淺談軌道交通BAS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

俞越

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淺談軌道交通BAS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

俞越

上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200444

主要對(duì)軌道交通BAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了描述。圍繞BAS系統(tǒng)的四個(gè)結(jié)構(gòu)層次：中央監(jiān)控管理級(jí)，車站監(jiān)控管理級(jí)，就地控制級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行闡述。還突出介紹了車站級(jí)BAS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，具體分析了地下車站和高架站的不同。最后針對(duì)車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)嚴(yán)重的能耗問(wèn)題，提出了“風(fēng)-水聯(lián)動(dòng)”的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得能源利用效率得到了巨大的改善。

BAS系統(tǒng)；自動(dòng)化監(jiān)控；風(fēng)-水聯(lián)動(dòng)

1 概述

軌道交通BAS系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)組成的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。基于現(xiàn)代控制理論的集中式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，即用分布在現(xiàn)場(chǎng)各處的模塊箱采集設(shè)備信息，通過(guò)PLC集中顯示設(shè)備信息和發(fā)布控制任務(wù)，具有智能化和高效率等特點(diǎn)。

2 軌道交通BAS系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)功能

軌道交通BAS系統(tǒng)是一個(gè)由集中邏輯控制器構(gòu)成并在系統(tǒng)下端連接分散在不同位置的機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)，目的是在正常運(yùn)營(yíng)以及火災(zāi)堵塞工況的情況下安全運(yùn)輸乘客到目的地。根據(jù)現(xiàn)行的軌道交通BAS系統(tǒng)，它具有明顯的集成結(jié)構(gòu)。為了使多種其他系統(tǒng)方便接入，BAS系統(tǒng)有著開(kāi)放性、多樣性、易接入的特點(diǎn)。作為由不同專業(yè)的混合交叉并行組成的系統(tǒng)，軌道交通BAS系統(tǒng)涉及各種工程技術(shù)理論[1]。軌道交通BAS系統(tǒng)為了降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)的可靠性，采用了分布式的物理結(jié)構(gòu)、分級(jí)式地對(duì)其所管轄范圍內(nèi)的機(jī)電設(shè)備實(shí)行監(jiān)控功能，確保整條線路的安全與穩(wěn)定。

軌道交通BAS系統(tǒng)主要由中央管理級(jí)、車站管理級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)組成。

（1）中央管理級(jí)功能介紹

中央管理層實(shí)現(xiàn)了整條線路的機(jī)電設(shè)備實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和管理功能。BAS系統(tǒng)的中央管理級(jí)監(jiān)控功能由集成監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

（2）車站管理級(jí)功能介紹

車站級(jí)BAS系統(tǒng)對(duì)車站機(jī)電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。BAS系統(tǒng)將受控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信號(hào)和測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳到ISCS系統(tǒng)，并接收ISCS系統(tǒng)下達(dá)的控制指令。

（3）現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)功能介紹

現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)是BAS系統(tǒng)的末端，主要面向車站內(nèi)暖通設(shè)備、給排水設(shè)備、動(dòng)照設(shè)備、車站設(shè)備的機(jī)電設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視和管理層的控制信息下達(dá)功能。

3 車站級(jí)BAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在整個(gè)系統(tǒng)中，車站級(jí)BAS系統(tǒng)作為下級(jí)的重要節(jié)點(diǎn)起到了至關(guān)重要的作用。本文簡(jiǎn)要介紹車站級(jí)BAS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和系統(tǒng)功能。

3.1 地下車站BAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于地下車站普遍埋深較深，因此地理環(huán)境比較復(fù)雜、機(jī)電設(shè)備較多。為此在實(shí)際設(shè)計(jì)中，將會(huì)把車站分為左右兩端，每端設(shè)置一個(gè)環(huán)控電控室，主冗余PLC設(shè)備放置在環(huán)控電控室內(nèi)。通過(guò)光纖把兩套PLC和車站網(wǎng)管設(shè)備相連接實(shí)現(xiàn)整個(gè)車站BAS系統(tǒng)的組網(wǎng)。兩端的機(jī)電設(shè)備則分別連接至兩端的PLC設(shè)備組成BAS系統(tǒng)的末端信息采集網(wǎng)絡(luò)。

