王国霖

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

城市轨道交通发展之初，自动化系统通常以分散方式独立运行[1]。网络信息技术的发展，给乘客提供了更舒适、快捷的乘车体验，城市轨道交通工程车站中机电设备数量和种类逐渐增加，为了对各类机电设备的统一管理，环境与设备监控系统随之诞生。

环境与设备监控系统(BAS)是机电设备的主要监控系统[2]。主要对地铁内的通风空调系统设备、给排水设备、自动电扶梯、照明设备等车站设备进行全面、有效地自动化监控及管理[3]。同时，BAS系统在非正常运行(如火灾、列车故障等)情况下，采集并判断各机电设备的运行状态，执行相应防灾和阻塞模式，保障车站环境和乘客人员安全[4]。

然而，环境与设备监控系统仅能解决对各类设备的监控和管理，自动化程度仍有欠缺。因此最终综合监控系统作为一个功能强大、开放、模块化、可扩展的分布式系统，通过对环境与设备监控系统在内的子系统的集成和互联，实现了数据的共享、调度、维修的统一及整合[5]。其具有全面性与复杂性，涵盖了网络、信息、自动化等多项专业技术，多种技术的协同为问题的分析与处理提供了帮助[6]。

综合监控系统作为高度集成的城市轨道交通机电系统，其发展一直与城市轨道交通运营模式相适应[7]，承担着数据传输、系统联动、设备管理的枢纽、核心作用[8]。

按照运量不同，城市轨道交通系统可分为大运量、中运量、低运量3种形式[10]。跨座式单轨属于中等运量城市轨道交通系统，运行速度可达80 km/h[11]，目前国内主要分为传统跨座式单轨和轻型跨座式单轨，前者一般指2004年开通运营的重庆轨道交通2号线及后续的3号线和空港线，后者则以计划2021年开通的芜湖轨道交通1号线、2号线一期为代表。相较于传统的跨座式单轨系统，轻型跨座式单轨工程造价更低、建设周期更短，其高架车站主体面积通常不超过5 000 m2，地下站不超过8 000 m2。然而跨座式单轨工程中各设备系统专业的配置与地铁工程相比却基本没有缩减，要在减小了1/2甚至2/3的车站中塞下同样的系统必然要对传统方案进行优化，加强设备系统间的整合程度，同时整合后的设备系统也能够进一步缩减工程的总体造价和建设周期，从而实现良性循环。

综合监控系统虽然实现了对环境与设备监控、电力监控等系统的整合，但是地铁工程中还存在通信、信号、自动售检票等大量独立的弱电系统，能否对各个系统进行进一步的整合始终是行业内关注的重点，国内众多从业者也对此进行了探索和研究。刘芽等在呼和浩特地铁1号线中对信号系统、专用通信系统、公安通信系统、综合监控系统(ISCS)、自动售检票系统(AFC)、乘客信息(PIS)、门禁(ACS)、环境与设备监控系统(BAS)、火灾自动报警(FAS)等系统的电源进行整合[12]；
陈嘉麒对地铁车站设备用房内的空调系统整合进行研究[13]；
杨韬试图简化综合监控系统内部架构[14]。

综上所述，行业对于城市轨道交通工程弱电系统的轻量化研究始终没有停止，以下也将从多个角度出发，综合探讨以综合监控系统为首的弱电系统在跨座式单轨工程中的轻量化方案。

2.1 综合监控系统配置的必要性

作为国内较早进行可行性研究、初步设计的轻型跨座式单轨工程，芜湖轨道交通1号线、2号线一期工程在设计初期围绕着是否配置综合监控系统进行了许多讨论，最终在初步设计阶段选择取消设置综合监控系统。

然而随着工程的推进，综合多方意见，发现虽然取消综合监控系统节省了建设阶段系统本身的成本投入。但城市轨道交通综合监控系统是运用各种自动化技术手段，通过与相关机电系统的集成和互联，实现各类信息资源的有效整合，方便对相关机电设备进行有效管理的大型监控系统。此系统的缺少会导致其他机电设备系统规模增大，进而增加建筑用房需求和运营管理的复杂程度[15]。故而最终通过方案调整，确定了由环境与设备监控系统承担部分综合监控系统的功能。

综合测算后，以芜湖轨道交通1号线为例，设置综合监控系统后，项目建设与运营总投资可大幅降低，无论是在地铁工程还是跨座式单轨工程中，综合监控系统都有其存在的必要性，增设综合监控系统可带来的系统规模缩减及运营简化见表1。

