城市軌道交通環(huán)控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路及應(yīng)用

李偉祥

（中鐵十二局集團(tuán)電氣化工程有限公司，天津 300308）

1 城市軌道交通環(huán)控系統(tǒng)概述

1.1 城市軌道交通環(huán)控系統(tǒng)的重要性

我國城市軌道交通在快速發(fā)展的同時(shí)，也面臨著不少挑戰(zhàn)。在安全可靠性上，城市軌道交通存在著系統(tǒng)安全等級(jí)低、線路利用率不高、線路安全隱患等問題。在安全性上，城市軌道交通系統(tǒng)間互相影響，尤其是與信號(hào)和通信以及其他信息傳輸?shù)认嚓P(guān)系統(tǒng)的安全性問題日益突出。隨著我國不斷發(fā)展城市軌道交通，所面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)也在逐漸加大。而要有效解決這些問題就需要對相關(guān)環(huán)控(Computer System)系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究。

近年來我國城市軌道交通的客運(yùn)量也不斷攀升，其中北京（11.69 億人次）、上海（8.96 億人次）、廣州（8.95 億人次）、深圳（5.32 億人次）等重點(diǎn)城市軌道交通已實(shí)現(xiàn)了3 條以上線路開通運(yùn)營。然而，我國很多城市的地鐵線網(wǎng)規(guī)模仍不大，甚至一些城市還沒有建設(shè)地鐵1 號(hào)線；并且很多是在建設(shè)的初期就已經(jīng)存在了問題，也就是常說的“空城”現(xiàn)象。究其原因，在于城市軌道交通沒有建立起一個(gè)與地鐵車站相適應(yīng)的管理體制和運(yùn)行模式，以至于運(yùn)營中暴露出了很多問題。

城市軌道交通線路安全可靠性主要指的是線路運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的故障現(xiàn)象，如何在保障乘客安全的前提下盡可能延長線路的使用壽命。這方面主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

其一，設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量。如果一個(gè)城市軌道交通工程沒有經(jīng)過嚴(yán)格設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)就開始使用，或者設(shè)計(jì)中存在問題不經(jīng)過檢驗(yàn)就繼續(xù)使用，那么對于乘客來說很可能存在安全隱患。

其二，運(yùn)營設(shè)備系統(tǒng)安全可靠性研究、設(shè)計(jì)與建設(shè)質(zhì)量保證。當(dāng)前，大多數(shù)城市軌道交通都具備可靠、經(jīng)濟(jì)、適用的設(shè)計(jì)技術(shù)水平，然而在設(shè)計(jì)過程中沒有嚴(yán)格考慮到與其配套技術(shù)方案和設(shè)計(jì)單位之間所存在差異。

我國城市軌道交通所涉及與信號(hào)和通信以及其他信息傳輸?shù)认嚓P(guān)技術(shù)設(shè)備之間存在著安全風(fēng)險(xiǎn)，除此之外，如列車控制系統(tǒng)的可靠性、列車動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制系統(tǒng)等方面就存在一定難度。為了提高城市軌道交通系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟(jì)性，我國正在研究開展一系列針對環(huán)控系統(tǒng)安全性特點(diǎn)和運(yùn)行特點(diǎn)等方面進(jìn)行研究。

1.2 城市軌道交通環(huán)控系統(tǒng)的主要構(gòu)成

地鐵運(yùn)營過程中，列車自動(dòng)控制系統(tǒng)是列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，其主要包括列車的位置和速度、車輛的狀態(tài)、輔助設(shè)備信息等內(nèi)容。列車自動(dòng)控制系統(tǒng)一般由計(jì)算機(jī)(Cisco)及信息傳輸(Integrated Communication)兩部分組成。Cisco 為列車的運(yùn)行控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)監(jiān)控車內(nèi)各區(qū)域，包括車內(nèi)、列車牽引、信號(hào)系統(tǒng)等。列車信息傳輸為Cisco 傳輸系統(tǒng)帶來了便捷性，也為地鐵的安全運(yùn)營提供了可靠保障。

