城市軌道交通環境與設備監控仿真系統研發

邱薇華，李 健，黃 璐，黃遠春

(上海工程技術大學城市軌道交通學院，上海201620)

0 引言

城市軌道交通的環境與設備監控系統(Building Automation System，簡稱BAS系統)是對城市軌道交通建筑物內的環境與空氣條件、通風、給排水、照明、乘客導向、自動扶梯及電梯、屏蔽門、防淹門等建筑設備和系統進行集中監視、控制和管理的系統［1］。

由于城市軌道交通的空間狹窄、人流密集、相對封閉的特殊性，在發生火災或列車阻塞等事故情況時，能夠及時迅速地進入防災運行模式，根據火災報警系統發送的著火點信息或列車自動控制系統發送的阻塞點信息自動調度送風和排風，進行通風排煙，引導人員疏散，是保證安全的前提［2］。同時在運行時為了節能，綜合考慮列車、客流、車站設備、通風等影響空調通風系統負荷的各種因素，根據城市軌道交通熱環境變化的規律，對空調通風系統的全年運行方式自動進行調整，在保障城市軌道交通車站機電系統設備的安全可靠運行，創造安全、舒適、高效的乘車環境的同時，要降低系統的運行能耗，減少運營成本［3］。

然而城市軌道交通的BAS系統是將現代科技的計算機及網絡技術結合機電設備自動化控制原理，以專門的地鐵環境通風空調及防災處理等理論為基礎的自動化控制系統，運營管理人員要掌握系統運行，并且進行系統演練，以確保在突發事件時及時采取正確的操作［4-5］，同時降低能耗，但作為現場安全聯動設備，由于城市軌道交通運營作業的特點，難以實現對現場的使用設備進行演練式的操作。

目前，國內城市軌道交通正在快速發展期，相應的仿真系統缺乏，特此設計開發了城市軌道交通BAS系統的仿真系統，采用設備操作控制裝置、設備模型仿真技術與計算機軟件仿真技術相結合的方式，實現了BAS系統所含建筑設備和系統的集中監視、控制和操作管理。該仿真系統可直觀地掌握BAS系統的整體構成、設備的安裝布置及功能，可進行各個子系統聯合操作，并進行各個突發事件的預案演練，可用于運營管理的教學、實訓、預案演習和科研。

1 系統結構設計

為了能體現城市軌道交通BAS系統中的空調、給排水、照明、乘客導向、自動扶梯及電梯、屏蔽門、防淹門等建筑設備和系統［6］，根據城市軌道交通設計規范，參照某地鐵實際站臺，按1∶16的比例設計設備模型，通過小風機、繼電器、行程電機等小型電氣設備和LED狀態燈實現所有設備模型的實時監控運行狀態模擬，采集各個監控信號，采用現場控制柜實現就地實時控制模擬，并采用以太網通信端口連接至監控仿真軟件平臺，實現設備模型的遠程實時監控，以及系統間聯動功能的模擬等功能。仿真系統的邏輯結構分為3層，見圖1。

圖1 城市軌道交通BAS仿真系統邏輯結構Fig.1 Logic structure of urban road BAS simulation system

1.1 模型仿真層

城市軌道交通車站的空調系統分為大系統、小系統、水系統、隧道通風系統，其中大系統是指車站公共區(站廳/站臺)的通風空調系統;小系統是指車站設備用房的通風空調系統;水系統是指地下站冷水機組系統;隧道通風系統是指執行隧道區間正常及緊急情況下通風排煙工況的環控子系統［7-8］。

仿真系統采用縮小模型搭建通風空調系統設備，風系統由隧道風機、射流風機、排煙風機、送風機、風閥、冷水機組、空調機組等組成，在模型內設置小型電機模擬風機實際運轉，風閥能模擬設備的關/開狀態;空調水系統由冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔組成，在模型內設置小型電機模擬設備的實際運轉;同時在模型內設置紅、綠、黃LED燈表示通風空調設備的狀態，如設備為正、反轉或雙速風機;在模型內設置風水管路(風水管路走夾層下，模型的上下層樓板采用有機玻璃以方便觀察)，在模型上加指示箭頭(或飄帶)表示流動方向。

