轨道交通综合布线系统的设计

轨道交通综合布线系统的设计1 轨道交通与综合布线系统 地铁、轻轨都是城市内部的轨道交通系统，是城市公交体系的一部分。与以往的公共交通工具相比，它具有运量大、速度快、污染小、能耗低、建设快、成本低等特点。大力发展城市轨道交通，对于缓解城市交通拥挤和改善城市大气环境具有十分重要的意义。 城市轨道交通系统一般由供电系统、环境控制系统、控制与运行系统、自动售检票系统、自动扶梯/电梯系统、通信系统、信号系统、消防报警系统、给排水系统等组成。在这些子系统的内部和子系统之间，不但存在着大量的信息交换，而且，这些信息的表现形式不仅有开关量，还有对干扰十分敏感的模拟量，因此，布线系统十分复杂。 随着数字技术的发展，轨道交通系统的数字化程度不断地提高，这也对布线系统提出了新的要求。综合布线系统本身所具有的兼容性、开放性、灵活性、可靠性、先进性和经济性等优点，使其在轨道交通系统中的应用越来越普遍。2 轨道交通布线系统的特殊性 轨道交通的特殊性，决定了轨道交通布线系统的特殊性。如图1所示，轨道交通布线系统不仅要考虑系统的拓扑结构、传输性能，还要更多地考虑消防、管理、系统升级等方面的要求。

与民用、商用综合布线系统相比，在设计轨道交通布线系统时，还要考虑以下几个因素： （1）布线系统的消防性能 地铁人流密集，一旦发生火灾，救援、疏导都有一定困难，因此，消防要求很严格。根据有关资料显示，火灾发生时，燃烧物散发出来的烟雾中含有大量的有毒物质。例如，火灾中会分解产生一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、氢化氰气体，能使人呛咳、窒息，极易造成人员死亡。在火灾丧生的人中，多数都是因为吸入过多的毒烟而窒息死亡的，而不是直接死于高温。 在轨道交通系统中存在着大量的电缆。因此，在缆线选用时除了满足阻燃要求外，还应该考虑到火焰的蔓延程度，燃烧时释放的热量、烟雾和毒气等因素。 （2）布线系统的电磁兼容性能 与传统的写字楼、校园网、生活小区等民用、商用布线系统相比，地铁布线系统具有更明显的数据分布特征。由于轨道交通采用电力牵引，来自一次线路和二次线路的干扰远远大于普通建筑群电梯系统的干扰，并且，信号传输线路与其他线路可能长距离平行布防，因此，在设计布线系统时，要充分考虑系统的电磁兼容性能及各种缆线之间的间距要求和屏蔽电缆光缆的应用。 （3）传输线路的可靠性 轨道交通系统的客流量很大，例如：上海地铁一、二、三号线的客流总量每个工作日都保持在130万人次左右，周五更是达到140多万人次，而香港地铁目前日均客流量可达230万人次。轨道交通和其他交通方式不同的是，一旦发生事故，整个线路就必须停止运行，因此，运输中断带来的经济损失是十分巨大的，它关系到轨道交通公司和几百万人的利益，系统的配置应有冗余和备份。 （4）系统的可管理性 作为一个复杂的机电系统，发生故障是不可避免的，因此，如何在最短的时间内找到故障点并加以排除是一个关键问题。布线系统虽然是无源系统，但它就像人体的神经一样，联系着机电系统的每一个节点，它也是机电系统中关键的环节。因此，提高线缆连接的可管理性，会大大缩短故障定位时间。 （5）系统的可扩展性 随着数字化时代的到来，轨道交通运营商必然会增加许多新的设备或增值性服务来提高轨道交通系统的整体功能，因此，必须考虑到系统的可扩展性，以满足日后的系统改进、扩容等方面的需求。 （6）总体拥有成本 一套系统建成后，在使用过程中还会发生其他的维护费用。在设计布线系统时，应在现有条件下，提高系统拓扑结构的多态性，并做到合理的冗余。3 布线系统设计3.1 参照标准 目前，在设计轨道交通系统时，可参照住房和城乡建设部批准的、由北京市城建设计研究总院主编的《地铁设计规范GB 50157－2003》。 《地铁设计规范GB 50157－2003》是国家标准，自2003年8月1日起实施。标准中包括建议部分和强制要求部分，其中，第15章对通信系统的设计提出了设计要求，包括传输系统、公务电话系统、专用电话系统、时钟系统、闭路电视监视系统等。此外，标准的21章对运营控制中心的功能分区与总体布置、建筑与装修，特别是布线、供电、防雷与接地、消防与安全等方面提出了具体的规定和建议。此外，作为综合布线系统的设计者，还应该遵守或参照IEC/ISO 11801国际建筑布线标准和GB50311-2007、GB50312-2007国家综合布线标准等。3.2 拓扑结构设计 在轨道交通系统中，存在着多种网络形态，常用的是共享介质以太网、令牌环网、FDDI等。以太网主要用于办公用计算机组网；令牌环网、FDDI主要用于网络综合性能要求较高的设备组网。 在前几节中，已经论述了轨道交通系统的特殊性。为了适应轨道交通系统的需求，轨道交通系统的工控设备通常采用双机热备份技术，以便在故障发生后启用备用系统，并且，多采用全双工环状结构。另外，为了防止意外的损坏，还要进行线路的物理冗余设计，因此，网络拓扑结构通常为图2所示。 在各个车站之间，必然会有一条工作链路，以维持正常的工作。为了组成环状网络，需要占用4根光纤。