城市轨道交通环境与设备监控仿真系统研发

邱薇华，李 健，黄 璐，黄远春

(上海工程技术大学城市轨道交通学院，上海201620)

0 引言

城市轨道交通的环境与设备监控系统(Building Automation System，简称BAS系统)是对城市轨道交通建筑物内的环境与空气条件、通风、给排水、照明、乘客导向、自动扶梯及电梯、屏蔽门、防淹门等建筑设备和系统进行集中监视、控制和管理的系统［1］。

由于城市轨道交通的空间狭窄、人流密集、相对封闭的特殊性，在发生火灾或列车阻塞等事故情况时，能够及时迅速地进入防灾运行模式，根据火灾报警系统发送的着火点信息或列车自动控制系统发送的阻塞点信息自动调度送风和排风，进行通风排烟，引导人员疏散，是保证安全的前提［2］。同时在运行时为了节能，综合考虑列车、客流、车站设备、通风等影响空调通风系统负荷的各种因素，根据城市轨道交通热环境变化的规律，对空调通风系统的全年运行方式自动进行调整，在保障城市轨道交通车站机电系统设备的安全可靠运行，创造安全、舒适、高效的乘车环境的同时，要降低系统的运行能耗，减少运营成本［3］。

然而城市轨道交通的BAS系统是将现代科技的计算机及网络技术结合机电设备自动化控制原理，以专门的地铁环境通风空调及防灾处理等理论为基础的自动化控制系统，运营管理人员要掌握系统运行，并且进行系统演练，以确保在突发事件时及时采取正确的操作［4-5］，同时降低能耗，但作为现场安全联动设备，由于城市轨道交通运营作业的特点，难以实现对现场的使用设备进行演练式的操作。

目前，国内城市轨道交通正在快速发展期，相应的仿真系统缺乏，特此设计开发了城市轨道交通BAS系统的仿真系统，采用设备操作控制装置、设备模型仿真技术与计算机软件仿真技术相结合的方式，实现了BAS系统所含建筑设备和系统的集中监视、控制和操作管理。该仿真系统可直观地掌握BAS系统的整体构成、设备的安装布置及功能，可进行各个子系统联合操作，并进行各个突发事件的预案演练，可用于运营管理的教学、实训、预案演习和科研。

1 系统结构设计

为了能体现城市轨道交通BAS系统中的空调、给排水、照明、乘客导向、自动扶梯及电梯、屏蔽门、防淹门等建筑设备和系统［6］，根据城市轨道交通设计规范，参照某地铁实际站台，按1∶16的比例设计设备模型，通过小风机、继电器、行程电机等小型电气设备和LED状态灯实现所有设备模型的实时监控运行状态模拟，采集各个监控信号，采用现场控制柜实现就地实时控制模拟，并采用以太网通信端口连接至监控仿真软件平台，实现设备模型的远程实时监控，以及系统间联动功能的模拟等功能。仿真系统的逻辑结构分为3层，见图1。

图1 城市轨道交通BAS仿真系统逻辑结构Fig.1 Logic structure of urban road BAS simulation system

1.1 模型仿真层

城市轨道交通车站的空调系统分为大系统、小系统、水系统、隧道通风系统，其中大系统是指车站公共区(站厅/站台)的通风空调系统;小系统是指车站设备用房的通风空调系统;水系统是指地下站冷水机组系统;隧道通风系统是指执行隧道区间正常及紧急情况下通风排烟工况的环控子系统［7-8］。

仿真系统采用缩小模型搭建通风空调系统设备，风系统由隧道风机、射流风机、排烟风机、送风机、风阀、冷水机组、空调机组等组成，在模型内设置小型电机模拟风机实际运转，风阀能模拟设备的关/开状态;空调水系统由冷冻泵、冷却泵、冷却塔组成，在模型内设置小型电机模拟设备的实际运转;同时在模型内设置红、绿、黄LED灯表示通风空调设备的状态，如设备为正、反转或双速风机;在模型内设置风水管路(风水管路走夹层下，模型的上下层楼板采用有机玻璃以方便观察)，在模型上加指示箭头(或飘带)表示流动方向。

