BXI5100

隧道机电及照明监控系统

简介

1. 行业背景

1.1. 概述

自2008年京津城际正式开通运营以来，我国即进入高铁建设的快速期，至今高铁运营里程已经突破2万公里。并且根据政府规划要求，到2020年我国高速铁隧道网规模将达到3万公里。 高铁不同于普通铁隧道，其最大特点就是运行速度高，要求达到250km及以上，因此对线隧道的要求就高，线隧道必须较为平直，因此山岭地带的高铁线隧道建设要逢山开隧、遇水架桥，很多高铁线隧道的桥隧比已达到60%以上，甚至超过80%，3~5km以上的长大隧道比比皆是，其中不乏10km以上的特长隧道。在这种情况下，列车通过长大隧道时的安全防范就显得非常重要。

减少列车在隧道中运行时的安全隐患，抑或是万一列车在长大隧道中遭遇突发火灾要有应急减灾的措施，这是高铁隧道安防的重要环节。 针对高铁隧道安防，北京新讯信通电子技术有限公司自主研发的“BXI5100隧道机电及照明监控系统”（以下简称“BXI5100系统”）不仅能够对隧道内防灾救援设备的日常运行进行实时监制，保障设备的正常工作，而且在遇突发紧急事故时，可以远程启动隧道防灾救援设备的应急救援模式，高效协助防灾救援疏散，达到救灾和减灾的目的。

1.2. 与传统控制方法比较

在隧道照明中，传统的钠灯在照明的舞台上扮演着重要的角色，而未来越来越多的隧道灯将采用新型的 LED 隧道灯，不仅是因为它有着出色的照明表现，更因为它的使用寿命更长，功率却更低，是钠灯照明的理想替代产品。

科学的隧道灯管理系统是建设节能环保型城市的关键，当前城市、隧道隧道灯普遍存在控制方法原始、应急处理乏力、设备维护滞后等问题。为提高道隧道照明质量、降低能耗、实现绿色照明，对新型LED 隧道灯推出了“无线智能隧道灯控制系统”。该平台的传输核心——ZigBee 模块，属于 2.4G、免费开放频段，是一种先进的、低功耗、高安全性的近距离无线组网通讯技术，通过这种技术实现了对道隧道隧道灯的集中控制和单灯控制，解决长期以来同亮同灭的问题。同时，该系统可自动实时调节每一盏隧道灯的亮度和开光状态，从而达到二次节能的目的。

在标准的 ZigBee 协议基础上进行了大量改进和优化，自动实现底层节点隧道径查找、保存、更新等隧道由功能，节点无上电顺序要求，支持多级隧道由级，延迟小。

控制器固件可实现 15 级以上隧道由隧道径查找，按照 400 米一级计算，可实现 6 公里的覆盖应用在城市隧道灯系统中，可覆盖前后 6 公里，总共 12 公里。

表1. 采用ZigBee 无线控制技术与电力线载波(PLC)控制方案比较

2. 系统简介

2.1. 概述

BXI5100系统主要完成高铁、客专及客货共线铁隧道线隧道的隧道内的防灾通风、运营照明、应急照明、疏散指示、消防水泵、低压配电等设备的集中监控、故障报警及调度管理，在隧道内发生火灾或其它紧急事故时，系统能够根据预先生成的防灾救援预案对隧道防灾救援和照明设备进行控制，达到防灾减灾的目的。

2.2. 系统架构

BXI5100系统主要由监控中心防灾救援监控主站、隧道现场监控子系统和通信网络组成。 隧道现场监控子系统包括隧道现场的主控制器iBAS-MCU、远控单元iBAS-RTU、集中监控盘iBAS-IBP等装置以及隧道内网等。

3. 系统介绍

3.1. 监控主站

监控主站是隧道防灾监控系统的调度和指挥中心，负责隧道各类防灾救援和照明设备的远程监视、控制和调度、管理，并负责建立与其他自动化系统接口，实现信息传递、报警联动等功能。

