自动运行系统，于2020年底开通初期运营。环境与设备监控系统主要负责城市轨道交通车站、车辆段、停车场、区间隧道等区域的照明设施、给排水设施、通风空调设施、电扶梯等的实时监控及管理，旨在提高轨道交通自动化程度，优化运营、维护人员工作流程。本文根据全自动运行系统线路对系统提出的新需求，进一步研究GoA4地铁环境与设备监控系统设计方案，提出了若干功能优化建议供相关项目参考。

1 BAS系统方案设计

BAS基于控制中心、车站、就地三级控制方式，满足控制中心、车站两级管理模式需求。BAS系统由控制中心级BAS、车站级BAS（包括设置在各车站、车辆段、停车场的BAS系统）、现场级设备网络和主干网构成。BAS在车站深度集成至综合监控系统，其中央级功能和车站级功能以及全线主干通信网络由综合监控系统负责实现[2]。

现场控制级监控功能由BAS独立完成，现场控制级功能主要包括实现对车站隧道通风系统、车站防排烟设备、车站通风空调大、小系统、空调水系统设备、车站给排水、区间给排水设备、自动扶梯、电梯、车站公共区导向系统、事故电源、应急照明、广告照明、区间隧道智能诱导标志等的监控。

1.1 现场控制系统选型

现场控制系统是环境与设备监控系统的核心，其性能、稳定性直接影响方案的优劣，目前城市轨道交通主要有工业用DCS（分散控制系统）、工业用PLC（可编程控制系统）、楼宇用DDC构成的控制系统三种方案，比选如表1所示。

表1 方案比选

综上，在城市轨道交通环境中，终端设备、系统以开关量监控及模式控制为主。因此，PLC系统综合性能优于DCS系统，而且在全国各大城市轨道交通工程中已经过实际运行检验，效果良好，能满足轨道交通运营需要，成都轨道交通9号线BAS采用PLC系统。

1.2 车站PLC布置方案

PLC的布置涉及BAS的稳定性和可靠性，目前城市轨道交通主要有两种布置方案，比选如表2所示。

（1）方案一：单端冗余主控制器方案

在车站大端环控电控室内设置一组冗余工业级PLC控制器，控制器与RI/O、IBP控制器等采用总线连接。本主方案的特点是监控管理更集中，投资相对偏低，编程方便，但现场总线较长，整个车站需集中调试。

（2）方案二：双端冗余主控制器方案

在车站大端环控电控室内配置一组冗余的工业级PLC主控制器，在车站小端环控电控室配置一组冗余的从控制器。本方案采用车站双端冗余PLC配置，系统冗余程度高，可靠性高。

表2 PLC设置方案比较表

综合上述优缺点分析，考虑到成都9号线均为地下车站且车站规模较大（采用8A编组列车），被控对象较多且分布范围较广，地下车站对BAS系统可靠性要求相对较高，同时鉴于目前成都各线的实施情况，成都轨道交通9号线BAS采用方案二布置PLC。

1.3 控制器组网方案

车站两端环控电控室的冗余PLC控制器是现场级BAS系统的枢纽，有着承上启下的作用。目前，对于车站两端冗余PLC的组网方式主要有以下两种方案。

（1）方案一：光纤双环网+双总线方案

车站大、小两端的PLC控制器组建冗余环形光纤以太网。主控制器的冗余PLC分别与综合监控系统和IBP盘PLC连接；大、小两端的PLC控制器与RI/O之间采用双总线网络。

本方案的特点是：BAS车站级网络由光纤以太环网构成，通信速率为100Mbps，网络通信协议采用TCP/IP协议标准，现场级网络由现场总线构成，系统层次清晰，但是由于系统的网络复杂程度较高，导致系统调试较复杂。

（2）方案二：全以太环网方案

车站大、小两端的PLC控制器组建冗余环形光纤以太网。主控制器的冗余PLC分别与综合监控系统和IBP盘PLC连接；大、小两端的PLC控制器与RI/O之间也采用以太环网络。

本方案的特点是：BAS车站级网络、现场级网络均由以太环网构成，通信速率为100Mbps，网络通信协议采用TCP/IP协议标准。

两种方案各有特点，且在国内地铁领域均有较多成熟应用，考虑到全以太网方案具有较高的数据传输速率、较好的网络开放性和互换性，可靠性也满足实际数据传输需求，增加设备投资有限，特别是该组网方式是未来的发展方向，因此9号线采用方案二。

2 BAS系统功能设计

2.1 控制中心级功能

BAS深度集成于综合监控系统，其控制中心功能主要由综合监控系统实现，控制中心级功能主要有管理功能、监视功能、控制功能等。

（1）管理功能一般包括全线模式表管理、时间表管理、系统运行参数管理、监督全线机电设备的运行工况、确定系统运行工况、运行工况的调控、设备状态信息的处理等，满足中心调度员对全线车站环境与监控系统接口设备的统一管理需求。

（2）监视及显示功能主要包括分区域设备状态监视、车站系统图分系统显示、趋势图显示、暖通工艺图显示、控制方式显示、系统显示、模式运行显示、设备汇总显示等，满足中心调度员对全线监控设备状态了解的需求。

