陳漫玲

（深圳達(dá)實(shí)智能股份有限公司，廣東深圳 518057）

0 引言

地鐵環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī)與機(jī)電設(shè)備的自動(dòng)化控制原理相結(jié)合，并運(yùn)用分布式智能等技術(shù)對(duì)地鐵車站、場(chǎng)段、隧道區(qū)間內(nèi)的空調(diào)通風(fēng)、給排水、照明、導(dǎo)向標(biāo)識(shí)等相關(guān)專業(yè)設(shè)備進(jìn)行管理和控制［1］。環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）是地鐵運(yùn)營(yíng)過(guò)程中不可或缺的一環(huán)，其可以保證車站內(nèi)的設(shè)備能夠在穩(wěn)定、高效率且節(jié)能的條件下運(yùn)行，為乘客創(chuàng)造了安全且舒適的出行環(huán)境。BAS系統(tǒng)在地鐵環(huán)境控制這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)中的具體應(yīng)用有兩個(gè)方面：一是監(jiān)測(cè)地鐵的運(yùn)行情況，它會(huì)根據(jù)列車的運(yùn)行狀況，采用多種監(jiān)測(cè)方式，以此實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測(cè)的目的，這樣，地鐵管理人員就可以利用監(jiān)控設(shè)備，直觀地觀察到地鐵的環(huán)境狀況，從而可以有效地減少地鐵發(fā)生故障的概率，也能夠很好地減少地鐵里可能存在的危險(xiǎn)；二是在地鐵運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，完成對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)環(huán)境的統(tǒng)籌管理，提高地鐵運(yùn)行的穩(wěn)定性。BAS系統(tǒng)可以管理和調(diào)節(jié)地鐵的運(yùn)行環(huán)境，精準(zhǔn)地記錄地鐵的運(yùn)行狀態(tài)以及獲取與之有關(guān)的數(shù)據(jù)，改善地鐵環(huán)境，發(fā)揮出BAS系統(tǒng)所具有的調(diào)控功能。由此可見(jiàn)，在管理地鐵環(huán)境這一方面BAS 系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用，本文介紹了BAS系統(tǒng)，著重論述了組網(wǎng)方案，能夠根據(jù)需求提供多種的服務(wù)內(nèi)容，既能夠保證地鐵內(nèi)各車站的設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，提供安全且舒適的乘車環(huán)境，又節(jié)約能源減少地鐵運(yùn)行費(fèi)用，使地鐵整體的環(huán)境得到優(yōu)化。

1 系統(tǒng)構(gòu)成和主要功能

BAS系統(tǒng)是由中央級(jí)、車站級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)以及全線通信網(wǎng)絡(luò)這4 大部分構(gòu)成，在功能系統(tǒng)中，它的主要結(jié)構(gòu)是基于骨干網(wǎng)絡(luò)，在地理上實(shí)現(xiàn)分散、且分層分布式的大規(guī)模BAS系統(tǒng)。所以，其硬件系統(tǒng)和相應(yīng)的功能也以垂直的3 個(gè)層面為主。

1.1 中央級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)

BAS中央級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)是集成在綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）中，其設(shè)備由ISCS 負(fù)責(zé)設(shè)置，由服務(wù)器、大屏、打印機(jī)、工程師站等設(shè)備組成。BAS在中央級(jí)能對(duì)各個(gè)車站、車輛段、停車場(chǎng)及地下區(qū)間隧道通風(fēng)空調(diào)、照明、給排水、自動(dòng)扶梯等機(jī)電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)或調(diào)制，并具有全部的顯示、控制、參數(shù)設(shè)置和調(diào)節(jié)等系統(tǒng)功能。中央級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)的功能由綜合監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)完成的，主要內(nèi)容有下傳控制模式、數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理和設(shè)備監(jiān)督與控制。

1.2 車站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)

車站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，由PLC控制設(shè)備、各類輸入輸出模塊、現(xiàn)場(chǎng)傳感器等設(shè)備組成［2］。因?yàn)檐囌究刂剖褺AS工作站是由綜合監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)調(diào)控的，所以BAS車站級(jí)監(jiān)控功能也是由綜合監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)完成的。其監(jiān)控的對(duì)象包括車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)、公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、設(shè)備區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、車站冷水系統(tǒng)、車站給排水系統(tǒng)、自動(dòng)扶梯系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等設(shè)備［3］，