根据监控对象的不同，监控主站可分为隧道防灾监控主站和隧道照明监控主站。隧道防灾监控主站一般设置于各铁隧道局防灾救援指挥中心，由监控工作站、通信服务器、数据服务器、网络交换机、UPS、打印机等设备组成；隧道照明监控主站一般设置于隧道临近车站的综合维修工区，相应的设备可以在简化为监控工作站、UPS、打印机等。

3.2. 通信网络

分为隧道监控干线网络和隧道内网，干线网基于铁隧道专用数字传输网SDH/MSTP网络构建，铁隧道专用传输网络为隧道防灾监控系统提供专用的以太网通道连接监控主站与现场监控子系统。 隧道内网一般在现场采用工业以太网交换机搭建光纤工业以太环网。

3.3. 现场监控子系统

3.3.1. 简述

现场监控子系统设于各隧道（群）内，将隧道内被控设备及设施的运行状态、报警信号等及时送至上级监控主站，并接受监控主站下达的各种监控指令，直接控制通风、照明、消防、低压配电等各类现场防灾设备。

现场监控系统由主控制器iBAS-MCU、iBAS-IBP盘、iBAS-RTU远控单元、隧道内网等设备组成。

主控制器

隧道主控制器iBAS-MCU为隧道现场监控子系统的核心设备，负责汇总现场各个远控单元iBAS-RTU采集到的数据并经过处理后上传给监控主站；同时接收并分解转发监控主站下发的控制指令到相应的iBAS-RTU； 完成设备自检和所辖设备的巡检；执行防灾救援模式。

IBP盘

隧道现场IBP盘主要用于实现紧急情况下的相应的救援模式控制功能。IBP盘设置于隧道进出口、避难所入口和紧急救援站处，提供现场各类设备的状态监视和多种设备运行模式控制按钮。 可行使隧道防灾救援设备监控系统的就地控制功能，用于紧急情况下一键控制隧道现场救援设备按模式要求运行。IBP盘具备最高级别的控制优先权，防护等级为IP65。

远控单元

隧道监控iBAS-RTU装置安装于隧道现场靠近各类机电设备的洞室内，完成隧道内通风、照明、消防水泵、低压配电等设备的状态、报警、电量等重要状态和参数进行采集，通过隧道内自愈光纤环网将数据经主控制器上传至监控主站。 同时将监控主站经主控制器下发的指令传递到现场设备控制柜，进行远程控制。

3.3.2. 隧道灯控制器

由单片机、ZigBee、输入输出接口板等组成，它安 装 在 每 盏 灯 里 。 通 过ZigBee接收命令实时监控每盏隧道灯的亮、灭情况、亮度调节、电能负荷状态、灯杆损坏报警、漏电报警、接收集中器的查询命令、控制命令等功能。 

通过ZigBee信号传输隧道灯状态信息。

 3.3.3. 单灯控制器

用于采集隧道灯工作状态信息，控制隧道灯开关、调光和计量，并向集中器发送隧道灯的工作状态。

3.3.3.1. 功能

电流电压采集与电量计量；

通过 ZigBee 接收命令实时监控每盏隧道灯的亮、灭情况、亮度调节、电能负荷状态、损坏报警、漏电报警、接收集中器的查询命令、控制命令等功能。

3.3.3.2. 特点

极高的接收灵敏度和抗干扰性能

坏灯预测报警(soon-to-burn)；

工作在多种模式下，配合光敏和人流量等传感器自动调节亮度，可有效增加能源的利用率，更节能、更高效。

3.3.4. 集中(控制)器

用于收集隧道灯发送过来的带有隧道灯工作状态的数据信息，通过互联网控制平台保持同步，并执行策略。

 集中控制器也就是我们经常说的中心服务器间的数据交互。集中控制器还可提供多种接口，包括数据通讯接口、AD 采集接口、数字量输入输出接口。无线模块可以将多网口数据传输至中央平台系统，可选配GPRS、CMDA以及其他无线通信模块。

