南京地铁打造智能化环境监控系统万芳

南京地铁打造智能化环境监控系统

随着城市化进程的加快，城市地铁建设进入了一个快速发展时期，全国各地在建或准备上马的地铁项目已超过20个，未来几年以地铁为主的轨道交通建设投资将超过2000亿元。现已经投入建设或扩建地铁的城市包括北京、天津、上海、广州、南京、武汉、深圳、杭州等众多城市。地下轨道交通正在成为人口密集型城市提高运载城市客流能力的首选公交解决方案。同时，地铁作为客流高度密集的公共场所，其内部环境及安全防范问题也日益受到大家的关注。利用智能化环境监控系统提升对地铁内复杂设备的控制和管理、创造更为安全、舒适的地铁运行环境成为新建和扩建地铁项目中的重要问题。

2003年12月10日，南京地铁一号线全线土建主体工程成功贯通，自此工程建设正式进入设备安装阶段。由清华同方负责的全线环境监控系统（简称BAS）亦如期完成设计工作，进入现场实施阶段。

南京作为六朝故都，是我国华东地区重要的经济、文化中心。发展地下轨道交通，即能输送大量客流，缓解日益加剧的交通压力，同时又能很好的保持古都风貌。将于2005年9月30日建成的南京地铁南北线，是南京轨道交通路网规划中的一号线，一期工程全长21.72公里，共设车站16座，包括地下车站11座，高架及地面车站5座。这样庞大的一个重点市政项目，如何实现安全、舒适、高效、节能的运行，成为地铁设计建设之初的重点问题。

通风、节能、安全三管齐下

南京不是国内第一个修建地铁的城市，却是率先在地铁建设中引入智能化环境监控系统的城市之一。南京地铁的BAS系统是清华同方继伊朗德黑兰地铁一号线和二号线之后承接的又一个BAS系统工程。基于对地下热环境研究的丰富成果以及德黑兰地铁的成功经验，清华同方为南京地铁量身定做，提供了功能全面的BAS（也称EMCS）系统解决方案。其应用效果主要体现在一下几方面：

智能管理，可靠运行。BAS系统通过对地铁车站及区间隧道内的空调通风、给排水、照明、电梯、扶梯等机电设备进行全面的运行管理与控制，以保证地铁运营环境达到国家规定的舒适标准。同时，在发生火灾事故或列车阻塞情况时，该系统能够及时迅速地进入防灾运行模式，根据火灾报警系统发送的着火点信息或列车自动控制系统发送的阻塞点信息自动调度送风和排风，进行通风排烟，引导人员疏散，极大地提高地铁运营的智能化和安全性。

同时，地铁列车与大量客流所产生的热量是影响地铁站台与隧道空间的热环境的主要因素，使得地铁温度逐年升高，如不加以控制会形成公害，这是世界性的难题。采用空调设备排热降温，耗资巨大，运行费用高昂，能源浪费严重。清华同方的设计人员通过复杂的系统计算机，采用建筑窨蓄冷技术，合理配置了通风设备（风机等）加以微机控制。以通风系统代替空调系统，不仅投资少、效果好，还解很好地解决温升难题。

有效防灾，防患未然。与地面公共交通相比，地铁通常运营线路更长，设备众多，对运行模式和运行管理有很高的要求；同时，地铁内部与外界通风口少，出入口少，客流量大，人员疏散不易，一旦发生火灾，如果不能及时有效地通风排烟并控制火情，将酿成巨大的灾难。因此，智能的环境监控系统应该具备防灾功能。

南京地铁的BAS系统在接到火灾报警信号后，可以自动将机电设备的运行状态切换到灾害状态，启动灾害模式；在列车因事故暂时停在隧道无法使如站台时，系统也可以通过启动紧急状态，确保隧道内空气流通，以保证车厢内被困的乘客有充足的氧气呼吸。

另外，该解决方案还包括设备自动化管理和故障诊断，可以建立车站各类机电设备档案数据库，自动累计设备运行时间，安排设备维护检修计划，记录各次维修状况；对于关键设备还能进行实时故障诊断，防患于未然。

节能并重，增加效益。节能是南京地铁智能化环境监控系统的另一大特色，即综合考虑了车流、客流、车站设备、新风等影响空调通风系统负荷的各个因素，根据地铁热环境变化的规律，对空调通风系统的全年运行方式自动进行调整，根据实时负荷的变化，采用变频方式调节风机的通风量，可以达到显著的节能效果。

在我国地铁行业刚刚起步，经验不足，降低地铁造价和运行费用的问题已受到普遍的关注。地铁机电设备监控系统对于提高地铁的运营经济性的作用，越来越受到业内的普遍重视。

多重软件系统保驾护航

南京地铁环境控制系统的解决方案中，采用了一系列先进的软件技术，共同确保以上应用效果的达成。其中，主要的软件系统有地铁环境模拟预测软件、地铁空调通风系统优化控制软件、地铁设备运行管理软件EuMs、设备故障诊断软件FaDs、火灾状况分析与排烟处理软件EaSs。