通過(guò)對(duì)相關(guān)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集，并上傳到綜合顯示屏上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)被監(jiān)控裝置的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)與記錄。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)系統(tǒng)由PLC 控制器、I／O、各類通信轉(zhuǎn)換接口模塊、交換機(jī)搭建的以太環(huán)網(wǎng)、各類傳感器和調(diào)節(jié)閥等構(gòu)成［4］。在環(huán)控電控室控制柜內(nèi)設(shè)置各類通信網(wǎng)關(guān)，在被控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備例如車控室、配電室、區(qū)間風(fēng)機(jī)房等安裝RI／O控制箱，以完成收集有關(guān)信息并輸出指示。車站里設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、出現(xiàn)報(bào)警信息或是相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)都會(huì)快速地通過(guò)通信接口上傳至綜合監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)也接收上級(jí)發(fā)出的指令并執(zhí)行。在發(fā)生火災(zāi)的情況下，管控車站內(nèi)通風(fēng)空調(diào)和其他有關(guān)的機(jī)電設(shè)備會(huì)通過(guò)與FAS建立的通信接口接收發(fā)出的指令，運(yùn)行狀態(tài)快速進(jìn)入火災(zāi)模式。

2 主要設(shè)計(jì)原則

（1）BAS系統(tǒng)應(yīng)基于先進(jìn)的技術(shù)、合理的投資、完善的功能、靈活的組網(wǎng)、便于管理和節(jié)約能源降低消耗的原則規(guī)劃，應(yīng)采用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)完成對(duì)車站內(nèi)設(shè)備的智能化控制，從而讓地鐵運(yùn)營(yíng)更安全穩(wěn)定的同時(shí)也減少運(yùn)行成本。

（2）BAS系統(tǒng)按中央級(jí)和車站級(jí)兩級(jí)管理，中央級(jí)、車站級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)3 級(jí)控制方式設(shè)置［5］，中央級(jí)和車站級(jí)集成于ISCS，中央級(jí)和車站級(jí)的監(jiān)控功能由ISCS來(lái)完成的。

（3）BAS系統(tǒng)軟件、硬件的設(shè)計(jì)應(yīng)充分思考系統(tǒng)的安全可靠性以及擴(kuò)展的方便性［6］，并能夠進(jìn)行故障診斷和在線編輯。

（4）BAS和FAS建立一個(gè)可靠的通信接口，當(dāng)出現(xiàn)火災(zāi)的時(shí)候，F(xiàn)AS 會(huì)檢測(cè)出火災(zāi)的發(fā)生地點(diǎn)，通過(guò)設(shè)在車控室的通信接口，向BAS 發(fā)出相應(yīng)的火災(zāi)模式指令，讓BAS可以優(yōu)先執(zhí)行對(duì)應(yīng)的控制程序，確保相關(guān)的機(jī)電設(shè)備都進(jìn)入到救援狀態(tài)［7］。

（5）在地鐵正常運(yùn)行的狀態(tài)下，中央級(jí)對(duì)隧道通風(fēng)系統(tǒng)有著最高指揮權(quán)，車站級(jí)對(duì)站內(nèi)的設(shè)備和給排水系統(tǒng)具有最高指揮權(quán)。區(qū)間發(fā)生火災(zāi)或者列車堵塞的時(shí)候，是由控制中心對(duì)隧道通風(fēng)排煙發(fā)出命令，BAS 接收且執(zhí)行指令。

3 組網(wǎng)方案

地鐵BAS系統(tǒng)在車站兩端的環(huán)控電控室配置了一套冗余的PLC控制器，其中靠近車站控制室的冗余PLC為主控制器（A 端），另外一端的PLC 為從控制器（B端）［8］。此外，在車控制的IBP盤中還安裝了一組非冗余PLC控制器，在IBP 盤中實(shí)現(xiàn)了發(fā)布和顯示不同的模式控制指示等功能，并與A 端的主控制器相連接，從而形成了一個(gè)車站級(jí)的BAS系統(tǒng)。目前，地鐵中廣泛采用的BAS系統(tǒng)組網(wǎng)方案有兩種，一種是雙總線，另外一種是光纖自愈以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)［9］。B 端冗余PLC 控制器可以通過(guò)光纖自愈以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)或雙總線接入A 端冗余PLC 控制器，以及和IBP盤、遠(yuǎn)程I／O 間也可以自主選擇其中一種組網(wǎng)方式來(lái)完成進(jìn)行通信。本文對(duì)雙總線組網(wǎng)和光纖自愈以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)這兩種組網(wǎng)方式展開(kāi)了分析。

