基于云平臺的城市軌道交通自動化集成系統(tǒng)架構與實踐

吳正中，鄧能文，王曉東，汪永剛，武 濤，劉 鑫

（北京城建智控科技股份有限公司，北京 100075）

1 研究背景

城市軌道交通運營活動的開展需要一整套完備的系統(tǒng)支撐，包括供電、軌道、車輛、機電和弱電等系統(tǒng)。其中，弱電系統(tǒng)包括列車自動控制系統(tǒng)(automatic train control，ATC) 、綜合監(jiān)控系統(tǒng)(integrated supervisory control system，ISCS)、通信系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)(automatic fare collection system，AFC)、乘客信息系統(tǒng)(passenger information system，PIS)、環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)(building automatic system，BAS)、火災自動報警系統(tǒng)(fire alarm system，F(xiàn)AS)和門禁系統(tǒng)(access control system，ACS)等監(jiān)督、控制和服務系統(tǒng)。整個弱電系統(tǒng)包含的子系統(tǒng)眾多，接口復雜且運營維護工作量大[1]；系統(tǒng)間的接口方式、通信協(xié)議均存在較大差異，調(diào)試接口多、規(guī)模大，操作起來難度也相應增加[2]，尤其是在數(shù)據(jù)采集、處理和分析方面存在較大難度，各設備系統(tǒng)較獨立，資源共享利用率較低[3]。

為適應云計算、大數(shù)據(jù)、AI 等新技術接入城市軌道交通的新要求[4]，城市軌道交通弱電系統(tǒng)設計等需要創(chuàng)新思路，調(diào)整管理方式，加大融合互通。廣州地鐵、呼和浩特地鐵等單位及相關設計院[5-7]均開始逐步探索應用云計算技術，但是主要局限在基礎設施及資源的融合方面，對于上層監(jiān)控調(diào)試業(yè)務的融合應用及數(shù)據(jù)挖掘，深度有限。本文提出的城市軌道交通自動化集成系統(tǒng)解決方案，應用了云計算、大數(shù)據(jù)、邊緣計算、人工智能等技術，結合了超融合智能硬件開發(fā)技術、大數(shù)據(jù)中臺技術、分布式云平臺技術以及微服務綜合治理平臺技術。其核心思想是打破傳統(tǒng)弱電系統(tǒng)架構分立限制和各子系統(tǒng)間的信息孤島狀態(tài)，實現(xiàn)各子系統(tǒng)間信息互聯(lián)互通、實時共享，同時統(tǒng)一配置弱電系統(tǒng)硬件資源，實現(xiàn)硬件設備統(tǒng)一化、集成化。這種集成化的設計思路可實現(xiàn)城市軌道交通自動化系統(tǒng)的全面優(yōu)化和升級，提高運營效率和服務質量。

基于該方案，研發(fā)了云交系統(tǒng)，實現(xiàn)了各子系統(tǒng)間的信息共享和數(shù)據(jù)互通，實時監(jiān)測和控制城市軌道交通整體與各部分的運營狀態(tài)，提高運營效率和服務質量。同時實現(xiàn)硬件設備的統(tǒng)一管理和集成，提高設備的利用率，降低運營成本，具備高可靠、高可用、靈活易擴展等特點，可以充分滿足城市軌道交通不斷發(fā)展和變化的需求。

