地铁环境与设备监控系统节能控制的设计与实现

地铁环境与设备监控系统节能控制的设计与实现

黄瑞湖

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摘要：地铁作为城市的重要交通手段，承载着城市居民通勤和出行的重要任务。地铁车厢是一个相对封闭的空间，存在着高人员密度、高流动性、滞留时间长的特点，车厢环境严重影响着出行人员的健康、安全和舒适性 。而地铁列车运行过程中只能通过送、排风系统与列车隧道空间进行气流交换，列车蓄热难以通过隧道微弱的自然通风解决，只能依靠地铁内部温控系统（22℃-26℃）进行控制 。如果空调通风系统调控不合理，车厢内的热环境和空气品质都会受到严重的影响。

关键词：地铁 环境与设备监控系统

引言

相比于人工下发模式控制及风机、空调频率调节，新的节能方案根据现场实际环境状态进行动态调整，而不是依据预先设定的控制计划，有效节省了由乘客客流低谷、天气变化或者列车调整等情况带来的能源浪费，具有较为明显的节能效果。当然，此方案还需结合车站的实际环境，对自动节能控制算法进行优化，并且有待现场长期运行检验，以期达到更佳的节能效果。

1地铁环控系统构成

地铁环控系统主要由隧道通风系统、大系统、小系统、车站空调水系统等组成。ＢＡＳ系统将上述环控系统设备接入，通过时间表＋模式控制的方式实现对环控系统设备的控制。对处于闭环控制系统中的设备，如变频风机、电动二通阀等设备，为减少大滞后、大惯性系统震荡，一般为开环控制。而上述ＢＡＳ系统在国内大多数线路的运营方式，仅仅满足了灾害工况下的联动需求，以及正常工况下的远程操控需求。而正常工况下的节能、舒适性需求，往往由运营人员的运营水平决定，ＢＡＳ系统发挥的作用往往并不大。如何在降低运营人员专业化门槛的需求条件下，提高ＢＡＳ系统的自动化运营水平，提高车站的节能指标，降低环控系统的能耗，将在下文重点进行阐述。

1环境数据分析

1.1热环境分析

温度和湿度是表征热环境状态的主要参数，而热环境的扰动因素主要包含：人员密度、屏蔽门的启闭以及地铁空调的调节性能。其中，车厢内人体的散热、呼吸及皮肤散湿都会使环境温湿度产生变化，因此人员密度直接影响车厢温度与湿度。当地铁靠站时，屏蔽门打开，车厢内部空气环境因与站台空气环境接触而受其影响。当车厢与站台环境差异较大，或上下乘客较多时，扰动更明显。车厢内部的空调通风与制冷是调控车厢环境的主要手段，其调控性能也是影响车厢热环境变化的主要因素。

1.2温度变化分析

车厢温度的变化分别受人员密度、屏蔽门的启闭以及地铁空调的综合影响，其中空调控制系统的设计及运行对其影响最大。当车厢内人员密度较低时，温度变化幅度较大；当人员密度较高时，空调运行所导致的温度变化幅度因人体散热量抵消而减小。目前温度控制通常以最大负荷设计，易导致车厢内温度大幅度波动，对低负荷状态下乘客的舒适感影响较大。因此在优化环境温度控制时可考虑分情景控制。例如，根据人员计数或其他人数识别技术来确定高低负荷情景，从而运行不同的空调模式或调节相关参数。车厢内的相对湿度在不同载客量条件下同样呈现出不同变化规律。在乘客人员密度较低时，车厢内的相对湿度随人员增加而增加；当车厢满负荷时，相对湿度与车厢温度同样成正相关。由此可见，人员散湿是地铁车厢湿度增加的主要因素，低负荷状态人员密度主导了相对湿度的变化；而高负荷状态下湿空气处于饱和状态，相对湿度与温度变化规律相似。对于地铁空调系统控制而言，湿度控制应考虑人员密度，可将其作为前馈信号，而非简单依靠相对湿度作为单一反馈变量。

1.3车厢空气质量分析

地铁车厢内部的污染物由二氧化碳、颗粒物及各种2挥发物组成，其中，最具代表性的参数是二氧化碳浓度。在密闭狭小空间里，二氧化碳浓度极容易快速上升，过高的二氧化碳浓度可能引起人员疲乏、头晕甚至于晕倒的情况；颗粒物中，PM2.5 通过呼吸道进入人体，将诱发咳嗽、肺炎等疾病；PM10 由于颗粒物较大，容易诱发鼻炎、支气管炎等敏感性疾病，是密闭空间重点关注对象。

