輕型跨座式單軌綜合監(jiān)控系統(tǒng)輕量化設(shè)計研究

王國霖

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 研究背景

城市軌道交通發(fā)展之初，自動化系統(tǒng)通常以分散方式獨立運行[1]。網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展，給乘客提供了更舒適、快捷的乘車體驗，城市軌道交通工程車站中機電設(shè)備數(shù)量和種類逐漸增加，為了對各類機電設(shè)備的統(tǒng)一管理，環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)隨之誕生。

環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS)是機電設(shè)備的主要監(jiān)控系統(tǒng)[2]。主要對地鐵內(nèi)的通風空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備、給排水設(shè)備、自動電扶梯、照明設(shè)備等車站設(shè)備進行全面、有效地自動化監(jiān)控及管理[3]。同時，BAS系統(tǒng)在非正常運行(如火災(zāi)、列車故障等)情況下，采集并判斷各機電設(shè)備的運行狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)防災(zāi)和阻塞模式，保障車站環(huán)境和乘客人員安全[4]。

然而，環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)僅能解決對各類設(shè)備的監(jiān)控和管理，自動化程度仍有欠缺。因此最終綜合監(jiān)控系統(tǒng)作為一個功能強大、開放、模塊化、可擴展的分布式系統(tǒng)，通過對環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)在內(nèi)的子系統(tǒng)的集成和互聯(lián)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享、調(diào)度、維修的統(tǒng)一及整合[5]。其具有全面性與復雜性，涵蓋了網(wǎng)絡(luò)、信息、自動化等多項專業(yè)技術(shù)，多種技術(shù)的協(xié)同為問題的分析與處理提供了幫助[6]。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)作為高度集成的城市軌道交通機電系統(tǒng)，其發(fā)展一直與城市軌道交通運營模式相適應(yīng)[7]，承擔著數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)聯(lián)動、設(shè)備管理的樞紐、核心作用[8]。

按照運量不同，城市軌道交通系統(tǒng)可分為大運量、中運量、低運量3種形式[10]。跨座式單軌屬于中等運量城市軌道交通系統(tǒng)，運行速度可達80 km/h[11]，目前國內(nèi)主要分為傳統(tǒng)跨座式單軌和輕型跨座式單軌，前者一般指2004年開通運營的重慶軌道交通2號線及后續(xù)的3號線和空港線，后者則以計劃2021年開通的蕪湖軌道交通1號線、2號線一期為代表。相較于傳統(tǒng)的跨座式單軌系統(tǒng)，輕型跨座式單軌工程造價更低、建設(shè)周期更短，其高架車站主體面積通常不超過5 000 m2，地下站不超過8 000 m2。然而跨座式單軌工程中各設(shè)備系統(tǒng)專業(yè)的配置與地鐵工程相比卻基本沒有縮減，要在減小了1/2甚至2/3的車站中塞下同樣的系統(tǒng)必然要對傳統(tǒng)方案進行優(yōu)化，加強設(shè)備系統(tǒng)間的整合程度，同時整合后的設(shè)備系統(tǒng)也能夠進一步縮減工程的總體造價和建設(shè)周期，從而實現(xiàn)良性循環(huán)。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)雖然實現(xiàn)了對環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控、電力監(jiān)控等系統(tǒng)的整合，但是地鐵工程中還存在通信、信號、自動售檢票等大量獨立的弱電系統(tǒng)，能否對各個系統(tǒng)進行進一步的整合始終是行業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點，國內(nèi)眾多從業(yè)者也對此進行了探索和研究。劉芽等在呼和浩特地鐵1號線中對信號系統(tǒng)、專用通信系統(tǒng)、公安通信系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)、自動售檢票系統(tǒng)(AFC)、乘客信息(PIS)、門禁(ACS)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS)、火災(zāi)自動報警(FAS)等系統(tǒng)的電源進行整合[12]；陳嘉麒對地鐵車站設(shè)備用房內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)整合進行研究[13]；楊韜試圖簡化綜合監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部架構(gòu)[14]。

綜上所述，行業(yè)對于城市軌道交通工程弱電系統(tǒng)的輕量化研究始終沒有停止，以下也將從多個角度出發(fā)，綜合探討以綜合監(jiān)控系統(tǒng)為首的弱電系統(tǒng)在跨座式單軌工程中的輕量化方案。

2 輕型跨座式單軌中的綜合監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 綜合監(jiān)控系統(tǒng)配置的必要性

作為國內(nèi)較早進行可行性研究、初步設(shè)計的輕型跨座式單軌工程，蕪湖軌道交通1號線、2號線一期工程在設(shè)計初期圍繞著是否配置綜合監(jiān)控系統(tǒng)進行了許多討論，最終在初步設(shè)計階段選擇取消設(shè)置綜合監(jiān)控系統(tǒng)。