仿真系统设备按照实际车站在不同机房、设备区进行分布。模型基座采用细木工板和铝塑板结构，车站主体透明材质采用亚克力材料，车站设备模型采用ABS工程塑料。动态演示材料包含电机、行程电机、行程开关、LED流水灯、小型PLC控制器、小型变压器、LED照明灯、LED闪烁信号灯、道岔继电器等，以及线缆、电阻继电器等模型电气材料。

最后在该仿真模型中建立了城市轨道交通地下车站的2个公共区通风空调大系统、6个设备房区通风空调小系统、空调水系统、活塞通风系统、轨顶/站台热排风系统、照明系统、电梯电扶梯系统和PSD屏蔽门系统，仿真模型的外形见图2，可以清晰地展示各个设备在车站的位置及走向，建立空间概念。

图2 城市轨道交通BAS仿真系统模型外形Fig.2 Model of urban road BAS simulation system

仿真模型的剖面见图3，其中标号1是双通道活塞通风系统，标号2是左机房通风小系统，标号3是卫生间污水泵房通风小系统，标号4是通风空调左大系统，标号5是通风空调右大系统，标号6是右机房通风小系统，标号7是变电所通风空调系统，标号8是空调水系统，标号9是轨顶/站台热排风系统。

图3 城市轨道交通BAS仿真系统模型剖面Fig.3 Cross-section of urban road BAS simulation system

1.2 控制柜层

控制柜层包含4个现场就地控制柜和1个控制器柜，柜体采用Q235A，ō=2 mm标准工业控制柜用碳钢板材，表面喷塑处理，柜体包含接地和散热结构。控制柜集成了整个控制系统所需的电气设备，如远程输入采集模块、远程输出采集模块、开关电源、接线端子、继电器、转换开关、按钮指示灯等以及其他所需电气辅料。

控制柜面板分系统设计，见图4。其中控制柜C1包括BAS左通风空调大系统，BAS右通风空调大系统，BAS左通风空调小系统等3个系统;控制柜C2包括BAS右通风空调小系统，BAS卫生间污水泵房等设备房通风小系统，BAS气瓶室消防泵房等设备房通风小系统，BAS人员设备房通风空调小系统等4个系统;控制柜C3包括BAS变电所通风空调小系统，BAS空调冷水系统，BAS热排风系统，BAS活塞通风/隧道通风系统等4个系统;控制柜C4包括FAS消防系统，照明系统，电扶梯电梯系统，屏蔽门系统等4个系统。

图4 城市轨道交通BAS仿真系统模型控制柜Fig.4 Control cabinets of urban road BAS simulation system

现场就地控制柜与仿真模型、中央监控平台均通过串口总线通信;通过现场控制柜上各个系统的监控面板和上位机来完成仿真模型内各个系统的操作过程，并现场监控各个系统中的设备运行状态。

控制器柜(图5)内部安装了模型上所需的I/O控制器模块。DI输入模块采用R-8041数字量输入模块，DO模块输出模块采用R-8042数字量输出模块，模块通信方式采用RS-485串口通信，Mod-bus串口通信协议。控制器柜与现场控制柜和模型之间的通讯采用24芯航空插头对接的形式。

图5 城市轨道交通BAS仿真系统模型控制器柜Fig.5 Controller cabinets of urban road BAS simulation system

1.3 中央监控层

中央监控层包含监控台、后备式应急控制IBP盘、若干个监控工作站和一套仿真监控软件平台。

城市轨道交通的IBP盘放置在每个地铁车站的综合控制室内。监控台IBP盘上设置紧急控制按钮，状态指示灯等，可对重要设备进行应急监控。当车站设备服务器或者人机界面出现故障时，值班员可通过IBP盘采用人工介入方式进行运行模式操作和某些设备的远程单动操作。监控内容包括：紧急情况下自动扶梯的停止、启动及转向控制功能;屏蔽门/安全门系统(PSD)的开门控制;隧道通风火灾运行模式IBP层操作;消防设备的IBP层操作;气灭系统的IBP操作等。

