城市轨道交通自动化系统对比分析

对比分析ComparativeAnalysis  www.gongkong.com2008.02工控通讯城市轨道交通自动化系统对比分析中国工控网（www.gongkong.com）多年来，在北京、上海、广州、深圳等已运营的城市地铁中，已陆续投资数百亿元，建立了以自动售检票（AFC）、列车自动控制系统（ATC）、电力监控系统（SCADA）、环境监控系统（BAS）、防灾报警系统（FAS）及高速通信网为代表的诸多运营管理、调度指挥和安全监控系统。地铁总公司与下属各部门之间也已建立了基于局域网和互联网的办公管理系统并初见成效。来自世界各国的企业和科研机构纷纷在我国展示轨道交通信息和自动化技术，我国地铁设备和自动化系统主要来自于国外发达国家，但价格不菲，通过国产化手段降低工程造价和资源消耗还有很大潜力。本文将从轨道交通类型、主控系统、环控系统（BAS）、轨道交通信号系统、门禁系统几个方面讨论多种设计方案，并进行对比分析，目的是对目前轨道交通方面的技术热点进行探讨，为广大设计人员提供参考，在吸收国外先进技术的基础上，开发全面国产化的轨道交通自动化系统，进一步降低地铁、轻轨自动化系统的造价，逐步提高地铁、轻轨系统国产化设计和应用水平。轨道交通类型对比分析我国很多城市对修建轨道交通项目积极性很高，但对现代化轨道交通的类型认识不足。在选择轨道交通类型时，往往脱离本地区实际情况，过高估计客流量，选择过大的轨道交通类型。有时还受到专家咨询引导失误的影响，片面强调采用最高最新技术模式和技术措施，造成投资经费愈来愈高，项目建设难以启动。我们需要对国际上各种类型的大、中客运量轨道交通类型的基本特性、适用范围、技术水平和经济条件等具体情况的认真研究，从中筛选出适合我国国情的基本类型，提出经济而实用的方案。常见城市轨道交通技术等级表见表1所示。主控系统随着控制技术(CONTROL)、计算机技术(COMPUTER)和网络技术(NETWORK)的发展，为解决轨道交通控制系统的一体化问题提供了技术基础，如何实现城市轨道交通主控系统已成为轨道交通亟待解决的重大技术问题。我国各大城市中，常见的轨道交通自动化主控系统解决方案可以分为分离控制系统方案、系统网络化ComparativeAnalysis对比分析2008.02www.gongkong.com工控通讯方案、信息集成化方案，它们的性能特点见附表1所示。系统网络化和信息集成化（附表1）结构的系统集成，都避免了分离控制系统的弊病，做到信息集成，各系统之间实现了“无缝”连接。在这两种不同结构的集成系统中，系统网络化的集成系统具有完善的网络结构和强大处理数据能力的服务器系统，因此更适用于控制监测对象多、投资规模大、分多期建设的地铁工程。而信息集成化的系统具有结构简单、使用冗余方式的主PLC系统，适用于控制对象少、要求设备智能化程度高、投资规模不大的轻轨工程。这两种结构的系统集成是目前解决轨道交通控制系统的一体化问题的有效方案，国内外许多厂家都在积极研究和探讨中。使用何种结构进行系统集成，应结合自己城市的实际情况和投资规模以及两种结构综合考虑来决定，不能一味追求大而全的集成系统结构，否则带来系统可靠性低、维护成本高等问题。例如广州地铁五号线首期工表1等级I级II级III级IV级V级　类型　高运量地铁大运量地铁中运量轻轨次中量轻轨低运量轻轨A型车B型车CI、III型车C-II型车现代有轨电车线路线路形态隧道为主隧道为主地面或高架地面为主地面路用情况专用专用专用隔离或少量混用混用为主车站平均站距／m800～1500800～1200600～1000600～1000600～800站台长度／m20020012010060站台高低局高局低(高)低车辆车辆宽度／m32.82.62.62.6车辆定员310240320220104～202(站6人／m2)最大轴重／t161411109最大时速(km／h)80～10080807045～60平均运行速度(km／h)34～4032～4030～4025～3515～25轨距／mm14351435143514351435供电额定电压／VDC1500DC750DC750DC750(600)DC750(600)受电方式架空线第三轨架空线／第三轨架空线架空线信号　