“互聯互通+數字智能一體化”在現代有軌電車中的應用

嚴 蘭

(上海市城市建設設計研究總院 上海 200125)

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“互聯互通+數字智能一體化”在現代有軌電車中的應用

嚴 蘭

(上海市城市建設設計研究總院 上海 200125)

基于蘇州現代有軌電車1號線工程的正線及車輛段的調度控制中心電氣化數字應用項目，設計數字智能集成一體化發展方案的關鍵技術(調度控制中心、中央信息管理系統、建筑弱電控制系統、維護維修管理系統、能源監測監控管理系統、中央信息系統與各子系統的總體互聯互通等)。打破大鐵路、城市地鐵半自動化常規的傳統設計，提出數字化、綠色化、低碳化新技術的設計理念，開創中國現代有軌電車數字智能電氣化信息系統安全運營新的設計模式。

有軌電車；互聯互通；數字智能化；生命周期；綠色化；低碳化；信息系統

1 工程案例介紹

目前，國際上未來工業的發展重點是電氣化、自動化和數字化。這些舉措都是為了加強機電數字一體化系統設計技術的核心競爭力，圍繞這一國際戰略思路，在設計蘇州高新區現代有軌電車1號線工程的機電方案中，采用了數字工業4.0機電數字一體化信息系統互聯互通的設計理念。

蘇州高新區現代有軌電車1號線項目全長18.19 km，起點為龍安路站，終點為蘇州樂園站，設車站7座，分別為生態城站、龍山路站、管委會站、白馬澗站、白馬澗生態園站、新區公園站、蘇州樂園站。車輛基地位于太湖大道南側在大陽山內，未來還肩負現代有軌電車3、4號線的調度中心。車輛基地建筑物群的信息化設計涵蓋了蘇州現代有軌電車1號線全線運營、檢修、控制中心調度，以及工作人員辦公、值班、生活等需求的全部內容。車輛基地內房屋建筑包括：控制中心綜合樓、檢修庫、不落輪鏇庫、洗車庫、油漆車間、停車庫、危險品、變電所、地下停車場、門衛值班房間等，總面積約49 910 m2，占地約9.5 hm2。現代有軌電車控制系統的設計引入了數字工業化互聯互通信息系統的關鍵技術——中央信息管理系統，見圖1。

圖1 蘇州市高新區現代有軌電車1號線線網規劃

2 設計理念

蘇州高新區現代有軌電車1號線工程的安全調度運營管理系統采用了互聯互通信息化、大數據、網絡計算機在城市現代有軌電車數據采集中的應用等關鍵技術，設計了調度控制中心“運營控制管理”智能一體化信息系統，更好地發揮和提升蘇州現代有軌電車項目在公共交通中安全運營的重要作用，從而向廣大乘客提供更為優質、便捷、舒適的公共交通信息服務，為現代有軌電車運營管理者提供安全、可靠、穩定營運的生產工具，為城市管理者提供真實、科學的實時數據。

3 總體設計方案

蘇州高新區現代有軌電車1號線正線及車輛基地的建筑物工程弱電控制系統采用了互聯互通“調度控制中心-中央信息管理系統”的大平臺系統。

智能數字互聯互通一體化系統的組成主要有：中央信息管理系統、網絡通信系統、時鐘對時系統、綜合控制管理系統(建筑弱電及控制系統、運營調度管理系統、智能信號系統、火災自動報警系統、電力監控系統)、智能交通優先系統、能源監測監控管理系統、大屏幕顯示系統、地理信息監控系統、維修維護管理系統等，以及上述各系統的互聯互通集成的接口部分，見圖2。

圖2 智能機電一體化互聯互通系統

3.1 調度控制中心

調度控制中心是現代有軌電車調度指揮管理人員以及電力變電所監控、道岔控制等操作人員進行日常工作的場所，集合了運營調度、車輛指揮、站臺協調、視頻監控、道岔控制、電力監控、報警處置等相關安全運營功能。

3.2 中央信息管理系統

中央信息管理系統為調度控制中心的核心基礎平臺。它通過對各個子系統綜合信息的收集、處理和利用，以數據呈現、整合和挖掘等方式，為調度控制中心的管理機構提供了一個“數字化、全面化、效率化”的可視管理平臺，見圖3。