仿真系統設備按照實際車站在不同機房、設備區進行分布。模型基座采用細木工板和鋁塑板結構，車站主體透明材質采用亞克力材料，車站設備模型采用ABS工程塑料。動態演示材料包含電機、行程電機、行程開關、LED流水燈、小型PLC控制器、小型變壓器、LED照明燈、LED閃爍信號燈、道岔繼電器等，以及線纜、電阻繼電器等模型電氣材料。

最后在該仿真模型中建立了城市軌道交通地下車站的2個公共區通風空調大系統、6個設備房區通風空調小系統、空調水系統、活塞通風系統、軌頂/站臺熱排風系統、照明系統、電梯電扶梯系統和PSD屏蔽門系統，仿真模型的外形見圖2，可以清晰地展示各個設備在車站的位置及走向，建立空間概念。

圖2 城市軌道交通BAS仿真系統模型外形Fig.2 Model of urban road BAS simulation system

仿真模型的剖面見圖3，其中標號1是雙通道活塞通風系統，標號2是左機房通風小系統，標號3是衛生間污水泵房通風小系統，標號4是通風空調左大系統，標號5是通風空調右大系統，標號6是右機房通風小系統，標號7是變電所通風空調系統，標號8是空調水系統，標號9是軌頂/站臺熱排風系統。

圖3 城市軌道交通BAS仿真系統模型剖面Fig.3 Cross-section of urban road BAS simulation system

1.2 控制柜層

控制柜層包含4個現場就地控制柜和1個控制器柜，柜體采用Q235A，ō=2 mm標準工業控制柜用碳鋼板材，表面噴塑處理，柜體包含接地和散熱結構?？刂乒窦闪苏麄€控制系統所需的電氣設備，如遠程輸入采集模塊、遠程輸出采集模塊、開關電源、接線端子、繼電器、轉換開關、按鈕指示燈等以及其他所需電氣輔料。

控制柜面板分系統設計，見圖4。其中控制柜C1包括BAS左通風空調大系統，BAS右通風空調大系統，BAS左通風空調小系統等3個系統;控制柜C2包括BAS右通風空調小系統，BAS衛生間污水泵房等設備房通風小系統，BAS氣瓶室消防泵房等設備房通風小系統，BAS人員設備房通風空調小系統等4個系統;控制柜C3包括BAS變電所通風空調小系統，BAS空調冷水系統，BAS熱排風系統，BAS活塞通風/隧道通風系統等4個系統;控制柜C4包括FAS消防系統，照明系統，電扶梯電梯系統，屏蔽門系統等4個系統。

圖4 城市軌道交通BAS仿真系統模型控制柜Fig.4 Control cabinets of urban road BAS simulation system

現場就地控制柜與仿真模型、中央監控平臺均通過串口總線通信;通過現場控制柜上各個系統的監控面板和上位機來完成仿真模型內各個系統的操作過程，并現場監控各個系統中的設備運行狀態。

控制器柜(圖5)內部安裝了模型上所需的I/O控制器模塊。DI輸入模塊采用R-8041數字量輸入模塊，DO模塊輸出模塊采用R-8042數字量輸出模塊，模塊通信方式采用RS-485串口通信，Mod-bus串口通信協議?？刂破鞴衽c現場控制柜和模型之間的通訊采用24芯航空插頭對接的形式。

圖5 城市軌道交通BAS仿真系統模型控制器柜Fig.5 Controller cabinets of urban road BAS simulation system

1.3 中央監控層

中央監控層包含監控臺、后備式應急控制IBP盤、若干個監控工作站和一套仿真監控軟件平臺。

城市軌道交通的IBP盤放置在每個地鐵車站的綜合控制室內。監控臺IBP盤上設置緊急控制按鈕，狀態指示燈等，可對重要設備進行應急監控。當車站設備服務器或者人機界面出現故障時，值班員可通過IBP盤采用人工介入方式進行運行模式操作和某些設備的遠程單動操作。監控內容包括：緊急情況下自動扶梯的停止、啟動及轉向控制功能;屏蔽門/安全門系統(PSD)的開門控制;隧道通風火災運行模式IBP層操作;消防設備的IBP層操作;氣滅系統的IBP操作等。