信息傳輸可通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與其他通信方式與網(wǎng)絡(luò)連接，其中包括：數(shù)據(jù)接口；無線網(wǎng)絡(luò)連接，如3G/4G 網(wǎng)絡(luò)等；無線傳輸技術(shù)可實(shí)現(xiàn)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通信的自動(dòng)切換。列車自動(dòng)控制系統(tǒng)通常由中央控制室(Center)及相關(guān)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和外部系統(tǒng)組成，其中中央控制室負(fù)責(zé)監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)并控制列車運(yùn)行方向和速度，外部裝置通過網(wǎng)絡(luò)連接并實(shí)時(shí)進(jìn)行控制，運(yùn)行管理信息系統(tǒng)與車站控制系統(tǒng)之間由網(wǎng)絡(luò)連接并相互協(xié)作;Cisco 在其中主要承擔(dān)信號(hào)傳輸，以及通信、顯示等功能，負(fù)責(zé)各種不同信號(hào)系統(tǒng)之間的連接與通信。

2 城市軌道交通環(huán)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀

目前，我國正處于快速發(fā)展階段，軌道交通站點(diǎn)數(shù)量、線路規(guī)模持續(xù)增長。特別是近年來新建和在建地鐵線路增多且站點(diǎn)數(shù)量不斷增加，對線路安全造成了很大壓力。近年來，在“互聯(lián)互通”等相關(guān)的國家戰(zhàn)略規(guī)劃的指引下，我國城市軌道交通逐漸走向正規(guī)化。基于大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)正是這些政策變化和行業(yè)需求推動(dòng)下快速發(fā)展的技術(shù)。當(dāng)前我國城市軌道交通正在建設(shè)中的多條線路大多采用列車自動(dòng)控制系統(tǒng)。其中，以廣州為例，廣州地鐵已開通的線路共計(jì)18 條，線路總長224km,總投資為358.6 億元。

在通常情況下，地鐵站和列車通道會(huì)被厚厚的泥土遮蔽，只有在車站的入口和狹窄的通風(fēng)孔中才能進(jìn)行通風(fēng)。列車運(yùn)行、設(shè)備運(yùn)行、會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，列車在制動(dòng)過程中會(huì)引起較多的灰塵，旅客活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量的熱濕性負(fù)載以及CO，同時(shí)地鐵周邊土體在地下通道中滲透率較高，單純依靠氣流的自然傳播很難消除這些熱量、濕度和污染，地鐵的室內(nèi)環(huán)境不能達(dá)到良好的舒適度。

為此，應(yīng)建立一套軌道交通環(huán)控系統(tǒng)，以保證列車運(yùn)行狀態(tài)下的空氣溫度、濕度、氣流速度和空氣品質(zhì)，為旅客和機(jī)組提供良好的環(huán)境。節(jié)能是城市軌道交通控制的重要內(nèi)容之一。地鐵的環(huán)控工程投資只有全軌道交通的8%～10%，但是在運(yùn)營期間，耗電占據(jù)了很大比例。

利用空調(diào)器控制的地鐵環(huán)控裝置所消耗的電力約為40%。在南方等高溫區(qū)域，城市軌道交通控制的能源消耗約為50%。地下通道空間的溫度較高，在保證散熱的前提下，安裝風(fēng)機(jī)、制冷機(jī)、空調(diào)機(jī)等裝置的數(shù)量大，造成了較高的設(shè)備投入和運(yùn)行能耗，對軌道交通的經(jīng)營發(fā)展造成不利影響。所以，在軌道交通環(huán)控系統(tǒng)的規(guī)劃與運(yùn)營過程中，應(yīng)根據(jù)軌道交通自身的特性，應(yīng)用各種優(yōu)勢條件，克服不利因素，在保證設(shè)備和工作人員所需新風(fēng)量的前提下，采取合理的環(huán)控系統(tǒng)，進(jìn)行科學(xué)的操作，以達(dá)到降低運(yùn)營成本的目的。

3 城市軌道交通環(huán)控系統(tǒng)的優(yōu)化及應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