然而隨著工程的推進，綜合多方意見，發(fā)現(xiàn)雖然取消綜合監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)省了建設(shè)階段系統(tǒng)本身的成本投入。但城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)是運用各種自動化技術(shù)手段，通過與相關(guān)機電系統(tǒng)的集成和互聯(lián)，實現(xiàn)各類信息資源的有效整合，方便對相關(guān)機電設(shè)備進行有效管理的大型監(jiān)控系統(tǒng)。此系統(tǒng)的缺少會導致其他機電設(shè)備系統(tǒng)規(guī)模增大，進而增加建筑用房需求和運營管理的復雜程度[15]。故而最終通過方案調(diào)整，確定了由環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)承擔部分綜合監(jiān)控系統(tǒng)的功能。

綜合測算后，以蕪湖軌道交通1號線為例，設(shè)置綜合監(jiān)控系統(tǒng)后，項目建設(shè)與運營總投資可大幅降低，無論是在地鐵工程還是跨座式單軌工程中，綜合監(jiān)控系統(tǒng)都有其存在的必要性，增設(shè)綜合監(jiān)控系統(tǒng)可帶來的系統(tǒng)規(guī)?？s減及運營簡化見表1。

表1 系統(tǒng)規(guī)模縮減及運營簡化

2.2 綜合監(jiān)控系統(tǒng)定位及架構(gòu)

(1)總體架構(gòu)

綜合監(jiān)控系統(tǒng)一般采用兩級管理，三級控制的分層分布式結(jié)構(gòu)。兩級管理分別是中央級和車站級，三級控制分別是中央級、車站級和現(xiàn)場級。現(xiàn)場級控制是指在被控對象附近的就地控制，現(xiàn)場級控制功能由各相關(guān)系統(tǒng)來完成[16]。

跨座式單軌交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)同樣采用此系統(tǒng)架構(gòu)，整個系統(tǒng)可劃分為設(shè)置于控制中心的中心控制層、設(shè)置于各車站的車站控制層和各子系統(tǒng)當?shù)刈詣踊O(shè)備層。

(2)各級管理權(quán)限定位

綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)置應(yīng)結(jié)合我國國情，設(shè)立各級管理權(quán)限，控制中心與車站的控制權(quán)限應(yīng)可以進行移交或轉(zhuǎn)移，綜合監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)子系統(tǒng)在控制中心、車站級的主要管理職責見表2[17]。

表2 綜合監(jiān)控系統(tǒng)各子系統(tǒng)主要管理權(quán)限

2.3 綜合監(jiān)控系統(tǒng)的輕量化

(1)中心級輕量化

對于綜合監(jiān)控系統(tǒng)的中心級設(shè)置方案，主要有兩種。

一種是主備中心式的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，主控制中心位于控制中心大樓，在控制中心大樓內(nèi)設(shè)置中央級的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，負責對全線運營調(diào)度指揮以及數(shù)據(jù)的存儲與備份，備用中心在控制中心大樓以外如車輛段，并可與車輛段合并設(shè)置，在車輛段綜合監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上擴充一套備用的中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)，當主中心故障時備用中心可接替主中心臨時行使中央級的調(diào)度管理功能。若主中心和備用中心均故障時，由各車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)接管，臨時指揮各車站管轄范圍內(nèi)機電設(shè)施的調(diào)度管理，系統(tǒng)架構(gòu)示意見圖1。

圖1 主備中心式系統(tǒng)架構(gòu)示意

另一種是單一中心式的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，即僅在多條線共用的控制中心大樓內(nèi)設(shè)立一處中心級綜合監(jiān)控系統(tǒng)，負責對全線運營調(diào)度指揮以及數(shù)據(jù)的存儲與備份，在沿線各車站(含車輛段/停車場)設(shè)置車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)，負責本車站相關(guān)機電設(shè)施的監(jiān)控管理。若中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)故障，由各車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)接管，臨時指揮各車站管轄范圍內(nèi)機電設(shè)施的調(diào)度管理，系統(tǒng)架構(gòu)示意見圖2。

圖2 單一中心式系統(tǒng)架構(gòu)示意

從可靠性角度考慮，主備中心方案的可靠性要優(yōu)于單一的主中心方案。

從運行與管理角度考慮，兩個方案相當，均具有責任劃分清晰，分工明確，易于操作和實施的優(yōu)點。

從規(guī)模與投資考慮，對于單一中心方案，在中心需設(shè)置中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)，滿足電/環(huán)調(diào)、行調(diào)、總調(diào)等調(diào)度員的工作需求，在車站需設(shè)置車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)，滿足車站值班站長和值班員的工作需求。對于主備中心方案，由于增加了備用中心，其投資將會增加，一般將備用中心與車輛段合并設(shè)置，降低其總體投資，提高方案性價比。

