城市軌道交通線網指揮中心系統(tǒng)關鍵技術研究

解 凱，錢曉超

（1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 211102；2. 重慶市軌道交通集團有限公司線網管控中心，重慶 401123）

隨著城市軌道交通線網規(guī)模的不斷擴大，運營管理由單個線路管控中心向多個線路管控中心管理的網絡化（即線網指揮中心方向）發(fā)展[1]。綜合運營協(xié)調指揮中心（COCC）的主要作用是綜合指揮協(xié)調城市軌道交通各線路控制中心（OCC）。

我國如北京、上海、廣州、深圳等城市已經建設了軌道交通線網指揮中心[2-3]，還有一批重點城市正在建設線網指揮中心[4]。線網指揮中心的日常工作主要包括對各線路運營組織方案進行審查協(xié)調，對網絡實時運營信息及時匯總，對網絡中出現(xiàn)的有關問題作出迅速處理，以及在發(fā)生重大突發(fā)事件時，對網絡、重要樞紐、換乘節(jié)點及列車運行進行統(tǒng)一調度指揮。為了實現(xiàn)上述職能，需要建立多技術支持、集成的城市軌道交通線網協(xié)調指揮中心，至少應包括運行監(jiān)察、設備監(jiān)察、應急指揮、運營分析、信息發(fā)布等核心功能。

本文探討了建設該系統(tǒng)基礎信息化平臺的關鍵技術，通過先進的計算機技術引領上述功能實現(xiàn)，有效地協(xié)調各線路管控中心之間的接口關系，提升線網管理水平和應急事件的處置能力。

1 全線網對象編碼和建模技術

我國城市軌道交通運營管控機構大都自下而上建設，先建各線控制中心，再建線網指揮中心。由于各線控制中心先期建設，各分系統(tǒng)信息采集和存儲在不同的信息平臺上，線網層級應建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)共享平臺，以實現(xiàn)列車、客流、綜合監(jiān)控等運營數(shù)據(jù)的一體化管理及分析。線網級的數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)是在充分考慮系統(tǒng)網絡安全的基礎上，以統(tǒng)一線網對象編碼為基礎，構建數(shù)據(jù)采集匯總模型，對數(shù)據(jù)進行一體化整合，實現(xiàn)對全線網信息的長期存儲。

1.1 全線網對象編碼

各線控制中心系統(tǒng)建設時間不一，設備命名不統(tǒng)一，導致數(shù)據(jù)交互復雜。標準化工作規(guī)范是 COCC 系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型建設的基礎。首先需編制線網各類車站、處所、設備、對象的編碼標準規(guī)范，作為 COCC 與 OCC 各系統(tǒng)及外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換接口規(guī)范，以滿足 COCC 作為數(shù)據(jù)中心角色的對象服務和模型服務功能，如圖1所示。

1.2 模型服務和數(shù)據(jù)交換

如圖2所示，通過統(tǒng)一的線網對象編碼，為全線網的管控對象和數(shù)據(jù)建立了標準命名，并建立統(tǒng)一編碼的映射表，使各線系統(tǒng)私有編碼經統(tǒng)一編碼轉換后可高效地接入 COCC 系統(tǒng)。同時城市軌道交通運營公司已建的其他信息化中心系統(tǒng)也通過統(tǒng)一編碼映射方式接入COCC。對于新建線路的系統(tǒng)設計建設，要求其按照統(tǒng)一編碼格式進行對象命名，就可不再建立編碼映射表，直接接入 COCC。

圖1 全線網對象編碼結構

圖2 基于全線對象編碼結構的數(shù)據(jù)和模型交換

基于統(tǒng)一模型編碼的線網數(shù)據(jù)中心不僅可用于匯集數(shù)據(jù)，同時也為各線控制系統(tǒng)和業(yè)務系統(tǒng)提供了模型和數(shù)據(jù)交換平臺。這種COCC 的模型和數(shù)據(jù)交換網絡方式，相較以往 2 個系統(tǒng)之間點對點開發(fā)接口通信的方式，降低了通信成本，提高了通信效率，促進了各線系統(tǒng)互聯(lián)互通。