3.1.1 風(fēng)機(jī)就地控制箱優(yōu)化為負(fù)荷開關(guān)箱

參與火災(zāi)工況風(fēng)機(jī)要實(shí)現(xiàn)中央、車站、就地三級(jí)監(jiān)控，在車站控制室運(yùn)用綜合監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。此外，為了確保維修工作的便利和安全，在環(huán)控機(jī)房、風(fēng)道中還設(shè)置了各風(fēng)機(jī)的現(xiàn)場控制箱。在初步方案中，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了控制風(fēng)機(jī)的開機(jī)、關(guān)機(jī)，對電壓、電流數(shù)字的實(shí)時(shí)顯示與回饋，以及對變頻器狀態(tài)及運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與回饋。除了負(fù)荷切換之外，在環(huán)控電控柜內(nèi)增加熔斷器、中繼、選擇器、指示燈、控制線終端等。在環(huán)控機(jī)房現(xiàn)場的負(fù)荷開關(guān)箱內(nèi)，布設(shè)一條到環(huán)控電控柜上的電源線路，目的在于檢修發(fā)電機(jī)時(shí)，通過負(fù)荷切換器保障維護(hù)人員的人身安全。除了負(fù)荷切換之外，在環(huán)控機(jī)房內(nèi)的其他元件將會(huì)導(dǎo)致裝置成本上升，控制線路數(shù)量增多，故障數(shù)量增多。

3.1.2 取消電動(dòng)風(fēng)閥就地控制箱

在某軌道交通工程中，每個(gè)電動(dòng)風(fēng)閥配有一個(gè)就地控制箱，可以實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)風(fēng)閥的現(xiàn)場操作，實(shí)時(shí)記錄風(fēng)閥的變化情況，并做出故障提醒。線纜敷設(shè)時(shí)，需要敷設(shè)1 根控制線到就地控制箱，1 根信號(hào)線到風(fēng)閥狀態(tài)反饋端子，1 根電源線到風(fēng)閥提供電源，增大了施工成本和投資金額，使風(fēng)閥的故障數(shù)量增多。通過改良，取消了電動(dòng)風(fēng)閥就地控制箱，直接通過環(huán)控電控柜來實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)風(fēng)閥的控制。

3.1.3 節(jié)約能耗，小系統(tǒng)正常模式和多聯(lián)機(jī)避免重復(fù)開啟

在部分地鐵夏季運(yùn)營過程中，會(huì)啟用車站的空調(diào)水系統(tǒng)，保證設(shè)備房的溫度適宜。在實(shí)際運(yùn)營過程中，很多設(shè)備房的小系統(tǒng)風(fēng)機(jī)或空調(diào)器開啟的同時(shí)，多聯(lián)機(jī)有時(shí)也處于運(yùn)行狀態(tài)。可以在BAS 系統(tǒng)中加入一種邏輯關(guān)系：在設(shè)備房小系統(tǒng)開啟時(shí)，多聯(lián)機(jī)不啟用；設(shè)備房溫度超過設(shè)定溫度報(bào)警時(shí)，多聯(lián)機(jī)空調(diào)會(huì)自動(dòng)開啟；在夜間停運(yùn)模式后，冷水機(jī)組關(guān)閉，多聯(lián)機(jī)空調(diào)可以開啟，這樣可以節(jié)約能耗。

3.2 施工優(yōu)化及應(yīng)用

3.2.1 機(jī)房管線路徑的優(yōu)化

首先，將BIM 技術(shù)用于管線的整體規(guī)劃與現(xiàn)場的施工，通過BIM 技術(shù)的立體視覺系統(tǒng)，可以清晰地顯示管線的走向、排布，模擬、排查、分析管線與建筑區(qū)域的沖突，管線與裝飾部位的沖突，為制定管線改造的具體規(guī)劃提供了可靠的模擬。并將其與車站結(jié)構(gòu)相融合，為裝有設(shè)備的位置留出充分的檢修空間，以達(dá)到方便軌道交通后期運(yùn)營檢修的目的。

其次，利用BIM 技術(shù)進(jìn)行管道間的矛盾調(diào)節(jié)和車站的整體規(guī)劃，不局限于設(shè)備區(qū)走廊、環(huán)控機(jī)房等管道密集的區(qū)域，根據(jù)實(shí)際情況對不同的專業(yè)子系統(tǒng)進(jìn)行有針對性的優(yōu)化。

