管亚敏/张　军

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；2.成都四为电子信息股份有限公司，湖北 武汉 430073)



关于城际铁路BAS系统结构的研究

管亚敏1/张军2

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；2.成都四为电子信息股份有限公司，湖北 武汉 430073)

0　引言

随着区域经济与城市化的发展，我国提出在经济发达和人口稠密地区建设城际铁路客运系统，覆盖区域内主要城镇，以满足这些地区城际客流的出行需要。与地铁相比，城际铁路项目中往往无综合监控系统，因此机电设备监控系统(简称BAS系统)作为城际铁路运营保障系统的重要组成部分，对确保全线机电设备系统状态良好和城际铁路安全、可靠、高效运行起着非常重要的支撑作用。作为一个自动控制系统，其系统结构对系统的可靠性、灵活性和经济性起着决定性的作用，因此在城际铁路建设方兴未艾的当下，针对城际铁路的建设和运营特点，研究并优化BAS系统的系统架构就具有非常重要的指导意义。

1　影响BAS系统结构的因素

城际铁路BAS系统通常依站设置，形成一个沿线路分布、以车站为单位的分散的大型分布式自动化系统。作为一种综合自动化控制系统，BAS系统遵循“集中管理、分散控制”的设计原则与两级管理、三级控制的控制模式[2]。整个系统主要由中央、车站和现场三级组成，这也是BAS系统结构研究的主要对象。影响城际铁路BAS系统结构的主要因素包括系统数据服务模式、线路的敷设方式、线路的运营管理模式等。

1.1数据服务模式

BAS是以数据服务为核心的监控系统，其数据服务模式的选择在很大程度上影响了系统的整体架构。目前，BAS系统常见的数据服务模式主要有三种：集中式数据服务模式、分布式数据服务模式和集中分布式数据服务模式[1]。

1.1.1集中式数据服务模式

集中式数据服务模式是基于服务器的数据分发方式。车站级服务器负责与现场控制器和各个子系统进行数据交换，提供分散的实时数据对象服务，但是，车站级服务器没有完整的数据库，获取实时数据后只是将数据协议进行转换再传送给中央级服务器，所有车站级实时数据的分析、处理以及调度命令的发出都由中央级服务器完成，车站级服务器不对数据进行分析和处理，只是收集数据和接收中央服务器发送的指令，并将该命令下发给操作站和现场级监控系统进行显示、执行。

与集中式数据服务模式相对应的系统结构是集中式监控方案。该方案中，海量数据的收集和实时处理完全在中央级BAS上进行，车站级BAS仅收集和转发数据，即车站级BAS采集现场所有被控对象的实时数据并上传给中央级BAS，中央级BAS再集中完成整条线路数据的接收、分析和处理等操作。

1.1.2分布式数据服务方式

分布式数据服务方式采用以车站级数据库为数据资源的数据分发方式。车站级服务器负责与各个子系统进行数据交换，为中央级服务器提供分散的基础实时数据对象服务；中央级服务器主要保存历史存档数据，提供实时数据对象副本和历史数据对象服务；中央级和车站级服务器在实现监控、处理、调度以及显示等功能时，都从车站级数据库获取实时数据。这种数据服务方式中，中央级和车站级服务器的数据获取处于同一层面，因此在不考虑网络延时的情况下，中心操作延时与车站操作延时基本相同。

与分布式数据服务方式相对应的综合监控系统结构是分布式监控系统。该系统将车站级作为数据收集、处理和保存的核心，车站级服务器一方面采集现场级监控系统的数据并保存，另一方面向中央级和车站级服务器随时提供其所需求的数据；且中央级服务器不再设置全局的实时数据服务器，只设置实时数据和历史数据库的索引，即在进行相关的集中监控操作时，通过索引向各车站获取实时数据，将数据进行分布式存储与集中式共享。

1.1.3集中分布式数据服务方式

目前在实际项目设计中通常选择采用集中分布式数据服务模式。所谓集中分布式数据服务模式是基于分布式数据服务模式的一种优化。系统整体采用分布式数据服务方式，将各车站作为数据收集和处理的核心，同时中央级监控中心又对所有车站数据进行收集、集中存储、管理等操作。采用集中分布式数据服务模式的BAS系统图如图1所示。

图1　集中分布式BAS系统结构示意图

1.2线路敷设方式

城际铁路主要承担城市之间的中短途旅客运输，其功能和服务对象决定了其线路的自身特点。与干线铁路不同，城际铁路的线路选择主要考虑是否有利于客流集散和是否能最大程度吸引客流，所以线路应尽量伸入城市中心城区，靠近客流中心。与地铁相比较，城际铁路距离偏长，需要穿越城市之间的大片开阔区域。上述特点决定了城际铁路一般采取高架、地下、地面三种敷设方式相结合的建设方案。

