關于城際鐵路BAS系統結構的研究

管亞敏/張　軍

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，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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關于城際鐵路BAS系統結構的研究

管亞敏1/張軍2

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，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

隨著區域經濟與城市化的發展，我國提出在經濟發達和人口稠密地區建設城際鐵路客運系統，覆蓋區域內主要城鎮，以滿足這些地區城際客流的出行需要。與地鐵相比，城際鐵路項目中往往無綜合監控系統，因此機電設備監控系統(簡稱BAS系統)作為城際鐵路運營保障系統的重要組成部分，對確保全線機電設備系統狀態良好和城際鐵路安全、可靠、高效運行起著非常重要的支撐作用。作為一個自動控制系統，其系統結構對系統的可靠性、靈活性和經濟性起著決定性的作用，因此在城際鐵路建設方興未艾的當下，針對城際鐵路的建設和運營特點，研究并優化BAS系統的系統架構就具有非常重要的指導意義。

1　影響BAS系統結構的因素

城際鐵路BAS系統通常依站設置，形成一個沿線路分布、以車站為單位的分散的大型分布式自動化系統。作為一種綜合自動化控制系統，BAS系統遵循“集中管理、分散控制”的設計原則與兩級管理、三級控制的控制模式[2]。整個系統主要由中央、車站和現場三級組成，這也是BAS系統結構研究的主要對象。影響城際鐵路BAS系統結構的主要因素包括系統數據服務模式、線路的敷設方式、線路的運營管理模式等。

1.1數據服務模式

BAS是以數據服務為核心的監控系統，其數據服務模式的選擇在很大程度上影響了系統的整體架構。目前，BAS系統常見的數據服務模式主要有三種：集中式數據服務模式、分布式數據服務模式和集中分布式數據服務模式[1]。

1.1.1集中式數據服務模式

集中式數據服務模式是基于服務器的數據分發方式。車站級服務器負責與現場控制器和各個子系統進行數據交換，提供分散的實時數據對象服務，但是，車站級服務器沒有完整的數據庫，獲取實時數據后只是將數據協議進行轉換再傳送給中央級服務器，所有車站級實時數據的分析、處理以及調度命令的發出都由中央級服務器完成，車站級服務器不對數據進行分析和處理，只是收集數據和接收中央服務器發送的指令，并將該命令下發給操作站和現場級監控系統進行顯示、執行。

與集中式數據服務模式相對應的系統結構是集中式監控方案。該方案中，海量數據的收集和實時處理完全在中央級BAS上進行，車站級BAS僅收集和轉發數據，即車站級BAS采集現場所有被控對象的實時數據并上傳給中央級BAS，中央級BAS再集中完成整條線路數據的接收、分析和處理等操作。

1.1.2分布式數據服務方式

分布式數據服務方式采用以車站級數據庫為數據資源的數據分發方式。車站級服務器負責與各個子系統進行數據交換，為中央級服務器提供分散的基礎實時數據對象服務；中央級服務器主要保存歷史存檔數據，提供實時數據對象副本和歷史數據對象服務；中央級和車站級服務器在實現監控、處理、調度以及顯示等功能時，都從車站級數據庫獲取實時數據。這種數據服務方式中，中央級和車站級服務器的數據獲取處于同一層面，因此在不考慮網絡延時的情況下，中心操作延時與車站操作延時基本相同。

與分布式數據服務方式相對應的綜合監控系統結構是分布式監控系統。該系統將車站級作為數據收集、處理和保存的核心，車站級服務器一方面采集現場級監控系統的數據并保存，另一方面向中央級和車站級服務器隨時提供其所需求的數據；且中央級服務器不再設置全局的實時數據服務器，只設置實時數據和歷史數據庫的索引，即在進行相關的集中監控操作時，通過索引向各車站獲取實時數據，將數據進行分布式存儲與集中式共享。

1.1.3集中分布式數據服務方式

目前在實際項目設計中通常選擇采用集中分布式數據服務模式。所謂集中分布式數據服務模式是基于分布式數據服務模式的一種優化。系統整體采用分布式數據服務方式，將各車站作為數據收集和處理的核心，同時中央級監控中心又對所有車站數據進行收集、集中存儲、管理等操作。采用集中分布式數據服務模式的BAS系統圖如圖1所示。