2 云交系統(tǒng)的架構與設計

云交系統(tǒng)從基礎設施層、平臺層、數(shù)據(jù)層和服務層這四個層面進行架構設計。IaaS 層通過應用高度標準化、集成化的智能基礎設備，替代傳統(tǒng)的各類專用設備，實現(xiàn)了信息傳輸層級的扁平化，并為數(shù)據(jù)的統(tǒng)一收集和處理提供媒介，為數(shù)據(jù)的整合分析提供硬件基礎；圍繞業(yè)務功能拆分應用和組織服務的微服務架構方案[5]，構建微服務化的平臺設計PaaS 層，完成關鍵數(shù)據(jù)庫、通用業(yè)務中間件和專用業(yè)務中間件設計與實現(xiàn)，單個微服務實現(xiàn)一組獨立的特性或功能，包含自身業(yè)務邏輯和適配器，各個微服務之間通過開放的API接口(application programming interface，應用程序編程接口)實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)交互；數(shù)據(jù)層采用全系統(tǒng)、全類型和全時空數(shù)據(jù)構建DaaS 層；SaaS 層基于業(yè)務需求實現(xiàn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)的全弱電系統(tǒng)上云服務。整體的業(yè)務架構如圖1 所示。

基于云平臺的城市軌道交通自動化集成系統(tǒng)采用云邊端協(xié)同計算架構設計，通過構建云邊端的軌道交通弱電系統(tǒng)架構，實現(xiàn)業(yè)務系統(tǒng)計算任務下放到車站執(zhí)行，車站邊緣云承載車站級業(yè)務系統(tǒng)，實現(xiàn)降級執(zhí)行但不降級服務。邊緣計算模式具有實時性高、能耗低、可接入設備多等優(yōu)勢[6]，解決了系統(tǒng)實時性差和網(wǎng)絡帶寬低、延時等技術難題。整個系統(tǒng)架構設計包含三大核心部分。

1) 基于超融合智能控制一體機、環(huán)境監(jiān)測控制設備、智能感知設備等，支撐云邊端系統(tǒng)架構實現(xiàn)；采用超融合智能硬件承載分布式邊緣云平臺，滿足軌道交通所有弱電專業(yè)系統(tǒng)車站業(yè)務的計算、交換和存儲資源需求；通過統(tǒng)一的標準接口和集成協(xié)議程序實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集和實時存儲。

2) 基于大數(shù)據(jù)技術對全弱電系統(tǒng)的各類型數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)對多種不同來源和結構的軌道交通運行數(shù)據(jù)進行采集、分類、存儲，形成軌道交通全弱電系統(tǒng)大數(shù)據(jù)資源池，通過數(shù)據(jù)介入、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)歸類和數(shù)據(jù)分析完成對數(shù)據(jù)的處理，采用非結構化數(shù)據(jù)轉換為結構化數(shù)據(jù)的形式，為軌道交通智慧化應用提供數(shù)據(jù)支持和數(shù)據(jù)決策服務，并對上層應用提供服務。

3) 基于模塊化的微服務平臺完成技術中臺的架構設計，通過業(yè)務拆分、分散治理、負載均衡等實現(xiàn)按照業(yè)務形態(tài)重新構建系統(tǒng)，采用微服務技術對弱電系統(tǒng)業(yè)務需求進行顆?；幚?，同時為上層應用服務提供部署、調(diào)度、監(jiān)測、管控等基礎技術，實現(xiàn)業(yè)務模塊清晰且按需資源分配[7]，有利于系統(tǒng)的持續(xù)集成，提升整個系統(tǒng)的可伸縮性和魯棒性。

城市軌道交通中的網(wǎng)絡一般劃分為三張網(wǎng)，即安全生產(chǎn)網(wǎng)、內(nèi)部管理網(wǎng)和外部服務網(wǎng)，數(shù)據(jù)在三網(wǎng)間不可直接流通，如圖2 所示。而運營管理技術(operational technology，OT)主要涉及安全生產(chǎn)網(wǎng)中的設備運行數(shù)據(jù)和外部服務網(wǎng)中的乘客出行數(shù)據(jù)；信息管理技術(information technology，IT)主要涉及內(nèi)部管理網(wǎng)的企業(yè)經(jīng)營數(shù)據(jù)。為了將三張網(wǎng)中的兩大類數(shù)據(jù)進行打通融合，云交系統(tǒng)在網(wǎng)絡邊界側設置有邊界墻，并橫跨三大網(wǎng)絡設置安全服務總線，使OT 類數(shù)據(jù)可以匯入管理網(wǎng)與IT 類數(shù)據(jù)進行融合?？紤]到面向智慧運維的設備數(shù)據(jù)具有總量大、重復性強等特點，在生產(chǎn)網(wǎng)設置大數(shù)據(jù)分析平臺，基于算法模型進行分析過濾，將二次處理的結論性數(shù)據(jù)通過邊界墻流入管理網(wǎng)中的數(shù)據(jù)中臺。而業(yè)務管理數(shù)據(jù)因其變化快、類型多樣，則在管理網(wǎng)數(shù)據(jù)中臺進行治理和資產(chǎn)化，再由業(yè)務中臺對上層應用進行支撐服務。

