基于?OPC UA?的新型城市軌道交通?BAS?系統

黃魏

摘 要：隨著城市軌道交通工業互聯網平臺的快速發展，現有城市軌道交通 BAS 系統的各種弊端正逐漸顯現。為解決這些問題，文章提出一種基于 OPC UA 的新型城市軌道交通 BAS 系統，并詳細介紹其網絡架構模型、優點及分階段發展的特點，以期為城市軌道交通 BAS 系統的設計優化提供借鑒和參考。

關鍵詞：城市軌道交通;BAS系統;OPC UA;工業互聯網

1 研究背景

2013年，德國率先提出“工業4.0”概念，掀起全球智能化競爭浪潮。2015年，我國發布《中國制造2025》，自上而下全面推行制造強國戰略，而打造工業互聯網平臺，拓展“智能+”，為制造業轉型升級賦能，是實現制造強國的關鍵步驟之一。

不同于已經全方位成熟的消費互聯網，工業互聯網的核心任務是通過人、機、物的全面互聯實現全要素、全產業鏈、全價值鏈的全面連接，因此對網絡的低時延、高可靠性和高安全性等技術指標提出了更高要求。在很長一段時間，工業互聯網平臺的發展一直受制于網絡基礎設施迭代，而隨著5G、物聯網（IoT）、云計算、邊緣計算等技術的迅速發展，工業互聯網的超融合（即工控系統、通信系統和信息化系統的智能化融合）正在有序實現。

目前，城市軌道交通工業互聯網平臺有2個發展方向：①綜合監控系統（ISCS）平臺以及在其基礎上整合車輛、通信和信號系統所形成的行車綜合自動化系統（TIAS）平臺;②智慧車站平臺。

環境與設備監控系統（BAS）作為此平臺中整合城市軌道交通環境與設備監控數據的關鍵邊緣節點，其技術必須與平臺的發展相適應。然而，目前BAS系統技術發展相對滯后，難以滿足工業互聯網平臺發展的要求，應引起行業內的重視。

2 BAS系統現狀及弊端

2.1 BAS系統現狀

BAS系統的主要功能是對城市軌道交通建筑物及隧道內的環境與空氣調節、通風、給排水、動力照明和乘客導向等系統，以及自動扶梯、電梯和人防門等設備進行集中監視、控制和管理，統籌規劃這些系統和設備的運行狀態，以降低城市軌道交通的能源消耗和運營成本。

目前，BAS系統的主流網絡架構有光纖以太環網（圖1）和冗余雙總線（圖2）2種方案，其中BAS系統與底層設備的數據交換均采用硬線（電壓型/電流型）和軟線（RS485協議為主）相結合的方案。以上2種有線網絡架構已應用10余年。

2.2 BAS系統弊端

BAS系統的有線網絡架構已經很成熟，但在工業互聯網及物聯網的新技術浪潮下，其弊端也逐漸顯現，具體如下。

（1）底層數據的采集不完備。BAS系統的底層接口設備（如風機、電扶梯、水泵等）會產生大量數據，但BAS系統僅按需采集其中一小部分用于人機界面展示，大多數數據未被挖掘利用，且無法遠程查看，使系統的進一步深化設計受限。

（2）線纜施工及維護困難。BAS系統施工及調試的主要內容是放線、接線和較線，而車站空間狹窄導致的敷線困難、線纜過長導致的信號衰減、線纜過多導致的接線錯亂等問題極大影響了BAS系統的施工效率。運營時，因線纜老化及松動引起的BAS系統故障極難排查，因此后期維護困難。

（3）數據共享性差。BAS系統的底層接口設備（如照明、環境監測傳感器等）采用硬線連接，其信號輸出端子唯一，因此當多套系統均需采集同一設備信息時，操作十分不便，而且必須打通原本不相關聯的信息系統，帶來新的網絡安全隔離問題。

總體而言，BAS系統的有線網絡架構比較僵化，一經設計定型便難以調整，這一特性將無法滿足城市軌道交通工業互聯網平臺在發展過程中不斷升級迭代的需求。

3 OPC UA簡介

用于過程控制的對象連接與嵌入（OPC）統一架構（UA）由OPC基金會聯盟于2006年開發，是一套安全、可靠且獨立于制造商和平臺的工業通信標準，該標準允許不同操作系統及不同制造商的設備之間進行數據交互，其可擴展性使系統、機器和工藝流程的橫向和縱向聯網成為可能。