（3）控制功能主要有远程控制、单点控制、模式控制、顺序控制、时间表调度控制、系统联动控制等，满足中心调度员对责任范围内的设备控制需求。

2.2 车站级功能

车站级环境与设备监控系统能接受中心级环境与设备监控系统下达的各种监控指令与运行模式控制指令，并下传到车站操作工作站，执行中心级系统制定的运行方案，能更改系统运行参数，调整系统运行工况，主要具备监视功能、显示功能、控制功能等。

（1）监视功能主要包括设备动态图形显示、设备状态实时监视、故障报警、数据查询和报表打印、过程参数监视等；显示功能与中心级系统操作站的多级显示功能相同。

（2）控制功能主要包括设备控制、模式控制、模式切换等。

2.3 现场级设备功能

现场级设备负责实现接口设备的具体监控功能，通过数字量/模拟量输入模块采集车站各类信息，通过数字量/模拟量输出模块控制接口系统、设备。其主要功能如下：

（1）基于对环境参数（如车站温湿度、室外温度、二氧化碳浓度等）的采集结果，并加以统计分析，控制车站通风空调系统运行，并优化其运行模式。

（2）接收火灾自动报警系统的火灾模式信息，实现对车站通风空调、导向照明、事故照明等设备的模式控制功能。

（3）根据中央级BAS指令控制隧道风机，执行隧道阻塞通风模式、排烟模式。

（4）隧道通风模式功能，能按照时间规律或行车方案联动控制隧道风机运行。

（5）接收车站级BAS指令，实现对相关设备的单点控制。

（6）实现车站接口设备的状态监视、信息采集及数据输出功能。

（7）提供通信接口，根据不同接口设备的通信要求满足接口转换需求，确保采集信息正确输入和控制信息信号正确输出。

3 GoA4地铁环境与设备监控系统功能优化建议

3.1 全自动运行系统的定义

根据列车运行过程中所需完成各项功能下人和设备的职责划分，定义了5个轨道交通自动化等级，详见表3。而全自动运行系统是由信号、车辆、综合监控、通信、站台门等设备组成，实现列车运行全自动化的系统[3]。

表3 轨道交通自动化等级划分表

3.2 全自动运行系统运营场景分析

目前，全自动运行系统是基于运营场景联动控制实现列车运行过程全自动化的轨道交通系统，这种方案的实现需基于大量运营经验和预案，通过对列车运行全过程复盘，包括对列车早间唤醒、综合自检、出段运行、车站发车、区间运行等一系列正常工况场景的分析，研究各种可能发生的异常工况场景，确定各场景的触发条件、责任人员、联动流程等。

一般将全自动运行系统联动场景分为正常场景和非正常场景[4]，上海轨道交通结合运营管理经验将非正常场景细化为故障场景和应急场景[5]。其中正常场景一般分为运营准备、早间上电、唤醒、出库、进入正线服务、进站停车、站台发车、折返换端、清客、停止正线服务、回库、清扫、休眠、洗车、列车日常检修、列车远程广播、列车跳停、列车扣车、非计划车调整等；非正常场景一般分为紧急制动缓解、远程紧急制动、运行中设备故障处理、蠕动模式、站台门故障隔离车门、车门故障隔离站台门、车门状态丢失处理、故障复位控制、站台门状态丢失、远程限制人工驾驶模式、雨雪模式、列车紧急呼叫触发、车辆火灾、车门紧急解锁、障碍物/脱轨检测报警、司机操作台打开报警、车站火灾、区间火灾、区间疏散等。

3.3 BAS功能优化建议

在GoA4等级的全自动运行系统下，对系统有着最高级别的要求，环境与监控系统作为综合监控系统的核心集成子系统之一，也应具备匹配的功能。结合BAS特点，建议GoA4地铁环境与设备监控系统加强对地下区间水位、区间人防隔断门状态监视。

（1）过多的区间积水可能会影响行车安全，由于没有司机对行车环境进行观察，区间水位的数据对中心调度员指挥行车有着关键支撑作用，建议结合各城市行车的管理办法和习惯，设置监视道床、轨面、轨面上等多级水位报警，辅助中心调度员指挥行车。

（2）区间人防隔断门状态监视。建议增设区间人防门监测子系统，在区间人防隔断门附近安装多种光电传感器和摄像机，将传感器和视频数据接入智能分析采控箱，实现数据的采集、存储和智能分析，并将分级报警信号接入BAS系统，实现BAS对区间人防隔断门的多级状态监视。

4 结语

环境与监控系统是为统一监控车站、隧道等区域的机电设备、系统而设置，确保了地铁乘客安全及舒适的乘车、候车环境。BAS也应提高轨道交通运营管理水平，节省人力，降低运营成本，并达到控制相关机电设备按节能优化方式运行的目的。在GoA4全自动等级下的轨道交通线路，BAS不仅应在火灾时接收火灾自动报警系统信号，实现对救灾设施的模式控制，还应监视与行车安全相关的信息，进一步保障行车安全。