陳軍波，程奕凌，戴 明，鐘 濱

（1.西成鐵路客運(yùn)專線陜西有限責(zé)任公司，西安 710045；2.南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院、人工智能學(xué)院，南京 210023；3.南京恒星自動(dòng)化股份有限公司，南京 210042）

0 引言

鐵路是國民經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈，近幾年中國鐵路高速發(fā)展。當(dāng)鐵路穿越山嶺地區(qū)時(shí)，由于牽引力有限，需要采取開挖隧道的措施。隧道可以有效縮短線路、減小坡度、保障列車平穩(wěn)通過山嶺。但隧道內(nèi)部光線昏暗、通風(fēng)不良，是事故的頻發(fā)地點(diǎn)，并且當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，隧道內(nèi)大量的照明、通風(fēng)和消防設(shè)備會(huì)給救援工作造成諸多不便。由此可見，隧道的防災(zāi)救援水平直接影響整個(gè)鐵路的安全運(yùn)營(yíng)，所以目前的鐵路亟需一套安全、智能的隧道防災(zāi)救援監(jiān)控系統(tǒng)。

目前，已有相關(guān)文獻(xiàn)針對(duì)鐵路中的隧道防災(zāi)救援控制系統(tǒng)做出了研究，文獻(xiàn)[1]對(duì)隧道設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的控制方式、數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)軟硬件選擇等方面進(jìn)行探討，為設(shè)計(jì)鐵路防災(zāi)救援設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)提供了思路；文獻(xiàn)[2]開發(fā)基于二級(jí)架構(gòu)的新型鐵路隧道防災(zāi)疏散救援設(shè)備設(shè)施智能監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)防災(zāi)通風(fēng)、應(yīng)急照明、疏散指示、其他消防設(shè)備設(shè)施、防護(hù)門等設(shè)備設(shè)施的有效監(jiān)控，為隧道監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)施提供一定的參考。本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，按照鐵道部頒布的《TB10020-2017鐵路隧道防災(zāi)救援疏散工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中的要求，設(shè)計(jì)一種隧道防災(zāi)救援控制系統(tǒng)，主要對(duì)隧道內(nèi)的通風(fēng)、照明、消防泵等設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)布局Fig.1 Monitoring system distribution

1 方案概述

防災(zāi)救援控制系統(tǒng)主要完成隧道內(nèi)防災(zāi)通風(fēng)設(shè)備、電力設(shè)備、應(yīng)急照明等的集中監(jiān)控、故障報(bào)警及調(diào)度管理，在發(fā)生災(zāi)情時(shí)，能夠根據(jù)預(yù)先生成的災(zāi)情預(yù)案進(jìn)行控制，達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的，以保障列車的正常運(yùn)行。

1.1 監(jiān)控主站及監(jiān)控工作站

隧道防災(zāi)救援設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)具備對(duì)上接入調(diào)度指揮中心的鐵路隧道防災(zāi)救援監(jiān)控中心總平臺(tái)條件。防災(zāi)監(jiān)控主站盡可能利用既有的隧道照明監(jiān)控主站設(shè)備，通過增加部分設(shè)備實(shí)現(xiàn)隧道防災(zāi)監(jiān)控主站的全部功能。

以黔張常鐵路工程為例[3]，來分析本監(jiān)控系統(tǒng)的布局理念。如圖1所示，分別在龍山、張家界工務(wù)段內(nèi)設(shè)置監(jiān)控工作站，在張家界西綜合工區(qū)設(shè)置一套監(jiān)控主站，用于監(jiān)控轄區(qū)內(nèi)隧道防災(zāi)救援設(shè)備運(yùn)行情況。監(jiān)控工作站利用通信專業(yè)提供的SDH/MSTP網(wǎng)絡(luò)與指揮中心監(jiān)控主站相連[4-6]。5km以上隧道照明監(jiān)控系統(tǒng)作為隧道防災(zāi)救援監(jiān)控子系統(tǒng)，隧道防災(zāi)救援監(jiān)控工作站具備隧道照明監(jiān)控系統(tǒng)接入條件，復(fù)示終端利用防災(zāi)救援監(jiān)控工作站。