3.3.4.1. 功能

收集节点数据本地保存，同时上传到服务器；

计算执行策略，下发到节点

3.3.4.2. 特点

支持无服务器脱机运行；

集中控制器除 GPRS 上行外，也支持以太网上行，可以灵活配置，进一步降低管理成本；

集中器固件支持远程升级，提高系统可扩展性，降低维护工作；

支持摄像头接入，可以直观了解现场情况；

可以接入其他传感器，为智慧城市提供支持；

3.3.5. 控制平台

由服务器、大屏幕投影显示设备、隧道灯智能测控系统软件及 Web 服务器、打印机等设备组成，负责实时监控隧道灯的工作情况、查询工作记录和对隧道灯的实时控制，配置隧道灯控制和采集策略，分析数据等。

3.3.5.1. 功能

实时监控隧道灯的工作状态；

历史数据查询统计；

对隧道灯进行实时控制；

下达控制策略；

通过隧道灯智能管理平台，所有隧道灯的运行状态可一目了然，方便管理人员及时、快捷地维护隧道灯，提高工作效率。

3.3.5.2. 特点

强大的报表和分析统计功能；

支持对节点和集中器固件进行远程升级；

遇到特殊事件时，如交通事故、道隧道施工或节日庆祝活动等，可以通过笔记本电脑、平板电脑或智能手机等通讯工具连接到智能隧道灯管理平台，通过管理员的授权单独对现场的某几盏隧道灯进行控制，解决长期以来道隧道照明受限制的问题。

隧道灯智能管理平台同时还可以对道隧道的公共基础设施（如沙井盖、变电柜等）进行监控，一旦发现有设施有异常移动行为可立刻反应给相关职能部门，真正做到城市智能管理。

除了经纬度计算日出日落等常规策略外，支持节假日/工作日区分策略、临时应急模式等等策略，且策略可以叠加（即 1 个灯或一组等可以运行多个策略），策略之间可以设定优先级，支持高级设置；

自动计算亮灯率能根据电压、电流、有功功率和功率因数的变化自动进行亮灯率估算。

根据采集到的数据，自动推算灯的寿命，为维护提供策略支撑；

支持不同参数的灯混合安装，可以各自设定参数、告警门限；

除了按照道隧道管理外，支持按照任意位置、同侧连续或不连续、道隧道不同侧、跨隧道管理等各种复杂情况的灯的分组管理，满足现场各种需求；

3.4. 主要功能

3.4.1. 数据采集

采集类型：开关量、模拟量、脉冲量

监视范围：隧道内各种机电设备的运行状态、告警查询

3.4.2. 远程控制

控制范围：风机、风阀、照明、应急照明、疏散指示、消防泵、电力远动等

控制方式：直接控制、带返校的遥控、批遥控、逻辑控制等

模式控制：正常运行及紧急事故时，可以分别一键启动相应的控制模式

智能控制：当监测到列车进出隧道或紧急停车时，可自动执行照明或防灾疏散预案

3.4.3. 其它功能

参数整定、报警管理、设备巡检及设备管理、自动校时、电子值班、安全管理、远程诊断及维护、报表打印、与其他自控系统联动等

4. 隧道由协议

4.1. 隧道由协议

特点：

Ø 自主研发

Ø 对等网络

Ø 智能隧道由

Ø 高效稳定

在标准的ZigBee协议基础上进行改进和优化而来的。运行该协议的节点无上电顺序，隧道由级数多，延迟小。可自动实现底层节点隧道径查找、保存、更新等隧道由功能，用户可以高效地进行无线数据收发。

隧道由策略考虑了各项实际应用当中可能会出现的情况，如节点数目较多，节点所处环境不稳定，暂时性干扰，节点丢失，新增节点等情况，隧道由协议在权衡速度和稳定性之后，能够做出最佳隧道由的选择，快速为用户找到一条通讯链隧道。

