輕型跨座式單軌綜合監控系統輕量化設計研究

王國霖

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 研究背景

城市軌道交通發展之初，自動化系統通常以分散方式獨立運行[1]。網絡信息技術的發展，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備數量和種類逐漸增加，為了對各類機電設備的統一管理，環境與設備監控系統隨之誕生。

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

然而，環境與設備監控系統僅能解決對各類設備的監控和管理，自動化程度仍有欠缺。因此最終綜合監控系統作為一個功能強大、開放、模塊化、可擴展的分布式系統，通過對環境與設備監控系統在內的子系統的集成和互聯，實現了數據的共享、調度、維修的統一及整合[5]。其具有全面性與復雜性，涵蓋了網絡、信息、自動化等多項專業技術，多種技術的協同為問題的分析與處理提供了幫助[6]。

綜合監控系統作為高度集成的城市軌道交通機電系統，其發展一直與城市軌道交通運營模式相適應[7]，承擔著數據傳輸、系統聯動、設備管理的樞紐、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，運行速度可達80 km/h[11]，目前國內主要分為傳統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。相較于傳統的跨座式單軌系統，輕型跨座式單軌工程造價更低、建設周期更短，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備系統專業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必然要對傳統方案進行優化，加強設備系統間的整合程度，同時整合后的設備系統也能夠進一步縮減工程的總體造價和建設周期，從而實現良性循環。

綜合監控系統雖然實現了對環境與設備監控、電力監控等系統的整合，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，能否對各個系統進行進一步的整合始終是行業內關注的重點，國內眾多從業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、專用通信系統、公安通信系統、綜合監控系統(ISCS)、自動售檢票系統(AFC)、乘客信息(PIS)、門禁(ACS)、環境與設備監控系統(BAS)、火災自動報警(FAS)等系統的電源進行整合[12]；陳嘉麒對地鐵車站設備用房內的空調系統整合進行研究[13]；楊韜試圖簡化綜合監控系統內部架構[14]。

綜上所述，行業對于城市軌道交通工程弱電系統的輕量化研究始終沒有停止，以下也將從多個角度出發，綜合探討以綜合監控系統為首的弱電系統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控系統

2.1 綜合監控系統配置的必要性

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

然而隨著工程的推進，綜合多方意見，發現雖然取消綜合監控系統節省了建設階段系統本身的成本投入。但城市軌道交通綜合監控系統是運用各種自動化技術手段，通過與相關機電系統的集成和互聯，實現各類信息資源的有效整合，方便對相關機電設備進行有效管理的大型監控系統。此系統的缺少會導致其他機電設備系統規模增大，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整，確定了由環境與設備監控系統承擔部分綜合監控系統的功能。

綜合測算后，以蕪湖軌道交通1號線為例，設置綜合監控系統后，項目建設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，綜合監控系統都有其存在的必要性，增設綜合監控系統可帶來的系統規模縮減及運營簡化見表1。

表1 系統規模縮減及運營簡化

2.2 綜合監控系統定位及架構

(1)總體架構

綜合監控系統一般采用兩級管理，三級控制的分層分布式結構。兩級管理分別是中央級和車站級，三級控制分別是中央級、車站級和現場級。現場級控制是指在被控對象附近的就地控制，現場級控制功能由各相關系統來完成[16]。

跨座式單軌交通綜合監控系統同樣采用此系統架構，整個系統可劃分為設置于控制中心的中心控制層、設置于各車站的車站控制層和各子系統當地自動化設備層。

(2)各級管理權限定位

綜合監控系統的設置應結合我國國情，設立各級管理權限，控制中心與車站的控制權限應可以進行移交或轉移，綜合監控系統相關子系統在控制中心、車站級的主要管理職責見表2[17]。

表2 綜合監控系統各子系統主要管理權限

2.3 綜合監控系統的輕量化

(1)中心級輕量化

對于綜合監控系統的中心級設置方案，主要有兩種。

一種是主備中心式的綜合監控系統，主控制中心位于控制中心大樓，在控制中心大樓內設置中央級的綜合監控系統，負責對全線運營調度指揮以及數據的存儲與備份，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置，在車輛段綜合監控系統的基礎上擴充一套備用的中央級綜合監控系統，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，由各車站級綜合監控系統接管，臨時指揮各車站管轄范圍內機電設施的調度管理，系統架構示意見圖1。

圖1 主備中心式系統架構示意

另一種是單一中心式的綜合監控系統，即僅在多條線共用的控制中心大樓內設立一處中心級綜合監控系統，負責對全線運營調度指揮以及數據的存儲與備份，在沿線各車站(含車輛段/停車場)設置車站級綜合監控系統，負責本車站相關機電設施的監控管理。若中央級綜合監控系統故障，由各車站級綜合監控系統接管，臨時指揮各車站管轄范圍內機電設施的調度管理，系統架構示意見圖2。