當(dāng)然，本監(jiān)控系統(tǒng)的布局理念也可以用于其他鐵路工程中，這里只是采用具有代表性的黔張常鐵路工程作為案例。

圖2 監(jiān)控主系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 Network structure of Monitoring main system

1.2 隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控裝置

隧道防災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控裝置包括：隧道主控制器、現(xiàn)場(chǎng)IBP盤及監(jiān)控RTU裝置等。

隧道主控制器設(shè)置于長(zhǎng)隧道進(jìn)口/出口處，負(fù)責(zé)隧道內(nèi)防災(zāi)機(jī)電設(shè)備的統(tǒng)一監(jiān)控和管理以及與主站之間的上通下達(dá)。主要由高檔工業(yè)級(jí)可編程控制器、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)（環(huán)形自愈型）、控制箱等組成。

隧道監(jiān)控RTU裝置負(fù)責(zé)完成防災(zāi)風(fēng)機(jī)、水泵、照明、設(shè)備洞室防護(hù)門等設(shè)備的數(shù)據(jù)采集及控制。具體分工如下：

1）風(fēng)機(jī)監(jiān)控RTU：獨(dú)立成柜，完成對(duì)救援風(fēng)機(jī)手動(dòng)/自動(dòng)位置、運(yùn)行狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)、故障報(bào)警、啟/停等重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視和控制。

2）水泵監(jiān)控RTU：獨(dú)立成柜，完成對(duì)水泵手動(dòng)/自動(dòng)位置、運(yùn)行狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)、故障報(bào)警、啟/停等重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視和控制。

3）照明監(jiān)控RTU：獨(dú)立成柜，完成對(duì)照明手動(dòng)/自動(dòng)位置、運(yùn)行狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)、故障報(bào)警、啟/停等重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視和控制。

4）洞室防護(hù)門開閉狀態(tài)信息利用附近照明監(jiān)控RTU上傳。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

構(gòu)建隧道設(shè)計(jì)防災(zāi)救援設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱TRMS系統(tǒng)。系統(tǒng)采用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，包含雙服務(wù)器、雙前置機(jī)、WEB服務(wù)器、各類工作站、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)等。

圖3 監(jiān)控子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 Network structure of monitoring subsystem

2.1 監(jiān)控主系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

從圖2中可見，TRMS系統(tǒng)由監(jiān)控主機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)控制單元（LCU）以及通信網(wǎng)絡(luò)組成。

防災(zāi)救援設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控主站一般設(shè)置在綜合維修工區(qū)；現(xiàn)場(chǎng)控制單元LCU及通信設(shè)備構(gòu)成隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控子系統(tǒng)；通信網(wǎng)絡(luò)分為干線網(wǎng)絡(luò)和隧道內(nèi)網(wǎng)，干線網(wǎng)基于鐵路傳輸網(wǎng)SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字體系）或MSTP（Multi-Service Transfer Platform，基于SDH的多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái)）構(gòu)建，隧道內(nèi)網(wǎng)則由光纖環(huán)網(wǎng)組成，光纖環(huán)網(wǎng)由本系統(tǒng)和隧道照明監(jiān)控系統(tǒng)共同組建[7,8]，本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備經(jīng)光纖交換機(jī)接入光纖環(huán)網(wǎng)。

2.2 監(jiān)控子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

監(jiān)控子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示，在監(jiān)控子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中引入自愈環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)[9]，繼承了以太網(wǎng)速度快、成本低、高實(shí)效、高擴(kuò)展性及高智能的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)為網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸提供了一條冗余鏈路，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，不會(huì)因?yàn)橥ㄐ欧?wù)器失效、網(wǎng)絡(luò)斷線或交換機(jī)故障而導(dǎo)致整個(gè)通信系統(tǒng)癱瘓。現(xiàn)場(chǎng)控制層使用這種網(wǎng)絡(luò)，不僅可以提高通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度，同時(shí)也提高了控制層的通信可靠性。

在一個(gè)典型的環(huán)網(wǎng)中，有一個(gè)主交換機(jī)。正常工作時(shí)，主交換機(jī)的其中一個(gè)連接端口被置為阻塞狀態(tài)，阻止以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，僅允許轉(zhuǎn)發(fā)冗余控制幀，保證了物理上是一個(gè)回路。這樣在正常情況下，主交換機(jī)有一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)端口和一個(gè)阻塞端口，環(huán)上其他設(shè)備節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)端口均為轉(zhuǎn)發(fā)端口。當(dāng)環(huán)網(wǎng)中的某個(gè)交換機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，主交換機(jī)會(huì)在50ms以內(nèi)檢測(cè)到故障并開啟阻塞端口。