3.1 雙總線組網(wǎng)方案

BAS系統(tǒng)和綜合監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換是通過(guò)在主從控制器上各配置2 個(gè)100 MB／1 000 MB 以太網(wǎng)模塊各自接入屬于不同網(wǎng)段的車站級(jí)綜合監(jiān)控系統(tǒng)交換機(jī)來(lái)完成的，BAS系統(tǒng)中的主、從控制器S7414-5H 的數(shù)據(jù)集成在Profinet 總線的接口，再通過(guò)光轉(zhuǎn)XB004-1 相連接進(jìn)行通信，冗余控制器與遠(yuǎn)程I／O 之間的數(shù)據(jù)交換也是集成在Profinet 總線的接口，再經(jīng)由光轉(zhuǎn)XB004-1 連接來(lái)完成的。將具備通信接口的機(jī)電設(shè)備以一一聯(lián)接的形式，將其與分布在各種冗余總線上的冗余遠(yuǎn)端I／O 箱內(nèi)的每一個(gè)串端口進(jìn)行通信，這樣組網(wǎng)方式，能在任意一條總線出現(xiàn)故障的時(shí)候，保證下端設(shè)備處于正常監(jiān)控狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了通信線路的冗余功能。雙總線組網(wǎng)方案示意圖如圖1 所示。

圖1 雙總線組網(wǎng)方案

3.2 光纖自愈以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)方案

BAS系統(tǒng)中主控制器與綜合監(jiān)控系統(tǒng)的冗余交換機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸是采用以太網(wǎng)的形式，以這種方式來(lái)完成車站BAS系統(tǒng)和綜合監(jiān)控系統(tǒng)間設(shè)備狀況信息的上傳和控制命令的下達(dá)［10］。A、B 端的冗余PLC 控制器與IBP 盤PLC控制器之間采用自愈光纖環(huán)網(wǎng)進(jìn)行連接，通過(guò)這種方式來(lái)完成兩個(gè)控制器的數(shù)據(jù)通信。在兩端冗余PLC 控制器分別設(shè)置光纖工業(yè)以太網(wǎng)，統(tǒng)一接入各種I／O、帶有通信接口的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以及小型的就地級(jí)控制器，通過(guò)監(jiān)測(cè)和管理車站兩端的機(jī)電設(shè)備，來(lái)完成現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制功能［11］。3 個(gè)環(huán)網(wǎng)通過(guò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)之間的互聯(lián)功能，但彼此相對(duì)獨(dú)立，任何一個(gè)環(huán)網(wǎng)存在故障均不影響其他環(huán)網(wǎng)的正常工作。采用光纖自愈以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)方案，即使有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，它的下端設(shè)備可以通過(guò)其他線路傳輸數(shù)據(jù)，從而防止發(fā)生設(shè)備離線的狀況，實(shí)現(xiàn)了通信線路的冗余功能。全光纖自愈以太環(huán)網(wǎng)方案示意圖如圖2 所示。

圖2 全光纖自愈以太環(huán)網(wǎng)方案

4 組網(wǎng)方案優(yōu)劣分析

作為運(yùn)用的最早的雙總線組網(wǎng)方案，其特征是使用傳統(tǒng)的總線方式進(jìn)行通信，目前地鐵上常用的總線有ControlNet、ModBus Plus、Profibus和ProfiNet等，這幾種總線的特性如表1 所示。雙總線組網(wǎng)方案的優(yōu)勢(shì)是方案成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)可靠性高，設(shè)備成本較低，但是存在著以下這些問(wèn)題：（1）通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，目前市場(chǎng)上BAS系統(tǒng)組網(wǎng)方案主要有施耐德、西門子、羅克韋爾等這3 家，由于其標(biāo)準(zhǔn)化性低，不同廠商之間共用設(shè)備困難；（2）通信速率較低，從表1 總線特性的比較中可以看出大部分總線的通信速率在9.6 kb／s ～5 Mb／s之間，通信速率低會(huì)嚴(yán)重影響到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性［12］；（3）網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展困難，若有添加了新的的監(jiān)視目標(biāo)，則需要重新規(guī)劃和掃描網(wǎng)絡(luò)，從而影響現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的執(zhí)行。