圖3 中央信息管理系統功能示意

3.2.1 數據中心

數據中心(中心機房)是整個弱電系統中綜合運營調度系統高效可靠運轉的重要基礎與保障，主要包含核心網絡系統、數據庫及存儲系統、后臺服務軟件系統、GIS(地理信息系統)、各類應用服務器、視頻監控服務器、時鐘同步設備、UPS不間斷電源等。

3.2.2 綜合網絡通信系統

蘇州高新區現代有軌電車1號線工程的網絡通信系統，采用獨立的萬兆工業級光纖雙環以太網進行數據、語音、視頻等大容量信息的傳輸。

中央信息管理系統調度中心的計算機數據中心網，全部連接至冗余的核心交換機，新建一條主干48芯光纖連接成一個萬兆工業級雙環主干網，見圖4。

圖4 綜合網絡通信系統框架

3.2.3 綜合控制管理系統

綜合控制系統與調度控制中心共同設置在調度大廳內，并設置調度工作站。綜合監控系統通過與大屏幕顯示系統的接口，可以將電力監控系統投至大屏幕，供調度人員查看。

3.2.4 運營調度管理系統

運營調度管理系統包括視頻監控系統和車載設備系統。運營調度管理系統是有軌電車運營調度管理人員以及操作人員日常工作的地方，集合了運營調度、車輛運營、站臺協調、視頻監控處置等相關功能。

軟件系統用于支持運營調度人員、管理層及其他業務工作人員的各項日常工作，包括綜合信息管理、計劃排班、運營調度、車輛監控、視頻監控以及與道岔控制和電力監控之間的接口等子系統。

運營信息管理涵蓋了基礎信息管理、營運管理、安全管理、票務管理、決策支持等，把1號線有軌電 車 主 營

業務以及主要的保障業務納入到系統中，統一采集、集中管理、共享使用，實現資源共享。

運營調度子系統包括車輛調度、異常處理、人員考勤、數據查詢、車次數據管理、業務數據報表、業務分析報表等。

3.2.5 與道岔控制軟件接口

智能信號系統主要由道岔信號控制系統及道口信號優先系統組成，其中道岔信號控制系統包括正線道岔控制系統及車輛段聯鎖控制系統。

正線道岔控制系統可采用聯鎖集中控制和車載遙控兩種方案，見圖5。

圖5 車載無線道岔控制系統原理

3.2.6 道口優先系統

信號優先控制是對交叉路口交通信號控制策略的優化設計，對城市現代有軌電車車輛進行傾斜性的信號分配，可提高車輛在交叉口的通行效率，確保車輛的優先通行權。

3.2.7 視頻監控子系統(CCTV)

視頻監控系統作為監督車輛運行安全、確保線路運營秩序的重要系統，可以有效提高工作人員的質量，改善運營地點的治安狀況，清查各類異常事件的原因與責任，因此有必要全面覆蓋車輛及站臺內部、正線沿線、車輛段等關鍵位置。

3.2.8 信息服務系統

信息服務系統包括面向乘客的站臺信息服務系統

和車載信息服務系統，以及面向司乘人員的車輛段勤務系統。

3.2.9 火災自動報警系統(FAS)

蘇州高新區現代有軌電車1號線工程的所有車站都沒有參與消防聯動的設備，車站規模小，參照規范有關要求不考慮設置FAS。主變電所、車輛段設置FAS，在車輛段辦公樓設置有軌電車1號線FAS控制中心，兼作車輛段FAS調度中心。

3.2.10 大屏幕顯示系統

本系統設計采用了成熟先進的液晶屏顯示技術，系統工作穩定，圖像清晰度高，功能完善，是目前各行各業應用最廣泛的大屏系統，不僅清晰度有了大幅提高，而且在耗電、視角等方面有了很大提高，使用壽命長，維修方便。

3.2.11 地理信息系統(GIS)

地理信息系統集成地理空間框架數據、單元網格數據、地理編碼數據、管理部件和實時性事件數據，是基于信息采集、空間分析、可視化表達和決策支持等全方位服務的基礎地理數據的GIS監控平臺，由控制中心各監管人員采用高端信息手段對整個線路區域進行綜合監管。

