智能軌道快運系統(tǒng)綜合運營一體化平臺研究

吳俊亮，彭 勤，鄒 斌，張洪彬

（中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

地鐵、有軌電車等傳統(tǒng)制式軌道交通一般都具備運營調(diào)度管理、車輛信息、信號、通信、站臺門、電力監(jiān)控及自動售檢票等系統(tǒng)和調(diào)度指揮系統(tǒng)[1-2]，以保證軌道交通系統(tǒng)運行的安全性和有序性。智能軌道快運系統(tǒng)（autonomous-rail rapid transit，ART）具備輕量化、集成化、低成本化等特點，與傳統(tǒng)軌道交通相比較，需要在運營管理模式、軟硬件資源配置等方面進(jìn)行更具高度的集成化和統(tǒng)一化設(shè)計。建立ART綜合運營一體化[3]平臺，通過統(tǒng)一的用戶界面和人機(jī)接口來集成各子系統(tǒng)功能，能夠大大簡化工作人員的操作，提高運營調(diào)度的效率。本文利用前置處理機(jī)（front-end processor，F(xiàn)EP）作為中間層，將各子系統(tǒng)的業(yè)務(wù)接口進(jìn)行適配及統(tǒng)一，建立了一套綜合運營一體化管理平臺方案，從而實現(xiàn)一體化管理[4-5]。

1 ART綜合運營一體化平臺系統(tǒng)需求及功能

ART運行控制和調(diào)度指揮系統(tǒng)[6-7]包括調(diào)度管理、車輛信息、信號、通信、站臺門、電力監(jiān)控及自動售檢票等子系統(tǒng)。各個子系統(tǒng)相對獨立，配置有各自的服務(wù)器及工作站，子系統(tǒng)之間的信息交互通過以太網(wǎng)接口，采用應(yīng)用層協(xié)議的方式來完成。這樣的模式雖然保證了各個子系統(tǒng)業(yè)務(wù)的獨立性，但是對運營管理部門而言，需要配置大量的人力資源來保障運營。此外，由于各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獨立，容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)孤島，也非常不利于后期智能運維等功能的提升。因此，亟需開發(fā)ART綜合運營一體化平臺（簡稱“一體化平臺”），將各子系統(tǒng)的業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)接口進(jìn)行適配及統(tǒng)一，從而實現(xiàn)一體化管理。

一體化平臺的系統(tǒng)目標(biāo)是建立一個綜合性的監(jiān)控系統(tǒng)平臺來集成調(diào)度管理[8-9]、車輛信息、信號、通信、站臺門、電力監(jiān)控及自動售檢票等子系統(tǒng)，一方面提供對各子系統(tǒng)的集中監(jiān)督和便捷控制；另一方面向各子系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通道，以實現(xiàn)子系統(tǒng)間的互聯(lián)互通，從而消除不同子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)孤島，提高運營管理的效率[10-11]。由于一體化平臺集成了信號和通信的各類子系統(tǒng)，整個平臺需要實現(xiàn)滿足各類廠家不同類型的數(shù)據(jù)接口，同時整個平臺需要處理的數(shù)據(jù)吞吐量也將大幅提高，所以需要為一體化平臺建立一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信協(xié)議處理層，將各子系統(tǒng)的業(yè)務(wù)處理和協(xié)議進(jìn)行分離，以提高一體化平臺的通用性。此外，在數(shù)據(jù)的處理與存儲方面，必須采用性能更加優(yōu)越的實時數(shù)據(jù)庫等方式來提高平臺的處理效率，不僅使運營調(diào)度過程中各專業(yè)子系統(tǒng)可以高效聯(lián)動，而且使調(diào)度人員可以站在更高的層面來實時了解運營過程中各種狀態(tài)；同時當(dāng)發(fā)生突發(fā)情況時，又可以保證調(diào)度人員可以第一時間了解，并進(jìn)行應(yīng)急指揮，從而提高運營的自動化水平和應(yīng)急處理能力。圖1示出ART一體化平臺系統(tǒng)的功能。