表1 總線特性的比較

隨著地鐵的人流量越來(lái)越多，運(yùn)營(yíng)壓力的增加，所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的增多，以及科學(xué)的可持續(xù)發(fā)展各種智能化設(shè)備的出現(xiàn)，總線的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法統(tǒng)一限制了其發(fā)展，而光纖以太網(wǎng)以傳輸速率高以及兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在市場(chǎng)上有著非常大的優(yōu)勢(shì)［13］。以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最為廣泛的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以太網(wǎng)組網(wǎng)方案在地鐵實(shí)際運(yùn)營(yíng)中也應(yīng)用廣泛，其優(yōu)勢(shì)則體現(xiàn)在以下這幾個(gè)方面：（1）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)靈活，工業(yè)以太網(wǎng)相比現(xiàn)場(chǎng)總線更加靈活，支持線型網(wǎng)絡(luò)、星型網(wǎng)絡(luò)、環(huán)型網(wǎng)絡(luò)和混合型網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)中心級(jí)、車站級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的一網(wǎng)到底的解決方案；（2）通信速率高，以太網(wǎng)的通信速率現(xiàn)在已經(jīng)可以達(dá)到10 Mb／s或者100 Mb／s，其通信速率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線［14］；（3）軟硬件資源豐富，經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用，在設(shè)計(jì)和應(yīng)用等各方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并對(duì)其中所涉及到的技術(shù)非常熟悉；（4）可持續(xù)發(fā)展能力強(qiáng)，因?yàn)橐蕴W(wǎng)的使用范圍很廣，所以其在反戰(zhàn)爭(zhēng)中的作用受到了很大的關(guān)注，并在技術(shù)上進(jìn)行了很大的投資，從而確保了以太網(wǎng)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。而缺點(diǎn)則是在地鐵的實(shí)際運(yùn)用中，當(dāng)需要增加遠(yuǎn)程I／O 模塊的時(shí)候，要想接入以太網(wǎng)中，就必須要增加交換機(jī)或者交換模塊，這就增加了設(shè)備成本，也使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。

由于車站兩端的主從控制器的傳輸距離較長(zhǎng)、數(shù)據(jù)傳輸量較大，因此對(duì)數(shù)據(jù)通信的速度要求較高、且要求安全可靠；而車站主從控制器與I／O 之間的通信距離雖然比較短，但因?yàn)檫B接的機(jī)電設(shè)備數(shù)量眾多又接近現(xiàn)場(chǎng)，所以也對(duì)其提出了高安全性、高穩(wěn)定性以及方便擴(kuò)展的要求［15］。根據(jù)地鐵車站對(duì)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的要求，雙總線和以太網(wǎng)這兩種組網(wǎng)方案都有著各自的優(yōu)點(diǎn)。雙總線和以太網(wǎng)組網(wǎng)方案這兩種方式雖然都實(shí)現(xiàn)了線路上的冗余，但根據(jù)以上各方面因素的對(duì)比，在可靠性、設(shè)備成本、可拓展性等方面，光纖自愈以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)相比較雙總線方案還是有著比較明顯的優(yōu)勢(shì)。雖然在設(shè)備成本上，光纖自愈以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)方案會(huì)增加交換機(jī)或交換模塊使得設(shè)備成本也增加了，但是隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及以標(biāo)準(zhǔn)太網(wǎng)通信的產(chǎn)品都在不斷開(kāi)發(fā)之中，以太網(wǎng)一定會(huì)因?yàn)槠涓咄ㄐ潘俾屎蛢?yōu)良的標(biāo)準(zhǔn)化而在市場(chǎng)上成為一種非常重要的網(wǎng)絡(luò)形式。在地鐵的建設(shè)中，以太網(wǎng)也將成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主流，從而使網(wǎng)絡(luò)更加規(guī)范化，更加實(shí)時(shí)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文就環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成和主要功能、設(shè)計(jì)原則、組網(wǎng)方式等方面進(jìn)行了分析，對(duì)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)有了更近一步的說(shuō)明。組網(wǎng)的結(jié)構(gòu)是地鐵BAS 系統(tǒng)中非常重要的一部分，其好壞對(duì)軌道交通系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性有直接的影響。在組網(wǎng)方案的選擇上，通過(guò)比較分析雙總線組網(wǎng)和光纖自愈以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)方案各自的優(yōu)缺點(diǎn)得出，光纖自愈以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)的特點(diǎn)更適合未來(lái)的發(fā)展。事實(shí)證明也是如此，現(xiàn)在在地鐵的建設(shè)過(guò)程中都會(huì)優(yōu)先選擇光纖自愈以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)的組網(wǎng)方式，例如成都8 號(hào)線、27 號(hào)線、17 號(hào)線、18 號(hào)線、19 號(hào)線，以及石家莊2 號(hào)線、長(zhǎng)沙2 號(hào)線等等都選擇的是光纖自愈以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)，總線方案已經(jīng)很少運(yùn)用了。從總線到以太網(wǎng)，總線存在的問(wèn)題如較低的傳輸速率和標(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn)題也有了解決的方法。雖然以太網(wǎng)現(xiàn)階段會(huì)需要增加交換機(jī)或交換模塊，導(dǎo)致設(shè)備成本增加，但是相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)問(wèn)題也會(huì)得到解決。