車站BAS系統(tǒng)為了能夠?qū)Ψ稚⒃谲囌緝?nèi)的機(jī)電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，在機(jī)電設(shè)備集中的區(qū)域內(nèi)設(shè)置就地I/O模塊箱。通過(guò)硬線或者串口協(xié)議把機(jī)電運(yùn)行狀態(tài)采集到邏輯控制器。車站火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)線與車站BAS系統(tǒng)主機(jī)相連，在車站發(fā)生火災(zāi)的情況下發(fā)送火災(zāi)信號(hào)，BAS系統(tǒng)將根據(jù)預(yù)先設(shè)定的模式進(jìn)行相關(guān)設(shè)備的聯(lián)動(dòng)。這種設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)是兩臺(tái)冗余PLC設(shè)備分散在兩端布置，分散了機(jī)電設(shè)備的故障風(fēng)險(xiǎn)、系統(tǒng)的可靠性較高，但是相應(yīng)地系統(tǒng)的復(fù)雜度也較高[2]。

3.2 高架車站BAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高架車站的軌行區(qū)間不存在封閉性地下空間，不需要單獨(dú)設(shè)立隧道通風(fēng)系統(tǒng)。不但如此高架車站內(nèi)因?yàn)橐彩浅ㄩ_(kāi)式的空間，不必做集中式通風(fēng)空調(diào)設(shè)備，只需要在關(guān)鍵的人員設(shè)備房?jī)?nèi)設(shè)立分體式空調(diào)設(shè)備即可。由于沒(méi)有太多的機(jī)電設(shè)備，高架站的BAS系統(tǒng)只需要靠近車輛控制室。可以在環(huán)境控制室安裝冗余PLC設(shè)備，以滿足整個(gè)站的設(shè)備監(jiān)控。本地I/O模塊盒通過(guò)冗余總線（如地鐵站）連接到PLC設(shè)備。

高架站的BAS系統(tǒng)有點(diǎn)類似于地下站一端的BAS系統(tǒng)。只設(shè)置一套冗余PLC設(shè)備。與地下站的BAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，高架站的BAS系統(tǒng)的特點(diǎn)是主邏輯控制器全部設(shè)置在一個(gè)房間內(nèi)。這種設(shè)計(jì)方法也使得站內(nèi)布線相對(duì)復(fù)雜，設(shè)備監(jiān)控的可靠性也相對(duì)較高。

4 “風(fēng)-水聯(lián)動(dòng)”節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上海軌道交通已開(kāi)通17條線路共計(jì)395個(gè)車站，運(yùn)營(yíng)里程超過(guò)600?km；日最高運(yùn)送乘客量1?160.3萬(wàn)人次，地鐵作為城市公共交通的大動(dòng)脈，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重要的促進(jìn)作用，同時(shí)是耗電大戶。根據(jù)上海以往線路的能耗統(tǒng)計(jì)分析顯示，軌道交通總用電量中列車牽引占50%～60%；車站及區(qū)間用電占了剩余的40%～50%。對(duì)于地下車站而言，車站內(nèi)通風(fēng)空調(diào)設(shè)備占了整個(gè)車站用電量的50%[3]。如何降低通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗已成為軌道交通節(jié)能工作必須解決的核心問(wèn)題。

4.1 “風(fēng)-水聯(lián)動(dòng)”系統(tǒng)方案介紹

因?yàn)樵谲壍澜煌ㄜ囌局性O(shè)備用房中只存在大量固定機(jī)電設(shè)備較少有人員流動(dòng)，我們可以通過(guò)設(shè)定固定值來(lái)實(shí)現(xiàn)通風(fēng)制冷，所以在本次的節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)中主要對(duì)人員流動(dòng)變化較大的公共區(qū)及軌行區(qū)，實(shí)時(shí)控制通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)的冷卻需求，達(dá)到降低能耗的目的。

根據(jù)回風(fēng)溫濕度，計(jì)算負(fù)荷區(qū)域露點(diǎn)溫度用于設(shè)定送風(fēng)溫度，保證送風(fēng)溫度在露點(diǎn)溫度之上不產(chǎn)生凝露，最大限度降低風(fēng)機(jī)的能耗；根據(jù)混風(fēng)露點(diǎn)溫度，計(jì)算表冷器入口溫度的最佳值，用于重設(shè)冷水機(jī)組出水溫度，在確保環(huán)境溫度要求的邊界條件下最大限度減少潛熱消耗[4]。效率及空調(diào)箱風(fēng)機(jī)的效率達(dá)到最佳平衡從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率的最優(yōu)化?；谏鲜隹刂评碚?，為冷水機(jī)組分別設(shè)計(jì)了供氣式空調(diào)變風(fēng)量智能控制子系統(tǒng)、變流量智能控制子系統(tǒng)和軌行區(qū)排熱風(fēng)機(jī)智能控制子系統(tǒng)。

