一种铁路隧道防灾救援监控系统设计与实现

2021-01-15陈军波程奕凌

仪器仪表用户 2021年1期

陈军波，程奕凌，戴明，钟滨

（1.西成铁路客运专线陕西有限责任公司，西安 710045；2.南京邮电大学自动化学院、人工智能学院，南京 210023；3.南京恒星自动化股份有限公司，南京 210042）

0 引言

铁路是国民经济大动脉，近几年中国铁路高速发展。当铁路穿越山岭地区时，由于牵引力有限，需要采取开挖隧道的措施。隧道可以有效缩短线路、减小坡度、保障列车平稳通过山岭。但隧道内部光线昏暗、通风不良，是事故的频发地点，并且当事故发生时，隧道内大量的照明、通风和消防设备会给救援工作造成诸多不便。由此可见，隧道的防灾救援水平直接影响整个铁路的安全运营，所以目前的铁路亟需一套安全、智能的隧道防灾救援监控系统。

目前，已有相关文献针对铁路中的隧道防灾救援控制系统做出了研究，文献[1]对隧道设备监控系统的控制方式、数据传输、系统软硬件选择等方面进行探讨，为设计铁路防灾救援设备监控系统提供了思路；文献[2]开发基于二级架构的新型铁路隧道防灾疏散救援设备设施智能监控系统，可实现对隧道内防灾通风、应急照明、疏散指示、其他消防设备设施、防护门等设备设施的有效监控，为隧道监控系统的研究与实施提供一定的参考。本文在现有研究的基础上，按照铁道部颁布的《TB10020-2017铁路隧道防灾救援疏散工程设计规范》中的要求，设计一种隧道防灾救援控制系统，主要对隧道内的通风、照明、消防泵等设备进行远程监控。

图1 监控系统布局Fig.1 Monitoring system distribution

1 方案概述

防灾救援控制系统主要完成隧道内防灾通风设备、电力设备、应急照明等的集中监控、故障报警及调度管理，在发生灾情时，能够根据预先生成的灾情预案进行控制，达到防灾减灾的目的，以保障列车的正常运行。

1.1 监控主站及监控工作站

隧道防灾救援设备监控系统具备对上接入调度指挥中心的铁路隧道防灾救援监控中心总平台条件。防灾监控主站尽可能利用既有的隧道照明监控主站设备，通过增加部分设备实现隧道防灾监控主站的全部功能。

以黔张常铁路工程为例[3]，来分析本监控系统的布局理念。如图1所示，分别在龙山、张家界工务段内设置监控工作站，在张家界西综合工区设置一套监控主站，用于监控辖区内隧道防灾救援设备运行情况。监控工作站利用通信专业提供的SDH/MSTP网络与指挥中心监控主站相连[4-6]。5km以上隧道照明监控系统作为隧道防灾救援监控子系统，隧道防灾救援监控工作站具备隧道照明监控系统接入条件，复示终端利用防灾救援监控工作站。

当然，本监控系统的布局理念也可以用于其他铁路工程中，这里只是采用具有代表性的黔张常铁路工程作为案例。

图2 监控主系统网络结构Fig.2 Network structure of Monitoring main system

1.2 隧道现场监控装置

隧道防灾现场监控装置包括：隧道主控制器、现场IBP盘及监控RTU装置等。

隧道主控制器设置于长隧道进口/出口处，负责隧道内防灾机电设备的统一监控和管理以及与主站之间的上通下达。主要由高档工业级可编程控制器、工业以太网交换机（环形自愈型）、控制箱等组成。

隧道监控RTU装置负责完成防灾风机、水泵、照明、设备洞室防护门等设备的数据采集及控制。具体分工如下：

1）风机监控RTU：独立成柜，完成对救援风机手动/自动位置、运行状态、关闭状态、故障报警、启/停等重要参数进行监视和控制。

2）水泵监控RTU：独立成柜，完成对水泵手动/自动位置、运行状态、关闭状态、故障报警、启/停等重要参数进行监视和控制。

3）照明监控RTU：独立成柜，完成对照明手动/自动位置、运行状态、关闭状态、故障报警、启/停等重要参数进行监视和控制。

4）洞室防护门开闭状态信息利用附近照明监控RTU上传。

2 系统结构

构建隧道设计防灾救援设备监控系统，简称TRMS系统。系统采用TCP/IP协议的以太网结构，包含双服务器、双前置机、WEB服务器、各类工作站、网络打印机等。

图3 监控子系统网络结构Fig.3 Network structure of monitoring subsystem

2.1 监控主系统网络结构

从图2中可见，TRMS系统由监控主机、现场控制单元（LCU）以及通信网络组成。

防灾救援设备监控系统监控主站一般设置在综合维修工区；现场控制单元LCU及通信设备构成隧道现场监控子系统；通信网络分为干线网络和隧道内网，干线网基于铁路传输网SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字体系）或MSTP（Multi-Service Transfer Platform，基于SDH的多业务传送平台）构建，隧道内网则由光纤环网组成，光纤环网由本系统和隧道照明监控系统共同组建[7,8]，本系统现场控制设备经光纤交换机接入光纤环网。

