城市轨道交通环控系统优化设计思路及应用

李伟祥

（中铁十二局集团电气化工程有限公司，天津 300308）

1 城市轨道交通环控系统概述

1.1 城市轨道交通环控系统的重要性

我国城市轨道交通在快速发展的同时，也面临着不少挑战。在安全可靠性上，城市轨道交通存在着系统安全等级低、线路利用率不高、线路安全隐患等问题。在安全性上，城市轨道交通系统间互相影响，尤其是与信号和通信以及其他信息传输等相关系统的安全性问题日益突出。随着我国不断发展城市轨道交通，所面临的安全风险也在逐渐加大。而要有效解决这些问题就需要对相关环控(Computer System)系统进行分析和研究。

近年来我国城市轨道交通的客运量也不断攀升，其中北京（11.69 亿人次）、上海（8.96 亿人次）、广州（8.95 亿人次）、深圳（5.32 亿人次）等重点城市轨道交通已实现了3 条以上线路开通运营。然而，我国很多城市的地铁线网规模仍不大，甚至一些城市还没有建设地铁1 号线；并且很多是在建设的初期就已经存在了问题，也就是常说的“空城”现象。究其原因，在于城市轨道交通没有建立起一个与地铁车站相适应的管理体制和运行模式，以至于运营中暴露出了很多问题。

城市轨道交通线路安全可靠性主要指的是线路运行过程中所产生的故障现象，如何在保障乘客安全的前提下尽可能延长线路的使用寿命。这方面主要体现在两个方面：

其一，设计与施工质量。如果一个城市轨道交通工程没有经过严格设计和检验就开始使用，或者设计中存在问题不经过检验就继续使用，那么对于乘客来说很可能存在安全隐患。

其二，运营设备系统安全可靠性研究、设计与建设质量保证。当前，大多数城市轨道交通都具备可靠、经济、适用的设计技术水平，然而在设计过程中没有严格考虑到与其配套技术方案和设计单位之间所存在差异。

我国城市轨道交通所涉及与信号和通信以及其他信息传输等相关技术设备之间存在着安全风险，除此之外，如列车控制系统的可靠性、列车动态响应控制系统等方面就存在一定难度。为了提高城市轨道交通系统安全性和经济性，我国正在研究开展一系列针对环控系统安全性特点和运行特点等方面进行研究。

1.2 城市轨道交通环控系统的主要构成

地铁运营过程中，列车自动控制系统是列车运行控制系统中的关键组成部分，其主要包括列车的位置和速度、车辆的状态、辅助设备信息等内容。列车自动控制系统一般由计算机(Cisco)及信息传输(Integrated Communication)两部分组成。Cisco 为列车的运行控制系统，负责监控车内各区域，包括车内、列车牵引、信号系统等。列车信息传输为Cisco 传输系统带来了便捷性，也为地铁的安全运营提供了可靠保障。

信息传输可通过以太网实现与其他通信方式与网络连接，其中包括：数据接口；无线网络连接，如3G/4G 网络等；无线传输技术可实现信号网络内通信的自动切换。列车自动控制系统通常由中央控制室(Center)及相关计算机系统和外部系统组成，其中中央控制室负责监控运行状态并控制列车运行方向和速度，外部装置通过网络连接并实时进行控制，运行管理信息系统与车站控制系统之间由网络连接并相互协作;Cisco 在其中主要承担信号传输，以及通信、显示等功能，负责各种不同信号系统之间的连接与通信。

2 城市轨道交通环控系统的现状

目前，我国正处于快速发展阶段，轨道交通站点数量、线路规模持续增长。特别是近年来新建和在建地铁线路增多且站点数量不断增加，对线路安全造成了很大压力。近年来，在“互联互通”等相关的国家战略规划的指引下，我国城市轨道交通逐渐走向正规化。基于大数据技术、云计算技术的列车自动控制系统正是这些政策变化和行业需求推动下快速发展的技术。当前我国城市轨道交通正在建设中的多条线路大多采用列车自动控制系统。其中，以广州为例，广州地铁已开通的线路共计18 条，线路总长224km,总投资为358.6 亿元。

在通常情况下，地铁站和列车通道会被厚厚的泥土遮蔽，只有在车站的入口和狭窄的通风孔中才能进行通风。列车运行、设备运行、会产生大量的热量，列车在制动过程中会引起较多的灰尘，旅客活动会产生大量的热湿性负载以及CO，同时地铁周边土体在地下通道中渗透率较高，单纯依靠气流的自然传播很难消除这些热量、湿度和污染，地铁的室内环境不能达到良好的舒适度。

为此，应建立一套轨道交通环控系统，以保证列车运行状态下的空气温度、湿度、气流速度和空气品质，为旅客和机组提供良好的环境。节能是城市轨道交通控制的重要内容之一。地铁的环控工程投资只有全轨道交通的8%～10%，但是在运营期间，耗电占据了很大比例。

利用空调器控制的地铁环控装置所消耗的电力约为40%。在南方等高温区域，城市轨道交通控制的能源消耗约为50%。地下通道空间的温度较高，在保证散热的前提下，安装风机、制冷机、空调机等装置的数量大，造成了较高的设备投入和运行能耗，对轨道交通的经营发展造成不利影响。所以，在轨道交通环控系统的规划与运营过程中，应根据轨道交通自身的特性，应用各种优势条件，克服不利因素，在保证设备和工作人员所需新风量的前提下，采取合理的环控系统，进行科学的操作，以达到降低运营成本的目的。

