内容简介

    本书系统介绍了城市轨道交通综合监控系统的基本概念、基本技术和主要子系统的工作原理。内容包括：城市轨道交通概述、城市轨道交通系统组成及其信号与通信系统、城市轨道交通综合监控系统概述、城市轨道交通综合监控系统技术基础、城市轨道交通综合监控系统综述、环境与设备监控系统(BAS)、电力监控系统(PSCADA)、火灾自动报警系统(FAS)、乘客服务相关系统、门梯和安防系统。
    本书适合作为普通高等院校轨道交通专业的教材，也可作为城市轨道交通设计、施工及运营管理等工程技术人员的培训教材及参考用书。

前言

    党的二十大报告指出，我国要“建设现代化产业体系”，加快建设“交通强国”，要“提高城市规划、建设、治理水平，加快转变超大特大城市发展方式，实施城市更新行动，加强城市基础设施建设，打造宜居、韧性、智慧城市”。
    随着国民经济的发展，我国城市化水平不断提高，城市轨道交通成为解决现代城市交通拥挤、保护城市生态环境的首选方案。城市轨道交通应用环境特殊，运行线路长，运营业务广泛，各专业子系统形态各异，因而系统自动化程度对提高运营水平起着至关重要的作用。城市轨道交通自动化系统几乎涵盖了所有工业自动化系统形态。其中，城市轨道交通综合监控系统是以现代计算机技术、网络技术、自动化技术和信息技术为基础的大型计算机集成系统，集成了多个城市轨道交通自动化专业子系统，并在集成平台支持下对城市轨道交通各专业进行统一监控，实现各专业系统的信息共享及系统之间的联动控制功能，提高运营效率，为实现城市轨道交通现代化运营管理提供信息化基础。综合监控系统是实现城市轨道交通自动化调度管理的重要工具，也是当今城市轨道交通监控系统的主要发展方向。
    综合监控系统具有监控对象多、数据处理量大、涉及专业面广等特点。这些监控系统通常包括电力监控系统(PSCADA)、火灾自动报警系统(FAS)、乘客服务相关系统、门梯和安防系统。系统通过采用统一的软硬件平台和人机界面，实现了信息资源的高度共享，便于使用及维护，同时，大大简化了接口关系，使接口简单灵活，易于统一规划。综合监控系统是面向运营管理的核心机电设备监控系统，通过建立和完善联动功能处理和紧急事件预案处理，提高了机电设备的运营管理效率。目前，建设城市轨道交通新线路的同时为该线路建设一个信息共享平台已成为一种潮流，构建综合监控系统已成为提升城市轨道交通技术水平、促进城市轨道交通运营现代化的有效手段。综合监控系统大大提高了城市轨道交通运行的安全性、乘客的舒适性以及灾害情况下乘客疏散的及时性，可以将灾害情况下的损失降到最低。
    本书介绍了城市轨道交通综合监控系统相关的基本技术和主要子系统的功能、结构、工作原理和接口等。全书共分为10章，每章内容概括如下：
    第1章城市轨道交通概述，主要介绍城市轨道交通的定义、主要类型，我国城市轨道交通的历史、现状和未来以及人才需求。
    第2章城市轨道交通系统组成及其信号与通信系统，主要介绍城市轨道交通系统概述、城市轨道交通信号系统以及城市轨道交通通信系统。
    第3章城市轨道交通综合监控系统概述，主要介绍城市轨道交通综合监控系统的定义、发展、类型及技术内涵以及子系统。
    第4章城市轨道交通综合监控系统技术基础，主要介绍城市轨道交通综合监控系统中用到的一些基本技术，如可编程逻辑控制器(PLC)技术、传感器技术、现场总线技术、计算机组网技术，分散型控制系统(DCS)以及数据采集与控制系统(SCADA)。
    第5章城市轨道交通综合监控系统综述，主要介绍城市轨道交通综合监控系统目标、任务和要求，系统集成方案，系统架构及组成，系统功能，系统性能，系统硬件，系统软件，不间断电源(UPS)以及综合后备盘(IBP)。
    第6章环境与设备监控系统(BAS)，主要介绍环境与设备监控概述、基本组成、结构、硬件配置、功能以及接口。
    第7章电力监控系统(PSCADA)，主要介绍电力监控系统概述、地铁供电、电气设备以及电力监控系统的组成与结构、监控对象、功能及系统接口。
    第8章火灾自动报警系统(FAS)，主要介绍火灾自动报警系统概述、地铁火灾消防、工作原理和运作模式、火灾自动报警系统设备、气体灭火控制系统、火灾报警系统构成及配置、系统功能要求以及系统接口。
    第9章乘客服务相关系统，主要介绍乘客服务相关系统概述、乘客信息系统(PIS)、视频监控系统(CCTV)、乘客广播系统(FA)、自动售检票系统(AFC)以及时钟系统(CLK)。
    第10章门梯和安防系统，主要介绍屏蔽门系统、城市轨道交通电扶梯设备、门禁系统以及车辆段安防系统。
    本书由张吉卫、丁海栋任主编，季广港任副主编。具体编写分工如下：山东交通学院季广港编写第1~2章；日照市公用事业管理服务中心丁海栋编写第3~5章、第7章；山东交通学院张吉卫编写第6章、第8~10章。山东交通学院轨道交通学院和日照市公用事业管理服务中心的领导对本书的编写提供了大量支持，谨在此一并致谢!
    由于时间仓促和编者水平有限，书中难免存在疏漏及不足之处，敬请广大读者批评指正。


编者
2022年12月

目录

第1章 城市轨道交通概述 …………………………………………………………………… 1
1.1 城市轨道交通的定义及主要类型 …………………………………………………… 1