表1 系统规模缩减及运营简化

2.2 综合监控系统定位及架构

(1)总体架构

综合监控系统一般采用两级管理，三级控制的分层分布式结构。两级管理分别是中央级和车站级，三级控制分别是中央级、车站级和现场级。现场级控制是指在被控对象附近的就地控制，现场级控制功能由各相关系统来完成[16]。

跨座式单轨交通综合监控系统同样采用此系统架构，整个系统可划分为设置于控制中心的中心控制层、设置于各车站的车站控制层和各子系统当地自动化设备层。

(2)各级管理权限定位

综合监控系统的设置应结合我国国情，设立各级管理权限，控制中心与车站的控制权限应可以进行移交或转移，综合监控系统相关子系统在控制中心、车站级的主要管理职责见表2[17]。

表2 综合监控系统各子系统主要管理权限

2.3 综合监控系统的轻量化

(1)中心级轻量化

对于综合监控系统的中心级设置方案，主要有两种。

一种是主备中心式的综合监控系统，主控制中心位于控制中心大楼，在控制中心大楼内设置中央级的综合监控系统，负责对全线运营调度指挥以及数据的存储与备份，备用中心在控制中心大楼以外如车辆段，并可与车辆段合并设置，在车辆段综合监控系统的基础上扩充一套备用的中央级综合监控系统，当主中心故障时备用中心可接替主中心临时行使中央级的调度管理功能。若主中心和备用中心均故障时，由各车站级综合监控系统接管，临时指挥各车站管辖范围内机电设施的调度管理，系统架构示意见图1。

图1 主备中心式系统架构示意

另一种是单一中心式的综合监控系统，即仅在多条线共用的控制中心大楼内设立一处中心级综合监控系统，负责对全线运营调度指挥以及数据的存储与备份，在沿线各车站(含车辆段/停车场)设置车站级综合监控系统，负责本车站相关机电设施的监控管理。若中央级综合监控系统故障，由各车站级综合监控系统接管，临时指挥各车站管辖范围内机电设施的调度管理，系统架构示意见图2。

图2 单一中心式系统架构示意

从可靠性角度考虑，主备中心方案的可靠性要优于单一的主中心方案。

从运行与管理角度考虑，两个方案相当，均具有责任划分清晰，分工明确，易于操作和实施的优点。

从规模与投资考虑，对于单一中心方案，在中心需设置中央级综合监控系统，满足电/环调、行调、总调等调度员的工作需求，在车站需设置车站级综合监控系统，满足车站值班站长和值班员的工作需求。对于主备中心方案，由于增加了备用中心，其投资将会增加，一般将备用中心与车辆段合并设置，降低其总体投资，提高方案性价比。

上述两种方案综合比较简述见表3。

表3 中心级方案比较

在以地铁为代表的城市轨道交通工程中，通常采用主备中心式的设计方案，然而在以芜湖1号线、2号线一期为代表的轻型跨座式单轨系统中，作为中等运量城市轨道交通系统，整体线路客流较小，在城市交通体系中所起到的作用小于地铁，且多为高架线路，突发情况下乘客疏散也较为方便，因此轻型跨座式单轨采用单一中心级系统更加有利于降低工程总体造价，减少工程建设周期。

(2)车站级轻量化

①车站级系统轻量化

综合监控的车站级系统建设方案主要有两种。一种是服务器、工作站架构的传统方案，在沿线各车站设置独立的系统服务器、操作员工作站、交换机，实现本车站的车站级综合监控系统功能，并通过主干网直接与控制中心综合监控系统进行数据交换，系统架构示意见图3。

图3 服务器、工作站架构

另一种是区域中心站方案，本方案基于系统的相连性及现代传输网络的高速性和可靠性，将以往的单一车站为控制单元改作按区域划分控制单元。根据各车站监控点位的数量，将3～5个车站合为1组，每组设一区域中心车站，其余为卫星站。控制中心只需与区域中心车站值班站长联络，而区域中心车站值班站长向其负责车站的值班人员发出指令，系统架构示意见图4。

图4 区域车站架构

以芜湖轨道交通2号线一期典型站梦溪路站为例，BAS系统总监控点位数约为5 000，传统地铁车站综合监控系统单站监控点位数约为15 000，个别大型车站单站监控点位数超20 000[18]，可见轻量化后的跨座式单轨工程车站监控需求较地铁显著降低，以传统地铁车站级综合监控系统的处理能力可以满足3～4座高架跨座式单轨车站的需求，故轻型跨座式单轨综合监控系统的车站级采用区域型车站方案可行。

②BAS系统车站配置轻量化

BAS主控制器，即PLC控制器，是BAS系统的中枢，起到承上启下的作用，对PLC控制器的设置，目前在城轨工程中主要存在如下两种方案。

第一种是单端冗余配置控制器方案，即在靠近车站控制室一端的机房内配置一组冗余的工业级PLC控制器，其与IBP盘PLC、远程I/O等设备采用现场总线或以太网络连接，实现数据通信。

