地鐵線網(wǎng)指揮中心大屏幕及可視化設(shè)計(jì)與研究

馬申瑞，婁永梅

(北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

1 概述

隨著國(guó)內(nèi)城市軌道交通建設(shè)的快速擴(kuò)張和發(fā)展，為應(yīng)對(duì)地鐵網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)轉(zhuǎn)型的迫切需求，北京、廣州、深圳、南京等城市均已快速展開線網(wǎng)指揮中心的建設(shè)工作。旨在組建高效、專業(yè)的指揮調(diào)度機(jī)構(gòu)，依托先進(jìn)、可靠、智能的軌道交通網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，完成地鐵網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)的高效管理和線網(wǎng)資源的共享，落實(shí)城市總體規(guī)劃要求，提供城市交通系統(tǒng)的運(yùn)行效率，促進(jìn)客運(yùn)交通一體化的發(fā)展。

為滿足網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)管理的深層次要求，輔助運(yùn)營(yíng)人員及時(shí)掌握所管轄線路全部的行車、客流等數(shù)據(jù)和單線進(jìn)出站客流、高峰期斷面客流等關(guān)鍵運(yùn)營(yíng)指標(biāo)，在線網(wǎng)指揮中心布置一套完善的大屏幕及可視化系統(tǒng)是必不可少的。大屏幕及可視化系統(tǒng)可以根據(jù)運(yùn)營(yíng)管理和控制的需求，通過(guò)可視化軟件的模型將信息資源（如行車信息、客流信息、視頻信息、設(shè)備信息及涉及到氣象、電力、公交、鐵路、機(jī)場(chǎng)、公安、消防、醫(yī)療和政府相關(guān)部門等外部信息）合理、簡(jiǎn)明的展示在屏幕墻上，對(duì)現(xiàn)有分散的區(qū)域控制中心實(shí)施全面的集中監(jiān)視和管理。當(dāng)遇到突發(fā)安全事件時(shí)，大屏幕及可視化系統(tǒng)將進(jìn)入應(yīng)急模式，將相關(guān)信息第一時(shí)間展示在屏幕墻上，輔助運(yùn)營(yíng)調(diào)度人員協(xié)調(diào)各條線路或其他相關(guān)部門，使突發(fā)安全事件得到有效的處理，為地鐵安全可靠高效運(yùn)營(yíng)提供有效的支持。

2 大屏幕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

2.1 建設(shè)思路

以往設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜的顯示系統(tǒng)，傳統(tǒng)的辦法只能是基于矩陣的信號(hào)分配，這需要大量使用多端口矩陣（比如DVI 矩陣、RGB 矩陣、模擬視頻矩陣、數(shù)字視頻矩陣等），但這樣的構(gòu)成方案通常會(huì)面臨以下問(wèn)題：

1）矩陣價(jià)格昂貴、擴(kuò)展性差，布線工作復(fù)雜；

2）信號(hào)源需經(jīng)過(guò)多級(jí)矩陣分配、切換、傳輸，很難保證信號(hào)顯示質(zhì)量；

3）系統(tǒng)控制困難，只能采用設(shè)置多個(gè)分控中心及主控制中心的方法；

4）整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)或非常難實(shí)現(xiàn)跨職能部門、跨控制室的綜合顯示系統(tǒng)。

