管亞敏/張　軍

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；2.成都四為電子信息股份有限公司，湖北 武漢 430073)

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關(guān)于城際鐵路BAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究

管亞敏1/張軍2

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；2.成都四為電子信息股份有限公司，湖北 武漢 430073)

0　引言

隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)與城市化的發(fā)展，我國提出在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)和人口稠密地區(qū)建設(shè)城際鐵路客運(yùn)系統(tǒng)，覆蓋區(qū)域內(nèi)主要城鎮(zhèn)，以滿足這些地區(qū)城際客流的出行需要。與地鐵相比，城際鐵路項(xiàng)目中往往無綜合監(jiān)控系統(tǒng)，因此機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(簡稱BAS系統(tǒng))作為城際鐵路運(yùn)營保障系統(tǒng)的重要組成部分，對確保全線機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)狀態(tài)良好和城際鐵路安全、可靠、高效運(yùn)行起著非常重要的支撐作用。作為一個(gè)自動控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)的可靠性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性起著決定性的作用，因此在城際鐵路建設(shè)方興未艾的當(dāng)下，針對城際鐵路的建設(shè)和運(yùn)營特點(diǎn)，研究并優(yōu)化BAS系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)就具有非常重要的指導(dǎo)意義。

1　影響B(tài)AS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的因素

城際鐵路BAS系統(tǒng)通常依站設(shè)置，形成一個(gè)沿線路分布、以車站為單位的分散的大型分布式自動化系統(tǒng)。作為一種綜合自動化控制系統(tǒng)，BAS系統(tǒng)遵循“集中管理、分散控制”的設(shè)計(jì)原則與兩級管理、三級控制的控制模式[2]。整個(gè)系統(tǒng)主要由中央、車站和現(xiàn)場三級組成，這也是BAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的主要對象。影響城際鐵路BAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要因素包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)模式、線路的敷設(shè)方式、線路的運(yùn)營管理模式等。

1.1數(shù)據(jù)服務(wù)模式

BAS是以數(shù)據(jù)服務(wù)為核心的監(jiān)控系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)服務(wù)模式的選擇在很大程度上影響了系統(tǒng)的整體架構(gòu)。目前，BAS系統(tǒng)常見的數(shù)據(jù)服務(wù)模式主要有三種：集中式數(shù)據(jù)服務(wù)模式、分布式數(shù)據(jù)服務(wù)模式和集中分布式數(shù)據(jù)服務(wù)模式[1]。

1.1.1集中式數(shù)據(jù)服務(wù)模式

集中式數(shù)據(jù)服務(wù)模式是基于服務(wù)器的數(shù)據(jù)分發(fā)方式。車站級服務(wù)器負(fù)責(zé)與現(xiàn)場控制器和各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，提供分散的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對象服務(wù)，但是，車站級服務(wù)器沒有完整的數(shù)據(jù)庫，獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后只是將數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換再傳送給中央級服務(wù)器，所有車站級實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析、處理以及調(diào)度命令的發(fā)出都由中央級服務(wù)器完成，車站級服務(wù)器不對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，只是收集數(shù)據(jù)和接收中央服務(wù)器發(fā)送的指令，并將該命令下發(fā)給操作站和現(xiàn)場級監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行顯示、執(zhí)行。

與集中式數(shù)據(jù)服務(wù)模式相對應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是集中式監(jiān)控方案。該方案中，海量數(shù)據(jù)的收集和實(shí)時(shí)處理完全在中央級BAS上進(jìn)行，車站級BAS僅收集和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，即車站級BAS采集現(xiàn)場所有被控對象的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并上傳給中央級BAS，中央級BAS再集中完成整條線路數(shù)據(jù)的接收、分析和處理等操作。

1.1.2分布式數(shù)據(jù)服務(wù)方式

分布式數(shù)據(jù)服務(wù)方式采用以車站級數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)資源的數(shù)據(jù)分發(fā)方式。車站級服務(wù)器負(fù)責(zé)與各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，為中央級服務(wù)器提供分散的基礎(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對象服務(wù)；中央級服務(wù)器主要保存歷史存檔數(shù)據(jù)，提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對象副本和歷史數(shù)據(jù)對象服務(wù)；中央級和車站級服務(wù)器在實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、處理、調(diào)度以及顯示等功能時(shí)，都從車站級數(shù)據(jù)庫獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)服務(wù)方式中，中央級和車站級服務(wù)器的數(shù)據(jù)獲取處于同一層面，因此在不考慮網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的情況下，中心操作延時(shí)與車站操作延時(shí)基本相同。