上述兩種方案綜合比較簡述見表3。

表3 中心級方案比較

在以地鐵為代表的城市軌道交通工程中，通常采用主備中心式的設(shè)計方案，然而在以蕪湖1號線、2號線一期為代表的輕型跨座式單軌系統(tǒng)中，作為中等運量城市軌道交通系統(tǒng)，整體線路客流較小，在城市交通體系中所起到的作用小于地鐵，且多為高架線路，突發(fā)情況下乘客疏散也較為方便，因此輕型跨座式單軌采用單一中心級系統(tǒng)更加有利于降低工程總體造價，減少工程建設(shè)周期。

(2)車站級輕量化

①車站級系統(tǒng)輕量化

綜合監(jiān)控的車站級系統(tǒng)建設(shè)方案主要有兩種。一種是服務(wù)器、工作站架構(gòu)的傳統(tǒng)方案，在沿線各車站設(shè)置獨立的系統(tǒng)服務(wù)器、操作員工作站、交換機，實現(xiàn)本車站的車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)功能，并通過主干網(wǎng)直接與控制中心綜合監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)架構(gòu)示意見圖3。

圖3 服務(wù)器、工作站架構(gòu)

另一種是區(qū)域中心站方案，本方案基于系統(tǒng)的相連性及現(xiàn)代傳輸網(wǎng)絡(luò)的高速性和可靠性，將以往的單一車站為控制單元改作按區(qū)域劃分控制單元。根據(jù)各車站監(jiān)控點位的數(shù)量，將3～5個車站合為1組，每組設(shè)一區(qū)域中心車站，其余為衛(wèi)星站?？刂浦行闹恍枧c區(qū)域中心車站值班站長聯(lián)絡(luò)，而區(qū)域中心車站值班站長向其負責車站的值班人員發(fā)出指令，系統(tǒng)架構(gòu)示意見圖4。

圖4 區(qū)域車站架構(gòu)

以蕪湖軌道交通2號線一期典型站夢溪路站為例，BAS系統(tǒng)總監(jiān)控點位數(shù)約為5 000，傳統(tǒng)地鐵車站綜合監(jiān)控系統(tǒng)單站監(jiān)控點位數(shù)約為15 000，個別大型車站單站監(jiān)控點位數(shù)超20 000[18]，可見輕量化后的跨座式單軌工程車站監(jiān)控需求較地鐵顯著降低，以傳統(tǒng)地鐵車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)的處理能力可以滿足3～4座高架跨座式單軌車站的需求，故輕型跨座式單軌綜合監(jiān)控系統(tǒng)的車站級采用區(qū)域型車站方案可行。

②BAS系統(tǒng)車站配置輕量化

BAS主控制器，即PLC控制器，是BAS系統(tǒng)的中樞，起到承上啟下的作用，對PLC控制器的設(shè)置，目前在城軌工程中主要存在如下兩種方案。

第一種是單端冗余配置控制器方案，即在靠近車站控制室一端的機房內(nèi)配置一組冗余的工業(yè)級PLC控制器，其與IBP盤PLC、遠程I/O等設(shè)備采用現(xiàn)場總線或以太網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

另一種是雙端冗余配置控制器方案，即在靠近車站控制室一側(cè)配置一組冗余的工業(yè)級PLC主控制器，在車站另一端配置冗余從控制器。主、從PLC控制器之間采用現(xiàn)場總線或以太網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

對于這兩種方案，單端冗余方案的優(yōu)點是只設(shè)一套控制器、監(jiān)控管理集中、投資較低、編程方便，但缺點是布線復雜，車站另一端的現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)需穿越整個站廳、站臺連接至控制器一端。

雙端冗余的優(yōu)點是兩組冗余控制器分開設(shè)置，可靠性高、布線相對較簡單，但缺點是系統(tǒng)調(diào)試較復雜，投資相較單端冗余方案要高。兩種做法的詳細優(yōu)缺點對比見表4。

表4 PLC單端冗余與雙端冗余方案對比

由于蕪湖軌道交通工程中絕大多數(shù)車站都是地面站、高架站，僅有蕪湖火車站站為地下車站。所以在設(shè)計時，對于蕪湖的地面站、高架站均采用了單端冗余PLC的方案，大幅節(jié)省設(shè)備用房需求，而對于地下站蕪湖火車站站則是采用了雙端冗余PLC的方案，且將從PLC設(shè)置于小端的環(huán)控電控室內(nèi)，并未新增設(shè)備房間。