2风机变频调速控制介绍

风机变频调速是指 BAS 用于通风的风机、空调，采用的变频变风量技术。对车站内的变频风机、空调使用变频调速既可以减少对机械设备的磨损，延长设备寿命，又可以达到充分的节能效果。而调节空调水系统中每个空调器末端的电动二通调节阀，以及流经每个空调器的冷冻水流量，能够快速改变环境温度，便于控制车站环境温度。将两者结合，对于 BAS 节能控制有很好的增益效果。在本文设计的实际控制方案中，根据车站外部环境温度、车站内部环境温湿度、当前风机运行频率、当前水系统电动二通阀的阀门开度，以及送风温度，采用模糊控制算法，对风机进行变频控制，以及对电动二通阀的开度进行控制。通过控制车站环境温度满足方案设定要求，达到对地铁 BAS 中空调系统节能的目的。

3 BAS

节能控制设计

3.1 节能控制公式定义

利用 ISCS 的组态公式定义工具定义不同的节能控制公式，每个节能控制公式包含不同的自动调节计算的入参和自动调节控制运算 LUA 脚本。LUA 脚本是一种轻量小巧的脚本语言，采用标准 C 语言编写，其设计目的是为了嵌入应用程序中，从而为应用程序提供灵活的扩展和定制功能。LUA 脚本的轻量级和可扩展性使其可以方便地和 C语言互相调用，非常适合实现不同的自动调节控制运算。

3.2 BAS 节能控制运算设计

ISCS 是一个通用平台，而 BAS 机电设备的节能控制可能包括焓值自动控制计算、风机变频调速自动控制计算等不同的运算，并且需要动态引入不同的运算参数。考虑到 ISCS 中 BAS 自动调节控制功能的可扩展性，本文的设计方案利用 LUA 脚本实现焓值自动控制运算及风机变频调速自动控制运算，并可以扩展其他算法，以 C++动态库的形式提供焓值计算和变频调速运算算法库，以 C 函数的形式供 LUA 脚本调用。BAS 节能控制运算可以调用 LUA 脚本以实现不同的运算[1]。

3．3 BAS 节能控制服务设计

ISCS 后台节能控制服务是综合监控服务器的常驻进程，包含周期性调用节能控制运算和运算后的调节控制命令下发两部分。在 BAS 节能控制运算中，周期性调用自动控制公式计算。由于地铁车站属于大滞后、大惯性系统，可随时自定义运算周期，运算周期以分钟为单位。BAS 还支持将计算输出结果作为当前建议模式、当前建议风机频率、当前建议二通阀开度输出到人机界面上，用户可结合现场实际的环境数据，决定是否启用自动节能并验证节能效果。运算后的调节控制命令通过 ISCS 和 BAS 子系统的接口下发给 BAS 的 PLC，再下发到具体的设备，并可由用户决定是否下发自动调节控制。传统 BAS系统的PLC 仅起到上传采集信息、下达调节控制命令的所用，而自动调节控制完全在 ISCS 层面实现。调度员能够通过ISCS 更好地结合现场客流、列车、天气、节假日等综合因素，考虑是否实行节能控制，从而更好地满足地铁环境温度的需求。后续还可结合能源管理系统的数据，分析采用自动节能措施前后的电能消耗数据对比，调节自动调节控制参数，选用最佳的节能措施，以期达到最佳的节能效果。

结束语

总而言之，地铁作为一种地下交通工具，其尽管无需实行路面的交通管理模式，但其所面临的环境较为复杂、恶劣，地下的控制相对封闭，要求装置照明、给排水、空调等设备，而该部分系统有赖于通过环境与设备监控系统开展管控，因此，在发展实践中，应加强对计算机网络、通信、自动控制等技术的综合应用，结合地铁实际情况，开展好地铁ＢＡＳ系统设计工作，提升ＢＡＳ系统对各式各样机电设备的智能化控制水平，保障地铁的安全有序运行。

参考文献：

[1]许俊,廖云丹,何晓平,唐川宇.华南某城市地铁车厢热环境与空气品质调研分析[J].制冷,2021,40(04):24-29.

[2]江腾,郑吴富,莫厶矿,陈秀珍,梁家智.地铁列车安防监控系统CCTV监控屏黑屏故障分析及整改[J].轨道交通装备与技术,2021(06):39-42.DOI:10.13711/.cn32-1836/u.2021.06.013.

[3]宋大治.地铁综合监控系统数据保护与业务连续性保障[J].电子技术与软件工程,2021(21):256-258.