BAS仿真系統的中央監控臺后備式應急控制IBP控制盤采用Q235A工業控制柜用碳鋼板材，表面噴塑處理，控制盤內含IBP應急控制系統電氣材料，實現緊急情況下自動扶梯的停止、啟動及轉向控制功能;屏蔽門/安全門系統(PSD)的開門控制;隧道通風火災運行模式IBP層操作等。仿真監控軟件平臺為BAS系統實現各個設備狀態監控，并有各個系統的操作、計算等軟件仿真。

現場控制柜實現對車站模型內所有設備和系統實現就地實時監控，中央監控平臺實現BAS系統的遠程自動化實時監控仿真，可以對模型內所有設備實現遠程實時監控，以及BAS系統的信號連鎖。整個BAS仿真系統共含400多個信號控制點。

2 系統功能設計

2.1 系統主要功能

仿真系統包含各個設備和系統，主要功能包括：

1)實現城市軌道交通BAS系統多個建筑設備與系統的模型仿真，包括通風空調大系統、設備房區通風空調小系統、空調水系統、活塞通風系統、軌頂/站臺熱排風系統、照明系統和PSD屏蔽門系統。

2)采用中央監控平臺實現監視通風空調大系統、通風空調小系統、空調水系統、軌頂/站臺熱排風系統、照明系統、電扶梯電梯系統和PSD屏蔽門系統等設備的運行狀態及環境參數。

3)可使用現場就地控制柜或中央監控平臺實現所有BAS系統控制的機電設備的運行模式和設備啟動順序時間間隔控制，避免對電網的沖擊。

4)采用中央監控平臺實現系統運行的機電設備主/備用設備的自動切換。

5)可使用現場就地控制柜或中央監控平臺實現所有BAS控制的機電設備的災害模式控制，啟動緊急預案。

6)采用中央監控平臺仿真軟件實現定風量空調機組的溫度調節與節能策略、空氣質量計算和仿真。

7)采用中央監控平臺的仿真軟件實現監控系統最優的運行模式。

2.2 主要實訓與演練

2.2.1 新風排風系統的實訓操作與演練

對通風空調大系統、通風空調小系統的新風排風系統的實訓，可利用實際小風機的起停演練風管路中風的走向，也可結合箭頭形的LED，用LED燈顯示設備狀態，通過中央監控平臺監控各設備運行狀態，利用中央監控平臺的仿真軟件對通風空調大系統中各個設備進行狀態、參數等設置，實現操作和演練，圖6為通風空調大系統的控制操作界面。

圖6 通風空調大系統操作控制界面Fig.6 Operation and control interface of air conditioner

2.2.2 活塞風的實訓操作與演練

利用隧道風機、事故風機、風閥等設備的靜態模型，用LED燈顯示各設備的狀態，通過中央監控平臺監控各設備運行狀態，利用中央監控平臺的仿真軟件實現相關的演練。

2.2.3 冷水系統的實訓操作與演練

利用水泵、冷水機組、冷卻塔等設備的靜態模型，用LED燈顯示各設備的狀態，通過中央監控平臺監控各設備運行狀態，利用中央監控平臺的仿真軟件實現相關的演練。

3 系統特點

1)仿真效果高：整個模型以地鐵設計規范為依據，采用實際控制設備、實物模型、計算機軟件仿真實現系統仿真，各種方法互補使得系統的仿真效果達到良好。

2)可擴展性好：模塊化的設計使各子系統可根據實際情況進行功能增減等二次開發，控制柜現場控制面板均可拆卸更換，方便硬件的安裝、使用和維護，以及后期功能的擴展和系統的升級。

3)實時性強：控制柜組和中央監控平臺對模型內所有系統設備的運行狀態具備實時監控和信號連鎖能力，現場控制柜各子系統控制可實現手自動切換功能，軟件系統具有實時數據庫和高速通信能力，其所有數據的刷新周期和運算周期小于500 ms。

4 結語

城市軌道交通BAS仿真系統模擬了城市軌道交通環控系統的場景，形象、直觀地模擬了正常情況下的通風空調系統、空調水系統、電梯系統、照明系統和屏蔽門系統之間的聯動關系以及相應的處置程序，完整地闡述了城市軌道交通BAS系統各個設備的關系和規律，實現了遠程控制和就地控制的結合，并可進行應急事件預案或災害模式下的各設備聯動的綜合演練，提高城市軌道交通的安全。

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