1.2 我国城市轨道交通的现状和未来 …………………………………………………… 5
1.3 我国城市轨道交通发展的人才需求 ………………………………………………… 6
小 结 ……………………………………………………………………………………… 6
习 题 ……………………………………………………………………………………… 7
第2章 城市轨道交通系统组成及其信号与通信系统 ……………………………………… 8
2.1 城市轨道交通系统概述 ……………………………………………………………… 8
2.2 城市轨道交通信号系统 ……………………………………………………………… 9
2.2.1 城市轨道交通对信号系统的要求 ……………………………………………… 9
2.2.2 城市轨道交通信号系统的作用 ………………………………………………… 10
2.2.3 城市轨道交通信号系统的组成 ………………………………………………… 10
2.3 城市轨道交通通信系统 ……………………………………………………………… 11
2.3.1 城市轨道交通通信系统的要求 ………………………………………………… 11
2.3.2 城市轨道交通通信系统的作用 ………………………………………………… 11
2.3.3 城市轨道交通通信系统的组成 ………………………………………………… 12
小 结 …………………………………………………………………………………… 13
习 题 …………………………………………………………………………………… 13
第3章 城市轨道交通综合监控系统概述 ………………………………………………… 14
3.1 城市轨道交通综合监控系统的定义 ………………………………………………… 14
3.2 城市轨道交通综合监控系统的发展 ………………………………………………… 14
3.2.1 国外城市轨道交通综合监控系统的发展 ……………………………………… 14
3.2.2 国内城市轨道交通综合监控系统的发展 ……………………………………… 15
3.2.3 城市轨道交通综合监控系统的发展趋势 ……………………………………… 16
3.3 城市轨道交通综合监控系统类型 …………………………………………………… 17
3.4 城市轨道交通综合监控系统子系统 ………………………………………………… 18
小 结 …………………………………………………………………………………… 20
习 题 …………………………………………………………………………………… 20
第4章 城市轨道交通综合监控系统技术基础 …………………………………………… 21
4.1 可编程控制器(PLC)技术 …………………………………………………………… 21
4.1.1 PLC概述………………………………………………………………………… 21
4.1.2 PLC的控制系统组成…………………………………………………………… 22
4.1.3 PLC的系统结构及其技术……………………………………………………… 22
4.1.4 PLC的工作原理………………………………………………………………… 23
4.1.5 PLC的分类……………………………………………………………………… 24
4.1.6 PLC的主要技术性能…………………………………………………………… 25
4.1.7 PLC的基本功能………………………………………………………………… 26
4.2 传感器技术 …………………………………………………………………………… 27
4.2.1 传感器的地位和作用 …………………………………………………………… 27
4.2.2 传感器的定义和组成 …………………………………………………………… 28
4.2.3 传感器的分类 …………………………………………………………………… 28
4.2.4 传感器技术的特点 ……………………………………………………………… 29
4.2.5 传感器系统的基本特性 ………………………………………………………… 30
4.2.6 综合监控系统用传感器 ………………………………………………………… 31
4.3 现场总线技术 ………………………………………………………………………… 33
4.3.1 现场总线的定义 ………………………………………………………………… 33
4.3.2 主流现场总线 …………………………………………………………………… 34
4.3.3 现场总线的发展和以太网 ……………………………………………………… 36
4.4 计算机组网技术 ……………………………………………………………………… 36
4.4.1 计算机网络的概念 ……………………………………………………………… 36
4.4.2 计算机网络的分类 ……………………………………………………………… 37
4.4.3 开放系统互连参考模型及网络互联 …………………………………………… 37
4.4.4 计算机网络的组成 ……………………………………………………………… 40
4.4.5 综合监控系统网络标准的选择 ………………………………………………… 43
4.4.6 网络系统集成 …………………………………………………………………… 46