2 分布式集成和數(shù)據(jù)服務技術

COCC 系統(tǒng)一般不直接與現(xiàn)場設備進行通信采集數(shù)據(jù)，而是對各線 OCC 已建成的各專業(yè)系統(tǒng)，如自動列車監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）、綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）、自動售檢票系統(tǒng)（AFC）、電力監(jiān)控系統(tǒng)（PSCADA），進行第二次系統(tǒng)級的匯總和集成，然后將集成數(shù)據(jù)在全線網模型上進行分析計算，再把處理過的分析結果分發(fā)到線網級各應用系統(tǒng)中。這樣的業(yè)務流程要求 COCC 數(shù)據(jù)平臺具有高內聚的系統(tǒng)集成能力和低耦合的數(shù)據(jù)服務能力。

2.1 “分-總-分”架構

COCC 平臺宜采用“分-總-分”（分布式采集-總模型和數(shù)據(jù)中心-分布式應用）的系統(tǒng)部署架構，如圖3所示。COCC 平臺采用分布式系統(tǒng)架構，系統(tǒng)內按照消息隊列和實時數(shù)據(jù)庫同步 2 類總線方式進行通信，消息隊列用于傳遞觸發(fā)信號和下發(fā)命令，實時數(shù)據(jù)庫同步用于常規(guī)數(shù)據(jù)通信。

這種分布式采集架構非常適合已建設的多處 OCC中心數(shù)據(jù)集成，在各 OCC 中心部署 COCC 分布式采集平臺，匯總各異構系統(tǒng)數(shù)據(jù)，轉化為標準編碼格式后，再向線網中心平臺同步。

線網指揮中心部署 COCC 總平臺，接收各線 OCC 采集平臺的同步數(shù)據(jù)，同時向各線 OCC 系統(tǒng)發(fā)布統(tǒng)一模型和提供數(shù)據(jù)交換網絡，為線網指揮中心的上層應用提供數(shù)據(jù)支撐。

圖3 “分-總-分”的 COCC 系統(tǒng)部署架構

2.2 分布式數(shù)據(jù)服務和應用部署

COCC 系統(tǒng)是典型的多用戶系統(tǒng)，其主要用戶包括線網調度大廳各個專業(yè)席位、應急指揮作戰(zhàn)室、交控中心、清分中心、軌道交通集團的運營中心等。針對不同需求的用戶群以及不同地點的系統(tǒng)部署要求，系統(tǒng)必須提供專業(yè)的分布式應用服務。在接入整個軌道交通集團辦公網、對外信息發(fā)布網絡、政府信息網絡時，必須重點考慮安全訪問控制問題。

在整個線網指揮中心系統(tǒng)的生命周期中，線網在不斷發(fā)展，業(yè)務需求也在不斷變化，不斷會有新的應用需要部署。COCC 的數(shù)據(jù)平臺實際上提供了一個包括模型和數(shù)據(jù)服務的基礎軟件開發(fā)環(huán)境，各類新應用都可以在這個軟件生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境中進行開發(fā)部署上線。

3 大數(shù)據(jù)處理技術

COCC 數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)建設的核心模塊，OCC 各系統(tǒng)一般采用關系型數(shù)據(jù)庫。COCC 系統(tǒng)需要匯總和處理全線網各類型數(shù)據(jù)，要滿足數(shù)據(jù)海量、計算強度大、非結構化數(shù)據(jù)處理等需求，因此需要引入大數(shù)據(jù)技術，與傳統(tǒng)關系庫協(xié)作實現(xiàn)業(yè)務功能。

3.1 大數(shù)據(jù)的必要性

隨著線路不斷建設，越來越多的新線將接入 COCC，需要采集的數(shù)據(jù)越來越多，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫難以完成海量數(shù)據(jù)存儲。

業(yè)務運行數(shù)據(jù)隨著系統(tǒng)運行時間的積累，所需存儲的數(shù)據(jù)量越來越大，而且客流預測和分析需要大量的歷史數(shù)據(jù)作為機器學習的訓練樣本，導致基于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計分析時間將會成倍增長。

COCC 匯聚數(shù)據(jù)類型呈現(xiàn)多樣化，隨著計算機技術和視頻圖像分析技術的發(fā)展，對視頻監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）中視頻、圖像語音等非結構化數(shù)據(jù)的分析處理，將在城市軌道交通運營中發(fā)揮更大的作用。對海量非結構化數(shù)據(jù)的分析已經不能在傳統(tǒng)的文件或關系庫方式下進行處理。