一體化平臺具備統(tǒng)一的集成框架和接口協(xié)議，可實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)模塊的便捷接入。不同模塊間數(shù)據(jù)互通，可實現(xiàn)各子系統(tǒng)間聯(lián)動；具備統(tǒng)一風(fēng)格的用戶界面，用戶界面具備公共組件，可根據(jù)不同子系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行配置；具備統(tǒng)一的聯(lián)動功能，子系統(tǒng)內(nèi)部可使用統(tǒng)一聯(lián)動觸發(fā)機(jī)制來進(jìn)行聯(lián)動的動作觸發(fā)與響應(yīng)。

一體化平臺集成了信號系統(tǒng)調(diào)度管理功能，包括車輛狀態(tài)監(jiān)測、運行圖編制管理、站場監(jiān)視、運行調(diào)整、故障監(jiān)測報警、歷史記錄回放、仿真培訓(xùn)、資源控制及時鐘同步等；集成了廣播系統(tǒng)（PA）的人機(jī)界面（human machine interface, HMI），能夠以地面設(shè)備、車載設(shè)備等多種拓?fù)浞绞斤@示設(shè)備位置與狀態(tài)信息，可以進(jìn)行廣播的信息編輯、發(fā)布及監(jiān)聽等，并可對信息進(jìn)行優(yōu)先級控制；集成了乘客信息系統(tǒng)（passenger information system, PIS）的HMI界面，能夠以地面設(shè)備、車載設(shè)備等多種拓?fù)浞绞斤@示設(shè)備位置與狀態(tài)信息，并可對設(shè)備進(jìn)行選擇與控制，可以查看子系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備詳細(xì)信息，可以進(jìn)行PIS系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理、信息編輯、信息查看及信息發(fā)送等功能；集成了閉路電視系統(tǒng)的HMI界面，能夠以地面設(shè)備、車載設(shè)備等多種拓?fù)浞绞斤@示設(shè)備位置與狀態(tài)，并可對設(shè)備的選擇與控制，可以查看子系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備詳細(xì)信息，具備實時監(jiān)控、攝像機(jī)控制、標(biāo)記與回放、系列管理及電視墻管理等功能；集成了緊急呼叫電話（emergency help phone, EHP）系統(tǒng)的HMI界面，能夠以地面設(shè)備、車載設(shè)備等多種拓?fù)浞绞斤@示設(shè)備位置與狀態(tài)，并可對設(shè)備進(jìn)行選擇與控制，可以查看子系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備詳細(xì)信息，具備乘客呼叫、信息顯示、視頻監(jiān)視、視頻存儲及回放、報警提示等功能；集成了安全門系統(tǒng)的HMI界面，能夠以多種拓?fù)浞绞斤@示設(shè)備位置與狀態(tài)信息，并可對設(shè)備進(jìn)行選擇與控制，當(dāng)發(fā)生故障時，平臺主動觸發(fā)報警界面以提示操作員。此外，一體化化平臺還具備系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、定期維護(hù)、報警提示、日志記錄、報表統(tǒng)計、車輛管理、人員管理及資產(chǎn)設(shè)備管理等功能。

圖1 一體化平臺系統(tǒng)功能框圖Fig.1 Block diagram of system functions for the integrated platform

2 ?一體化平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于一體化平臺的功能要求，通過設(shè)置前置處理機(jī)FEP的方式，與前端的各個子系統(tǒng)建立雙向數(shù)據(jù)通信，并通過數(shù)據(jù)接口調(diào)用/執(zhí)行各個子系統(tǒng)的業(yè)務(wù)模塊；此外，前置處理機(jī)FEP還將獲取各個子系統(tǒng)的相關(guān)歷史數(shù)據(jù)并存儲到實時數(shù)據(jù)庫（relational database，RDB）和歷史數(shù)據(jù)庫中，以作為大數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)源。綜合運營一體化平臺的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 一體化平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of the integrated platform system

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件包括行調(diào)工作站、設(shè)調(diào)工作站、時刻表/運行圖編輯工作站、前置處理機(jī)FEP 、調(diào)度管理FEP、RDB服務(wù)器、調(diào)度管理系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器、歷史庫服務(wù)器及復(fù)視工作站，見圖3。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 Hardware structure

行調(diào)工作站主要用于對全線的運營列車的跟蹤、設(shè)備監(jiān)視、時刻表/運行圖監(jiān)視、報警 管理、統(tǒng)計與報表等，具體可根據(jù)用戶的需求對角色進(jìn)行功能分配；根據(jù)登錄用戶的權(quán)限，工作站會實時展現(xiàn)不同的功能。