4.5 分散型控制系统(DCS)……………………………………………………………… 47
4.5.1 DCS的概念……………………………………………………………………… 47
4.5.2 DCS的体系结构………………………………………………………………… 47
4.5.3 DCS的特点……………………………………………………………………… 48
4.5.4 DCS的发展趋势………………………………………………………………… 49
4.6 数据采集与控制系统(SCADA) …………………………………………………… 50
4.6.1 SCADA系统的概念 …………………………………………………………… 50
4.6.2 SCADA系统的结构 …………………………………………………………… 51
4.6.3 SCADA系统的功能 …………………………………………………………… 51
4.6.4 SCADA系统的发展瞻望 ……………………………………………………… 52
小 结 …………………………………………………………………………………… 53
习 题 …………………………………………………………………………………… 53
第5章 城市轨道交通综合监控系统综述 ………………………………………………… 54
5.1 城市轨道交通综合监控系统目标、任务和要求 …………………………………… 54
5.1.1 系统目标 ………………………………………………………………………… 54
5.1.2 系统任务 ………………………………………………………………………… 54
5.1.3 系统要求 ………………………………………………………………………… 55
5.2 系统集成方案 ………………………………………………………………………… 55
5.3 系统架构及组成 ……………………………………………………………………… 56
5.3.1 系统架构 ………………………………………………………………………… 56
5.3.2 系统组成 ………………………………………………………………………… 59
5.4 系统功能 ……………………………………………………………………………… 60
5.4.1 基本功能 ………………………………………………………………………… 60
5.4.2 中央级功能 ……………………………………………………………………… 61
5.4.3 车站级功能 ……………………………………………………………………… 63
5.4.4 互联系统功能 …………………………………………………………………… 64
5.5 系统性能 ……………………………………………………………………………… 66
5.6 系统硬件 ……………………………………………………………………………… 66
5.6.1 工作站 …………………………………………………………………………… 66
5.6.2 服务器 …………………………………………………………………………… 67
5.6.3 磁带机和磁盘阵列 ……………………………………………………………… 68
5.6.4 前端处理器 ……………………………………………………………………… 68
5.6.5 交换机 …………………………………………………………………………… 70
5.7 系统软件 ……………………………………………………………………………… 71
5.7.1 系统主要软件 …………………………………………………………………… 71
5.7.2 人机界面 ………………………………………………………………………… 72
5.8 不间断电源(UPS)…………………………………………………………………… 74
5.8.1 UPS概述 ……………………………………………………………………… 74
5.8.2 UPS的工作原理及模式 ……………………………………………………… 74
5.8.3 UPS主要设备 ………………………………………………………………… 76
5.8.4 电池组在线监控 ………………………………………………………………… 76
5.9 综合后备盘(IBP)…………………………………………………………………… 77
5.9.1 IBP概述 ………………………………………………………………………… 77
5.9.2 IBP的使用 ……………………………………………………………………… 78
小 结 …………………………………………………………………………………… 79
习 题 …………………………………………………………………………………… 79
第6章 环境与设备监控系统(BAS) ……………………………………………………… 80
6.1 BAS概述……………………………………………………………………………… 80
6.2 BAS的基本组成……………………………………………………………………… 81
6.2.1 BAS的基本组成概述…………………………………………………………… 81
6.2.2 车站环控系统 …………………………………………………………………… 81
6.2.3 隧道环控系统 …………………………………………………………………… 84
6.2.4 机电设备控制系统 ……………………………………………………………… 85