3 城市轨道交通环控系统的优化及应用

3.1 设计方案优化

3.1.1 风机就地控制箱优化为负荷开关箱

参与火灾工况风机要实现中央、车站、就地三级监控，在车站控制室运用综合监控系统进行风机的实时监控。此外，为了确保维修工作的便利和安全，在环控机房、风道中还设置了各风机的现场控制箱。在初步方案中，该系统实现了控制风机的开机、关机，对电压、电流数字的实时显示与回馈，以及对变频器状态及运行状态的实时监测与回馈。除了负荷切换之外，在环控电控柜内增加熔断器、中继、选择器、指示灯、控制线终端等。在环控机房现场的负荷开关箱内，布设一条到环控电控柜上的电源线路，目的在于检修发电机时，通过负荷切换器保障维护人员的人身安全。除了负荷切换之外，在环控机房内的其他元件将会导致装置成本上升，控制线路数量增多，故障数量增多。

3.1.2 取消电动风阀就地控制箱

在某轨道交通工程中，每个电动风阀配有一个就地控制箱，可以实现对电动风阀的现场操作，实时记录风阀的变化情况，并做出故障提醒。线缆敷设时，需要敷设1 根控制线到就地控制箱，1 根信号线到风阀状态反馈端子，1 根电源线到风阀提供电源，增大了施工成本和投资金额，使风阀的故障数量增多。通过改良，取消了电动风阀就地控制箱，直接通过环控电控柜来实现对电动风阀的控制。

3.1.3 节约能耗，小系统正常模式和多联机避免重复开启

在部分地铁夏季运营过程中，会启用车站的空调水系统，保证设备房的温度适宜。在实际运营过程中，很多设备房的小系统风机或空调器开启的同时，多联机有时也处于运行状态。可以在BAS 系统中加入一种逻辑关系：在设备房小系统开启时，多联机不启用；设备房温度超过设定温度报警时，多联机空调会自动开启；在夜间停运模式后，冷水机组关闭，多联机空调可以开启，这样可以节约能耗。

3.2 施工优化及应用

3.2.1 机房管线路径的优化

首先，将BIM 技术用于管线的整体规划与现场的施工，通过BIM 技术的立体视觉系统，可以清晰地显示管线的走向、排布，模拟、排查、分析管线与建筑区域的冲突，管线与装饰部位的冲突，为制定管线改造的具体规划提供了可靠的模拟。并将其与车站结构相融合，为装有设备的位置留出充分的检修空间，以达到方便轨道交通后期运营检修的目的。

其次，利用BIM 技术进行管道间的矛盾调节和车站的整体规划，不局限于设备区走廊、环控机房等管道密集的区域，根据实际情况对不同的专业子系统进行有针对性的优化。

当桥架与风管、水管发生冲突时，在标高允许的情况下，可以通过调节桥架的高度和调整桥架路径走向来处理碰撞问题。在不能满足空间净高要求的情况下，可以通过调节风管断面净高来避免与之发生冲突。在净高度受限、管道数量多的情况下，必须对各个专业的具体需求做出相应的调整，为整体的施工提供便利。

3.2.2 环控线缆大小的优化

当前铜价较高，选择合理的电缆是工程建设的关键。一般情况下，各机电安装单位都要建设两个或两个以上的站点，在接到设计图纸后，要根据通风、空调等设备型号选择线缆，以免设备功率大、线缆选型小，导致后期更换电缆、断路器的情况，对工期造成影响，也会增加人工成本。施工单位在审图时也要考虑所选用的材料和设备的特点，以便使其与所用的设备的种类及材料的性能相符。确定后，选择功率相同的风机、合适的电缆类型，可以依据设备的功率大小、与电源点的间距等因素来选择合适的电缆，确保设备在运行中不会出现不利的情况，从而提高设备的使用寿命。

3.2.3 风阀执行器布置合理

大部分地下车站大系统、小系统的风管都要穿过设备管理用房，为了阻止火灾时火势或者烟气通过风管蔓延扩大，在风管穿越防火分区的防火墙及楼板处、每层水平干管与垂直管相接处的水平管段上、风管穿越有隔墙的变形缝处、进排烟风机的入口处均设有防火阀。由于管道密度较大，阀门的安装位置非常重要，当管道间距太近时，将风阀的执行器设置在风阀的下方，这样可以更好地连接和维护。检修人员一旦发现生产设备的故障、隐患，需制定检修计划和检修方案，及时进行整改、维护，保证设备的安全、稳定。

4 结语

在过去的十年里，我国的城市轨道交通发展迅速，但也存在一些问题。这些问题若不能及时有效地解决，将会影响我国轨道交通的健康和可持续发展。完善的环控系统，保证了地铁在各种突发事件中的安全性、舒适性、整洁性。本文在对常规的环控系统的控制方式进行研究的基础上，提出一种新的控制方法。通过对通风、供冷的试验，表明该方案不仅可以达到用户对通风、散热的需求，而且可以节省运行费用，从而达到优化控制系统的目的，降低系统的运行能耗。鉴于本论文只涉及部分地铁站点，因此在以后的研究中需要考虑更多地区的地铁站点，同时也要综合考虑地铁的出行密度、列车类型等。在规划的过程中，要充分考虑地区差异性、车站类别、环控体系负载量等因素，逐步确立产业标准，完善产业体系。