一種鐵路隧道防災救援監控系統設計與實現

陳軍波，程奕凌，戴 明，鐘 濱

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

0 引言

鐵路是國民經濟大動脈，近幾年中國鐵路高速發展。當鐵路穿越山嶺地區時，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、保障列車平穩通過山嶺。但隧道內部光線昏暗、通風不良，是事故的頻發地點，并且當事故發生時，隧道內大量的照明、通風和消防設備會給救援工作造成諸多不便。由此可見，隧道的防災救援水平直接影響整個鐵路的安全運營，所以目前的鐵路亟需一套安全、智能的隧道防災救援監控系統。

目前，已有相關文獻針對鐵路中的隧道防災救援控制系統做出了研究，文獻[1]對隧道設備監控系統的控制方式、數據傳輸、系統軟硬件選擇等方面進行探討，為設計鐵路防災救援設備監控系統提供了思路；文獻[2]開發基于二級架構的新型鐵路隧道防災疏散救援設備設施智能監控系統，可實現對隧道內防災通風、應急照明、疏散指示、其他消防設備設施、防護門等設備設施的有效監控，為隧道監控系統的研究與實施提供一定的參考。本文在現有研究的基礎上，按照鐵道部頒布的《TB10020-2017鐵路隧道防災救援疏散工程設計規范》中的要求，設計一種隧道防災救援控制系統，主要對隧道內的通風、照明、消防泵等設備進行遠程監控。

圖1 監控系統布局Fig.1 Monitoring system distribution

1 方案概述

防災救援控制系統主要完成隧道內防災通風設備、電力設備、應急照明等的集中監控、故障報警及調度管理，在發生災情時，能夠根據預先生成的災情預案進行控制，達到防災減災的目的，以保障列車的正常運行。

1.1 監控主站及監控工作站

隧道防災救援設備監控系統具備對上接入調度指揮中心的鐵路隧道防災救援監控中心總平臺條件。防災監控主站盡可能利用既有的隧道照明監控主站設備，通過增加部分設備實現隧道防災監控主站的全部功能。

以黔張常鐵路工程為例[3]，來分析本監控系統的布局理念。如圖1所示，分別在龍山、張家界工務段內設置監控工作站，在張家界西綜合工區設置一套監控主站，用于監控轄區內隧道防災救援設備運行情況。監控工作站利用通信專業提供的SDH/MSTP網絡與指揮中心監控主站相連[4-6]。5km以上隧道照明監控系統作為隧道防災救援監控子系統，隧道防災救援監控工作站具備隧道照明監控系統接入條件，復示終端利用防災救援監控工作站。

當然，本監控系統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 監控主系統網絡結構Fig.2 Network structure of Monitoring main system

1.2 隧道現場監控裝置

隧道防災現場監控裝置包括：隧道主控制器、現場IBP盤及監控RTU裝置等。

隧道主控制器設置于長隧道進口/出口處，負責隧道內防災機電設備的統一監控和管理以及與主站之間的上通下達。主要由高檔工業級可編程控制器、工業以太網交換機（環形自愈型）、控制箱等組成。

隧道監控RTU裝置負責完成防災風機、水泵、照明、設備洞室防護門等設備的數據采集及控制。具體分工如下：

1）風機監控RTU：獨立成柜，完成對救援風機手動/自動位置、運行狀態、關閉狀態、故障報警、啟/停等重要參數進行監視和控制。

2）水泵監控RTU：獨立成柜，完成對水泵手動/自動位置、運行狀態、關閉狀態、故障報警、啟/停等重要參數進行監視和控制。

3）照明監控RTU：獨立成柜，完成對照明手動/自動位置、運行狀態、關閉狀態、故障報警、啟/停等重要參數進行監視和控制。

4）洞室防護門開閉狀態信息利用附近照明監控RTU上傳。

2 系統結構

構建隧道設計防災救援設備監控系統，簡稱TRMS系統。系統采用TCP/IP協議的以太網結構，包含雙服務器、雙前置機、WEB服務器、各類工作站、網絡打印機等。

圖3 監控子系統網絡結構Fig.3 Network structure of monitoring subsystem

2.1 監控主系統網絡結構

從圖2中可見，TRMS系統由監控主機、現場控制單元（LCU）以及通信網絡組成。

防災救援設備監控系統監控主站一般設置在綜合維修工區；現場控制單元LCU及通信設備構成隧道現場監控子系統；通信網絡分為干線網絡和隧道內網，干線網基于鐵路傳輸網SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數字體系）或MSTP（Multi-Service Transfer Platform，基于SDH的多業務傳送平臺）構建，隧道內網則由光纖環網組成，光纖環網由本系統和隧道照明監控系統共同組建[7,8]，本系統現場控制設備經光纖交換機接入光纖環網。

2.2 監控子系統網絡結構

監控子系統網絡結構如圖3所示，在監控子系統網絡中引入自愈環形工業以太網技術[9]，繼承了以太網速度快、成本低、高實效、高擴展性及高智能的優點，同時為網絡上的數據傳輸提供了一條冗余鏈路，提高了網絡的可靠性，不會因為通信服務器失效、網絡斷線或交換機故障而導致整個通信系統癱瘓。現場控制層使用這種網絡，不僅可以提高通信網絡的傳輸速度，同時也提高了控制層的通信可靠性。

在一個典型的環網中，有一個主交換機。正常工作時，主交換機的其中一個連接端口被置為阻塞狀態，阻止以太網數據轉發，僅允許轉發冗余控制幀，保證了物理上是一個回路。這樣在正常情況下，主交換機有一個轉發端口和一個阻塞端口，環上其他設備節點的兩個端口均為轉發端口。當環網中的某個交換機出現故障時，主交換機會在50ms以內檢測到故障并開啟阻塞端口。