为了适应网络接口设备冗余的要求，还要采用4根光纤与设备连接，形成双机冗余链路。工作链路和双机冗余链路可以采用一根8芯光缆。 为了防止8芯光缆意外损坏，还必须留有一条物理冗余链路。为了使这条链路既可以独立工作，又可以作为纤芯备份，在工程中可采用4芯光缆，沿交通线路单独敷设。 采用上述结构后，每1芯光纤都有8根光纤作备份。作为以太网，结构比较简单，为了节约光纤，通常采用最大限度堆叠方式，如图3所示。3.3 线缆选型 综合布线系统中的电缆承担着固定通信系统中所有信息流的传输任务。由于弱电信号功率较低，即便是老化，也不会因短路引起自燃而造成火灾。因此，布线系统的消防安全性能主要体现在两个方面：一方面是在火灾发生后，火势不能沿着电缆线路到处蔓延；另一方面是有毒气体的释放必需满足最小浓度要求。我们在设计轨道交通的结构化布线系统时，必须减少通信电缆的安全隐患，提高布线系统的安全性。　 防火电线电缆是具有防火性能电线电缆的总称，通常分为阻燃电线电缆和耐火电线电缆两种。 各个国家和城市都有不同的防火法规，在国际上，美国的UL实验室和国家电气规程（NEC）是目前最为广泛接受的电气安全要求，它们对铜缆和光纤都有严格的阻燃要求。Molex企业布线网络部的产品，采用了它们的电缆防火等级体系及阻燃分类。 NEC条款770针对光纤电缆的分类如表1所示，其中OFNP具有最高的阻燃等级。 NEC条款800针对铜缆的分类如表2所示。 作为世界最具权威的独立认证公司——美国UL实验室，专门设计了测试方案，来检验电缆的防火性能。UL防火等级分成五种，分别是增压级、干线级、商用级、通用级、家居级。我国的布线标准GB 50311-2007中也特别提到了光缆与电缆的防火等级与选用问题。 另外，Molex企业网络布线部除了满足上述阻燃线缆的分级以外，还提供低烟无卤LSZH。低烟是指电线、电缆燃烧时产生的烟尘较少，即透光率较高；无卤是指构成电线、电缆的材料不含卤素（氯、溴等卤族元素），燃烧产物的腐蚀性较低，可以保证用户在使用时的安全要求。由于低烟无卤电线电缆使用时给环境产生危害很小，一些地方称为清洁电缆或环保电缆，产品包括超5类四对双绞电缆、6类四对双绞电缆、光缆等。3.4 EMC设计 轨道交通布线系统，与传统的楼宇布线系统的另一个主要区别是二级配线间的距离较远，对于架空的轻轨系统来讲，还应考虑防雷、抗干扰等诸多问题。在轨道交通系统中，数据长距离传输的首选方案是光纤传输。通过使用光纤通信，大大降低了信号线和动力线长距离并行造成的EMC问题，并且将接地系统的设计大大简化。如果传输距离过长，站间的连接可以采用单模光纤，或在必要时加装中继设备。 Molex提供的光缆产品，包括OM1、OM2、OM3、OS1等规格的室内外光缆。其中按照低烟无卤标准生产的产品共计16种，特别适用于隧道敷设。另外，为了降低施工难度，节约施工时间，Molex还提供了Modlink系列“即插即用”产品。3.5 布线管理系统的设计 综合布线系统的管理目标是：维护系统拓扑的完整性，并且能够根据实际需要，修改系统的拓扑结构。Molex企业布线网络部提供了Realtime实时布线管理系统，从逻辑和物理两个层面入手（如图4所示），实现了布线系统的实时管理能力。 从逻辑层面上看，永久链路的信息包括线路敷设路由、信息出口的位置、点位图、配线架端口的位置等信息；跳线信息包括交换机信息、跳线两个端点的定位等。这些信息是由用户输入的，存放在数据库中。从物理层面上看，主要包括跳线变更的实时状态。当跳线配置变动时，Realtime系统可以检测到这种变动，并进行记录。 Realtime实时配线架在每个端口上都有一个传感器端子，通过实时跳线和系统监视器的共同作用，计算机软件可以实时地反映系统的拓扑结构，并对未授权的变更进行记录。 通过Realtime系统，使系统的变动可管理、可跟踪、可监视，避免了布线系统移动、增加、修改等操作与文档的异步，使系统维护工作的成本大大降低，速度大大加快。对于像轨道交通这样的系统来讲，可以大大缩短排除故障的时间，并且可以在最短的时间内启用冗余数据链路。3.6 系统的可扩展性 轨道交通系统涉及多种类型的弱电系统，信号种类很多，相应的接口标准也很多。另外，作为公共交通系统的一部分，轨道交通系统的公共区域多，必然会提供更多的服务。考虑到新技术的发展和应用，轨道交通布线系统应提供多种媒体的接口，给未来的应用提供更多的扩展性。Molex的可配置配线架和通用配线架，满足了这个需求。 USP配线架可以提供应用于语音、数据、保安监控、监听、有线电视等多种媒体的接口，并可以根据需要，自由组合。4 综合布线系统在轨道交通应用中的展望 人类离不开信息，轨道交通更离不开信息。不论轨道交通的形式如何变化，信息化将是永恒的主题。在未来十年内，轨道交通系统将会迎来信息化的新浪潮，在车厢内和候车大厅，自动导航系统、电视系统、网络系统、传媒系统、安全系统、消防系统、紧急疏散系统，甚至包括驾驶、车控系统将实现更高级别的自动化。自动化的基础自然是数字化，而所有的数字化信息，将在轨道交通系统的布线网络中传输。不断发展的综合布线技术，将会给轨道交通系统的发展提供坚实的基石。