基于?OPC UA?的新型城市軌道交通?BAS?系統(tǒng)

黃魏

摘 要：隨著城市軌道交通工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的快速發(fā)展，現(xiàn)有城市軌道交通 BAS 系統(tǒng)的各種弊端正逐漸顯現(xiàn)。為解決這些問題，文章提出一種基于 OPC UA 的新型城市軌道交通 BAS 系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型、優(yōu)點及分階段發(fā)展的特點，以期為城市軌道交通 BAS 系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;BAS系統(tǒng);OPC UA;工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

1 研究背景

2013年，德國率先提出“工業(yè)4.0”概念，掀起全球智能化競爭浪潮。2015年，我國發(fā)布《中國制造2025》，自上而下全面推行制造強(qiáng)國戰(zhàn)略，而打造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，拓展“智能+”，為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級賦能，是實現(xiàn)制造強(qiáng)國的關(guān)鍵步驟之一。

不同于已經(jīng)全方位成熟的消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心任務(wù)是通過人、機(jī)、物的全面互聯(lián)實現(xiàn)全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的全面連接，因此對網(wǎng)絡(luò)的低時延、高可靠性和高安全性等技術(shù)指標(biāo)提出了更高要求。在很長一段時間，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的發(fā)展一直受制于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施迭代，而隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、云計算、邊緣計算等技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的超融合（即工控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和信息化系統(tǒng)的智能化融合）正在有序?qū)崿F(xiàn)。

目前，城市軌道交通工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺有2個發(fā)展方向：①綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）平臺以及在其基礎(chǔ)上整合車輛、通信和信號系統(tǒng)所形成的行車綜合自動化系統(tǒng)（TIAS）平臺;②智慧車站平臺。

環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）作為此平臺中整合城市軌道交通環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控數(shù)據(jù)的關(guān)鍵邊緣節(jié)點，其技術(shù)必須與平臺的發(fā)展相適應(yīng)。然而，目前BAS系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展相對滯后，難以滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)展的要求，應(yīng)引起行業(yè)內(nèi)的重視。

2 BAS系統(tǒng)現(xiàn)狀及弊端

2.1 BAS系統(tǒng)現(xiàn)狀

BAS系統(tǒng)的主要功能是對城市軌道交通建筑物及隧道內(nèi)的環(huán)境與空氣調(diào)節(jié)、通風(fēng)、給排水、動力照明和乘客導(dǎo)向等系統(tǒng)，以及自動扶梯、電梯和人防門等設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)視、控制和管理，統(tǒng)籌規(guī)劃這些系統(tǒng)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，以降低城市軌道交通的能源消耗和運(yùn)營成本。

目前，BAS系統(tǒng)的主流網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有光纖以太環(huán)網(wǎng)（圖1）和冗余雙總線（圖2）2種方案，其中BAS系統(tǒng)與底層設(shè)備的數(shù)據(jù)交換均采用硬線（電壓型/電流型）和軟線（RS485協(xié)議為主）相結(jié)合的方案。以上2種有線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已應(yīng)用10余年。

2.2 BAS系統(tǒng)弊端

BAS系統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已經(jīng)很成熟，但在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)的新技術(shù)浪潮下，其弊端也逐漸顯現(xiàn)，具體如下。

（1）底層數(shù)據(jù)的采集不完備。BAS系統(tǒng)的底層接口設(shè)備（如風(fēng)機(jī)、電扶梯、水泵等）會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，但BAS系統(tǒng)僅按需采集其中一小部分用于人機(jī)界面展示，大多數(shù)數(shù)據(jù)未被挖掘利用，且無法遠(yuǎn)程查看，使系統(tǒng)的進(jìn)一步深化設(shè)計受限。

（2）線纜施工及維護(hù)困難。BAS系統(tǒng)施工及調(diào)試的主要內(nèi)容是放線、接線和較線，而車站空間狹窄導(dǎo)致的敷線困難、線纜過長導(dǎo)致的信號衰減、線纜過多導(dǎo)致的接線錯亂等問題極大影響了BAS系統(tǒng)的施工效率。運(yùn)營時，因線纜老化及松動引起的BAS系統(tǒng)故障極難排查，因此后期維護(hù)困難。

