軌道交通綜合布線系統的設計

軌道交通綜合布線系統的設計1 軌道交通與綜合布線系統 地鐵、輕軌都是城市內部的軌道交通系統，是城市公交體系的一部分。與以往的公共交通工具相比，它具有運量大、速度快、污染小、能耗低、建設快、成本低等特點。大力發展城市軌道交通，對于緩解城市交通擁擠和改善城市大氣環境具有十分重要的意義。 城市軌道交通系統一般由供電系統、環境控制系統、控制與運行系統、自動售檢票系統、自動扶梯/電梯系統、通信系統、信號系統、消防報警系統、給排水系統等組成。在這些子系統的內部和子系統之間，不但存在著大量的信息交換，而且，這些信息的表現形式不僅有開關量，還有對干擾十分敏感的模擬量，因此，布線系統十分復雜。 隨著數字技術的發展，軌道交通系統的數字化程度不斷地提高，這也對布線系統提出了新的要求。綜合布線系統本身所具有的兼容性、開放性、靈活性、可靠性、先進性和經濟性等優點，使其在軌道交通系統中的應用越來越普遍。2 軌道交通布線系統的特殊性 軌道交通的特殊性，決定了軌道交通布線系統的特殊性。如圖1所示，軌道交通布線系統不僅要考慮系統的拓撲結構、傳輸性能，還要更多地考慮消防、管理、系統升級等方面的要求。

與民用、商用綜合布線系統相比，在設計軌道交通布線系統時，還要考慮以下幾個因素： （1）布線系統的消防性能 地鐵人流密集，一旦發生火災，救援、疏導都有一定困難，因此，消防要求很嚴格。根據有關資料顯示，火災發生時，燃燒物散發出來的煙霧中含有大量的有毒物質。例如，火災中會分解產生一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、氫化氰氣體，能使人嗆咳、窒息，極易造成人員死亡。在火災喪生的人中，多數都是因為吸入過多的毒煙而窒息死亡的，而不是直接死于高溫。 在軌道交通系統中存在著大量的電纜。因此，在纜線選用時除了滿足阻燃要求外，還應該考慮到火焰的蔓延程度，燃燒時釋放的熱量、煙霧和毒氣等因素。 （2）布線系統的電磁兼容性能 與傳統的寫字樓、校園網、生活小區等民用、商用布線系統相比，地鐵布線系統具有更明顯的數據分布特征。由于軌道交通采用電力牽引，來自一次線路和二次線路的干擾遠遠大于普通建筑群電梯系統的干擾，并且，信號傳輸線路與其他線路可能長距離平行布防，因此，在設計布線系統時，要充分考慮系統的電磁兼容性能及各種纜線之間的間距要求和屏蔽電纜光纜的應用。 （3）傳輸線路的可靠性 軌道交通系統的客流量很大，例如：上海地鐵一、二、三號線的客流總量每個工作日都保持在130萬人次左右，周五更是達到140多萬人次，而香港地鐵目前日均客流量可達230萬人次。軌道交通和其他交通方式不同的是，一旦發生事故，整個線路就必須停止運行，因此，運輸中斷帶來的經濟損失是十分巨大的，它關系到軌道交通公司和幾百萬人的利益，系統的配置應有冗余和備份。 （4）系統的可管理性 作為一個復雜的機電系統，發生故障是不可避免的，因此，如何在最短的時間內找到故障點并加以排除是一個關鍵問題。布線系統雖然是無源系統，但它就像人體的神經一樣，聯系著機電系統的每一個節點，它也是機電系統中關鍵的環節。因此，提高線纜連接的可管理性，會大大縮短故障定位時間。 （5）系統的可擴展性 隨著數字化時代的到來，軌道交通運營商必然會增加許多新的設備或增值性服務來提高軌道交通系統的整體功能，因此，必須考慮到系統的可擴展性，以滿足日后的系統改進、擴容等方面的需求。 （6）總體擁有成本 一套系統建成后，在使用過程中還會發生其他的維護費用。在設計布線系統時，應在現有條件下，提高系統拓撲結構的多態性，并做到合理的冗余。3 布線系統設計3.1 參照標準 目前，在設計軌道交通系統時，可參照住房和城鄉建設部批準的、由北京市城建設計研究總院主編的《地鐵設計規范GB 50157－2003》。 《地鐵設計規范GB 50157－2003》是國家標準，自2003年8月1日起實施。標準中包括建議部分和強制要求部分，其中，第15章對通信系統的設計提出了設計要求，包括傳輸系統、公務電話系統、專用電話系統、時鐘系統、閉路電視監視系統等。此外，標準的21章對運營控制中心的功能分區與總體布置、建筑與裝修，特別是布線、供電、防雷與接地、消防與安全等方面提出了具體的規定和建議。此外，作為綜合布線系統的設計者，還應該遵守或參照IEC/ISO 11801國際建筑布線標準和GB50311-2007、GB50312-2007國家綜合布線標準等。3.2 拓撲結構設計 在軌道交通系統中，存在著多種網絡形態，常用的是共享介質以太網、令牌環網、FDDI等。以太網主要用于辦公用計算機組網；令牌環網、FDDI主要用于網絡綜合性能要求較高的設備組網。 在前幾節中，已經論述了軌道交通系統的特殊性。為了適應軌道交通系統的需求，軌道交通系統的工控設備通常采用雙機熱備份技術，以便在故障發生后啟用備用系統，并且，多采用全雙工環狀結構。另外，為了防止意外的損壞，還要進行線路的物理冗余設計，因此，網絡拓撲結構通常為圖2所示。 在各個車站之間，必然會有一條工作鏈路，以維持正常的工作。為了組成環狀網絡，需要占用4根光纖。為了適應網絡接口設備冗余的要求，還要采用4根光纖與設備連接，形成雙機冗余鏈路。工作鏈路和雙機冗余鏈路可以采用一根8芯光纜。 為了防止8芯光纜意外損壞，還必須留有一條物理冗余鏈路。為了使這條鏈路既可以獨立工作，又可以作為纖芯備份，在工程中可采用4芯光纜，沿交通線路單獨敷設。 采用上述結構后，每1芯光纖都有8根光纖作備份。作為以太網，結構比較簡單，為了節約光纖，通常采用最大限度堆疊方式，如圖3所示。3.3 線纜選型 綜合布線系統中的電纜承擔著固定通信系統中所有信息流的傳輸任務。由于弱電信號功率較低，即便是老化，也不會因短路引起自燃而造成火災。因此，布線系統的消防安全性能主要體現在兩個方面：一方面是在火災發生后，火勢不能沿著電纜線路到處蔓延；另一方面是有毒氣體的釋放必需滿足最小濃度要求。我們在設計軌道交通的結構化布線系統時，必須減少通信電纜的安全隱患，提高布線系統的安全性。　 防火電線電纜是具有防火性能電線電纜的總稱，通常分為阻燃電線電纜和耐火電線電纜兩種。 各個國家和城市都有不同的防火法規，在國際上，美國的UL實驗室和國家電氣規程（NEC）是目前最為廣泛接受的電氣安全要求，它們對銅纜和光纖都有嚴格的阻燃要求。Molex企業布線網絡部的產品，采用了它們的電纜防火等級體系及阻燃分類。 NEC條款770針對光纖電纜的分類如表1所示，其中OFNP具有最高的阻燃等級。 NEC條款800針對銅纜的分類如表2所示。 作為世界最具權威的獨立認證公司——美國UL實驗室，專門設計了測試方案，來檢驗電纜的防火性能。UL防火等級分成五種，分別是增壓級、干線級、商用級、通用級、家居級。我國的布線標準GB 50311-2007中也特別提到了光纜與電纜的防火等級與選用問題。 