設(shè)調(diào)工作站用于對全線信號、通信設(shè)備及各類IT設(shè)備的集中監(jiān)控管理，包括狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、報警處理、故障分析及定期維護(hù)等。

時刻表/運行圖編輯工作站用于對時刻表/運行圖的管理與維護(hù)，包括時刻表/運行圖的生成、編輯、打印、上傳數(shù)據(jù)庫及從數(shù)據(jù)庫下載等。

前置處理機(jī)FEP用于連接其他系統(tǒng)或設(shè)備并進(jìn)行數(shù)據(jù)格式和協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在多個前置機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備之間的冗余。

調(diào)度管理FEP用于實時接收車輛和信號設(shè)備的狀態(tài)協(xié)議數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在多個前置機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備之間的冗余。

RDB服務(wù)器用于接收FEP采集的其他系統(tǒng)或設(shè)備數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)加工和邏輯處理，同時將數(shù)據(jù)提供給HMI界面展示并記錄歷史庫存儲；接收HMI發(fā)送的命令，在進(jìn)行邏輯處理后，將相關(guān)命令或數(shù)據(jù)通過FEP發(fā)送到其他系統(tǒng)或設(shè)備，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)在多個服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)之間的冗余。

調(diào)度管理系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器實時接收經(jīng)調(diào)度管理FEP處理后的車輛和信號設(shè)備的運行數(shù)據(jù)并進(jìn)行業(yè)務(wù)處理，最后將業(yè)務(wù)處理結(jié)果發(fā)送至RDB服務(wù)器以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和展示。

歷史庫服務(wù)器用于接收實時庫產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)，并將其存儲到磁盤陣列上，以對外提供歷史數(shù)據(jù)查詢服務(wù)。

復(fù)視工作站的功能與指揮中心的相同。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)

一體化平臺軟件由HMI軟件、RDB軟件、FEP和歷史數(shù)據(jù)庫4部分組成（圖4）。

圖4 軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Software structure diagram

HMI軟件包括組態(tài)層和運行層2部分（圖5），其中組態(tài)層用于圖形、腳本、報表等信息的編輯及視頻等各類信息的配置，運行層用于圖形、腳本、報表等信息的顯示及視頻等各類信息的控制。

圖5 HMI結(jié)構(gòu)Fig.5 HMI structure diagram

RDB軟件分為3層，即數(shù)據(jù)的接口層、存儲層和處理層（圖6）。數(shù)據(jù)接口層用于對外提供各種接口，涉及上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)，接口包括CORBA接口、WebService接口、Tcl接口、.Net接口及SQL接口等。數(shù)據(jù)存儲層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲和加載，涉及實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的內(nèi)部運算和邏輯處理，分為基礎(chǔ)功能和應(yīng)用功能，其中基礎(chǔ)功能包括索引的維護(hù)，數(shù)據(jù)的增加、刪除、修改和查詢，觸發(fā)器的管理以及數(shù)據(jù)的同步等；應(yīng)用功能是基于基礎(chǔ)功能、根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行擴(kuò)展開發(fā)而實現(xiàn)。

圖6 實時庫結(jié)構(gòu)Fig.6 RDB structure

前置處理機(jī)FEP軟件用于實現(xiàn)與前端各類子系統(tǒng)的連接及驅(qū)動，連接車輛和信號系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)格式和協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在多個前置機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備之間的冗余。前置處理機(jī)FEP一般為一對或多對冗余工控機(jī)，具體根據(jù)車輛編組和信號設(shè)備數(shù)量而確定。

歷史數(shù)據(jù)庫為一體化平臺各模塊應(yīng)用提供數(shù)據(jù)存儲。歷史庫服務(wù)器部署于機(jī)房，一般為一對冗余服務(wù)器，共享磁盤陣列。

2.3 接口設(shè)計策略

系統(tǒng)的各個服務(wù)器、FEP和工作站之間均通過通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接。為提高系統(tǒng)可靠性和可用性，通信網(wǎng)絡(luò)都采用兩路冗余方式。