圖2 單一中心式系統架構示意

從可靠性角度考慮，主備中心方案的可靠性要優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點。

從規模與投資考慮，對于單一中心方案，在中心需設置中央級綜合監控系統，滿足電/環調、行調、總調等調度員的工作需求，在車站需設置車站級綜合監控系統，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中，作為中等運量城市軌道交通系統，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更加有利于降低工程總體造價，減少工程建設周期。

(2)車站級輕量化

①車站級系統輕量化

綜合監控的車站級系統建設方案主要有兩種。一種是服務器、工作站架構的傳統方案，在沿線各車站設置獨立的系統服務器、操作員工作站、交換機，實現本車站的車站級綜合監控系統功能，并通過主干網直接與控制中心綜合監控系統進行數據交換，系統架構示意見圖3。

圖3 服務器、工作站架構

另一種是區域中心站方案，本方案基于系統的相連性及現代傳輸網絡的高速性和可靠性，將以往的單一車站為控制單元改作按區域劃分控制單元。根據各車站監控點位的數量，將3～5個車站合為1組，每組設一區域中心車站，其余為衛星站。控制中心只需與區域中心車站值班站長聯絡，而區域中心車站值班站長向其負責車站的值班人員發出指令，系統架構示意見圖4。

圖4 區域車站架構

以蕪湖軌道交通2號線一期典型站夢溪路站為例，BAS系統總監控點位數約為5 000，傳統地鐵車站綜合監控系統單站監控點位數約為15 000，個別大型車站單站監控點位數超20 000[18]，可見輕量化后的跨座式單軌工程車站監控需求較地鐵顯著降低，以傳統地鐵車站級綜合監控系統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控系統的車站級采用區域型車站方案可行。

②BAS系統車站配置輕量化

BAS主控制器，即PLC控制器，是BAS系統的中樞，起到承上啟下的作用，對PLC控制器的設置，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配置一組冗余的工業級PLC控制器，其與IBP盤PLC、遠程I/O等設備采用現場總線或以太網絡連接，實現數據通信。

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配置一組冗余的工業級PLC主控制器，在車站另一端配置冗余從控制器。主、從PLC控制器之間采用現場總線或以太網絡連接，實現數據通信。

對于這兩種方案，單端冗余方案的優點是只設一套控制器、監控管理集中、投資較低、編程方便，但缺點是布線復雜，車站另一端的現場級網絡需穿越整個站廳、站臺連接至控制器一端。

雙端冗余的優點是兩組冗余控制器分開設置，可靠性高、布線相對較簡單，但缺點是系統調試較復雜，投資相較單端冗余方案要高。兩種做法的詳細優缺點對比見表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，大幅節省設備用房需求，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設置于小端的環控電控室內，并未新增設備房間。

(3)電源輕量化

傳統地鐵工程中，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、綜合監控系統、其他機電設備系統分別配置UPS，并分別設置UPS用房，以北京地鐵部分線路為例，相關UPS用房見表5。

表5 傳統地鐵UPS用房

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

3 用房輕量化

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

表6 傳統地鐵弱電用房

由此可見，傳統地鐵中各弱電系統用房面積合計超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，綜合監控設備室內機柜為3臺、門禁設備室內機柜為1臺，AFC設備室內機柜為3臺。可見弱電系統中，除通信系統、信號系統外的其他系統并無大量機柜需要放置，分系統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，各弱電專業進行充分溝通，最終由通信專業牽頭，實現了信號系統外各弱電系統設備、電源的用房整合；信號系統也實現了其設備與電源用房的整合。以某信號集中站為例，最終形成的整合結果見表7。

表7 單軌弱電用房

經計算，經過整合后的全部弱電系統用房面積僅為195 m2，相比傳統地鐵車站設備用房面積減少了55%。

4 機電系統輕量化

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、站臺公共區采用半開放設計，這保證了暖通專業可以在站廳、站臺公共區不設置排煙和新風系統，而是選擇采用自然排煙、自然通風的設計思路。

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，全站通風空調系統所需BAS監控設備共計262處(含風量調節閥、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控的通風空調設備僅為15處，減少95%；蕪湖火車站站所需BAS監控的通風空調設備為38處，減少85%。這為ISCS和BAS系統的輕量化提供了重要基礎。

5 結語

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控系統的架構簡化、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勢，多專業相互配合以減少機電系統設備總數，進而減少綜合監控系統、環境與設備監控系統的系統規模，為其與通信系統用電整合提供基礎，實現除信號系統外其他弱電系統的UPS整合，并最終實現了弱電系統的用房縮減，形成良性循環。