目前，傳統的工業控制系統正在朝著新型現場總線控制系統、基于個人計算機（PC）的工業控制計算機以及管控一體化系統集成技術等方向發展，這要求全面、廣泛地推進系統的模塊化、標準化、數字化和信息化，以實現設備的互聯互通和“即插即用”功能，而OPCUA是通向工業4.0的關鍵通信標準。

作為一種通用性標準，OPC UA也適用于BAS系統，且早已經有國際知名自動化企業將OPC UA功能集成到BAS系統的核心——可編程邏輯控制器（PLC）中。OPC UA的應用前景廣闊，未來必將在城市軌道交通工業互聯網平臺中普遍應用。

4 基于 OPC UA 的 BAS 系統

4.1 網絡架構模型

基于OPC UA的BAS系統網絡架構（以下簡稱“新架構”）模型如圖3所示。

該模型由上層信息化層、BAS控制層和設備層3層組成。上層信息化層包含系統工作站和三層交換機，功能是實現BAS系統的人機界面展示與交互;BAS控制層包含PLC控制器，功能是對現場設備的數據進行采集及計算;設備層包含現場就地設備，功能是提供BAS系統所需的數據及接口。層級間的通信采用OPC UA規范，該規范可以映射到各種通信協議中，以UA二進制編碼或可擴展標記語言（XML）編碼傳遞數據，實現各種接口的標準化。

該模型在理想狀態下采用全局無線通信，在技術過渡階段可以考慮有線通信。若采用有線通信，新架構則無法完全發揮其相對于現有網絡架構的優越性。

此外，該模型還采用時間敏感型網絡（TSN）技術（主要解決時鐘同步、數據調度與系統配置3個問題）以確保整個系統的低時延要求，并采用冗余結構（交換機冗余、PLC控制器冗余）以確保整個系統的高可靠性要求。

4.2 優點

與現有BAS系統網絡架構相比，新架構具有以下優點。

（1）現有BAS系統網絡架構依托各類線纜組網，采用有線模式。而新架構不受限制，可以采用有線模式、無線模式或者有線+無線組合模式。推薦采用無線模式，這樣更利于城市軌道交通工業互聯網平臺的融合。

（2） 由于地鐵橫跨距離較長，因此現有BAS系統的有線網絡架構劃分主端和從端。而新架構采用無線通信模式，依托于無線網絡基站的全覆蓋，不受物理距離限制，因此僅保留單端（主端）。

（3） 現有BAS系統網絡架構為三段式網絡（控制層環網+主端設備層環網+從端設備層環網），遠程I/O在設備層采集接口設備數據，PLC控制器在控制層進行整合計算，各層環網獨立。而新架構采用扁平化網絡，無嚴格的控制層與設備層劃分，PLC控制器可直接與接口設備進行通信，也可由專用通信模塊組件采集接口設備數據，再統一傳送給PLC控制器，以降低PLC控制器的通信負荷。

（4）現有BAS系統網絡架構采用冗余雙總線或者光纖以太環網，以規避單點故障對整個網絡的影響。而新架構僅需考慮硬件冗余，不會出現單點故障影響整個網絡的情況。

此外，新架構中的底層接口設備由于具備OPC UA功能，因此可實現全數據共享。用戶可通過設置分級用戶權限規范自動控制系統的數據采集，并根據后續的應用需求靈活調整權限。

4.3 分階段實現

目前，支持OPC UA的應用軟件和PLC控制器已經問世，但尚未在城市軌道交通各類設備中普遍應用。因此，圖3是一個理想化架構，實際中應分為3個階段逐步實現。

（1）第1階段：將OPC UA應用到PLC控制器與上層監控平臺的通信中，全網絡仍舊采用有線模式。這一階段，新構架與現有BAS系統網絡架構無顯著差異，也不會出現明顯的效率提升。

（2）第2階段：隨著工業用5G、TSN等技術走向成熟，支持OPC UA的就地接口設備達到一定規模，BAS系統的部分底層設備接口采用OPC UA，全網絡采用有線+無線混合模式。