6.3 BAS的结构…………………………………………………………………………… 86
6.3.1 BAS的结构概述………………………………………………………………… 86
6.3.2 BAS车站级系统构成…………………………………………………………… 88
6.3.3 BAS现场级系统构成…………………………………………………………… 88
6.4 BAS硬件配置………………………………………………………………………… 90
6.4.1 PLC控制柜……………………………………………………………………… 90
6.4.2 BAS模块箱……………………………………………………………………… 90
6.4.3 传感器 …………………………………………………………………………… 90
6.5 BAS的功能…………………………………………………………………………… 91
6.5.1 BAS功能概述…………………………………………………………………… 91
6.5.2 中央级BAS功能 ……………………………………………………………… 91
6.5.3 车站级BAS功能 ……………………………………………………………… 96
6.5.4 就地级BAS功能 ……………………………………………………………… 98
6.6 BAS的接口…………………………………………………………………………… 99
6.6.1 BAS接口概述…………………………………………………………………… 99
6.6.2 BAS与FAS接口……………………………………………………………… 100
6.6.3 BAS系统内部接口 …………………………………………………………… 100
6.6.4 综合监控系统接口 …………………………………………………………… 101
小 结 …………………………………………………………………………………… 101
习 题 …………………………………………………………………………………… 101
第7章 电力监控系统(PSCADA)………………………………………………………… 102
7.1 PSCADA概述 ……………………………………………………………………… 102
7.2 地铁供电 …………………………………………………………………………… 102
7.2.1 一次系统 ……………………………………………………………………… 102
7.2.2 牵引供电 ……………………………………………………………………… 102
7.2.3 动力照明供电系统 …………………………………………………………… 103
7.2.4 杂散电流腐蚀防护系统 ……………………………………………………… 103
7.2.5 我国地铁供电的负荷类型 …………………………………………………… 104
7.3 电气设备 …………………………………………………………………………… 104
7.3.1 地铁主变电站电气设备 ……………………………………………………… 104
7.3.2 地铁牵引变电站电气设备 …………………………………………………… 105
7.3.3 降压变电站电气设备 ………………………………………………………… 105
7.3.4 通用电气设备 ………………………………………………………………… 106
7.4 PSCADA的组成与结构 …………………………………………………………… 108
7.4.1 PSCADA的组成 ……………………………………………………………… 108
7.4.2 PSCADA的设备配置 ………………………………………………………… 110
7.5 监控对象 …………………………………………………………………………… 113
7.5.1 66~110kV设备 ……………………………………………………………… 113
7.5.2 主变压器 ……………………………………………………………………… 114
7.5.3 直流750V或直流1500V设备 …………………………………………… 114
7.5.4 交直流电源屏 ………………………………………………………………… 115
7.5.5 排流柜 ………………………………………………………………………… 115
7.5.6 轨道电位限位装置 …………………………………………………………… 115
7.5.7 其他设备监控点 ……………………………………………………………… 115
7.6 PSCADA的功能 …………………………………………………………………… 116
7.6.1 控制中心功能 ………………………………………………………………… 116
7.6.2 变电站自动化系统功能 ……………………………………………………… 118
7.7 PSCADA的接口 …………………………………………………………………… 120
7.7.1 通信系统接口 ………………………………………………………………… 120
7.7.2 变电站自动化系统内部接口 ………………………………………………… 120
7.7.3 接口规范性分析 ……………………………………………………………… 121
小 结 …………………………………………………………………………………… 121