（3）數(shù)據(jù)共享性差。BAS系統(tǒng)的底層接口設(shè)備（如照明、環(huán)境監(jiān)測傳感器等）采用硬線連接，其信號輸出端子唯一，因此當(dāng)多套系統(tǒng)均需采集同一設(shè)備信息時，操作十分不便，而且必須打通原本不相關(guān)聯(lián)的信息系統(tǒng)，帶來新的網(wǎng)絡(luò)安全隔離問題。

總體而言，BAS系統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)比較僵化，一經(jīng)設(shè)計定型便難以調(diào)整，這一特性將無法滿足城市軌道交通工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺在發(fā)展過程中不斷升級迭代的需求。

3 OPC UA簡介

用于過程控制的對象連接與嵌入（OPC）統(tǒng)一架構(gòu)（UA）由OPC基金會聯(lián)盟于2006年開發(fā)，是一套安全、可靠且獨(dú)立于制造商和平臺的工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)允許不同操作系統(tǒng)及不同制造商的設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，其可擴(kuò)展性使系統(tǒng)、機(jī)器和工藝流程的橫向和縱向聯(lián)網(wǎng)成為可能。

目前，傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)正在朝著新型現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、基于個人計算機(jī)（PC）的工業(yè)控制計算機(jī)以及管控一體化系統(tǒng)集成技術(shù)等方向發(fā)展，這要求全面、廣泛地推進(jìn)系統(tǒng)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化和信息化，以實現(xiàn)設(shè)備的互聯(lián)互通和“即插即用”功能，而OPCUA是通向工業(yè)4.0的關(guān)鍵通信標(biāo)準(zhǔn)。

作為一種通用性標(biāo)準(zhǔn)，OPC UA也適用于BAS系統(tǒng)，且早已經(jīng)有國際知名自動化企業(yè)將OPC UA功能集成到BAS系統(tǒng)的核心——可編程邏輯控制器（PLC）中。OPC UA的應(yīng)用前景廣闊，未來必將在城市軌道交通工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺中普遍應(yīng)用。

4 基于 OPC UA 的 BAS 系統(tǒng)

4.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型

基于OPC UA的BAS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（以下簡稱“新架構(gòu)”）模型如圖3所示。

該模型由上層信息化層、BAS控制層和設(shè)備層3層組成。上層信息化層包含系統(tǒng)工作站和三層交換機(jī)，功能是實現(xiàn)BAS系統(tǒng)的人機(jī)界面展示與交互;BAS控制層包含PLC控制器，功能是對現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及計算;設(shè)備層包含現(xiàn)場就地設(shè)備，功能是提供BAS系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)及接口。層級間的通信采用OPC UA規(guī)范，該規(guī)范可以映射到各種通信協(xié)議中，以UA二進(jìn)制編碼或可擴(kuò)展標(biāo)記語言（XML）編碼傳遞數(shù)據(jù)，實現(xiàn)各種接口的標(biāo)準(zhǔn)化。

該模型在理想狀態(tài)下采用全局無線通信，在技術(shù)過渡階段可以考慮有線通信。若采用有線通信，新架構(gòu)則無法完全發(fā)揮其相對于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)越性。

此外，該模型還采用時間敏感型網(wǎng)絡(luò)（TSN）技術(shù)（主要解決時鐘同步、數(shù)據(jù)調(diào)度與系統(tǒng)配置3個問題）以確保整個系統(tǒng)的低時延要求，并采用冗余結(jié)構(gòu)（交換機(jī)冗余、PLC控制器冗余）以確保整個系統(tǒng)的高可靠性要求。

4.2 優(yōu)點

與現(xiàn)有BAS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，新架構(gòu)具有以下優(yōu)點。

（1）現(xiàn)有BAS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)依托各類線纜組網(wǎng)，采用有線模式。而新架構(gòu)不受限制，可以采用有線模式、無線模式或者有線+無線組合模式。推薦采用無線模式，這樣更利于城市軌道交通工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的融合。