為彌補(bǔ)傳統(tǒng)矩陣系統(tǒng)上述的種種不足，將大屏幕顯示系統(tǒng)從過(guò)去單純顯示信息為主的獨(dú)立顯示墻變成了網(wǎng)絡(luò)化信息顯示、決策支撐的平臺(tái)，通常采用基于IP 數(shù)字流媒體技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。這種方案相對(duì)于矩陣方案不僅節(jié)約硬件設(shè)備投資，還具有無(wú)法比擬的靈活性、易用性和操作性，如表1 所示，例如：僅需IP 網(wǎng)絡(luò)布線，無(wú)需線纜和光纜布線，取消模擬切換矩陣避免故障節(jié)點(diǎn)，通過(guò)萬(wàn)兆IP 網(wǎng)絡(luò)作為信號(hào)切換平臺(tái)，通過(guò)IP 地址作為信號(hào)及顯示節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)，在網(wǎng)絡(luò)連通的環(huán)境下可以隨意拓展和調(diào)整顯示控制模式等。而且，不同的顯示設(shè)備通過(guò)硬件解碼器或軟件解碼程序顯示在不同類型的顯示設(shè)備上，如DLP 顯示墻、LCD 顯示器、LED 大屏幕、會(huì)議室投影機(jī)、電腦屏幕等。

表1 網(wǎng)絡(luò)化解決方案與矩陣連接方案對(duì)比表Tab.1 Comparison table of networking solutions and matrix connection solutions

IP 數(shù)字模式作為技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，可以確保系統(tǒng)在未來(lái)具備最先進(jìn)的應(yīng)用架構(gòu)和最靈活的拓展模式，同時(shí)實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)輸入、多點(diǎn)顯示，靈活操控、信息共享的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.2 部署架構(gòu)

大屏幕系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化顯示方案由3 個(gè)主要部份組成：信號(hào)輸入設(shè)備、信號(hào)傳輸設(shè)備、信號(hào)顯示設(shè)備。

以南京地鐵線網(wǎng)指揮中心為例，如圖1 所示，這些信號(hào)輸入、信號(hào)顯示設(shè)備也稱為節(jié)點(diǎn)，由若干個(gè)節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作原理就是把DVI 信號(hào)編碼成H.264 網(wǎng)絡(luò)視頻流，再匯合網(wǎng)絡(luò)攝像頭輸出的H.264 網(wǎng)絡(luò)視頻流，就構(gòu)成了一個(gè)開放的、共享的、便于管理的網(wǎng)絡(luò)視頻流集。然后把這些網(wǎng)絡(luò)視頻流集中在一個(gè)專用的局域網(wǎng)中，對(duì)需要顯示的視頻流進(jìn)行解碼，輸出到大屏幕上。

2.3 數(shù)據(jù)架構(gòu)

圖1 南京NCC部署方案Fig.1 Nanjing NCC deployment plan

如圖2 所示，地鐵線網(wǎng)指揮中心的數(shù)據(jù)主要從線路的4 個(gè)專業(yè)進(jìn)行輸入，分別是信號(hào)專業(yè)、綜合監(jiān)控專業(yè)、自動(dòng)售檢票專業(yè)和視頻專業(yè)。數(shù)據(jù)通過(guò)接口服務(wù)器進(jìn)行清篩后上傳至實(shí)時(shí)/歷史服務(wù)器和大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行集成與處理，再利用業(yè)務(wù)軟件模塊完成多維度指標(biāo)分析后在大屏幕系統(tǒng)進(jìn)行信息的可視化展示。

線路信號(hào)專業(yè)提供正線和車輛段的站場(chǎng)信息、列車運(yùn)行信息、列車計(jì)劃/實(shí)際時(shí)刻表信息及運(yùn)營(yíng)相關(guān)統(tǒng)計(jì)信息至線網(wǎng)指揮中心，在大屏幕系統(tǒng)上顯示線路信號(hào)系統(tǒng)的狀態(tài)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，展示單線ATS、線網(wǎng)大圖和行車監(jiān)察所需的相關(guān)數(shù)據(jù)。

綜合監(jiān)控專業(yè)提供電力系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、環(huán)境設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、站臺(tái)門系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的狀態(tài)和故障報(bào)警信息至線網(wǎng)指揮中心，在大屏幕系統(tǒng)上顯示設(shè)備告警統(tǒng)計(jì)及設(shè)備類指標(biāo)等設(shè)備監(jiān)察信息。