與分布式數(shù)據(jù)服務(wù)方式相對應(yīng)的綜合監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是分布式監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)將車站級作為數(shù)據(jù)收集、處理和保存的核心，車站級服務(wù)器一方面采集現(xiàn)場級監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并保存，另一方面向中央級和車站級服務(wù)器隨時(shí)提供其所需求的數(shù)據(jù)；且中央級服務(wù)器不再設(shè)置全局的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器，只設(shè)置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)庫的索引，即在進(jìn)行相關(guān)的集中監(jiān)控操作時(shí)，通過索引向各車站獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式存儲與集中式共享。

1.1.3集中分布式數(shù)據(jù)服務(wù)方式

目前在實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)中通常選擇采用集中分布式數(shù)據(jù)服務(wù)模式。所謂集中分布式數(shù)據(jù)服務(wù)模式是基于分布式數(shù)據(jù)服務(wù)模式的一種優(yōu)化。系統(tǒng)整體采用分布式數(shù)據(jù)服務(wù)方式，將各車站作為數(shù)據(jù)收集和處理的核心，同時(shí)中央級監(jiān)控中心又對所有車站數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、集中存儲、管理等操作。采用集中分布式數(shù)據(jù)服務(wù)模式的BAS系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1　集中分布式BAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2線路敷設(shè)方式

城際鐵路主要承擔(dān)城市之間的中短途旅客運(yùn)輸，其功能和服務(wù)對象決定了其線路的自身特點(diǎn)。與干線鐵路不同，城際鐵路的線路選擇主要考慮是否有利于客流集散和是否能最大程度吸引客流，所以線路應(yīng)盡量伸入城市中心城區(qū)，靠近客流中心。與地鐵相比較，城際鐵路距離偏長，需要穿越城市之間的大片開闊區(qū)域。上述特點(diǎn)決定了城際鐵路一般采取高架、地下、地面三種敷設(shè)方式相結(jié)合的建設(shè)方案。

不同的線路敷設(shè)方式?jīng)Q定了不同的車站建設(shè)方式(包括高架站、地面站、地下站)。一般來說，高架站和地面站的建筑設(shè)計(jì)和功能布局與大型鐵路的小型站房非常類似，而地下站的設(shè)計(jì)則與地鐵車站類似，只是面積更大一些。與地鐵不同，城際鐵路往往具有多個(gè)地下區(qū)間，而非全線只有一個(gè)連續(xù)的地下區(qū)間。以莞惠城際為例，正線全長約99.816km，共設(shè)置6 個(gè)高架站、1 個(gè)地面站、10 個(gè)地下站，其中包括2個(gè)連續(xù)的地下區(qū)間段、2個(gè)高架區(qū)間段和1個(gè)地面區(qū)間段。

對于同一個(gè)地下區(qū)間，BAS系統(tǒng)需要考慮在阻塞模式和火災(zāi)模式下相鄰隧道和車站的通風(fēng)聯(lián)動問題，而對于不同的地下區(qū)間相互之間則沒有聯(lián)動要求，因此不同地下區(qū)間的BAS系統(tǒng)既可集中設(shè)置，也可分開設(shè)置。對于高架站和地面站，其通風(fēng)系統(tǒng)是獨(dú)立的，沒有與其他車站和隧道的聯(lián)動要求，其BAS系統(tǒng)也可以單獨(dú)設(shè)置，無需接入中央監(jiān)控中心。

綜上所述，BAS系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮適應(yīng)城際鐵路多種敷設(shè)方式相互交叉的實(shí)際情況。

1.3運(yùn)營管理模式

目前城際鐵路主要有兩種運(yùn)營管理模式，一種是與干線鐵路類似，由鐵路局代管的運(yùn)營管理模式，簡稱大鐵代管模式；一種是與地鐵類似，由城際鐵路公司自行管理的運(yùn)營管理模式，簡稱公司管理模式。以珠三角城際鐵路為例，已開通的廣珠城際、佛肇城際、莞惠城際和在建的穗莞深城際由鐵路總公司和廣東省共同投資建設(shè)，線路建成后采用大鐵代管模式，交由廣州鐵路集團(tuán)負(fù)責(zé)日常的線路設(shè)備維護(hù)和運(yùn)營管理工作；而廣佛環(huán)線、佛莞城際、廣清城際等城際鐵路，主要由廣東省投資建設(shè)，預(yù)計(jì)將會采用公司管理模式，由珠三角城際鐵路公司負(fù)責(zé)日常運(yùn)營。

不同的運(yùn)營管理模式將會對BAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。舉例來說，在大鐵代管模式下，地下區(qū)間隧道內(nèi)的機(jī)電設(shè)備一般由工務(wù)段接管，車站內(nèi)設(shè)備由車站或第三方物業(yè)公司接管，因此隧道BAS和車站BAS需要分開獨(dú)立設(shè)置；而在公司管理模式下，區(qū)間隧道和車站的BAS系統(tǒng)統(tǒng)一由自動化工班負(fù)責(zé)日常維護(hù)、由車站負(fù)責(zé)日常使用，因此統(tǒng)一設(shè)置區(qū)間隧道BAS和車站BAS即可。