(3)電源輕量化

傳統(tǒng)地鐵工程中，出于安全需求或運營管理單位的工作需要，通常為通信系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、其他機電設(shè)備系統(tǒng)分別配置UPS，并分別設(shè)置UPS用房，以北京地鐵部分線路為例，相關(guān)UPS用房見表5。

表5 傳統(tǒng)地鐵UPS用房

在蕪湖軌道交通中，綜合監(jiān)控系統(tǒng)(含BAS)與通信系統(tǒng)實現(xiàn)了UPS的整合，這不僅減少了UPS主機數(shù)量，同時減少了因預留而配置的電池數(shù)量，進而控制了UPS系統(tǒng)的用房需求，也為之后的用房輕量化打下了基礎(chǔ)。

3 用房輕量化

傳統(tǒng)地鐵工程弱電系統(tǒng)主要包括專用通信系統(tǒng)、公安通信系統(tǒng)、民用通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、自動售檢票(AFC)系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)，通常各系統(tǒng)單獨設(shè)置設(shè)備用房，以北京某線路為例，除信號系統(tǒng)外各弱電系統(tǒng)用房見表6。

表6 傳統(tǒng)地鐵弱電用房

由此可見，傳統(tǒng)地鐵中各弱電系統(tǒng)用房面積合計超400 m2，這對于總建筑面積不超過5 000 m2的輕型跨座式單軌車站來說占比較大。而且在上述這些房間中，綜合監(jiān)控設(shè)備室內(nèi)機柜為3臺、門禁設(shè)備室內(nèi)機柜為1臺，AFC設(shè)備室內(nèi)機柜為3臺。可見弱電系統(tǒng)中，除通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng)外的其他系統(tǒng)并無大量機柜需要放置，分系統(tǒng)配置用房雖然為運營管理提供了便捷，但也勢必造成整體用房面積的增加，這在地鐵工程中或許利大于弊，但在輕型跨座式單軌工程中則是必須改進的問題。

蕪湖城市軌道1號線、2號線一期工程中，各弱電專業(yè)進行充分溝通，最終由通信專業(yè)牽頭，實現(xiàn)了信號系統(tǒng)外各弱電系統(tǒng)設(shè)備、電源的用房整合；信號系統(tǒng)也實現(xiàn)了其設(shè)備與電源用房的整合。以某信號集中站為例，最終形成的整合結(jié)果見表7。

表7 單軌弱電用房

經(jīng)計算，經(jīng)過整合后的全部弱電系統(tǒng)用房面積僅為195 m2，相比傳統(tǒng)地鐵車站設(shè)備用房面積減少了55%。

4 機電系統(tǒng)輕量化

輕型跨座式單軌車站多為高架車站，蕪湖單軌1、2號線高架車站外表面采用玻璃幕墻方案，站廳、站臺公共區(qū)采用半開放設(shè)計，這保證了暖通專業(yè)可以在站廳、站臺公共區(qū)不設(shè)置排煙和新風系統(tǒng)，而是選擇采用自然排煙、自然通風的設(shè)計思路。

蕪湖火車站作為蕪湖1、2號線工程中唯一的地下站，得益于弱電系統(tǒng)用房整合，大幅減少了站房總體面積。

以北京地鐵某站為例，全站通風空調(diào)系統(tǒng)所需BAS監(jiān)控設(shè)備共計262處(含風量調(diào)節(jié)閥、防火閥、各類風機等)，而蕪湖單軌2號線一期工程標準站夢溪路站全站所需監(jiān)控的通風空調(diào)設(shè)備僅為15處，減少95%；蕪湖火車站站所需BAS監(jiān)控的通風空調(diào)設(shè)備為38處，減少85%。這為ISCS和BAS系統(tǒng)的輕量化提供了重要基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

以蕪湖城市軌道交通1號線、2號線一期為例，對輕型跨座式單軌工程中綜合監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)簡化、用房整合、電源整合等方面進行了研究。指出蕪湖單軌工程實施中充分利用其站房形式多為高架車站的優(yōu)勢，多專業(yè)相互配合以減少機電系統(tǒng)設(shè)備總數(shù)，進而減少綜合監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)規(guī)模，為其與通信系統(tǒng)用電整合提供基礎(chǔ)，實現(xiàn)除信號系統(tǒng)外其他弱電系統(tǒng)的UPS整合，并最終實現(xiàn)了弱電系統(tǒng)的用房縮減，形成良性循環(huán)。