圖1　集中分布式BAS系統結構示意圖

1.2線路敷設方式

城際鐵路主要承擔城市之間的中短途旅客運輸，其功能和服務對象決定了其線路的自身特點。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，所以線路應盡量伸入城市中心城區，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域。上述特點決定了城際鐵路一般采取高架、地下、地面三種敷設方式相結合的建設方案。

不同的線路敷設方式決定了不同的車站建設方式(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計和功能布局與大型鐵路的小型站房非常類似，而地下站的設計則與地鐵車站類似，只是面積更大一些。與地鐵不同，城際鐵路往往具有多個地下區間，而非全線只有一個連續的地下區間。以莞惠城際為例，正線全長約99.816km，共設置6 個高架站、1 個地面站、10 個地下站，其中包括2個連續的地下區間段、2個高架區間段和1個地面區間段。

對于同一個地下區間，BAS系統需要考慮在阻塞模式和火災模式下相鄰隧道和車站的通風聯動問題，而對于不同的地下區間相互之間則沒有聯動要求，因此不同地下區間的BAS系統既可集中設置，也可分開設置。對于高架站和地面站，其通風系統是獨立的，沒有與其他車站和隧道的聯動要求，其BAS系統也可以單獨設置，無需接入中央監控中心。

綜上所述，BAS系統的整體結構應考慮適應城際鐵路多種敷設方式相互交叉的實際情況。

1.3運營管理模式

目前城際鐵路主要有兩種運營管理模式，一種是與干線鐵路類似，由鐵路局代管的運營管理模式，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，線路建成后采用大鐵代管模式，交由廣州鐵路集團負責日常的線路設備維護和運營管理工作；而廣佛環線、佛莞城際、廣清城際等城際鐵路，主要由廣東省投資建設，預計將會采用公司管理模式，由珠三角城際鐵路公司負責日常運營。

不同的運營管理模式將會對BAS系統結構設計產生影響。舉例來說，在大鐵代管模式下，地下區間隧道內的機電設備一般由工務段接管，車站內設備由車站或第三方物業公司接管，因此隧道BAS和車站BAS需要分開獨立設置；而在公司管理模式下，區間隧道和車站的BAS系統統一由自動化工班負責日常維護、由車站負責日常使用，因此統一設置區間隧道BAS和車站BAS即可。

2　車站級結構規劃

車站BAS系統是一套具有完整結構的自治系統，具備自律性，可以獨立完成車站相關機電設備的監控工作，不依賴中央級監控中心，能提供本站的實時數據服務，是全線BAS的基本單位。車站BAS可以接收來自中央級監控中心的指令，還可以向任何需要車站數據的客戶提供車站全部實時數據和歷史數據的服務[3]。

車站級BAS系統由主控制器(冗余PLC)、遠程I/O(RI/O)、現場總線、各類傳感器等設備組成。影響車站級BAS系統結構的因素主要包括采用的車站形式和網絡技術。

車站形式不同，其主控制器設置會有差別。對于地下站，車站規模較大(一般>10 000 m2)，需要監控的機電設備(特別是環控設備)較多，因此一般選擇在車站兩端的環控電控室分別設置冗余PLC，負責監控本端的被控設備。車站兩端的冗余PLC通過冗余現場總線(包含RS485總線或以太網總線)實現互相連接。在車站兩端的冗余PLC中，一般將車控室同側的冗余PLC作為主控制器，主控制器除承擔本端設備監控的任務外，還負責連接車站BAS主站系統。對于地面站和高架站，需要監控的機電設備數量較少，因此設置一套冗余PLC即可滿足要求。

根據采用的網絡技術，車站級BAS整體呈兩種系統結構：扁平化系統結構和層次化系統結構[2]。

2.1扁平化系統結構

扁平化系統結構通常是指車站監控層設備(工作站、服務器等)和各PLC控制器在同一個網絡層，各控制器和監控設備之間的通信基于同一個網絡平臺實現。通常采用基于TCP/IP協議的工業以太網交換機構成一個環形網絡，將車站的各個PLC控制器連接到環網上。其系統結構圖如圖2所示。

圖2　基于以太網的扁平系統結構

各控制器之間及控制器和監控工作站之間通過環形以太網進行數據交換，并通過該網絡和通信骨干網的接口實現與中央級系統通信。出于可靠性考慮，PLC、交換機等關鍵設備可冗余配置。