采集區域范圍內各監控對象的詳細信息，并錄入到GIS數據庫，建立以經緯度為單位的監控對象地理信息庫，通過帶有GPS模塊的移動終端，形成從監控點位置匯總統計、監控點定位、監控視頻調度、位置信息確認以及各類事(部)件專人處置的監管以及防范體系。

3.3 建筑弱電控制系統

車輛段建筑智能“綠色”弱電控制管理系統方案共有5大系統、33個子系統組成，該方案為實現綠色建筑信息化打下了有力基礎，見圖6。

圖6 建筑弱電控制管理系統示意

3.4 維護維修管理系統

維護維修管理系統要求保障系統正常運行，提高維護管理效率，實現區域維護聯動及控制中心維護管理信息的暢通，保障維護信息一體化服務，符合維護維修管理系統的建設要求，具有先進性、可靠性、安全性等特點。

3.5 能源監測監控管理系統

本方案將民用建筑電氣設計的能源監測監控管理系統，引入到市政公共建筑設計中，并且取得中國住建部綠色建筑節能最高三星認證，也是第一次將民用電氣設計的能源監測監控管理系統引入到現代有軌電車的設計中。

3.6 系統接口

“互聯互通+中央信息管理系統”與各子系統的接口包括內部接口和外部接口。

內部接口包括與綜合控制管理系統的接口、與火災報警系統的接口、與背景音樂及緊急廣播系統的接口、與門禁系統的接口、與停車場管理系統的接口、與建筑設備控制管理系統的接口、與電力監控系統的接口、與時鐘對時系統的接口、與電話系統的接口等。

外部接口包括與蘇州市應急指揮中心、蘇州市交通信息中心、蘇州公安及建交委信息中心、蘇州市政府網等的接口。

3.7 中央信息系統與各子系統的總體互聯互通

設計中采用了楊煉等編著的《三網融合的關鍵技術及建設方案》的理論研究，將車輛、站臺、路口、中心等不同位置的系統，以及調度控制中心、數據中心、信息服務、視頻監控、車載等不同功能的各子系統進行對接與集成，使之形成一套完整、協調、統一的信息綜合系統，并建設成一體化的運營系統，形成蘇州有軌電車1號線全線運營的安全、可靠、高效、便捷、順暢的體系鏈，更好地提升蘇州市政府的管理水平及和諧城市的形象。

4 能耗監測管理系統設計方案

利用蘇州高新區現代有軌電車1號線工程的調度控制中心—中央信息化控制系統的大平臺，設計了對各個子系統互聯互通大數據的采集和共享。為了共享工業4.0數字化在城市現代有軌電車應用中的關鍵技術，引用了美國LEED(綠色認證)設計的先進技術，以可持續發展的理念，完成了車輛段建筑物的綠色、低碳節能目標。利用大數據、互聯網技術將車輛基地的弱電系統和正線安全運營的弱電系統進行統一的整合，對整條線路生命周期的安全運營起到了監視和監控的作用。

工業4.0數字時代化在城市現代有軌電車中的應用使得蘇州有軌電車1號線建筑物研發大廈取得了中國住建部三星級綠色建筑設計標識證書，更加明確了在公共建筑物群中，采集建筑物內的大數據，并通過“中央信息管理系統”互聯互通的數據共享，使得工業4.0數字時代化在城市現代有軌電車應用的關鍵技術得到進一步的提升。利用能源管理系統控制采集的各種大數據信息，分析各類機電設備運行中反映出來的能源消耗實時數據以及能耗變換與消耗的特征，使得能耗控制系統對能效管理的數據更為細化、微觀，實現了管理節能的可操作性、實時數據上傳的準確性和數據的采集及統計。采用能效控制系統后，實現了較完整的能源優化管理系統以及機電智能數字化互聯互通信息系統一體化功能，在公共建筑物設施中實現智能機電一體化，為現代有軌電車智能機電一體化打下了夯實基礎。