圖2 生產(chǎn)網(wǎng)、管理網(wǎng)、服務網(wǎng)的業(yè)務數(shù)據(jù)融合機制Figure 2 Mechanism to integrate production data, management data, and service data from different networks

基于云平臺的城市軌道交通自動化集成系統(tǒng)從終端、云平臺、數(shù)據(jù)中臺、技術中臺和業(yè)務功能驅動等層面實現(xiàn)整體架構設計，各層架構如圖3 所示。

圖3 基于云平臺的城市軌道交通自動化集成系統(tǒng)架構Figure 3 Layers of an integrated automation system for urban rail transit based on cloud platform

3 云交系統(tǒng)的技術特點

3.1 中心云與車站云相結合的創(chuàng)新設計

基于云平臺的城市軌道交通自動化集成系統(tǒng)采用云邊端協(xié)同架構設計的理念，通過云計算技術與邊緣計算技術，結合移動場景下的邊緣卸載策略，為邊緣或終端設備補充算力，從而提高軌道交通的智慧化能力[8]。系統(tǒng)采用“中心云+車站云”的創(chuàng)新架構搭建全弱電系統(tǒng)集成的綜合解決方案架構，雙云融合業(yè)務架構如圖4 所示。在該架構下，由中心云平臺負責全線集中處理和監(jiān)控類業(yè)務，車站云平臺負責車站監(jiān)控和實時處理類業(yè)務，中心云平臺與車站云平臺通過業(yè)務劃分實現(xiàn)各司其職地進行業(yè)務處理協(xié)同。若中心云平臺發(fā)生故障或與車站云平臺斷聯(lián)時，車站云平臺仍能保證全線車站系統(tǒng)不降級運行服務。隨著智慧地鐵的發(fā)展，車站側將產(chǎn)生越來越多的計算任務，車站云平臺的服務模式及其可擴展性，可以使其很好地扮演“車站大腦”的角色。

圖4 雙云融合的業(yè)務架構Figure 4 Double live clouds to realize high availability of applications

3.2 微服務架構重構傳統(tǒng)業(yè)務形態(tài)

城市軌道交通自動化集成系統(tǒng)的技術中臺層采用基于云的微服務架構，將大型應用拆分重組，降低系統(tǒng)與功能耦合，同時又具備易擴展以及高度自治的能力[9]。此架構打破了傳統(tǒng)弱電系統(tǒng)架構中綜合監(jiān)控、通信、信號、自動售檢票、站臺門等子系統(tǒng)相互獨立的“煙囪”式架構，各子系統(tǒng)被拆分成功能相對獨立和微小化顆粒，各功能顆粒被打包成業(yè)務、數(shù)據(jù)、通用功能等微服務，形成微服務池(見圖5)，統(tǒng)一布置于云端。通過微服務池對外開放API 接口，提供業(yè)務服務支撐的同時還能支持第三方對應用進行自主二次開發(fā)，滿足用戶在地鐵運營期內(nèi)組織自有軟件開發(fā)團隊個性化升級弱電系統(tǒng)或開發(fā)新智慧應用的需求。