扁平化系統結構的優點是系統層次少、數據流簡單、通用性強。

2.2層次化系統結構

層次化系統結構的特點是將車站BAS系統細分為3個層次(監控層、控制層、現場層)，成為一個分層、分布式的自動化系統。

監控層作為監控設備(工作站、服務器)和控制器之間的網絡平臺，一般采用工業以太網技術，網絡冗余配置；控制層通常用于各PLC控制器之間的網絡平臺，網絡類型一般為各個PLC廠家提供的適應自身產品的專用網絡或開放網絡；現場層一般用于控制器和分布式I/O之間的現場總線或專用I/O總線，傳輸介質以屏蔽雙絞線為主。由于有些廠家也支持I/O通信，因此控制層和現場層也可以合并為一層網絡。層次化車站BAS系統結構圖如圖3所示。

圖3　層次化車站BAS系統結構

分層結構的優點是將車站BAS系統的數據分類，每一類數據利用不同的網絡方案實現數據傳遞。如對于PLC控制器之間要求實時性較高的控制類信息，則采用控制級網絡來滿足對傳輸時間有苛刻要求的數據傳輸(一般在ms級)；對于現場I/O類數據，則采用現場總線技術實現；對于監控調度類數據，則利用以太網來傳輸，由于這類數據往往只對帶寬要求較高，而對數據傳輸時間要求較寬松(一般在s級)，因而基于TCP/IP協議的以太網正適合這種應用。

3　線路整體結構規劃

規劃BAS系統整體結構通常依照城際鐵路的弱電系統整體方案、BAS系統規模、骨干網方案、BAS系統功能需求和線路運營管理模式等方面展開，以此決定BAS系統結構的整體形式[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系統的范圍和規模；BAS系統功能需求決定了設置中央監控主站還是區域監控主站；線路的運營管理模式決定了是否需要獨立設置隧道BAS。綜合考慮以上因素，BAS系統的整體結構可細分為多種結構模式。

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系統設置唯一的中央監控主站作為BAS系統的中央管理級。中央監控主站與車站級監控系統經通信專業骨干網絡聯接，組成BAS系統全線監控網絡。每個地下區間隧道設置一套獨立的隧道BAS，與車站BAS同級，通過通信專業提供的接口接入全線網絡。項目建成后，隧道BAS主站一般設置在工務段工區，由工務段接管使用。在實際運營中，地面站和高架站的BAS系統的功能相對獨立，與鄰近車站沒有聯動需求，對是否納入全線監控環網也無特別要求，一般是依業主要求而定。系統結構圖如圖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域主站模式

3.2鐵路局代管模式下的區域主站模式

所謂“區域主站模式”就是針對城際鐵路一條線路存在多個地下區間，且地上站與地下站之間沒有聯動需求的實際情況，不設置全線中央監控主站，而是按照“一個連續地下區間設置一套主站”的方式設置區域監控主站。在這種模式下，地面站和高架站不接入區域主站監控中心，而且隧道BAS主站與區域監控主站可以合并設置。系統結構圖如圖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設備就近接入車站監控，不單獨設置隧道BAS，結構更加簡潔、統一。系統結構圖如圖6所示。

3.4公司管理模式下的區域主站模式

在公司管理模式下，不單獨設置隧道BAS，區域主站與本地下區間內的某一個車站BAS合并設置。系統結構圖如圖7所示。

4　結束語

本文希望通過總結前期項目的設計、建設和運營經驗，提出不同的BAS系統結構模型并分析不同模型的優缺點和適用性，為新建城際鐵路BAS系統的設計方案選型提供參考。在我國城際鐵路建設快速推進的進程下，構建更加經濟、高效、可靠的BAS系統是城際鐵路建設者們的奮斗目標。

[1]GB 50157-2013.地鐵設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[2]曲立東.城市軌道交通環境與設備監控系統設計與應用[M].北京：電子工業出版社，2008.

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

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

Research on the BAS System Structure of Inter City Railway

Guan Yamin/Zhang Jun

當前我國城際鐵路建設方興未艾，BAS系統作為運營保障系統的重要組成部分，對線路運行起著重要的支撐作用。通過總結既有項目經驗，針對BAS的系統結構設計提出了參考方案，可供借鑒。

BASPLC機電設備監控城際鐵路系統結構

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