在這套節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)下，車站通風(fēng)空調(diào)將從按時(shí)間按模式的變化設(shè)定轉(zhuǎn)變成實(shí)時(shí)根據(jù)區(qū)域溫濕度的軟件平臺(tái)計(jì)算設(shè)定。通過(guò)大幅減少不必要的通風(fēng)和冷卻量來(lái)優(yōu)化能耗。

4.2 “風(fēng)-水聯(lián)動(dòng)”系統(tǒng)架構(gòu)

車站“風(fēng)-水聯(lián)動(dòng)”節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)體現(xiàn)“集中管理、分散控制”的控制思想。根據(jù)受控對(duì)象或區(qū)域的劃分，系統(tǒng)可以分為多個(gè)功能子系統(tǒng)。

（1）空調(diào)水系統(tǒng)的變流量智能控制子系統(tǒng)；（2）公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱大系統(tǒng)）的變風(fēng)量智能控制子系統(tǒng)[5]；（3）車站軌行區(qū)排熱風(fēng)機(jī)智能控制子系統(tǒng)。

“風(fēng)-水聯(lián)動(dòng)”節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)通過(guò)通信接口與BAS系統(tǒng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享及BAS對(duì)節(jié)能控制系統(tǒng)的集成。

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)“風(fēng)-水聯(lián)動(dòng)”節(jié)能優(yōu)化主系統(tǒng)（集中監(jiān)控平臺(tái)）與變流量智能控制子系統(tǒng)、變風(fēng)量智能控制子系統(tǒng)與軌行區(qū)排熱風(fēng)機(jī)智能控制子系統(tǒng)之間的通信連接，實(shí)現(xiàn)車站通風(fēng)和空調(diào)設(shè)備的全球協(xié)調(diào)控制和節(jié)能管理功能。車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的主要參數(shù)和各子系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)顯示在統(tǒng)一的軟件監(jiān)控界面上，進(jìn)行集中監(jiān)控，以方便系統(tǒng)的運(yùn)行和管理[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)文本我們能夠了解到軌道交通BAS系統(tǒng)分別在中心及車站構(gòu)建了冗余的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)施了二級(jí)管理、三級(jí)控制的系統(tǒng)監(jiān)控模式，并且也針對(duì)性地對(duì)每個(gè)站的不同特性，在地下車站建設(shè)了左右兩端的雙冗余控制系統(tǒng)，在高架站建設(shè)了單端雙冗余控制系統(tǒng)。不但如此在首次投入運(yùn)營(yíng)的“風(fēng)-水聯(lián)動(dòng)”節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)在能源優(yōu)化效果上比預(yù)期的更好，達(dá)到了28%，分別在通風(fēng)水系統(tǒng)、公共區(qū)大系統(tǒng)、軌行區(qū)排熱風(fēng)系統(tǒng)這幾類耗電量大的系統(tǒng)中得到充分利用。每年將為單個(gè)車站節(jié)省下大約55萬(wàn)kW·h的電量[7]，推行至全上海的軌道交通，將對(duì)造就綠色上海、綠色交通做出重要的貢獻(xiàn)。

[1]李紫時(shí). 地鐵OCC行車調(diào)度仿真培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].成都：西南交通大學(xué)，2010.

[2]王菁. 地鐵環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.

[3]utte J. Revent trends in automatic train controls[A]．In：Proc.of 2011 IEEE intelligent Transportation Systems[C]. 2011.

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

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[7]inciaridi, M，Paolucci, R，Pesenfi. Generating Optimal Schedules for Underground Railway Line[J]．Proceeding of the 34th Conference on Decision & Control New Orlens，LA-December 1995.

Talking about the Design and Optimization of Rail Transit BAS System

Yu Yue

School of Mechanical Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200444

The design of rail transit BAS system is mainly described. The four structural levels surrounding the BAS system, central monitoring and management level, station monitoring and management level, local control level and on-site electromechanical equipment are described. It also highlights the structure and function of the station-level BAS system, and specifically analyzes the differences between underground stations and elevated stations. Finally, in view of the serious energy consumption problem of the station ventilation and air conditioning system, the energy-saving optimization design of “wind-water linkage” is proposed to make the energy utilization efficiency greatly improved.

BAS system; automatic monitoring; wind-water linkage

U231+.6

A

俞越（1993—），男，上海人，漢族，職稱為助理工程師，研究生在讀，研究方向?yàn)殡娮幼詣?dòng)化控制技術(shù)。