線路自動(dòng)售檢票專業(yè)主要通過(guò)線網(wǎng)級(jí)清分中心(ACC)向線網(wǎng)指揮中心提供客流統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及OD 數(shù)據(jù)，在大屏幕系統(tǒng)上顯示客流指標(biāo)與預(yù)測(cè)及客流歷史統(tǒng)計(jì)等客流監(jiān)察信息。

線路視頻專業(yè)提供數(shù)字視頻信號(hào)供線網(wǎng)指揮中心調(diào)度員調(diào)用，在大屏幕系統(tǒng)上可進(jìn)行實(shí)時(shí)播放和云鏡控制。

2.4 系統(tǒng)功能

大屏幕分布式控制系統(tǒng)支持按照不同的顯示區(qū)域?qū)⒄麄€(gè)大屏幕顯示墻劃分為一個(gè)（或多個(gè)）邏輯區(qū)域進(jìn)行顯示，不同業(yè)務(wù)區(qū)域的線網(wǎng)指揮中心調(diào)度人員可以獨(dú)立地在其對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)模塊顯示區(qū)域進(jìn)行各種管理及控制操作，并實(shí)現(xiàn)各屏幕單元靈活調(diào)用、圖像拖動(dòng)顯示、任意位置開窗顯示等功能。

大屏幕顯示信息區(qū)功能可以劃分為線網(wǎng)設(shè)備行車信息顯示、線網(wǎng)客流信息顯示、全線網(wǎng)行車信息顯示圖顯示、視頻監(jiān)視顯示、線網(wǎng)電力信息顯示、線網(wǎng)綜合信息顯示共6 個(gè)基本區(qū)域。具體顯示的內(nèi)容如下。

圖2 南京NCC數(shù)據(jù)流圖Fig.2 Nanjing NCC data flow diagram

1）線網(wǎng)整體布局圖：以城市地圖畫面為背景顯示線網(wǎng)各線路走向、站點(diǎn)布局、換乘站分布、站點(diǎn)附近關(guān)鍵建筑（醫(yī)院、公安局、消防局等）和關(guān)鍵地點(diǎn)（大型樞紐車站、停車場(chǎng)、火車站、出租車上客點(diǎn)等）的位置、地鐵應(yīng)急處置資源（救援設(shè)備、應(yīng)急物資、應(yīng)急救援隊(duì)伍、應(yīng)急設(shè)備等）的位置等信息。支持調(diào)度員在線網(wǎng)整體布局圖上對(duì)相應(yīng)信息進(jìn)行搜索及定位。

2）在線網(wǎng)整體布局圖基礎(chǔ)上顯示跨線路的同專業(yè)匯總信息畫面：如各線行車信息畫面；線網(wǎng)電力主所分布圖、線網(wǎng)供電范圍分布圖（含變壓器負(fù)荷、出線電壓、電流等信息）。

3）線網(wǎng)各站客流信息及線網(wǎng)擁堵情況分布圖。支持在線網(wǎng)整體布局圖上的對(duì)專業(yè)和線路的組合選擇顯示。

4）在線網(wǎng)整體布局圖基礎(chǔ)上顯示跨線設(shè)施系統(tǒng)監(jiān)控畫面，如線網(wǎng)換乘站分布圖（含進(jìn)/出站客流信息）；線網(wǎng)能耗及環(huán)境參數(shù)對(duì)比圖。

5）車站設(shè)施布局畫面，如顯示扶梯、閘機(jī)、CCTV 監(jiān)控點(diǎn)、屏蔽門、環(huán)境參數(shù)的典型車站布局圖；顯示出入口、換乘通道、步梯、扶梯、電梯、閘機(jī)、CCTV 監(jiān)控點(diǎn)、屏蔽門、環(huán)境參數(shù)的車站布局圖。車站布局圖支持平面顯示、三維顯示、視角控制、動(dòng)畫顯示等功能。