4.1 能源監控管理系統

能源監控管理系統運用先進的網絡感知技術，實時感知太陽能，統籌調度各系統的運行，最大限度地運用綠色能源。

4.2 智能中央空調節能系統

通過網絡控制聯網感知技術對中央空調主機、管路設備和供水運行狀態(水壓、水溫度、水流量、液位等)進行實時信息采集和監測，調控中央空調的運行狀態，達到節能效果。

4.3 智能照明節能系統

通過光源感知系統及光度感知信息系統對建筑空間的光源質量、光源狀態及空間是否有人等進行智能監測，并傳回信息中心(光感、紅外線)智慧照明感知系統，智能調節與控制照明綜合能耗，結合采用光導技術、LED節能燈具，可以將節能效果整體提升約60%。

4.4 智能節水管理系統

變頻調速恒壓供水設備可以按所需壓力，根據用水量的變化來調節電機泵的轉速，使設備恒壓供水，達到高效節能的目的。

變頻調速恒壓供水設備采用微機控制，全自動運行，管理簡單，使用方便，結構緊湊，占地面積小，投資省，安裝方便，便于集中管理，功能齊全，通過面板操作實現用戶所需的各種功能。

4.5 建筑空間生態節能系統

建筑空間生態環境感知系統是智能建筑中最為核心的組成部分，是能源精益化管理和節能減排執行的關鍵。環境感知系統對空間環境的空氣質量、光照度、溫度、濕度、電子微輻射量等數十個環境指標信息進行采集，并通過環境專家管理平臺對空間的空調、照明、新風系統等節能設備運行狀態和能耗狀態進行有效管控。

4.6 智能停車場節能管理系統

新型節能照明管理系統整合成熟的通信技術和感測網絡技術，讓照明設備變“聰明”，例如通過不同功能的傳感器偵測停車場環境的光線變化，自動調整到合適的照明強度，一旦有車輛駛入或駛出，行駛路線上的相應燈光增強以確保安全，而當車輛駛過之后，可自動恢復到節能照明狀態。

4.7 智能電梯節能系統

4.7.1 變頻節能

使用變頻器可準確地控制電機轉速，使電機始終處于恰當的頻率和最佳節電狀態，根據電梯的運行狀況，一般能節電10%～20% 。

4.7.2 能量回饋節能

傳統電梯下降的勢能可通過發熱電阻消耗掉，能量回饋系統可以把這部分能量反饋給電網，根據電梯現場安裝測試證明，一般能節電20%～30%。

4.7.3 感應控制

通過感應是否有乘客，可控制自動扶梯的運行(半速或停止)。在綜合辦公大樓中，電梯的能耗僅次于空調，企業、生產運營單位也可以通過信息遠程網絡對設備進行遠程修復和管理。

4.7.4 環境控制

對于地下停車庫的通風系統，宜根據使用情況對通風機設置定時啟停(臺數)控制或根據車庫內的CO2濃度進行自動運行控制，大大改善地下車庫的工作環境質量。

4.7.5 三表計費系統

實現電、水、燃氣三表的計費遠程控制系統，及時掌握用能的流量數據和報表。

5 中國住建部綠色建筑節能三星認證

在設計蘇州現代有軌電車1號線時,按照綠色公共建筑交通智能綜合線網“綠色節能”運營管理系統的技術要求進行。首先遵循國家和地方的綠色標準，以及政府和相關部門的節能減排要求，按照國家的三星綠色建筑標準進行設計。本著節能減排、減人增效的設計原則，在蘇州高新區現代有軌電車1號線中做到了減少能耗，使節能減排在公共建筑戰略中得到了充分的體現，也促進了高新區以及蘇州市多層次多模式的“綠色”公共交通網絡的形成，發揮公共交通網絡的整體效益,呈現出蘇州高新區有軌電車車輛段建筑物的 “綠色節能”之風。

本工程在可行性研究階段按照中國綠色建筑評價標識及三星等級的標準進行了設計。在規劃、工可、初步方案設計階段努力做到節約土地、節約能源、節約用水、節約材料、保護環境，得到了國家交通部運輸司領導的高度評價，并且將蘇州高新區現代有軌電車1號線的中央弱電信息化系統規定為示范線工程。

對綜合建筑物群中的研發大廈按中國住建部的三星綠色認證標準進行設計，并且在2014年5月17日獲得國家住建部審批的最高級別的“三星級綠色建筑”認證，蘇州高新區現代有軌電車業主在市政工程中得到江蘇省政府節能辦相應的經濟補貼。