圖4 系統(tǒng)組網(wǎng)Fig.4 System networking

圖5 隧道現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)網(wǎng)Fig.5 Tunnel site intranet

3 系統(tǒng)組網(wǎng)

如圖4所示，監(jiān)控主站與隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控子系統(tǒng)之間采用SDH/MSTP組成，監(jiān)控主站與隧道現(xiàn)場(chǎng)間采用兩條互為備用的專用通道。隧道防災(zāi)RTU監(jiān)控裝置之間采用光纖環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)架構(gòu)，經(jīng)單模光纜連接至主控制器，進(jìn)而接入就近的通信基站，將現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳送到監(jiān)控主站。在既有隧道照明監(jiān)控光纖環(huán)網(wǎng)基礎(chǔ)上，通過增加網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點(diǎn)設(shè)備，形成隧道防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的隧道現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)網(wǎng)，如圖5所示。

全線隧道內(nèi)增設(shè)防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)的電力設(shè)施、照明、應(yīng)急照明、10kV風(fēng)機(jī)、0.4kV風(fēng)機(jī)、風(fēng)門、消防泵等設(shè)備的集中監(jiān)控、故障報(bào)警和調(diào)度管理等功能。防災(zāi)救援控制系統(tǒng)主站端服務(wù)器、前置機(jī)、工作站等通過交換機(jī)構(gòu)成局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)以及監(jiān)控等。各隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)控制箱、照明控制箱等通過光纜構(gòu)成環(huán)網(wǎng)后接入主控制器，主控制器接入對(duì)應(yīng)通信基站，并將各RTU采集到的數(shù)據(jù)上送至調(diào)度主站。

系統(tǒng)由監(jiān)控主站、隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備及通信系統(tǒng)3個(gè)部分組成：

1）隧道防災(zāi)監(jiān)控主站是隧道防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)度和指揮中心，負(fù)責(zé)隧道照明設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制和調(diào)度、管理，并負(fù)責(zé)與其他自動(dòng)化系統(tǒng)接口，實(shí)現(xiàn)信息傳遞、報(bào)警聯(lián)動(dòng)等功能，為鐵路安全運(yùn)行提供技術(shù)保障。由監(jiān)控工作站、通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、多串口服務(wù)器、UPS、打印機(jī)等組成。

2）通信系統(tǒng)是隧道監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)。隧道監(jiān)控系統(tǒng)的通信系統(tǒng)基于鐵路專用通信網(wǎng)絡(luò)SDH/MSTP構(gòu)建，鐵路專用通信網(wǎng)絡(luò)提供以太網(wǎng)業(yè)務(wù)接口。監(jiān)控主站與監(jiān)控子系統(tǒng)的通信采用以太網(wǎng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式接入，既主站端以太網(wǎng)接口與受控隧道通信基站以太網(wǎng)接口一一對(duì)應(yīng)，構(gòu)成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。各受控隧道子系統(tǒng)經(jīng)通信適配器引入通信基站，利用傳輸網(wǎng)與監(jiān)控主站實(shí)現(xiàn)通信。

3）隧道監(jiān)控子系統(tǒng)

隧道防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)采用工業(yè)級(jí)PLC設(shè)備，PLC控制器采用冗余配置，在隧道內(nèi)部使用光纖自愈以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)為通信網(wǎng)絡(luò)。光纖自愈以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)由單模光纖、環(huán)網(wǎng)接入設(shè)備和單模光纜組成，環(huán)網(wǎng)接入設(shè)備負(fù)責(zé)與通信基站、監(jiān)控站的連接；當(dāng)環(huán)網(wǎng)中某點(diǎn)故障時(shí)，能夠快速識(shí)別故障位置，并將通道切換至環(huán)的另外一個(gè)方向，實(shí)現(xiàn)自愈功能。

4 功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要對(duì)隧道內(nèi)的通風(fēng)、照明、消防泵等設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。由以下幾個(gè)子系統(tǒng)組成：照明控制子系統(tǒng)、消防控制子系統(tǒng)、報(bào)警及事故處理子系統(tǒng)及設(shè)備管理子系統(tǒng)構(gòu)成。