控制器固件可实现15级隧道由隧道径查找，按照400米一级计算，可实现6公里的覆盖，应用在城市隧道灯系统中，可覆盖前后6公里，总共12公里。

5. 系统方案

5.1. 概述

国家铁总（前铁道部）于2012年针对新建高速铁隧道、客运专线及客货共线铁隧道隧道的防灾救援疏散工程设计发布了《铁隧道隧道防灾救援疏散工程设计规范》（TB10020-2012），用以规范新建铁隧道隧道防灾救援疏散工程的设计和建设。

BXI5100系统即严格按照《铁隧道隧道防灾救援疏散工程设计规范》（TB10020-2012）及铁隧道隧道相关的要求，本着“以人为本，应急有备，方便自救，安全疏散” 的原则研制，符合规范所述各类要求。

BXI5100系统以 ZigBee 无线传输模块作为核心部件，每个隧道灯灯头装有 1 个ZigBee 模块，将数百个隧道灯或隧道灯组成一个无线局域网，监控中心通过集中器远程控制隧道灯。该管理平台还可根据天气状况、道隧道情况和人流量等信息，实时调节每一盏隧道灯的亮度和开关状态。系统可以全自动无人值守运行，并提供实时告警、数据统计分析等功能。市政人员可通过多种移动设备的上网功能登陆到该管理系统，了解隧道灯的健康情况，提高道隧道的维护能力。

5.2. 系统方案

根据不同应用推出透明传输和集中器控制两套方案。

 方案一：

                                      图1. 透传系统框图

                                         图2. 集中器系统框图

6. 系统优势

6.1. 节能高效

工作在多种模式下，配合光敏和人流量等传感器自动调节亮度，可有效增加能源的利用率，更节能、更高效。

6.2. 支持远程协助

遇到特殊事件时，如交通事故、道隧道施工或节日庆祝活动等，可以通过笔记本电脑、平板电脑或智能手机等通讯工具连接到智能隧道灯管理平台，通过管理员的授权单独对现场的某几盏隧道灯进行控制，解决长期以来道隧道照明受限制的问题。

6.3. 隧道灯轻松维护

通过隧道灯智能管理平台，隧道灯的运行状态可一目了然，方便管理人员及时、快捷地维护隧道灯，提高工作效率。

6.4. 保护公共基础设施

隧道灯智能管理平台同时还可以对道隧道的公共基础设施（如沙井盖、变电柜等）进行监控，一旦发现有设施有异常移动行为可立刻反应给相关职能部门，真正做到城市智能管理。

7. 系统应用

根据《铁隧道隧道防灾救援疏散工程设计规范》（TB10020-2012）及铁隧道隧道照明相关规范的要求，5km以下无应急照明的隧道需设隧道照明监控系统，5km以上或有紧急出口（避难所）设应急照明的隧道需设隧道防灾救援设备监控系统。

BXI5100系统可普遍用于新建高速铁隧道、客运专线及客货共线铁隧道隧道中5km以下的铁隧道隧道的隧道照明监控及5km以上的铁隧道隧道的隧道防灾救援设备的监控中。

8. 工程案例

我司近期实施的隧道机电及照明监控工程项目有：兰渝铁隧道隧道防灾救援及隧道照明监控工程项目、宝兰客专隧道防灾救援及隧道照明监控工程项目等。

其中宝兰客专为设计时速250公里/小时的高速铁隧道，整体项目所辖系统由兰州防灾监控中心、车站工区监控室和隧道现场设备（包括主控制器iBAS-MCU、远控单元iBAS-RTU、隧道内网）等组成，隧道现场设备与车站监控室工作站和兰州防灾监控中心设备通过铁隧道专网SDH/MSTP连接通信。

9. 战略意义

铁隧道安防系统是新讯信通智慧指挥调度产业链的重要一环，BXI5100系统连续应用于兰渝铁隧道和宝兰客专的隧道照明监控和防灾救援设备监控工程项目中，标志着新讯信通在铁隧道防灾领域和自控领域中的新突破，意味着新讯信通在“做世界领先的指挥调度与控制系统解决方案提供商”的道隧道上又跨出坚实的一步，项目前景广阔，未来自控领域有望成为新讯信通新的业务增长点。