RDB，HMI和FEP之間采用CORBA數(shù)據(jù)總線，接口統(tǒng)一。RDB和FEP之間接口采用雙向主動變位傳輸，即FEP采集數(shù)據(jù)若發(fā)生變化，則主動將變化數(shù)據(jù)傳輸?shù)絉DB，RDB將需要輸出到FEP的數(shù)據(jù)立即傳輸?shù)紽EP。為避免因網(wǎng)絡(luò)中斷而造成的采集數(shù)據(jù)丟失，RDB會定期從FEP召喚全部數(shù)據(jù)。HMI和RDB之間接口采用變化召喚傳輸機(jī)制，即HMI周期地從RDB獲取變化的數(shù)據(jù)。調(diào)度管理系統(tǒng)將車輛信息寫入Modbus服務(wù)（TCP通信方式），RDB通過采集Modbus服務(wù)數(shù)據(jù)來獲取車輛信息。HMI通過插入瀏覽器插件方式調(diào)用調(diào)度管理系統(tǒng)。一體化平臺將用戶信息傳遞給調(diào)度管理系統(tǒng)，調(diào)度管理系統(tǒng)返回一個token信號，通過此token信號訪問調(diào)度管理系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 軟件系統(tǒng)

一體化平臺軟件系統(tǒng)由成熟的SCADA平臺軟件和基于該平臺軟件而進(jìn)行二次開發(fā)的應(yīng)用軟件構(gòu)成。應(yīng)用軟件用于實現(xiàn)對接入的子系統(tǒng)/設(shè)備（如供電、行車、車輛、PA, PIS, CCTV，EHP及站臺門等系統(tǒng)設(shè)備）的運行信息進(jìn)行集中監(jiān)控和運行調(diào)度。

系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)分為數(shù)據(jù)接口（FEP）、數(shù)據(jù)處理（RDB）和數(shù)據(jù)展現(xiàn)（HMI）3層。

數(shù)據(jù)接口層通過通信協(xié)議解析從接入子系統(tǒng)/設(shè)備采集其各類運行信息并輸出各類調(diào)度指令，平臺提供若干標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議庫，通過參數(shù)配置實現(xiàn)與特定子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。針對私有專用通信協(xié)議，平臺提供開放接口并通過SDK開發(fā)包方式支持通信驅(qū)動應(yīng)用軟件的開發(fā)與掛載。

數(shù)據(jù)處理層把運行信息進(jìn)行存儲和運算，對復(fù)雜業(yè)務(wù)邏輯（如順控、聯(lián)動）進(jìn)行后臺處理。平臺提供各種形式的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)訪問接口和程序應(yīng)用接口，并通過SDK開發(fā)包形式支持后臺應(yīng)用軟件的開發(fā)與掛載。

數(shù)據(jù)展現(xiàn)層將設(shè)備運行信息以圖形、表格和文字等形式進(jìn)行綜合顯示。其中，設(shè)備運行信息以圖形化形式展現(xiàn)，并通過不同顏色或動畫等形式，顯示設(shè)備的不同運行狀態(tài)；圖形化界面采用專用繪圖工具以所見即所得的組態(tài)方式生成，通過腳本、控件等方式實現(xiàn)人機(jī)交互及相對復(fù)雜的客戶端應(yīng)用軟件開發(fā)與業(yè)務(wù)處理功能。

3.2 對外接口

FEP是整個軟件系統(tǒng)對外的接口部分，包括FEP平臺和具體的通信驅(qū)動應(yīng)用軟件。軟件平臺為各驅(qū)動應(yīng)用提供配置數(shù)據(jù)的讀取、采集數(shù)據(jù)的緩存、下行命令的觸發(fā)等功能。各驅(qū)動應(yīng)用實現(xiàn)與外部設(shè)備或接入子系統(tǒng)的連接、各自驅(qū)動協(xié)議的邏輯、原始數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換等。圖7示出FEP組件圖，表1示出各個組件的功能描述。

圖7 FEP組件圖Fig.7 FEP component diagram

表1 FEP組件表Tab.1 FEP component table

FEP驅(qū)動原理如下：

（1）讀取驅(qū)動配置信息并驅(qū)動初始化程序。

（2）數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，將所接收的數(shù)據(jù)輸出至外部設(shè)備或系統(tǒng)。