圖5 微服務架構Figure 5 Architectural design of common and specific microservices

3.3 統(tǒng)一化大數(shù)據(jù)中臺深度應用

當前軌道交通網(wǎng)絡發(fā)展迅猛，軌道交通運營管理的數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)井噴式增長，原有傳統(tǒng)的單一時間分析以及數(shù)據(jù)孤島架構，必須轉變?yōu)榭蓪崟r海量數(shù)據(jù)落盤并分析處理的新架構[10]。傳統(tǒng)架構中，各弱電系統(tǒng)設備終端采集的數(shù)據(jù)通常先進入歷史數(shù)據(jù)庫與實時數(shù)據(jù)庫，然后進入大數(shù)據(jù)平臺進行大數(shù)據(jù)分析，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集能力取決于歷史庫與實時庫性能，數(shù)據(jù)采集能力因此受限。

基于云平臺的城市軌道交通自動化集成系統(tǒng)重塑了數(shù)據(jù)傳遞流程，將采集的數(shù)據(jù)直接傳遞至大數(shù)據(jù)平臺，省略了歷史庫與實時庫的中間環(huán)節(jié)，使得數(shù)據(jù)采集成本降低，采集能力顯著提高?；诮y(tǒng)一化大數(shù)據(jù)中臺架構，用戶在建設階段進行各系統(tǒng)設備運行數(shù)據(jù)的規(guī)劃，并通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)中臺進行數(shù)據(jù)采集、分類、分析和存儲，將傳統(tǒng)的非結構化數(shù)據(jù)轉換為結構化數(shù)據(jù)，避免在運營期內(nèi)進行智慧應用開發(fā)時缺乏關鍵數(shù)據(jù)。同時，大數(shù)據(jù)中臺采用數(shù)據(jù)標準化模塊、數(shù)據(jù)挖掘模塊、統(tǒng)計分析及可視化模塊、數(shù)據(jù)安全管理模塊，結合基礎硬件設備超融合一體機，構建完備的大數(shù)據(jù)分析決策系統(tǒng)，為調(diào)度指揮、應急處理等高實時性應用場景提供智能分析、輔助決策的能力，同時也為經(jīng)營決策提供輔助決策。

3.4 高度集成化智能控制一體機應用

新時代新基建下的數(shù)據(jù)中心建設是計算、存儲以及網(wǎng)絡這三大核心技術的共同演化和互補，高度集成化和模塊化的基礎硬件架構是實現(xiàn)這三個關鍵要素的關鍵?；谠破脚_的城市軌道交通自動化集成系統(tǒng)的超融合智能控制一體機，采用模塊化硬件設計思路，可承載中心云及車站云的計算、交換、存儲、采集等業(yè)務服務需求。同時，通過加入環(huán)境監(jiān)測控制設備、智能感知設備等一系列擴展性模塊，智能控制一體機可以拓展特定功能。例如，通過加入物聯(lián)網(wǎng)采集擴展板卡，可將各弱電系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)轉化為網(wǎng)絡協(xié)議數(shù)據(jù)進行上云；通過加入圖像處理類GPU 顯卡模塊，可使智能控制一體機具備智能視頻分析功能。

在此架構方案下，通過“超融合智能控制一體機+弱電系統(tǒng)終端”的模式(見圖6)可替代傳統(tǒng)弱電系統(tǒng)垂直架構下各層級設備，打破軌道交通行業(yè)傳統(tǒng)方案由于設備多、品牌不統(tǒng)一導致的占地面積大、能耗高、設備不方便管理等難題，大大簡化了弱電系統(tǒng)架構，降低了弱電系統(tǒng)的建設難度與后續(xù)運維難度。通過高度集成化與車站云等技術的應用，可整體節(jié)省設備用房面積，降低設備配套土建與機電建設成本，同時具有跨系統(tǒng)資源整合優(yōu)化、節(jié)能減排、易于部署維護等特點，為未來智慧城軌業(yè)務擴展、功能提升、場景優(yōu)化提供基礎套件和數(shù)字化轉型建設服務。