2.2 监控子系统网络结构

监控子系统网络结构如图3所示，在监控子系统网络中引入自愈环形工业以太网技术[9]，继承了以太网速度快、成本低、高实效、高扩展性及高智能的优点，同时为网络上的数据传输提供了一条冗余链路，提高了网络的可靠性，不会因为通信服务器失效、网络断线或交换机故障而导致整个通信系统瘫痪。现场控制层使用这种网络，不仅可以提高通信网络的传输速度，同时也提高了控制层的通信可靠性。

在一个典型的环网中，有一个主交换机。正常工作时，主交换机的其中一个连接端口被置为阻塞状态，阻止以太网数据转发，仅允许转发冗余控制帧，保证了物理上是一个回路。这样在正常情况下，主交换机有一个转发端口和一个阻塞端口，环上其他设备节点的两个端口均为转发端口。当环网中的某个交换机出现故障时，主交换机会在50ms以内检测到故障并开启阻塞端口。

图4 系统组网Fig.4 System networking

图5 隧道现场内网Fig.5 Tunnel site intranet

3 系统组网

如图4所示，监控主站与隧道现场监控子系统之间采用SDH/MSTP组成，监控主站与隧道现场间采用两条互为备用的专用通道。隧道防灾RTU监控装置之间采用光纤环形工业以太网架构，经单模光缆连接至主控制器，进而接入就近的通信基站，将现场的监控数据传送到监控主站。在既有隧道照明监控光纤环网基础上，通过增加网络传输节点设备，形成隧道防灾监控系统的隧道现场内网，如图5所示。

全线隧道内增设防灾监控系统，实现对隧道内的电力设施、照明、应急照明、10kV风机、0.4kV风机、风门、消防泵等设备的集中监控、故障报警和调度管理等功能。防灾救援控制系统主站端服务器、前置机、工作站等通过交换机构成局域网，实现数据采集、存储以及监控等。各隧道内风机控制箱、照明控制箱等通过光缆构成环网后接入主控制器，主控制器接入对应通信基站，并将各RTU采集到的数据上送至调度主站。

系统由监控主站、隧道现场监控设备及通信系统3个部分组成：

1）隧道防灾监控主站是隧道防灾监控系统的调度和指挥中心，负责隧道照明设备的远程监视、控制和调度、管理，并负责与其他自动化系统接口，实现信息传递、报警联动等功能，为铁路安全运行提供技术保障。由监控工作站、通信服务器、数据服务器、网络交换机、多串口服务器、UPS、打印机等组成。

2）通信系统是隧道监控系统的基础。隧道监控系统的通信系统基于铁路专用通信网络SDH/MSTP构建，铁路专用通信网络提供以太网业务接口。监控主站与监控子系统的通信采用以太网点对点的方式接入，既主站端以太网接口与受控隧道通信基站以太网接口一一对应，构成点对点通信。各受控隧道子系统经通信适配器引入通信基站，利用传输网与监控主站实现通信。

3）隧道监控子系统

隧道防灾监控系统采用工业级PLC设备，PLC控制器采用冗余配置，在隧道内部使用光纤自愈以太网环网为通信网络。光纤自愈以太网环网由单模光纤、环网接入设备和单模光缆组成，环网接入设备负责与通信基站、监控站的连接；当环网中某点故障时，能够快速识别故障位置，并将通道切换至环的另外一个方向，实现自愈功能。

4 功能设计

本系统主要对隧道内的通风、照明、消防泵等设备进行远程监控。由以下几个子系统组成：照明控制子系统、消防控制子系统、报警及事故处理子系统及设备管理子系统构成。

实现的功能有：

1）远程监控各类防灾设备的运行状态，统计主要设备状态记录及累计运行时间，提出维修保养策略。

2）根据防灾通风工艺，协调各类风机及相应风阈联动，确保风机设备运行安全可靠。

3）根据不同灾害模式，预置各设备运行参数，对所有监控设备实现单独控制、联锁控制和各模式控制。

4）具有档案管理、统计报表、分级显示等系统功能。

由双前置机和串口服务器完成数据采集。功能分布的总体设计增强了系统的稳定性，而且支持不同投资和应用规模系统的灵活配置。各节点机资源配置基本均等，前置机负责接收数据、规约解释、数据上网、通道管理等功能，服务器负责保存历史数据，互为热备用，保证数据完整性、安全性，WEB服务器通过公共交换电话网（PSTN）支持远程工作站和远程监视、维护，工作站完成调度实时监控、数据统计等功能。