习 题 …………………………………………………………………………………… 122
第8章 火灾自动报警系统(FAS)………………………………………………………… 123
8.1 FAS概述 …………………………………………………………………………… 123
8.2 地铁火灾消防 ……………………………………………………………………… 123
8.2.1 通风排烟系统 ………………………………………………………………… 124
8.2.2 手提式干粉灭火器 …………………………………………………………… 124
8.2.3 水消防系统 …………………………………………………………………… 125
8.2.4 地铁消防供水系统 …………………………………………………………… 125
8.2.5 自动喷水灭火系统 …………………………………………………………… 126
8.2.6 气体自动灭火系统 …………………………………………………………… 127
8.2.7 火灾探测与自动报警系统 …………………………………………………… 127
8.3 FAS的工作原理和运作模式 ……………………………………………………… 127
8.3.1 FAS的工作原理 ……………………………………………………………… 127
8.3.2 FAS的运作模式 ……………………………………………………………… 128
8.4 FAS设备 …………………………………………………………………………… 129
8.4.1 火灾触发器件 ………………………………………………………………… 129
8.4.2 火灾报警控制装置 …………………………………………………………… 131
8.4.3 火灾警报装置 ………………………………………………………………… 132
8.4.4 火灾联动控制装置 …………………………………………………………… 133
8.4.5 消防广播、消防电话 …………………………………………………………… 134
8.5 气体灭火控制系统 ………………………………………………………………… 135
8.5.1 系统构成 ……………………………………………………………………… 135
8.5.2 气体灭火控制器 ……………………………………………………………… 136
8.5.3 气体灭火系统的灭火过程 …………………………………………………… 137
8.6 FAS构成及配置 …………………………………………………………………… 137
8.6.1 全线主干网络 ………………………………………………………………… 137
8.6.2 中央级局域网及设备组成 …………………………………………………… 138
8.6.3 车站级设备组成 ……………………………………………………………… 139
8.6.4 就地控制级设备组成 ………………………………………………………… 140
8.7 FAS功能要求 ……………………………………………………………………… 140
8.7.1 FAS中央级功能 ……………………………………………………………… 140
8.7.2 FAS车站级功能 ……………………………………………………………… 142
8.7.3 就地控制级功能 ……………………………………………………………… 143
8.8 系统接口 …………………………………………………………………………… 143
小 结 …………………………………………………………………………………… 145
习 题 …………………………………………………………………………………… 145
第9章 乘客服务相关系统 ………………………………………………………………… 146
9.1 乘客服务相关系统概述 …………………………………………………………… 146
9.2 乘客信息系统(PIS)………………………………………………………………… 146
9.2.1 PIS概述 ……………………………………………………………………… 146
9.2.2 PIS系统构成 ………………………………………………………………… 146
9.2.3 系统功能及系统支持的信息类型 …………………………………………… 146
9.2.4 中心子系统 …………………………………………………………………… 149
9.2.5 节目制作子系统 ……………………………………………………………… 149
9.2.6 车站子系统 …………………………………………………………………… 150
9.2.7 传输网络子系统 ……………………………………………………………… 151
9.2.8 车载子系统 …………………………………………………………………… 151
9.3 视频监控系统(CCTV) …………………………………………………………… 153
9.3.1 CCTV概述 …………………………………………………………………… 153
9.3.2 城轨视频监控系统分类 ……………………………………………………… 153
9.3.3 城轨视频监控系统组成 ……………………………………………………… 155
9.3.4 系统功能 ……………………………………………………………………… 158