3.2 分步實施的可行性

前期建設可采用傳統(tǒng)關系型數(shù)據(jù)庫。一方面，線網指揮中心前期功能主要集中在運營、監(jiān)察和應急功能方面，傳統(tǒng)關系數(shù)據(jù)庫集群可以滿足；另一方面，系統(tǒng)投運前期數(shù)據(jù)量較少，從大數(shù)據(jù)平臺自身運用的特點上分析，大數(shù)據(jù)分析功能必須建立在歷史數(shù)據(jù)積累上，具體的業(yè)務需求一般要在 COCC 運行一段時間后再歸納；而且大數(shù)據(jù)中心需要專人運維，前期投入使用大數(shù)據(jù)平臺，不僅增加建設成本，還增加維護的人力和技術成本。

因此，COCC 數(shù)據(jù)平臺的建設宜采用分步建設的模式，如圖4所示：前期由傳統(tǒng)關系型數(shù)據(jù)庫集群實現(xiàn)負載均衡，投運初期人員需要時間和系統(tǒng)磨合，對需求的把握也不是很精準。在系統(tǒng)運行一段時間后，隨著數(shù)據(jù)量的增加，業(yè)務需求也基本明確，此時引入大數(shù)據(jù)平臺，將原有關系庫中的數(shù)據(jù)抽取到大數(shù)據(jù)平臺，加載新的大數(shù)據(jù)分析業(yè)務，原關系型數(shù)據(jù)庫繼續(xù)作為數(shù)據(jù)采集庫和關鍵數(shù)據(jù)備份庫。

4 可視化分析技術

線網指揮中心的職能包括對線網當前狀態(tài)的監(jiān)察功能，以及對整個線網運營的分析功能，需要監(jiān)察和管理的對象相較單條線路成倍增加，而且線網 COCC 管理的層面更偏向宏觀調度指揮。因此 COCC 對線網的分析管理，主要是結合計算機統(tǒng)計分析技術，對線網進行宏觀監(jiān)察和分析，構建運營評估指標體系，匯總采集數(shù)據(jù)，形成行車、客運、能耗等監(jiān)察指標，并利用可視化技術展現(xiàn)計算結果。

可視化的價值在于將復雜的問題通過直觀視覺展現(xiàn)，對線網運行和運營數(shù)據(jù)進行加工提煉，以可視化的圖線報表方式為 COCC 調度人員提供更為直觀的線網運行趨勢。

圖4 分步建設 COCC 大數(shù)據(jù)平臺

4.1 客流分析可視化

線網中心的客流交通出行量（OD）研究，能夠站在全線網的角度為車輛調度、車站運營、票務策略、新線規(guī)劃等提供數(shù)據(jù)決策依據(jù)。以往的分析主要是以 OD矩陣方式提供數(shù)字表格，難以實現(xiàn)線網實時客流趨勢監(jiān)控，而采用桑吉圖的方法來進行 OD 客流的可視化展現(xiàn)，可直觀反映 OD 關系，對客流的變化趨勢作總體把握。在桑吉圖上以線條代表客流到各站的匯入、流出和換乘關系，以線條的寬度表示客流的大小。

如圖5所示，線網中兩站之間有多個路由途徑，可通過桑吉圖表示線網中各線通過換乘樞紐站的分流狀況。

使用可視化方法來分析客流，可觀察到不同時間段內線網的總體客流變化趨勢，COCC 可以從線網的角度做出客流預警，通知各線 OCC 做好客流分流、調整發(fā)車間隔，必要時采用跨線網協(xié)調列車運力、跳站運行等應急運行方式。

圖5 線網樞紐車站客流變化分析

4.2 線網告警事件可視化

COCC 作為線網日常運營機電設備管理中心，負責對環(huán)控模式進行監(jiān)督和跨中心協(xié)調；負責對火災報警系統(tǒng)、自動滅火系統(tǒng)、各類消防設施總體運行情況及線網各車站、區(qū)間的機電設備（給排水、屏蔽門、照明、電扶梯）總體運行狀態(tài)進行監(jiān)視。

線網中需要監(jiān)視管理的設備眾多，以重慶兩路口車站為例，每日產生的告警和事件量多達 2.7 萬條。線網指揮中心監(jiān)視幾百個車站，無法監(jiān)視到每個設備，而是按線路分系統(tǒng)運行情況計算評估關鍵績效指標（KPI），按照實時統(tǒng)計設備故障并依據(jù)重要程度權重，計算線路設備系統(tǒng)健康狀態(tài)，突出顯示需關注的故障嚴重設備。