不同的线路敷设方式决定了不同的车站建设方式(包括高架站、地面站、地下站)。一般来说，高架站和地面站的建筑设计和功能布局与大型铁路的小型站房非常类似，而地下站的设计则与地铁车站类似，只是面积更大一些。与地铁不同，城际铁路往往具有多个地下区间，而非全线只有一个连续的地下区间。以莞惠城际为例，正线全长约99.816km，共设置6 个高架站、1 个地面站、10 个地下站，其中包括2个连续的地下区间段、2个高架区间段和1个地面区间段。

对于同一个地下区间，BAS系统需要考虑在阻塞模式和火灾模式下相邻隧道和车站的通风联动问题，而对于不同的地下区间相互之间则没有联动要求，因此不同地下区间的BAS系统既可集中设置，也可分开设置。对于高架站和地面站，其通风系统是独立的，没有与其他车站和隧道的联动要求，其BAS系统也可以单独设置，无需接入中央监控中心。

综上所述，BAS系统的整体结构应考虑适应城际铁路多种敷设方式相互交叉的实际情况。

1.3运营管理模式

目前城际铁路主要有两种运营管理模式，一种是与干线铁路类似，由铁路局代管的运营管理模式，简称大铁代管模式；一种是与地铁类似，由城际铁路公司自行管理的运营管理模式，简称公司管理模式。以珠三角城际铁路为例，已开通的广珠城际、佛肇城际、莞惠城际和在建的穗莞深城际由铁路总公司和广东省共同投资建设，线路建成后采用大铁代管模式，交由广州铁路集团负责日常的线路设备维护和运营管理工作；而广佛环线、佛莞城际、广清城际等城际铁路，主要由广东省投资建设，预计将会采用公司管理模式，由珠三角城际铁路公司负责日常运营。

不同的运营管理模式将会对BAS系统结构设计产生影响。举例来说，在大铁代管模式下，地下区间隧道内的机电设备一般由工务段接管，车站内设备由车站或第三方物业公司接管，因此隧道BAS和车站BAS需要分开独立设置；而在公司管理模式下，区间隧道和车站的BAS系统统一由自动化工班负责日常维护、由车站负责日常使用，因此统一设置区间隧道BAS和车站BAS即可。

2　车站级结构规划

车站BAS系统是一套具有完整结构的自治系统，具备自律性，可以独立完成车站相关机电设备的监控工作，不依赖中央级监控中心，能提供本站的实时数据服务，是全线BAS的基本单位。车站BAS可以接收来自中央级监控中心的指令，还可以向任何需要车站数据的客户提供车站全部实时数据和历史数据的服务[3]。

车站级BAS系统由主控制器(冗余PLC)、远程I/O(RI/O)、现场总线、各类传感器等设备组成。影响车站级BAS系统结构的因素主要包括采用的车站形式和网络技术。

车站形式不同，其主控制器设置会有差别。对于地下站，车站规模较大(一般>10 000 m2)，需要监控的机电设备(特别是环控设备)较多，因此一般选择在车站两端的环控电控室分别设置冗余PLC，负责监控本端的被控设备。车站两端的冗余PLC通过冗余现场总线(包含RS485总线或以太网总线)实现互相连接。在车站两端的冗余PLC中，一般将车控室同侧的冗余PLC作为主控制器，主控制器除承担本端设备监控的任务外，还负责连接车站BAS主站系统。对于地面站和高架站，需要监控的机电设备数量较少，因此设置一套冗余PLC即可满足要求。

根据采用的网络技术，车站级BAS整体呈两种系统结构：扁平化系统结构和层次化系统结构[2]。

2.1扁平化系统结构

扁平化系统结构通常是指车站监控层设备(工作站、服务器等)和各PLC控制器在同一个网络层，各控制器和监控设备之间的通信基于同一个网络平台实现。通常采用基于TCP/IP协议的工业以太网交换机构成一个环形网络，将车站的各个PLC控制器连接到环网上。其系统结构图如图2所示。

图2　基于以太网的扁平系统结构

各控制器之间及控制器和监控工作站之间通过环形以太网进行数据交换，并通过该网络和通信骨干网的接口实现与中央级系统通信。出于可靠性考虑，PLC、交换机等关键设备可冗余配置。