（2） 由于地鐵橫跨距離較長，因此現(xiàn)有BAS系統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)劃分主端和從端。而新架構(gòu)采用無線通信模式，依托于無線網(wǎng)絡(luò)基站的全覆蓋，不受物理距離限制，因此僅保留單端（主端）。

（3） 現(xiàn)有BAS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為三段式網(wǎng)絡(luò)（控制層環(huán)網(wǎng)+主端設(shè)備層環(huán)網(wǎng)+從端設(shè)備層環(huán)網(wǎng)），遠(yuǎn)程I/O在設(shè)備層采集接口設(shè)備數(shù)據(jù)，PLC控制器在控制層進(jìn)行整合計算，各層環(huán)網(wǎng)獨(dú)立。而新架構(gòu)采用扁平化網(wǎng)絡(luò)，無嚴(yán)格的控制層與設(shè)備層劃分，PLC控制器可直接與接口設(shè)備進(jìn)行通信，也可由專用通信模塊組件采集接口設(shè)備數(shù)據(jù)，再統(tǒng)一傳送給PLC控制器，以降低PLC控制器的通信負(fù)荷。

（4）現(xiàn)有BAS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用冗余雙總線或者光纖以太環(huán)網(wǎng)，以規(guī)避單點故障對整個網(wǎng)絡(luò)的影響。而新架構(gòu)僅需考慮硬件冗余，不會出現(xiàn)單點故障影響整個網(wǎng)絡(luò)的情況。

此外，新架構(gòu)中的底層接口設(shè)備由于具備OPC UA功能，因此可實現(xiàn)全數(shù)據(jù)共享。用戶可通過設(shè)置分級用戶權(quán)限規(guī)范自動控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)后續(xù)的應(yīng)用需求靈活調(diào)整權(quán)限。

4.3 分階段實現(xiàn)

目前，支持OPC UA的應(yīng)用軟件和PLC控制器已經(jīng)問世，但尚未在城市軌道交通各類設(shè)備中普遍應(yīng)用。因此，圖3是一個理想化架構(gòu)，實際中應(yīng)分為3個階段逐步實現(xiàn)。

（1）第1階段：將OPC UA應(yīng)用到PLC控制器與上層監(jiān)控平臺的通信中，全網(wǎng)絡(luò)仍舊采用有線模式。這一階段，新構(gòu)架與現(xiàn)有BAS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)無顯著差異，也不會出現(xiàn)明顯的效率提升。

（2）第2階段：隨著工業(yè)用5G、TSN等技術(shù)走向成熟，支持OPC UA的就地接口設(shè)備達(dá)到一定規(guī)模，BAS系統(tǒng)的部分底層設(shè)備接口采用OPC UA，全網(wǎng)絡(luò)采用有線+無線混合模式。

（3）第3階段：OPC UA全面普及，BAS系統(tǒng)全網(wǎng)采用無線模式，并與城市軌道交通工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺中其他應(yīng)用OPC UA的系統(tǒng)協(xié)同工作，城市軌道交通工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)超融合。

此外，城市軌道交通建筑及隧道內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃與建設(shè)是實現(xiàn)BAS新架構(gòu)的關(guān)鍵。考慮到城市軌道交通的各自動化系統(tǒng)在向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型時將陸續(xù)引入OPC UA，具有低時延、高可靠、高安全性能的私有無線網(wǎng)絡(luò)將成為公共需求，因此可以將其作為獨(dú)立專業(yè)進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計。私有無線網(wǎng)絡(luò)的電源供應(yīng)應(yīng)納入一級負(fù)荷。

5 結(jié)語

OPC UA可實現(xiàn)跨平臺通信，且具有更高的安全性和可靠性，能夠滿足工業(yè)信息高度連通的需求，不僅可以應(yīng)用于城市軌道交通BAS系統(tǒng)，還可用于城市軌道交通安檢、火災(zāi)報警、門禁等眾多系統(tǒng)中，使各系統(tǒng)架構(gòu)統(tǒng)一、業(yè)務(wù)整合，最終實現(xiàn)城市軌道交通的高度信息化。

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收稿日期 2020-02-12

責(zé)任編輯 蘇靖棋