另一种是双端冗余配置控制器方案，即在靠近车站控制室一侧配置一组冗余的工业级PLC主控制器，在车站另一端配置冗余从控制器。主、从PLC控制器之间采用现场总线或以太网络连接，实现数据通信。

对于这两种方案，单端冗余方案的优点是只设一套控制器、监控管理集中、投资较低、编程方便，但缺点是布线复杂，车站另一端的现场级网络需穿越整个站厅、站台连接至控制器一端。

双端冗余的优点是两组冗余控制器分开设置，可靠性高、布线相对较简单，但缺点是系统调试较复杂，投资相较单端冗余方案要高。两种做法的详细优缺点对比见表4。

表4 PLC单端冗余与双端冗余方案对比

由于芜湖轨道交通工程中绝大多数车站都是地面站、高架站，仅有芜湖火车站站为地下车站。所以在设计时，对于芜湖的地面站、高架站均采用了单端冗余PLC的方案，大幅节省设备用房需求，而对于地下站芜湖火车站站则是采用了双端冗余PLC的方案，且将从PLC设置于小端的环控电控室内，并未新增设备房间。

(3)电源轻量化

传统地铁工程中，出于安全需求或运营管理单位的工作需要，通常为通信系统、综合监控系统、其他机电设备系统分别配置UPS，并分别设置UPS用房，以北京地铁部分线路为例，相关UPS用房见表5。

表5 传统地铁UPS用房

在芜湖轨道交通中，综合监控系统(含BAS)与通信系统实现了UPS的整合，这不仅减少了UPS主机数量，同时减少了因预留而配置的电池数量，进而控制了UPS系统的用房需求，也为之后的用房轻量化打下了基础。

传统地铁工程弱电系统主要包括专用通信系统、公安通信系统、民用通信系统、信号系统、综合监控系统、自动售检票(AFC)系统、门禁系统，通常各系统单独设置设备用房，以北京某线路为例，除信号系统外各弱电系统用房见表6。

表6 传统地铁弱电用房

由此可见，传统地铁中各弱电系统用房面积合计超400 m2，这对于总建筑面积不超过5 000 m2的轻型跨座式单轨车站来说占比较大。而且在上述这些房间中，综合监控设备室内机柜为3台、门禁设备室内机柜为1台，AFC设备室内机柜为3台。可见弱电系统中，除通信系统、信号系统外的其他系统并无大量机柜需要放置，分系统配置用房虽然为运营管理提供了便捷，但也势必造成整体用房面积的增加，这在地铁工程中或许利大于弊，但在轻型跨座式单轨工程中则是必须改进的问题。

芜湖城市轨道1号线、2号线一期工程中，各弱电专业进行充分沟通，最终由通信专业牵头，实现了信号系统外各弱电系统设备、电源的用房整合；
信号系统也实现了其设备与电源用房的整合。以某信号集中站为例，最终形成的整合结果见表7。

表7 单轨弱电用房

经计算，经过整合后的全部弱电系统用房面积仅为195 m2，相比传统地铁车站设备用房面积减少了55%。

轻型跨座式单轨车站多为高架车站，芜湖单轨1、2号线高架车站外表面采用玻璃幕墙方案，站厅、站台公共区采用半开放设计，这保证了暖通专业可以在站厅、站台公共区不设置排烟和新风系统，而是选择采用自然排烟、自然通风的设计思路。

芜湖火车站作为芜湖1、2号线工程中唯一的地下站，得益于弱电系统用房整合，大幅减少了站房总体面积。

以北京地铁某站为例，全站通风空调系统所需BAS监控设备共计262处(含风量调节阀、防火阀、各类风机等)，而芜湖单轨2号线一期工程标准站梦溪路站全站所需监控的通风空调设备仅为15处，减少95%；
芜湖火车站站所需BAS监控的通风空调设备为38处，减少85%。这为ISCS和BAS系统的轻量化提供了重要基础。

以芜湖城市轨道交通1号线、2号线一期为例，对轻型跨座式单轨工程中综合监控系统的架构简化、用房整合、电源整合等方面进行了研究。指出芜湖单轨工程实施中充分利用其站房形式多为高架车站的优势，多专业相互配合以减少机电系统设备总数，进而减少综合监控系统、环境与设备监控系统的系统规模，为其与通信系统用电整合提供基础，实现除信号系统外其他弱电系统的UPS整合，并最终实现了弱电系统的用房缩减，形成良性循环。

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