6 結語

過去在設計公共基礎設施的項目時，由于受通信技術的制約，只是按照局部的自動化技術進行分立系統的集成。現在通信技術已經發展到了光纖系統、WiFi系統、4G系統，解決了大數據通信系統流量的關鍵技術，所以數字智能機電一體化互聯互通系統設計方案是基于綜合調度控制運營信息化管理的需要，呈現出互聯網絡化、數字移動化、運營智慧化的新特點，通過建立信息化大平臺來采集大數據及整合信息。利用人工智能、大數據、物聯網、云計算等新型的信息技術軟件平臺，整合現代有軌電車工程的安全運營保障系統，向云計算信息化應用深層次發展。在調度控制中心建立“中央信息管理系統”，采集了大量現代有軌電車安全運營及建筑群所需要的安全、穩定、整點、準時綜合交通運營的大數據，延長了現代有軌電車的安全生命周期。通過中央信息化軟件對各種數據歸類、統計、分析整合后，得出安全、穩定、高效的運行指令，指導調度人員通過數字化網絡管理，真正做到了減人增效，降低運營和維護的成本，規避了安全隱患，大大降低了生產運營的經濟成本。蘇州高新區現代有軌電車1號線項目在2014年10月26日通過了正式的驗收。“互聯互通+數字智能一體化”在城市現代有軌電車中的應用技術設計方案，實現了智能化、信息化及綜合線網一體化。通過互聯互通能源信息化管理系統的軟件平臺，設計了實時云計算開放型的軟件系統，為未來大數據的積累、整合、可持續發展提供第一手資料。對整合項目智能化的節能，生態化的減排，精益化的管理，真正做到了減人增效，使得現代有軌電車的運營維護變得更人性化、更智慧、更簡單、更經濟。

互聯互通+數字智能一體化在城市現代有軌電車中的應用使得智能機電一體化的信息化系統更加安全、穩定，可靠，并且在2014年得到國家交通運輸部運輸司各級領導的高度認可和贊揚。蘇州現代有軌電車1號線工程被列為“全國市政金杯示范工程”，是中國城市現代有軌電車互聯互通信息化軟件平臺及能源監測監控管理系統的示范性工程。

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[4] 智能建筑設計標準：GB/T 50314—2015[S].北京：中國計劃出版社，2015.

[5] 城市市政綜合監管信息系統技術規范：CJJ/T 106—2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[6] 城市軌道交通工程安全控制技術規范：GB/T 50839—2013[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[7] 交通建筑電氣設計規范：JGJ 243—2011[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[8] 城市照明節能評價標準：JGJ/T 307—2013[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[9] 民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范：GB 50736—2012[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[10] 城鎮排水系統電氣與自動化工程技術規范：CJJ 120—2008[S].北京：中國建筑工業出版社，2008.

[11] 綠色工業建筑評價標準：GB/T 50878—2013 [S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[12] 綠色建筑評價標準：GB/T 50378—2014[S].北京：中國建筑工業出版社，2014.

[13] 公共建筑節能標準：GB 50189—2005[S].北京：中國建筑工業出版社，2005.

(編輯：王艷菊)

Application of “Interconnection+Digital and Intelligent Integration”to Modern Urban Tram

Yan Lan

(Shanghai Urban Construction Design & Research Institute, Shanghai 200125)

The paper takes as the background the mainline of Line 1 of Suzhou modern tram system and the experience of digitalization and electrification of its vehicle dispatching and control center. The key technologies of a digital and intelligent integration program are put forward, which includes the interconnection among dispatching and control center, central information management system, Building low voltage control system，maintenance and repair management system, monitoring and control of energy management systems，central information system and the subsystems, etc. The design breaks away from the traditional railway design rules, and semi-automatic design of subways, proposing new, digital, green and low-carbon technologies and creating a brand new model for digitalized and electrified intelligent safety operation of modern trams.

tram; interconnection; digital intelligence; life cycle; green energy; low-carbon operations; information system

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.05.026

2016-01-21

2016-02-22

嚴蘭，女，碩士研究生，教授級高級工程師，研究方向為機電一體化,Yanlan-99@163.com

獲獎項目: 2015年度全國市政金杯示范工程獎；2015年全國工程勘察設計行業二等獎；2015年全國交通部交通運營獎。

U482.1

A

1672-6073(2016)05-0125-06