2　車站級結(jié)構(gòu)規(guī)劃

車站BAS系統(tǒng)是一套具有完整結(jié)構(gòu)的自治系統(tǒng)，具備自律性，可以獨(dú)立完成車站相關(guān)機(jī)電設(shè)備的監(jiān)控工作，不依賴中央級監(jiān)控中心，能提供本站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)，是全線BAS的基本單位。車站BAS可以接收來自中央級監(jiān)控中心的指令，還可以向任何需要車站數(shù)據(jù)的客戶提供車站全部實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的服務(wù)[3]。

車站級BAS系統(tǒng)由主控制器(冗余PLC)、遠(yuǎn)程I/O(RI/O)、現(xiàn)場總線、各類傳感器等設(shè)備組成。影響車站級BAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的因素主要包括采用的車站形式和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

車站形式不同，其主控制器設(shè)置會有差別。對于地下站，車站規(guī)模較大(一般>10 000 m2)，需要監(jiān)控的機(jī)電設(shè)備(特別是環(huán)控設(shè)備)較多，因此一般選擇在車站兩端的環(huán)控電控室分別設(shè)置冗余PLC，負(fù)責(zé)監(jiān)控本端的被控設(shè)備。車站兩端的冗余PLC通過冗余現(xiàn)場總線(包含RS485總線或以太網(wǎng)總線)實(shí)現(xiàn)互相連接。在車站兩端的冗余PLC中，一般將車控室同側(cè)的冗余PLC作為主控制器，主控制器除承擔(dān)本端設(shè)備監(jiān)控的任務(wù)外，還負(fù)責(zé)連接車站BAS主站系統(tǒng)。對于地面站和高架站，需要監(jiān)控的機(jī)電設(shè)備數(shù)量較少，因此設(shè)置一套冗余PLC即可滿足要求。

根據(jù)采用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，車站級BAS整體呈兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：扁平化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和層次化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[2]。

2.1扁平化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

扁平化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常是指車站監(jiān)控層設(shè)備(工作站、服務(wù)器等)和各PLC控制器在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層，各控制器和監(jiān)控設(shè)備之間的通信基于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺實(shí)現(xiàn)。通常采用基于TCP/IP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成一個(gè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，將車站的各個(gè)PLC控制器連接到環(huán)網(wǎng)上。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　基于以太網(wǎng)的扁平系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

各控制器之間及控制器和監(jiān)控工作站之間通過環(huán)形以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并通過該網(wǎng)絡(luò)和通信骨干網(wǎng)的接口實(shí)現(xiàn)與中央級系統(tǒng)通信。出于可靠性考慮，PLC、交換機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備可冗余配置。

扁平化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)層次少、數(shù)據(jù)流簡單、通用性強(qiáng)。

2.2層次化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

層次化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是將車站BAS系統(tǒng)細(xì)分為3個(gè)層次(監(jiān)控層、控制層、現(xiàn)場層)，成為一個(gè)分層、分布式的自動化系統(tǒng)。

監(jiān)控層作為監(jiān)控設(shè)備(工作站、服務(wù)器)和控制器之間的網(wǎng)絡(luò)平臺，一般采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)冗余配置；控制層通常用于各PLC控制器之間的網(wǎng)絡(luò)平臺，網(wǎng)絡(luò)類型一般為各個(gè)PLC廠家提供的適應(yīng)自身產(chǎn)品的專用網(wǎng)絡(luò)或開放網(wǎng)絡(luò)；現(xiàn)場層一般用于控制器和分布式I/O之間的現(xiàn)場總線或?qū)Ｓ肐/O總線，傳輸介質(zhì)以屏蔽雙絞線為主。由于有些廠家也支持I/O通信，因此控制層和現(xiàn)場層也可以合并為一層網(wǎng)絡(luò)。層次化車站BAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　層次化車站BAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是將車站BAS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分類，每一類數(shù)據(jù)利用不同的網(wǎng)絡(luò)方案實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。如對于PLC控制器之間要求實(shí)時(shí)性較高的控制類信息，則采用控制級網(wǎng)絡(luò)來滿足對傳輸時(shí)間有苛刻要求的數(shù)據(jù)傳輸(一般在ms級)；對于現(xiàn)場I/O類數(shù)據(jù)，則采用現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)；對于監(jiān)控調(diào)度類數(shù)據(jù)，則利用以太網(wǎng)來傳輸，由于這類數(shù)據(jù)往往只對帶寬要求較高，而對數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間要求較寬松(一般在s級)，因而基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)正適合這種應(yīng)用。