6）全線CCTV 視頻監(jiān)視畫面。

3 可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

3.1 建設(shè)思路

可視化系統(tǒng)通過(guò)綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析成果，進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化加工，形成便于調(diào)度人員觀看、直觀、美觀、信息關(guān)聯(lián)性高的綜合信息展示畫面，形成設(shè)施設(shè)備信息、日常監(jiān)管、應(yīng)急處置、動(dòng)態(tài)分析、信息發(fā)布等功能為一體的可視化綜合展示平臺(tái)。

1）集成性

可視化綜合展示平臺(tái)的人機(jī)界面整合大屏幕系統(tǒng)的人機(jī)界面，具備在一個(gè)控制終端對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制的能力。

可視化綜合展示平臺(tái)與大屏幕系統(tǒng)之間有控制接口，可以控制大屏幕系統(tǒng)核心設(shè)備，能控制大屏幕系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源選擇、具體屏幕布局和控制模式切換的功能，可以將任意數(shù)據(jù)源以任意形式在大屏幕墻上進(jìn)行顯示。

2）可維護(hù)性

可視化綜合展示平臺(tái)系統(tǒng)權(quán)限設(shè)計(jì)層次清晰，用戶、角色設(shè)置與權(quán)限控制可逐級(jí)授權(quán)分級(jí)管理。當(dāng)系統(tǒng)局部功能模塊發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)不影響其他模塊的正常運(yùn)行。

3）可擴(kuò)展性

可視化綜合展示平臺(tái)應(yīng)具備業(yè)務(wù)模塊、功能模塊的擴(kuò)展能力，需滿足新增業(yè)務(wù)需求引起的系統(tǒng)擴(kuò)展要求。

可視化綜合展示平臺(tái)具備性能的可擴(kuò)展性，當(dāng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)量和訪問(wèn)量增大，系統(tǒng)配置不能滿足性能要求時(shí)，可以通過(guò)增加服務(wù)器或提高服務(wù)器配置等方法增加系統(tǒng)的業(yè)務(wù)處理能力。

3.2 場(chǎng)景設(shè)計(jì)

可視化綜合展示平臺(tái)在地鐵運(yùn)營(yíng)指揮中心大屏上監(jiān)控根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)置不同展示模式，可按照不同需求設(shè)計(jì)不同的大屏幕顯示模式，進(jìn)行畫面切換。例如：日常運(yùn)營(yíng)模式、應(yīng)急處置模式、參觀演示模式等，不同模式可根據(jù)監(jiān)控展示內(nèi)容進(jìn)行整體布局的美化并展示，如圖3 所示。

圖3 可視化場(chǎng)景模式Fig.3 Visual scene mode

日常監(jiān)控模式：用于運(yùn)行調(diào)度人員日常調(diào)度值班監(jiān)盤，數(shù)據(jù)主要以T+0 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為主，輔之以一定的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)（例如：客流預(yù)測(cè)）、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（客調(diào)、行調(diào)、電調(diào)、環(huán)調(diào)等相關(guān)指標(biāo)的極值、均值、典型值）用于為監(jiān)控指標(biāo)提供對(duì)比參考。

應(yīng)急指揮模式：用于突發(fā)事件情況下的應(yīng)急指揮監(jiān)控，數(shù)據(jù)與日常監(jiān)控相似，以T+0 為主，同時(shí)考慮與地鐵集團(tuán)、各OCC 的協(xié)同指揮。同時(shí)會(huì)將應(yīng)急指揮系統(tǒng)以信號(hào)形式在大屏上投放，集中顯示突然事件車站的相關(guān)信息，并切換對(duì)應(yīng)CCTV 畫面輔助指揮人員實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況。

參觀展示模式：用于領(lǐng)導(dǎo)參觀時(shí)，能在大屏上充分展示地鐵的企業(yè)形象、社會(huì)責(zé)任等宏觀信息。數(shù)據(jù)以靜態(tài)數(shù)據(jù)（以excel 和其他文件格式提供）和T+1 統(tǒng)分?jǐn)?shù)據(jù)為主，如圖4 所示。