列车自动保护有有有有／无无列车运行方式ATO／司机驾驶ATO／司机驾驶ATO／司机驾驶司机驾驶司机驾驶行车控制技术ATOATOATP／ATSATP／ATSATS／CTC列车最多车辆编组6～86～84～62～42列车最小行车间隔／min2222.55程(口至文冲段)呈东西走向，贯穿广州城市东西，线路全长约40公里，共设24座车站，其中10座换乘站，在广州市轨道交通线网规划中占据极为重要的地位。广州市轨道交通五号线主控系统（MCS）集成了15个子系统，除了对变电所综合自动化子系统（PSCADA）、环境与设备监控子系统（BAS）进行深度集成之外，还集成了下列子系统：火灾自动报警系统（FAS）、门禁系统（ACS）、屏蔽门（PSD）、防淹门（FG）、信号系统（SIG）、自动售检票系统（AFC）、广播系统（PA）、闭路电视系统（CCTV）、车载信息系统（TIS）、乘客信息显示系统（PIDS）、调度电话系统（DLT）、通信集中告警系统（TEL/ALARM）、时钟系统（CLK）。开创了国内轨道交通综合监控系统深度集成的先河，具有集成范围广，集成深度大，集成水平高的突出特点。该系统为广州地铁运营提供更为强大的信息平台，为乘客提供更为优质全面的服务，为广州地铁的稳定、高效、安全运营发挥了重要作用。实现地铁信息互通、资源共享，提升自动化水平，提高地铁运营的安全性、可靠性和响应性，最终达到高效安全运营的目的。此外，还有杭州地铁一期工程也采用了“主控系统”，大大提高了信息共享、自动化管理、综合监控和应急处理能力。关于轨道交通主控系统深度集成，目前国内外还存在不同的意见，在实际操作中，需要根据轨道交通的规模、设备自动化水平、甚至包括后期维护水平等多方面考虑，来决定是否进行深度主控集成。环控系统地铁环境控制设备（简称：环控系统）分布式计算机自动化管理与控制系统，英文缩写BAS（又名EMCS），是将计算机及其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，该系统的控制对象主要为地铁通风空调设备、给排水设备、正常照明设备及电扶梯设备，其主要作用为：对于地铁这样大规模的而且非常重要的地下设施，其环境条件与地上空气相对封闭，乘客人员流量非常集中，如果对如此重要的场合没有一套完善可靠的自动化控制系统来对地铁内的环境质量进行监视和控制，使其在正常情况下满足乘客舒适度的要求，并在紧急情况下提对比分析ComparativeAnalysis  www.gongkong.com2008.02工控通讯供正确可靠的信息保证乘客人员安全，其后果将是非常严重的。其被控设备从工艺作用方面可划分为两类：环控系统工艺设备和地铁建筑附属其他机电设备。*根据BAS系统与其他系统的集成关系，其整体结构形式可分为两大类：独立系统结构形式和集成系统结构形式。1.独立系统结构根据设计规范的要求，BAS功能应包括3个层面：中心级、车站级和就地级，对应系统结构层次有3个部分：中心、车站和就地。根据BAS承担的功能范围，对应有以下几种结构形式：1)有中心功能结构如图1所示，这是一种完全独立的系统结构，较为传统和经典，目前建成或在建线路的BAS系统大多采用这种结构方式，如南京地铁1号线，天津地铁，广州地铁2号线等。有中心功能结构的特点是：●全线BAS作为一个专业系统完全独立设置，具有完整的、独立的各级结构与功能（系统包括完整的中心级、车站级和就地级结构）；●一般为单独标段并由一个系统集成商完成所有的工作；●系统中各级之间在同一个硬件及软件平台上无缝集成；●和其他系统之间存在有限的互连接口。优点：系统完整，接口及责任清晰，便于业主管理和实施；缺点：系统较为封闭，信息没有共享，须单独建设自己的网络及监控平台，需独占骨干网信息通道，硬件成本偏高，对集成商要求较高。