9.4 乘客广播系统(PA)………………………………………………………………… 161
9.4.1 PA概述………………………………………………………………………… 161
9.4.2 系统构成 ……………………………………………………………………… 161
9.4.3 PA的功能……………………………………………………………………… 162
9.4.4 PA的控制……………………………………………………………………… 164
9.5 自动售检票系统(AFC) …………………………………………………………… 164
9.5.1 AFC概述 ……………………………………………………………………… 164
9.5.2 AFC系统架构 ………………………………………………………………… 165
9.5.3 AFC系统组成 ………………………………………………………………… 166
9.5.4 AFC系统功能 ………………………………………………………………… 167
9.5.5 AFC系统接口 ………………………………………………………………… 169
9.6 时钟系统(CLK) …………………………………………………………………… 170
9.6.1 CLK概述 ……………………………………………………………………… 170
9.6.2 CLK的功能 …………………………………………………………………… 170
9.6.3 CLK的构成 …………………………………………………………………… 171
小 结 …………………………………………………………………………………… 173
习 题 …………………………………………………………………………………… 174
第10章 门梯和安防系统 ………………………………………………………………… 175
10.1 屏蔽门系统 ………………………………………………………………………… 175
10.1.1 屏蔽门系统概述 ……………………………………………………………… 175
10.1.2 屏蔽门功能和种类 …………………………………………………………… 176
10.1.3 屏蔽门系统的运行模式 ……………………………………………………… 177
10.1.4 屏蔽门系统组成 ……………………………………………………………… 178
10.1.5 屏蔽门控制系统组成 ………………………………………………………… 180
10.2 城市轨道交通电扶梯设备 ………………………………………………………… 182
10.2.1 城市轨道交通电扶梯设备概述 ……………………………………………… 182
10.2.2 电梯设备 ……………………………………………………………………… 183
10.2.3 自动扶梯设备 ………………………………………………………………… 184
10.3 门禁系统 …………………………………………………………………………… 185
10.3.1 门禁系统概述 ………………………………………………………………… 185
10.3.2 门禁系统构成 ………………………………………………………………… 185
10.3.3 中央级系统构成 ……………………………………………………………… 186
10.3.4 车站级系统 …………………………………………………………………… 187
10.3.5 现场级终端设备 ……………………………………………………………… 188
10.3.6 门禁系统联动应用 …………………………………………………………… 190
10.4 车辆段安防系统 …………………………………………………………………… 192
10.4.1 车辆段安防系统概述 ………………………………………………………… 192
10.4.2 车辆段安防系统构成 ………………………………………………………… 192
10.4.3 硬件设备 ……………………………………………………………………… 193
小 结 …………………………………………………………………………………… 194
习 题 …………………………………………………………………………………… 194

1.张吉卫，工学硕士，山东大学控制理论与控制工程专业，副教授，山东交通学院轨道交通学院实验室主任，山东自动化学会会员。曾获山东高等学校优秀科研成果奖二等奖，山东省科学技术奖技术发明奖一等奖。全国高校电工电子基础课程实验教学案例设计竞赛获得华东赛区一等奖，全国三等奖等。共发表论文20余篇，其中EI收录5篇，中文核心3篇。作为第一发明人获发明专利5个、新型实用专利10个。目前主要从事 《单片机原理及应用》、《轨道交通综合监控》、《电控与PLC》等本科教学工作。2.丁海栋，日照市公用事业管理服务中心质量安全服务科科长，本科学历，高级工程师，1996年毕业于青岛建筑工程学院市政工程专业。教学经历：多年从事城市道路与交通行业职业教育教学工作研究，同时担任市政工程质量安全管理工作，多次组织市级市政行业技术比武，QC成果发布等工作；科研成果：实用新型专利4篇。教学经历：担任日照市职业技术学院、山东水利职业学院实习指导教师。

本书适合作为普通高等院校轨道交通专业的教材，也可作为城市轨道交通设计、施工及运营管理等工程技术人员的培训教材及参考用书。