3.3 地鐵三維地圖

地鐵三維地圖是通過(guò)搭建三維城市模型（白模），在基礎(chǔ)地形地貌上建立城市地標(biāo)，并疊加所有已開通線路和車站，將線網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行整合，如主變電站、換乘站、聯(lián)絡(luò)線，以關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)為主要元素顯示線網(wǎng)整貌畫面，可按地理布局圖方式展示具體的單線元素（如車站、區(qū)間、場(chǎng)段等）的分布的畫面及與線路相關(guān)的信息，實(shí)現(xiàn)地鐵規(guī)劃、地鐵建設(shè)、地鐵運(yùn)營(yíng)3 方面功能，如圖5 所示。

圖4 地鐵可視化大屏圖Fig.4 Metro visual large screen

圖5 南京地鐵城市三維遠(yuǎn)景圖Fig.5 Three-dimensional perspective view of Nanjing Metro

1）地鐵規(guī)劃

如圖6 所示，通過(guò)城市人員熱力圖可以清晰地看出地鐵既有線路和規(guī)劃線路對(duì)城市人員密集區(qū)域的覆蓋比例，直觀看出地鐵規(guī)劃線路以及換乘站設(shè)置是否合理。

圖6 南京地鐵城市熱力圖Fig.6 Urban thermal map of Nanjing Metro

2）地鐵建設(shè)

通過(guò)施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，從人員、進(jìn)度、設(shè)備、盾構(gòu)和風(fēng)險(xiǎn)5 個(gè)維度對(duì)地鐵建設(shè)進(jìn)行直觀展示。

人員：掌握當(dāng)前有多少管理人員、監(jiān)理人員、施工工人在投入建設(shè)，并實(shí)時(shí)掌握各線路、各工點(diǎn)、各工種的人員比例。

進(jìn)度：掌握施工進(jìn)度情況，包括投資進(jìn)度、施工進(jìn)度、形象進(jìn)度等。

設(shè)備：掌握當(dāng)前各線路、各工點(diǎn)有多少大型設(shè)備投入施工，結(jié)合之前的進(jìn)度情況，對(duì)大型設(shè)備進(jìn)行調(diào)度。

盾構(gòu)：掌握當(dāng)前每條線路每個(gè)標(biāo)段的盾構(gòu)進(jìn)度以及貫通情況。

風(fēng)險(xiǎn)：通過(guò)巡游方式實(shí)現(xiàn)“視頻巡檢”，并結(jié)合施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控。

3）地鐵運(yùn)營(yíng)

通過(guò)在三維場(chǎng)景中疊加實(shí)時(shí)進(jìn)出站客流數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)閾值提示車站客流預(yù)警以及采取限流措施情況。

通過(guò)在三維場(chǎng)景中疊加實(shí)時(shí)線路擁擠度數(shù)據(jù)，對(duì)當(dāng)前各條線路的客流與運(yùn)力匹配情況進(jìn)行模擬仿真，對(duì)實(shí)時(shí)調(diào)度措施（加減車、飛站）的效果進(jìn)行仿真。

4 結(jié)束語(yǔ)

建立線網(wǎng)指揮中心，通過(guò)大屏幕及可視化系統(tǒng)對(duì)軌道交通線網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全面的管理和監(jiān)控，是數(shù)字化軌道交通的具體體現(xiàn)。因此，建設(shè)一個(gè)智能化的大屏幕及可視化系統(tǒng)，能輔助調(diào)度人員對(duì)現(xiàn)有分散的區(qū)域控制中心實(shí)施全面的集中監(jiān)控和管理，提高運(yùn)營(yíng)效益，實(shí)現(xiàn)資源共享。當(dāng)遇到突發(fā)事件時(shí)，能夠第一時(shí)間展示相關(guān)信息，使突發(fā)事件得到有效的及時(shí)處理，為地鐵高效、安全的運(yùn)行提供有效的支持。