（3）采集數(shù)據(jù)。有兩種采集方式，一種是周期性采集，其通過周期性查詢外部設(shè)備/系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)接口，獲取數(shù)據(jù)；另一種是服務(wù)接收，其以服務(wù)的形式接收外部設(shè)備/系統(tǒng)主動發(fā)送的數(shù)據(jù)。

（4）驅(qū)動冗余。支持基于表1的冗余切換。

3.3 數(shù)據(jù)處理

RDB是整個軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理部分，涉及RDB平臺和RDB應(yīng)用功能模塊。設(shè)計組件時，遵循功能優(yōu)先原則：對于執(zhí)行類功能的組件，集中并獨立成組件；對于提供多組件訪問的組件，進(jìn)行接口封裝并減少組件間的耦合。圖8和圖9分別示出組件設(shè)計圖和組件依賴關(guān)系。

圖8 RDB組件圖Fig.8 RDB component diagram

圖9 RDB組件依賴關(guān)系Fig.9 RDB component dependency

3.4 數(shù)據(jù)展示

HMI是整個軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)展示部分，分為HMI平臺和HMI應(yīng)用。HMI平臺指HMI開發(fā)、運行的環(huán)境，HMI應(yīng)用指具體的HMI工程。

HMI使用的軟件功能部分包括變量數(shù)據(jù)庫、人機(jī)界面、報表及編程，從應(yīng)用開發(fā)角度，其可被分為以下5部分：（1）布局，其可以將屏幕劃分為指定大小的區(qū)域；（2）畫面和圖形，畫面是信息顯示的容器和載體，圖形放置在畫面里，通過拖拽等所見即所得的方式設(shè)置圖形的屬性、動畫效果，編寫C#腳本以響應(yīng)用戶對圖形的控制操作；（3）變量，系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)的顯示需要綁定到變量上，變量通過RDB_ADL_CSharpProxy和服務(wù)端交互；（4）編程腳本，支持使用C#腳本編程的方式對圖形、畫面、布局、變量進(jìn)行控制，支持和服務(wù)端的交互；（5）控件，實現(xiàn)復(fù)雜的業(yè)務(wù)功能和控制邏輯。表2示出使用控件列表。

表2 使用控件列表Tab.2 List of controls

3.5 一體化平臺與外部系統(tǒng)接口

綜合運營一體化平臺通過以太網(wǎng)、串口等方式與PIS、PA、CCTV、EHP、站臺門以及UPS等系統(tǒng)進(jìn)行接口[12]。具體的外部系統(tǒng)接口如表3所示。

表3 系統(tǒng)接口表Tab.3 System interface table

4 實現(xiàn)效果

一體化平臺的設(shè)計實現(xiàn)，搭建了一套整合了信號、PIS、PA、CCTV、EHP及站臺門等子系統(tǒng)的ART綜合運營管理應(yīng)用平臺。平臺集成了原有各個子系統(tǒng)的核心功能，并進(jìn)行了HMI界面的統(tǒng)一，原有控制中心調(diào)度大廳的各個專業(yè)工位的操作都被集成到一個統(tǒng)一的平臺界面上完成，極大地方便了用戶操作和運營管理。系統(tǒng)界面如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)界面圖Fig.10 Interface diagram of the system

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種ART綜合運營一體化平臺，其提供了統(tǒng)一的用戶界面和人機(jī)接口；并預(yù)留了后續(xù)增加智能站臺系統(tǒng)設(shè)備的接口，通過這些接口的擴(kuò)展，后續(xù)可將一些智能化站臺系統(tǒng)設(shè)備也納入到一體化管理平臺中。該一體化平臺已應(yīng)用于株洲智軌A1線上。使用該平臺后，日班調(diào)度人員由原來的6人減少至2人，人力成本降低67%，其效果顯著，得到業(yè)主的好評。目前正計劃將系統(tǒng)界面等功能繼續(xù)優(yōu)化，并推廣至其他智軌系統(tǒng)市場項目中應(yīng)用。此外，一體化平臺的研發(fā)，已完成了大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲過程，后期將根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求再進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和應(yīng)用，從而實現(xiàn)ART的智能運行維護(hù)工作，以進(jìn)一步提升ART的品質(zhì)。