扁平化系统结构的优点是系统层次少、数据流简单、通用性强。

2.2层次化系统结构

层次化系统结构的特点是将车站BAS系统细分为3个层次(监控层、控制层、现场层)，成为一个分层、分布式的自动化系统。

监控层作为监控设备(工作站、服务器)和控制器之间的网络平台，一般采用工业以太网技术，网络冗余配置；控制层通常用于各PLC控制器之间的网络平台，网络类型一般为各个PLC厂家提供的适应自身产品的专用网络或开放网络；现场层一般用于控制器和分布式I/O之间的现场总线或专用I/O总线，传输介质以屏蔽双绞线为主。由于有些厂家也支持I/O通信，因此控制层和现场层也可以合并为一层网络。层次化车站BAS系统结构图如图3所示。

图3　层次化车站BAS系统结构

分层结构的优点是将车站BAS系统的数据分类，每一类数据利用不同的网络方案实现数据传递。如对于PLC控制器之间要求实时性较高的控制类信息，则采用控制级网络来满足对传输时间有苛刻要求的数据传输(一般在ms级)；对于现场I/O类数据，则采用现场总线技术实现；对于监控调度类数据，则利用以太网来传输，由于这类数据往往只对带宽要求较高，而对数据传输时间要求较宽松(一般在s级)，因而基于TCP/IP协议的以太网正适合这种应用。

3　线路整体结构规划

规划BAS系统整体结构通常依照城际铁路的弱电系统整体方案、BAS系统规模、骨干网方案、BAS系统功能需求和线路运营管理模式等方面展开，以此决定BAS系统结构的整体形式[4]。例如，城际铁路车站的建筑形式(地下站、地面站、高架站)决定了BAS系统的范围和规模；BAS系统功能需求决定了设置中央监控主站还是区域监控主站；线路的运营管理模式决定了是否需要独立设置隧道BAS。综合考虑以上因素，BAS系统的整体结构可细分为多种结构模式。

3.1铁路局代管模式下的全线一主站模式

在这种模式下，整条城际铁路BAS系统设置唯一的中央监控主站作为BAS系统的中央管理级。中央监控主站与车站级监控系统经通信专业骨干网络联接，组成BAS系统全线监控网络。每个地下区间隧道设置一套独立的隧道BAS，与车站BAS同级，通过通信专业提供的接口接入全线网络。项目建成后，隧道BAS主站一般设置在工务段工区，由工务段接管使用。在实际运营中，地面站和高架站的BAS系统的功能相对独立，与邻近车站没有联动需求，对是否纳入全线监控环网也无特别要求，一般是依业主要求而定。系统结构图如图4所示。

图4　铁路局代管模式下的全线一主站模式

图5　铁路局代管模式下的区域主站模式

图6　公司管理模式下的全线一主站模式

图7　公司管理模式下的区域主站模式

3.2铁路局代管模式下的区域主站模式

所谓“区域主站模式”就是针对城际铁路一条线路存在多个地下区间，且地上站与地下站之间没有联动需求的实际情况，不设置全线中央监控主站，而是按照“一个连续地下区间设置一套主站”的方式设置区域监控主站。在这种模式下，地面站和高架站不接入区域主站监控中心，而且隧道BAS主站与区域监控主站可以合并设置。系统结构图如图5所示。

3.3公司管理模式下的全线一主站模式

与铁路局代管模式相比，公司管理模式下的隧道内设备就近接入车站监控，不单独设置隧道BAS，结构更加简洁、统一。系统结构图如图6所示。

3.4公司管理模式下的区域主站模式

在公司管理模式下，不单独设置隧道BAS，区域主站与本地下区间内的某一个车站BAS合并设置。系统结构图如图7所示。

4　结束语

本文希望通过总结前期项目的设计、建设和运营经验，提出不同的BAS系统结构模型并分析不同模型的优缺点和适用性，为新建城际铁路BAS系统的设计方案选型提供参考。在我国城际铁路建设快速推进的进程下，构建更加经济、高效、可靠的BAS系统是城际铁路建设者们的奋斗目标。

[1]GB 50157-2013.地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[2]曲立东.城市轨道交通环境与设备监控系统设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2008.

[3]刘晓娟，林海香，司徒国强.城市轨道交通综合监控系统[M].成都：西南交通大学出版社，2011.

[4]魏晓东.城市轨道交通自动化系统与技术[M].北京：电子工业出版社，2004.

Research on the BAS System Structure of Inter City Railway

Guan Yamin/Zhang Jun

当前我国城际铁路建设方兴未艾，BAS系统作为运营保障系统的重要组成部分，对线路运行起着重要的支撑作用。通过总结既有项目经验，针对BAS的系统结构设计提出了参考方案，可供借鉴。

BASPLC机电设备监控城际铁路系统结构

Currently,China’s inter city railway construction is developiny,BAS system as a significant part of operation security system,play an important supporting role in the line operation.On the basis of the existing project experience,a reference solution of BAS system architecture has been proposed for information.

BAS，PLC，electrometrical equipment monitoring，intercity railway，system architecture