如圖6所示，采用線路告警事件統(tǒng)計動態(tài)矩陣，每個矩形代表1個車站的告警事件統(tǒng)計結果，其面積為該站所有告警事件乘以其等級權重的總和。矩形的大小代表車站發(fā)生告警事件的數(shù)量和嚴重度。

圖6 車站告警事件統(tǒng)計動態(tài)矩陣

5 地理和空間信息技術

線網指揮中心的另一項重要職能是應急情況的處置，在線網中單條線路的事故影響會波及其他線路，必須全局考慮事故的影響范圍和處置策略。利用地理信息系統(tǒng)和空間三維仿真技術可為線網應急指揮中心的事故分析和處置決策提供輔助手段。

5.1 BIM 模型三維仿真

目前我國多個城市軌道交通的建設過程中已經開始嘗試使用建筑信息模型（BIM）技術[6]。隨著 BIM 技術的推廣和不斷發(fā)展，BIM 模型在建設竣工交付后，還可以作為城市軌道交通的長期運維和運營模型。

以往單獨建立三維模型需要耗費巨大的人力和時間，而且建立的模型缺乏后期的有效維護。有了 BIM 模型后，將其導入 COCC 平臺進行三維建模，方便快速且節(jié)省成本，而且可與 BIM 模型動態(tài)維護同步修改。

如圖7所示，線網指揮中心利用三維模型可以進行應急策略決策預案分析和仿真場景演練。在事故應急指揮室調取各車站和隧道 BIM 模型的可視化三維場景，可進行仿真實地情況查看，結合現(xiàn)場視頻作出綜合應急處置決策。

圖7 基于三維車站模型的應急疏散策略仿真

5.2 地理信息系統(tǒng)（GIS）應急指揮

目前我國城市軌道交通公司大都建設了自身的 GIS系統(tǒng)和標準化矢量地圖，COCC 可以導入 GIS 地圖，并結合行車、客流、供電采集數(shù)據(jù)進行綜合展示，有利于線網指揮中心了解線網在整個城市空間下的運行狀態(tài)。

在應急狀況下，線網指揮中心可在 GIS 地圖上，掌握線網范圍內的關鍵基礎設施空間分布情況和與城市軌道交通線網的位置關系，便于在緊急情況下快速指揮救援和疏散。

6 結語

從目前已經投入運行的城市軌道交通線網指揮中心信息化平臺的運行效果來看，系統(tǒng)對線網指揮中心各類監(jiān)察、調度、管理、分析、應急等業(yè)務提供了強有力的支撐。但是線網指揮中心沒有通用的建設規(guī)則，其支撐系統(tǒng)的設計和建設還沒有相關的國家和行業(yè)標準，各城市軌道交通公司應結合自身線網指揮中心的組織架構和角色定位開發(fā) COCC 業(yè)務需求、設計系統(tǒng)功能。另一方面，計算機、通信、大數(shù)據(jù)、圖像處理識別、虛擬現(xiàn)實等技術在不斷變化發(fā)展，在新的線網指揮中心建設中，實行更合理的系統(tǒng)部署架構、采用更貼合線網管理的實用化新技術，將推動城市軌道交通線網運營向更高層次的智能化管控發(fā)展。

[1]何霖，方思源. 城市軌道交通網絡化運營的挑戰(zhàn)與對策[J]. 都市快軌交通，2015，28（2）：1-5.

[2]汪波，陳德愛，楊杰. 北京城市軌道交通網絡化運營探討[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通，2010（4）：14-17.

[3]胡春杰. 簡述深圳地鐵線網指揮中心NOCC系統(tǒng)設計[J]. 城市建設理論研究（電子版），2016（13）：718.

[4]佘才高，代繼龍，張寧. 城市軌道交通線網中心規(guī)劃研究[J]. 鐵路通信信號工程技術，2014，11（4）：53-55.

[5]郝曉平，翟軍鋒. TCC數(shù)據(jù)中心與線路數(shù)據(jù)接口方式的探討[J]. 中國鐵路，2013（5）：46-47.

[6]李雙喜，周瀅. BIM技術在軌道交通工程設計中的應用[J]. 地下空間與工程學報， 2014，10（s1）：135.