實(shí)現(xiàn)的功能有：

1）遠(yuǎn)程監(jiān)控各類防災(zāi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)主要設(shè)備狀態(tài)記錄及累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，提出維修保養(yǎng)策略。

2）根據(jù)防災(zāi)通風(fēng)工藝，協(xié)調(diào)各類風(fēng)機(jī)及相應(yīng)風(fēng)閾聯(lián)動(dòng)，確保風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行安全可靠。

3）根據(jù)不同災(zāi)害模式，預(yù)置各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，對(duì)所有監(jiān)控設(shè)備實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制、聯(lián)鎖控制和各模式控制。

4）具有檔案管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、分級(jí)顯示等系統(tǒng)功能。

由雙前置機(jī)和串口服務(wù)器完成數(shù)據(jù)采集。功能分布的總體設(shè)計(jì)增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且支持不同投資和應(yīng)用規(guī)模系統(tǒng)的靈活配置。各節(jié)點(diǎn)機(jī)資源配置基本均等，前置機(jī)負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)、規(guī)約解釋、數(shù)據(jù)上網(wǎng)、通道管理等功能，服務(wù)器負(fù)責(zé)保存歷史數(shù)據(jù)，互為熱備用，保證數(shù)據(jù)完整性、安全性，WEB服務(wù)器通過公共交換電話網(wǎng)（PSTN）支持遠(yuǎn)程工作站和遠(yuǎn)程監(jiān)視、維護(hù)，工作站完成調(diào)度實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能。

圖6 主控制器Fig.6 Main controller

圖7 風(fēng)機(jī)RTUFig.7 Fan RTU

5 系統(tǒng)主要設(shè)備

在隧道現(xiàn)場(chǎng)由EPS給各RTU控制箱供電，輸入電源為交流220V，RTU控制箱內(nèi)RTU和開關(guān)電源的工作電源為交流220V，開關(guān)電源將交流220V轉(zhuǎn)換成直流24V，為PLC和環(huán)網(wǎng)交換機(jī)供電。

主控制器如圖6所示，主控制器負(fù)責(zé)將現(xiàn)場(chǎng)RTU采集的信息上傳到防災(zāi)救援調(diào)度并將防災(zāi)救援調(diào)度下發(fā)的命令轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)應(yīng)RTU箱，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)、照明、水泵遠(yuǎn)程操作。

風(fēng)機(jī)RTU如圖7所示，負(fù)責(zé)把現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)控制箱的狀態(tài)信息上傳到主控制器，并接受中心的命令下發(fā)到風(fēng)機(jī)控制箱，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行開關(guān)控制。

圖8 水泵RTUFig.8 Water pump RTU

水泵RTU如圖8所示，負(fù)責(zé)把水泵控制箱的狀態(tài)信息上傳到主控制器，并接受中心的命令下發(fā)到水泵控制箱，對(duì)水泵進(jìn)行開關(guān)控制。

照明RTU如圖9所示，負(fù)責(zé)把照明控制箱的狀態(tài)EPS雙切箱的信息上傳到主控制器，并接受中心的命令下發(fā)到照明控制箱，對(duì)照明進(jìn)行開關(guān)控制。

iBAS-SD手動(dòng)控制單元如圖10所示，用來控制整個(gè)隧道的照明。白按鍵代表開整個(gè)隧道的燈，黑按鍵代表關(guān)整個(gè)隧道的燈。

6 結(jié)束語

本文針對(duì)鐵路隧道易發(fā)災(zāi)情的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種隧道防災(zāi)救援控制系統(tǒng)。其中，隧道現(xiàn)場(chǎng)防災(zāi)RTU監(jiān)控裝置之間采用光纖環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)架構(gòu)，然后由單模光纜連接至主控制器，最后接入就近的通信基站，將現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳送到監(jiān)控主站，完成隧道內(nèi)防災(zāi)設(shè)備、電力設(shè)備、應(yīng)急照明等的集中監(jiān)控和管理。

圖9 照明RTUFig.9 Lighting RTU

圖10 iBAS-SD手動(dòng)控制單元Fig.10 iBAS-SD Manual control unit