圖6 超融合智能一體機硬件設備Figure 6 Hyper-converged all-in-one computer for urban rail transit

4 云交系統(tǒng)的實踐分析

基于云平臺的城市軌道交通自動化集成系統(tǒng)充分運用云計算、大數(shù)據(jù)、邊緣計算、人工智能等技術，實現(xiàn)了全弱電系統(tǒng)上云的高度集成服務，與傳統(tǒng)車站弱電系統(tǒng)架構相比(見圖7)，基于車站云弱電系統(tǒng)架構具備以下優(yōu)勢：

圖7 傳統(tǒng)車站和基于車站云弱電系統(tǒng)架構對比Figure 7 Comparison of hardware architecture between traditional station and cloud-based station

1) 集成化的系統(tǒng)架構設計進一步打破了信息孤島，提高了建設、運營、維護效率，保障弱電系統(tǒng)的高可用性、安全性與穩(wěn)定性，降低了10%運維人員需求；

2) 打通建設、運營、維護等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了多專業(yè)和多業(yè)務間的聯(lián)動協(xié)同，降低了弱電系統(tǒng)建設與升級成本，同時降低30%與之配套的土建、機電建設成本；

3) 高度集成化的智能控制一體機通過計算、存儲、網(wǎng)絡、采集等方面的模塊化設計，降低了系統(tǒng)運維成本，包括運維人員、能耗、設備故障損失等；

4) 基于大數(shù)據(jù)的分析決策系統(tǒng)為運維、乘客服務和系統(tǒng)提升提供數(shù)據(jù)決策依據(jù)，為實現(xiàn)智慧城軌提供解決方案，提升了地鐵運營、運維與乘客服務水平。

基于云平臺的城市軌道交通自動化集成系統(tǒng)已應用于昆明地鐵4 號線、紹興地鐵1 號線，經(jīng)調(diào)整、裁剪后部分應用于太原地鐵2 號線、南昌地鐵4 號線等智慧城軌應用場景，實現(xiàn)了統(tǒng)一運營和維護，賦能城市軌道交通全生命周期管控。經(jīng)過兩年的多項目數(shù)據(jù)分析，基于云平臺的城市軌道交通自動化集成系統(tǒng)在智慧城軌弱電一體化集成領域，在綠色節(jié)能、減少運維人員、降低工作強度、縮短新需求上線周期等方面均取得較大突破，真正實現(xiàn)了用技術服務于智慧和綠色城軌運營。

5 結論

隨著城市規(guī)模的快速擴大和軌道交通的高速發(fā)展，基于云平臺的城市軌道交通自動化集成系統(tǒng)為新基建下的新型軌道交通建設發(fā)展提供了一套綜合解決方案。

1) 系統(tǒng)采用的云邊端以及多云協(xié)同技術，提升了邊緣服務能力與用戶體驗，提高了設備利用率并降低了能耗。

2) 同時，邊端核心設備實現(xiàn)自主化與國產(chǎn)化，打破關鍵技術封鎖；以業(yè)務融合為抓手，采用微服務重新定義傳統(tǒng)業(yè)務形態(tài)，實現(xiàn)平臺創(chuàng)新融合；順應設備精細化管理與數(shù)據(jù)增長需求，深度優(yōu)化統(tǒng)一大數(shù)據(jù)平臺全鏈路結構，并與智慧應用進行全面結合，為各類不同場景提供更優(yōu)質的智慧服務；在提高系統(tǒng)可靠性、降低整體建設成本、降低運維成本和打造智慧城軌等方面具有較大優(yōu)勢。

3) 未來，城市軌道交通自動化系統(tǒng)的深度集成將廣泛地運用于地鐵及軌道交通領域其他制式，進一步推動軌道交通控制系統(tǒng)朝更加綠色、智慧、安全的方向發(fā)展。