BAS仿真系统的中央监控台后备式应急控制IBP控制盘采用Q235A工业控制柜用碳钢板材，表面喷塑处理，控制盘内含IBP应急控制系统电气材料，实现紧急情况下自动扶梯的停止、启动及转向控制功能;屏蔽门/安全门系统(PSD)的开门控制;隧道通风火灾运行模式IBP层操作等。仿真监控软件平台为BAS系统实现各个设备状态监控，并有各个系统的操作、计算等软件仿真。

现场控制柜实现对车站模型内所有设备和系统实现就地实时监控，中央监控平台实现BAS系统的远程自动化实时监控仿真，可以对模型内所有设备实现远程实时监控，以及BAS系统的信号连锁。整个BAS仿真系统共含400多个信号控制点。

2 系统功能设计

2.1 系统主要功能

仿真系统包含各个设备和系统，主要功能包括：

1)实现城市轨道交通BAS系统多个建筑设备与系统的模型仿真，包括通风空调大系统、设备房区通风空调小系统、空调水系统、活塞通风系统、轨顶/站台热排风系统、照明系统和PSD屏蔽门系统。

2)采用中央监控平台实现监视通风空调大系统、通风空调小系统、空调水系统、轨顶/站台热排风系统、照明系统、电扶梯电梯系统和PSD屏蔽门系统等设备的运行状态及环境参数。

3)可使用现场就地控制柜或中央监控平台实现所有BAS系统控制的机电设备的运行模式和设备启动顺序时间间隔控制，避免对电网的冲击。

4)采用中央监控平台实现系统运行的机电设备主/备用设备的自动切换。

5)可使用现场就地控制柜或中央监控平台实现所有BAS控制的机电设备的灾害模式控制，启动紧急预案。

6)采用中央监控平台仿真软件实现定风量空调机组的温度调节与节能策略、空气质量计算和仿真。

7)采用中央监控平台的仿真软件实现监控系统最优的运行模式。

2.2 主要实训与演练

2.2.1 新风排风系统的实训操作与演练

对通风空调大系统、通风空调小系统的新风排风系统的实训，可利用实际小风机的起停演练风管路中风的走向，也可结合箭头形的LED，用LED灯显示设备状态，通过中央监控平台监控各设备运行状态，利用中央监控平台的仿真软件对通风空调大系统中各个设备进行状态、参数等设置，实现操作和演练，图6为通风空调大系统的控制操作界面。

图6 通风空调大系统操作控制界面Fig.6 Operation and control interface of air conditioner

2.2.2 活塞风的实训操作与演练

利用隧道风机、事故风机、风阀等设备的静态模型，用LED灯显示各设备的状态，通过中央监控平台监控各设备运行状态，利用中央监控平台的仿真软件实现相关的演练。

2.2.3 冷水系统的实训操作与演练

利用水泵、冷水机组、冷却塔等设备的静态模型，用LED灯显示各设备的状态，通过中央监控平台监控各设备运行状态，利用中央监控平台的仿真软件实现相关的演练。

3 系统特点

1)仿真效果高：整个模型以地铁设计规范为依据，采用实际控制设备、实物模型、计算机软件仿真实现系统仿真，各种方法互补使得系统的仿真效果达到良好。

2)可扩展性好：模块化的设计使各子系统可根据实际情况进行功能增减等二次开发，控制柜现场控制面板均可拆卸更换，方便硬件的安装、使用和维护，以及后期功能的扩展和系统的升级。

3)实时性强：控制柜组和中央监控平台对模型内所有系统设备的运行状态具备实时监控和信号连锁能力，现场控制柜各子系统控制可实现手自动切换功能，软件系统具有实时数据库和高速通信能力，其所有数据的刷新周期和运算周期小于500 ms。

4 结语

城市轨道交通BAS仿真系统模拟了城市轨道交通环控系统的场景，形象、直观地模拟了正常情况下的通风空调系统、空调水系统、电梯系统、照明系统和屏蔽门系统之间的联动关系以及相应的处置程序，完整地阐述了城市轨道交通BAS系统各个设备的关系和规律，实现了远程控制和就地控制的结合，并可进行应急事件预案或灾害模式下的各设备联动的综合演练，提高城市轨道交通的安全。

［1］GB 50157—2003地铁设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2003.GB 50157—2003 Code for Design of Metro［S］.Beijing：China Planning Press，2003.

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