地铁环境模拟预测软件通过对地铁环境的模拟分析，了解不同空调通风方案下运行的可能结果，为方案的比选提供依据。可以用于空调通风的工程设计和可行性分析，也是发展地铁在线优化控制等软件的一个必备工具。

地铁环境模拟预测软件包括以下三个模块：

1) 地铁热环境模拟分析软件STESS：是建立在“地铁热环境动态仿真模型”基础上的，此模型将整个地下铁道作为一个完整系统，分析在列车活塞风作用与机械通风以及热压的综合作用下地下空气流动的动态变化，同时分析在各种内部发热与外界气象状况作用下地下热环境的动态变化，预测不同运行方案下地铁热环境的变化，指导地铁环境控制系统的设计与控制方案的选择。STESS是我国第一个有自主版权的地铁热环境模拟软件，能够准确预测地铁内长期和短期的热变化过程，填补了国内空白，达到了国际先进水平。

2) 三维动态流动、燃烧与传热分析程序STACH-3：可以动态模拟地下铁道内某一工况下空间内三维风速和温度分布情况，模拟各断面的参数分布情况，基于此可以分析地铁活塞风或机械通风在不同断面上的掺混效果，对确定合理的通风方式、分析地铁通风与空调的实际效果等有重要意义。

特别是对于地铁的站台区间，属于大空间的空调问题，同时又存在站台和站内隧道的热量掺混问题，通过对空间动态流动和传热的模拟分析，可以更好地组织通风和空调的方式，保持不同区域空调参数的合理梯度分配，从而在保证满足空调指标的前提下，尽可能地减少通风、空调的电耗。特别是对于南京地铁，由于没有采用屏蔽门系统，如何合理地组织通风、空调的气流形式，保证合理的站台和两侧隧道的热量掺混比是非常重要的。

3) 地铁网络中烟气流动模拟程序TNFIRE：是一个镶嵌在STESS软件包上的数值模拟软件，与STESS的其他应用软件共享基础数据，包括预处理部分、场模型求解程序块STACH-3、网络系统风量计算程序块AIR、网络系统温度、浓度计算程序块ATCON四个部分。对地铁隧道中排烟风机的选择、人群疏散以及地铁中电缆的铺设方案，都有重要的指导意义。在实际运行时，它也是排烟分析软件进行排烟方案决策的基础。

地铁空调通风优化控制软件EnCs包括隧道通风系统的优化控制和站内空调系统的优化控制两部分。优化控制的目的是在满足系统环境控制要求的前提下，尽可能地降低风机、水泵和机组的能耗，节省运行费用。对于地铁通风系统，目前采用的主要模式有两种：开环控制模式和闭环控制模式。

清华同方通过多年研究推出的地铁系统在线实时识别优化控制的方法，在伊朗地铁等工程中取得了很好的应用效果。这种控制方法实际上是一种介于开环控制和闭环控制之间的一种控制思想，是小时间尺度上的开环模式，大时间尺度上的闭环模式。包括系统识别 、环境预测、控制决策和控制四个部分。有效地解决了上述两种控制模式的问题。

地铁设备运行管理软件EuMs，可以增强BAS系统的系统管理功能、提高控制决策水平和事故应变能力。EUMS软件用于统计各风机、水泵、扶梯、电梯等设备的运行时间、故障情况，编排维修计划。设备管理软件 EUMS建有设备管理数据库，自动记录和统计各台设备运行状况，累计运行时间，自动安排检修计划（还要避免互为备用的设备同时检修），记录维修信息。软件在分析与应用程序调度软件的控制下运行，它按照预先设定的方式，在计算机硬盘内建立有关机电设备档案，记录各设备开/停时间、故障状况、累计运行时间、维修状况，并根据这些信息，定期编排维修计划。

设备故障诊断软件FaDs：可以对一些主要的机电设备故障，仪表或执行器故障、系统故障进行诊断。设备故障诊断所采用的基本方法有以下几种方式：

1) 高低限报警。

2) 根据故障诊断的规则库。

3) 根据专有的故障诊断算法。

在FaDs中，以上几种方法被有机地结合起来，从而形成一个完整的故障诊断专家系统。方式1)用于对故障进行初步的判断，在此基础上将方式2)和方式3)相结合对故障进行进一步的精细判断。

火灾状况分析与排烟处理软件EaSs，具有火灾状况分析与排烟处理专家系统，针对不同的着火区间建立相应的排烟处理模式，并对相关的风阀和风机进行控制。一旦发现火灾现象时，BAS系统立即按照预先贮存的消防状态下的相应程序运行，同时将此信息立即通知中心管理工作站CCS，立即进入EaSs排烟处理软件，并进行防火排烟实时分析计算，及时调整排烟控制策略和相关急救措施。

南京地铁与清华同方在地铁机电设备监控系统方面的实践，为加速国内相关技术成熟化，促进国内地铁行业良性发展，提供了有益的探索。查阅：已获批28个城市的轨道交通线路规划详解图（更新中）查阅：2012年全国各省市城市轨道交通项目概览（更新中）查阅：城市轨道交通中标企业

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