當(dāng)橋架與風(fēng)管、水管發(fā)生沖突時(shí)，在標(biāo)高允許的情況下，可以通過調(diào)節(jié)橋架的高度和調(diào)整橋架路徑走向來處理碰撞問題。在不能滿足空間凈高要求的情況下，可以通過調(diào)節(jié)風(fēng)管斷面凈高來避免與之發(fā)生沖突。在凈高度受限、管道數(shù)量多的情況下，必須對各個(gè)專業(yè)的具體需求做出相應(yīng)的調(diào)整，為整體的施工提供便利。

3.2.2 環(huán)控線纜大小的優(yōu)化

當(dāng)前銅價(jià)較高，選擇合理的電纜是工程建設(shè)的關(guān)鍵。一般情況下，各機(jī)電安裝單位都要建設(shè)兩個(gè)或兩個(gè)以上的站點(diǎn)，在接到設(shè)計(jì)圖紙后，要根據(jù)通風(fēng)、空調(diào)等設(shè)備型號(hào)選擇線纜，以免設(shè)備功率大、線纜選型小，導(dǎo)致后期更換電纜、斷路器的情況，對工期造成影響，也會(huì)增加人工成本。施工單位在審圖時(shí)也要考慮所選用的材料和設(shè)備的特點(diǎn)，以便使其與所用的設(shè)備的種類及材料的性能相符。確定后，選擇功率相同的風(fēng)機(jī)、合適的電纜類型，可以依據(jù)設(shè)備的功率大小、與電源點(diǎn)的間距等因素來選擇合適的電纜，確保設(shè)備在運(yùn)行中不會(huì)出現(xiàn)不利的情況，從而提高設(shè)備的使用壽命。

3.2.3 風(fēng)閥執(zhí)行器布置合理

大部分地下車站大系統(tǒng)、小系統(tǒng)的風(fēng)管都要穿過設(shè)備管理用房，為了阻止火災(zāi)時(shí)火勢或者煙氣通過風(fēng)管蔓延擴(kuò)大，在風(fēng)管穿越防火分區(qū)的防火墻及樓板處、每層水平干管與垂直管相接處的水平管段上、風(fēng)管穿越有隔墻的變形縫處、進(jìn)排煙風(fēng)機(jī)的入口處均設(shè)有防火閥。由于管道密度較大，閥門的安裝位置非常重要，當(dāng)管道間距太近時(shí)，將風(fēng)閥的執(zhí)行器設(shè)置在風(fēng)閥的下方，這樣可以更好地連接和維護(hù)。檢修人員一旦發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的故障、隱患，需制定檢修計(jì)劃和檢修方案，及時(shí)進(jìn)行整改、維護(hù)，保證設(shè)備的安全、穩(wěn)定。

4 結(jié)語

在過去的十年里，我國的城市軌道交通發(fā)展迅速，但也存在一些問題。這些問題若不能及時(shí)有效地解決，將會(huì)影響我國軌道交通的健康和可持續(xù)發(fā)展。完善的環(huán)控系統(tǒng)，保證了地鐵在各種突發(fā)事件中的安全性、舒適性、整潔性。本文在對常規(guī)的環(huán)控系統(tǒng)的控制方式進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，提出一種新的控制方法。通過對通風(fēng)、供冷的試驗(yàn)，表明該方案不僅可以達(dá)到用戶對通風(fēng)、散熱的需求，而且可以節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，從而達(dá)到優(yōu)化控制系統(tǒng)的目的，降低系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。鑒于本論文只涉及部分地鐵站點(diǎn)，因此在以后的研究中需要考慮更多地區(qū)的地鐵站點(diǎn)，同時(shí)也要綜合考慮地鐵的出行密度、列車類型等。在規(guī)劃的過程中，要充分考慮地區(qū)差異性、車站類別、環(huán)控體系負(fù)載量等因素，逐步確立產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，完善產(chǎn)業(yè)體系。