圖4 系統組網Fig.4 System networking

圖5 隧道現場內網Fig.5 Tunnel site intranet

3 系統組網

如圖4所示，監控主站與隧道現場監控子系統之間采用SDH/MSTP組成，監控主站與隧道現場間采用兩條互為備用的專用通道。隧道防災RTU監控裝置之間采用光纖環形工業以太網架構，經單模光纜連接至主控制器，進而接入就近的通信基站，將現場的監控數據傳送到監控主站。在既有隧道照明監控光纖環網基礎上，通過增加網絡傳輸節點設備，形成隧道防災監控系統的隧道現場內網，如圖5所示。

全線隧道內增設防災監控系統，實現對隧道內的電力設施、照明、應急照明、10kV風機、0.4kV風機、風門、消防泵等設備的集中監控、故障報警和調度管理等功能。防災救援控制系統主站端服務器、前置機、工作站等通過交換機構成局域網，實現數據采集、存儲以及監控等。各隧道內風機控制箱、照明控制箱等通過光纜構成環網后接入主控制器，主控制器接入對應通信基站，并將各RTU采集到的數據上送至調度主站。

系統由監控主站、隧道現場監控設備及通信系統3個部分組成：

1）隧道防災監控主站是隧道防災監控系統的調度和指揮中心，負責隧道照明設備的遠程監視、控制和調度、管理，并負責與其他自動化系統接口，實現信息傳遞、報警聯動等功能，為鐵路安全運行提供技術保障。由監控工作站、通信服務器、數據服務器、網絡交換機、多串口服務器、UPS、打印機等組成。

2）通信系統是隧道監控系統的基礎。隧道監控系統的通信系統基于鐵路專用通信網絡SDH/MSTP構建，鐵路專用通信網絡提供以太網業務接口。監控主站與監控子系統的通信采用以太網點對點的方式接入，既主站端以太網接口與受控隧道通信基站以太網接口一一對應，構成點對點通信。各受控隧道子系統經通信適配器引入通信基站，利用傳輸網與監控主站實現通信。

3）隧道監控子系統

隧道防災監控系統采用工業級PLC設備，PLC控制器采用冗余配置，在隧道內部使用光纖自愈以太網環網為通信網絡。光纖自愈以太網環網由單模光纖、環網接入設備和單模光纜組成，環網接入設備負責與通信基站、監控站的連接；當環網中某點故障時，能夠快速識別故障位置，并將通道切換至環的另外一個方向，實現自愈功能。

4 功能設計

本系統主要對隧道內的通風、照明、消防泵等設備進行遠程監控。由以下幾個子系統組成：照明控制子系統、消防控制子系統、報警及事故處理子系統及設備管理子系統構成。

實現的功能有：

1）遠程監控各類防災設備的運行狀態，統計主要設備狀態記錄及累計運行時間，提出維修保養策略。

2）根據防災通風工藝，協調各類風機及相應風閾聯動，確保風機設備運行安全可靠。

3）根據不同災害模式，預置各設備運行參數，對所有監控設備實現單獨控制、聯鎖控制和各模式控制。

4）具有檔案管理、統計報表、分級顯示等系統功能。

由雙前置機和串口服務器完成數據采集。功能分布的總體設計增強了系統的穩定性，而且支持不同投資和應用規模系統的靈活配置。各節點機資源配置基本均等，前置機負責接收數據、規約解釋、數據上網、通道管理等功能，服務器負責保存歷史數據，互為熱備用，保證數據完整性、安全性，WEB服務器通過公共交換電話網（PSTN）支持遠程工作站和遠程監視、維護，工作站完成調度實時監控、數據統計等功能。

圖6 主控制器Fig.6 Main controller

圖7 風機RTUFig.7 Fan RTU

5 系統主要設備

在隧道現場由EPS給各RTU控制箱供電，輸入電源為交流220V，RTU控制箱內RTU和開關電源的工作電源為交流220V，開關電源將交流220V轉換成直流24V，為PLC和環網交換機供電。

主控制器如圖6所示，主控制器負責將現場RTU采集的信息上傳到防災救援調度并將防災救援調度下發的命令轉發到對應RTU箱，實現對風機、照明、水泵遠程操作。

風機RTU如圖7所示，負責把現場風機控制箱的狀態信息上傳到主控制器，并接受中心的命令下發到風機控制箱，對風機進行開關控制。

圖8 水泵RTUFig.8 Water pump RTU

水泵RTU如圖8所示，負責把水泵控制箱的狀態信息上傳到主控制器，并接受中心的命令下發到水泵控制箱，對水泵進行開關控制。

照明RTU如圖9所示，負責把照明控制箱的狀態EPS雙切箱的信息上傳到主控制器，并接受中心的命令下發到照明控制箱，對照明進行開關控制。

iBAS-SD手動控制單元如圖10所示，用來控制整個隧道的照明。白按鍵代表開整個隧道的燈，黑按鍵代表關整個隧道的燈。

6 結束語

本文針對鐵路隧道易發災情的缺點，設計一種隧道防災救援控制系統。其中，隧道現場防災RTU監控裝置之間采用光纖環形工業以太網架構，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，將現場的監控數據傳送到監控主站，完成隧道內防災設備、電力設備、應急照明等的集中監控和管理。

圖9 照明RTUFig.9 Lighting RTU

圖10 iBAS-SD手動控制單元Fig.10 iBAS-SD Manual control unit