另外，Molex企業網絡布線部除了滿足上述阻燃線纜的分級以外，還提供低煙無鹵LSZH。低煙是指電線、電纜燃燒時產生的煙塵較少，即透光率較高；無鹵是指構成電線、電纜的材料不含鹵素（氯、溴等鹵族元素），燃燒產物的腐蝕性較低，可以保證用戶在使用時的安全要求。由于低煙無鹵電線電纜使用時給環境產生危害很小，一些地方稱為清潔電纜或環保電纜，產品包括超5類四對雙絞電纜、6類四對雙絞電纜、光纜等。3.4 EMC設計 軌道交通布線系統，與傳統的樓宇布線系統的另一個主要區別是二級配線間的距離較遠，對于架空的輕軌系統來講，還應考慮防雷、抗干擾等諸多問題。在軌道交通系統中，數據長距離傳輸的首選方案是光纖傳輸。通過使用光纖通信，大大降低了信號線和動力線長距離并行造成的EMC問題，并且將接地系統的設計大大簡化。如果傳輸距離過長，站間的連接可以采用單模光纖，或在必要時加裝中繼設備。 Molex提供的光纜產品，包括OM1、OM2、OM3、OS1等規格的室內外光纜。其中按照低煙無鹵標準生產的產品共計16種，特別適用于隧道敷設。另外，為了降低施工難度，節約施工時間，Molex還提供了Modlink系列“即插即用”產品。3.5 布線管理系統的設計 綜合布線系統的管理目標是：維護系統拓撲的完整性，并且能夠根據實際需要，修改系統的拓撲結構。Molex企業布線網絡部提供了Realtime實時布線管理系統，從邏輯和物理兩個層面入手（如圖4所示），實現了布線系統的實時管理能力。 從邏輯層面上看，永久鏈路的信息包括線路敷設路由、信息出口的位置、點位圖、配線架端口的位置等信息；跳線信息包括交換機信息、跳線兩個端點的定位等。這些信息是由用戶輸入的，存放在數據庫中。從物理層面上看，主要包括跳線變更的實時狀態。當跳線配置變動時，Realtime系統可以檢測到這種變動，并進行記錄。 Realtime實時配線架在每個端口上都有一個傳感器端子，通過實時跳線和系統監視器的共同作用，計算機軟件可以實時地反映系統的拓撲結構，并對未授權的變更進行記錄。 通過Realtime系統，使系統的變動可管理、可跟蹤、可監視，避免了布線系統移動、增加、修改等操作與文檔的異步，使系統維護工作的成本大大降低，速度大大加快。對于像軌道交通這樣的系統來講，可以大大縮短排除故障的時間，并且可以在最短的時間內啟用冗余數據鏈路。3.6 系統的可擴展性 軌道交通系統涉及多種類型的弱電系統，信號種類很多，相應的接口標準也很多。另外，作為公共交通系統的一部分，軌道交通系統的公共區域多，必然會提供更多的服務。考慮到新技術的發展和應用，軌道交通布線系統應提供多種媒體的接口，給未來的應用提供更多的擴展性。Molex的可配置配線架和通用配線架，滿足了這個需求。 USP配線架可以提供應用于語音、數據、保安監控、監聽、有線電視等多種媒體的接口，并可以根據需要，自由組合。4 綜合布線系統在軌道交通應用中的展望 人類離不開信息，軌道交通更離不開信息。不論軌道交通的形式如何變化，信息化將是永恒的主題。在未來十年內，軌道交通系統將會迎來信息化的新浪潮，在車廂內和候車大廳，自動導航系統、電視系統、網絡系統、傳媒系統、安全系統、消防系統、緊急疏散系統，甚至包括駕駛、車控系統將實現更高級別的自動化。自動化的基礎自然是數字化，而所有的數字化信息，將在軌道交通系統的布線網絡中傳輸。不斷發展的綜合布線技術，將會給軌道交通系統的發展提供堅實的基石。