2)无中心功能结构图2所示结构中，专业BAS系统不具备中心功能，因此就没有中心的结构及设备，是一种不完整的结构形表2中央级监控中央级监控系统是整个BAS系统的监控核心，其功能设计应面向地铁运营和维护，突出日常调度和防灾指挥功能，支持全局性的监控和管理，并实现用于调度和运营管理的数据设置、关键设备（隧道风机等）的摇控、组控及模式控制等功能，为环调及维调提供用于运营管理的、全局性的、并且可实现区域性监控操作的各类高效实用的监控手段设备监控与管理、运营调度及管理、在线帮助与决策支持、系统安全管理、通用人机界面功能、时钟同步中央级维护中央级维护功能一般和OCC的监控系统集成在一起实现，但有时需要在车辆段建立独立的维护系统、培训系统等，此时该系统的逻辑级别和OCC的监控系统是一致的，OCC监控系统更注重全局的监控及管理，而车辆段系统则更注重BAS系统的维护，同时根据需要，该系统又可作为OCC监控系统的后备系统，同样可以实现监控与管理功能。全线BAS系统工程管理、全线BAS系统监控与维护、全线后备监控与操作车站级正常工况下，提供灵活多样的、全面的监控方式与手段实现对车站环控系统及其他机电设备的监控操作、实时控制，并通过先进的、实用的控制算法和策略达到节能与优化控制的目的；非正常情况下，提供方便的协调和调度监控手段来满足和应对特殊的工况需求，并根据调度及触发命令完成模式控制。实时监控与联动控制、车站环境参数监控、车站空调系统控制、大系统设备的优化与智能控制、设备控制、防灾联动控制、紧急后备操作、子系统独立性、智能、优化与调节控制、用户友好的监控功能、系统安全措施、报警监控与管理功能、消防联动、系统恢复与保持功能、系统自诊断功能、系统状态监控、参数化系统就地级完成就地设备的控制和数据采集、状态显示、故障诊断等功能。信号采集、转换及传输功能、显示与诊断功能、数据传输和协议转换功能、单台设备控制功能、联锁控制图1图2图3就地级车站级监控车站1就地级车站级监控就地级车站级监控骨干网中央级监控系统（OCC）中央级监控系统（车辆段）车站2车站n注：*城轨交通BAS系统结构比较（北京和利时系统工程股份有限公司曲立东）ComparativeAnalysis对比分析2008.02www.gongkong.com工控通讯式，这种结构形式的BAS是以车站为单位的一个个相对独立的系统，如广州地铁3号线，北京地铁5号线，其特点如下：●BAS系统平台只局限于车站，具有完整的车站级系统结构及功能，中心的BAS功能一般由其他系统（如主控系统）实现；●BAS不提供与骨干网的接口，自身没有构成一个完整的大型SCADA系统，而是借助于其他系统；●BAS需要在车站级向综合监控系统提供物理及数据接口，向综合监控系统提供各车站BAS的实时数据，同时接收来自综合监控系统的数据。优点：BAS系统逻辑规模小，系统简化，只是以车站为单位的重复。与综合监控系统接口较清晰，BAS集成商实施难度较低。通过综合监控系统共享骨干网络（非独占网络通道），BAS信息得到共享，轨道交通系统整体得到优化。缺点：对综合监控系统的依赖性增强，BAS不能通过综合监控系统实施对自身的全线管理和维护，只能局限于车站。由于系统间的相对独立使得两系统都须向对方提供特定的集成接口，接口变得复杂，接口成本提高，系统整体效率不是很高，业主管理难度增大。3)混合结构结合了上述两种结构的特点，如图3所示，BAS既要在车站和综合监控系统接口，同时又要通过地铁骨干网形成一个较完整的BAS系统，如广州地铁4号线。这种混合结构的特点是：●BAS系统相对独立，具有完整的各级结构及功能；●在车站向综合监控系统提供接口，以适应多专业系统的集成需求；●正常情况下，借助综合监控系统实现中心级监控功能；●利用地铁骨干网，构建备用中心功能系统（如车辆段的中央级维护系统，该系统除在正常情况下实现对全线BAS的集中维护工作外，同时亦