（3）第3階段：OPC UA全面普及，BAS系統全網采用無線模式，并與城市軌道交通工業互聯網平臺中其他應用OPC UA的系統協同工作，城市軌道交通工業互聯網平臺實現超融合。

此外，城市軌道交通建筑及隧道內無線網絡的規劃與建設是實現BAS新架構的關鍵。考慮到城市軌道交通的各自動化系統在向工業互聯網轉型時將陸續引入OPC UA，具有低時延、高可靠、高安全性能的私有無線網絡將成為公共需求，因此可以將其作為獨立專業進行統籌設計。私有無線網絡的電源供應應納入一級負荷。

5 結語

OPC UA可實現跨平臺通信，且具有更高的安全性和可靠性，能夠滿足工業信息高度連通的需求，不僅可以應用于城市軌道交通BAS系統，還可用于城市軌道交通安檢、火災報警、門禁等眾多系統中，使各系統架構統一、業務整合，最終實現城市軌道交通的高度信息化。

參考文獻

[1]文曉. 和利時：面向生產過程的開放式工業互聯網PaaS平臺[J]. 自動化博覽，2019（3）：26-27.

[2]夏虹，陳彥萍，王忠民，等. 無線移動支持工業互聯網研究[J]. 微處理機，2017（2）：34-40.

[3]加舒娟. 基于全國產化PLC的OPC UA Server系統的設計與實現[D]. 陜西西安：西安電子科技大學，2017.

[4]宋庭新，李軻. 基于OPC UA架構的智能制造車間數據通信技術及應用研究[J]. 中國機械工程，2019，30（22）：2675-2682.

[5]寧懿. 支持OPC UA功能的工業無線傳感器網絡設計與實現[D]. 北京：北京交通大學，2018.

[6]蘇延召，李艾華. 基于OPC UA的自動化系統集成技術研究[J]. 測控技術，2011（3）：68-71.

[7]姚春雷. OPC UA——工業4.0的先行者[J]. 中國儀器儀表，2017（3）：36-37.

[8]陳海歡. OPC UA在城市軌道交通信號系統互聯互通中的應用研究[J]. 鐵路計算機應用，2019（2）：61-64.

[9]趙悅琪，閔曉霜. 國產PLC系統與OPC UA通信過程的身份認證機制優化[J]. 信息技術與網絡安全，2018（12）：58-61.

[10] 閔曉霜，楊鑫. 基于國產軟硬件平臺的OPC UA服務器設計與實現[J]. 信息技術與網絡安全，2018（12）：71-74，86.

[11] 胡勇. 基于OPC UA的大型公共建筑能源管理系統[J]. 工業控制計算機，2019（6）：9-11.

[12] 王孟強. 地鐵BAS系統建設方案研究[J]. 現代城市軌道交通，2020（2）：7-11.

[13] 王傳宦. 地鐵BAS系統的新技術與BAS系統機電設備管理闡述[J]. 裝備維修技術，2019（3）：136.

[14] 顧杰. 淺談地鐵車站BAS系統的組成和功能及維護管理[J]. 中國設備工程，2017（14）：34-35.

[15] 侯堯. 關于地鐵環境與設備監控系統安全防護體系的研究[J]. 信息技術與信息化，2019（5）：201-202.

[16] 張楠. 地鐵車站BAS系統節能組網措施與未來發展方向研究[J]. 自動化應用，2018（4）：36-38.

[17] 任飛，王偉，李騰，等. 基于互聯互通的城軌網絡化運營行車交路策略研究[J]. 鐵路計算機應用，2016（5）：10-13，18.

[18] 黃明峰. 基于OPC技術的軌道交通車站監控系統的研究和實現[D]. 上海：上海交通大學，2009.

[19] 陽憲惠，邸麗清，馮大為. OPC技術及其對工控系統開放性的影響[J]. 工業控制計算機，2001（9）：31-33，56.

[20] 劉向陽. PLC技術在城市軌道交通BAS系統中的應用[J]. 電腦迷，2018（12）：217.

[21] 黃磊. 基于計算機網絡的軌道交通綜合監控系統研究與應用[D]. 江蘇南京：南京郵電大學，2015.

收稿日期 2020-02-12

責任編輯 蘇靖棋