3　線路整體結(jié)構(gòu)規(guī)劃

規(guī)劃BAS系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)通常依照城際鐵路的弱電系統(tǒng)整體方案、BAS系統(tǒng)規(guī)模、骨干網(wǎng)方案、BAS系統(tǒng)功能需求和線路運(yùn)營管理模式等方面展開，以此決定BAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體形式[4]。例如，城際鐵路車站的建筑形式(地下站、地面站、高架站)決定了BAS系統(tǒng)的范圍和規(guī)模；BAS系統(tǒng)功能需求決定了設(shè)置中央監(jiān)控主站還是區(qū)域監(jiān)控主站；線路的運(yùn)營管理模式?jīng)Q定了是否需要獨(dú)立設(shè)置隧道BAS。綜合考慮以上因素，BAS系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)可細(xì)分為多種結(jié)構(gòu)模式。

3.1鐵路局代管模式下的全線一主站模式

在這種模式下，整條城際鐵路BAS系統(tǒng)設(shè)置唯一的中央監(jiān)控主站作為BAS系統(tǒng)的中央管理級。中央監(jiān)控主站與車站級監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)通信專業(yè)骨干網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，組成BAS系統(tǒng)全線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)地下區(qū)間隧道設(shè)置一套獨(dú)立的隧道BAS，與車站BAS同級，通過通信專業(yè)提供的接口接入全線網(wǎng)絡(luò)。項(xiàng)目建成后，隧道BAS主站一般設(shè)置在工務(wù)段工區(qū)，由工務(wù)段接管使用。在實(shí)際運(yùn)營中，地面站和高架站的BAS系統(tǒng)的功能相對獨(dú)立，與鄰近車站沒有聯(lián)動需求，對是否納入全線監(jiān)控環(huán)網(wǎng)也無特別要求，一般是依業(yè)主要求而定。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4　鐵路局代管模式下的全線一主站模式

圖5　鐵路局代管模式下的區(qū)域主站模式

圖6　公司管理模式下的全線一主站模式

圖7　公司管理模式下的區(qū)域主站模式

3.2鐵路局代管模式下的區(qū)域主站模式

所謂“區(qū)域主站模式”就是針對城際鐵路一條線路存在多個(gè)地下區(qū)間，且地上站與地下站之間沒有聯(lián)動需求的實(shí)際情況，不設(shè)置全線中央監(jiān)控主站，而是按照“一個(gè)連續(xù)地下區(qū)間設(shè)置一套主站”的方式設(shè)置區(qū)域監(jiān)控主站。在這種模式下，地面站和高架站不接入?yún)^(qū)域主站監(jiān)控中心，而且隧道BAS主站與區(qū)域監(jiān)控主站可以合并設(shè)置。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

3.3公司管理模式下的全線一主站模式

與鐵路局代管模式相比，公司管理模式下的隧道內(nèi)設(shè)備就近接入車站監(jiān)控，不單獨(dú)設(shè)置隧道BAS，結(jié)構(gòu)更加簡潔、統(tǒng)一。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

3.4公司管理模式下的區(qū)域主站模式

在公司管理模式下，不單獨(dú)設(shè)置隧道BAS，區(qū)域主站與本地下區(qū)間內(nèi)的某一個(gè)車站BAS合并設(shè)置。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

4　結(jié)束語

本文希望通過總結(jié)前期項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，提出不同的BAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型并分析不同模型的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性，為新建城際鐵路BAS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案選型提供參考。在我國城際鐵路建設(shè)快速推進(jìn)的進(jìn)程下，構(gòu)建更加經(jīng)濟(jì)、高效、可靠的BAS系統(tǒng)是城際鐵路建設(shè)者們的奮斗目標(biāo)。

[1]GB 50157-2013.地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[2]曲立東.城市軌道交通環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[3]劉曉娟，林海香，司徒國強(qiáng).城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2011.

[4]魏曉東.城市軌道交通自動化系統(tǒng)與技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

Research on the BAS System Structure of Inter City Railway

Guan Yamin/Zhang Jun

當(dāng)前我國城際鐵路建設(shè)方興未艾，BAS系統(tǒng)作為運(yùn)營保障系統(tǒng)的重要組成部分，對線路運(yùn)行起著重要的支撐作用。通過總結(jié)既有項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，針對BAS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了參考方案，可供借鑒。

BASPLC機(jī)電設(shè)備監(jiān)控城際鐵路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Currently,China’s inter city railway construction is developiny,BAS system as a significant part of operation security system,play an important supporting role in the line operation.On the basis of the existing project experience,a reference solution of BAS system architecture has been proposed for information.

BAS，PLC，electrometrical equipment monitoring，intercity railway，system architecture