地鐵線網(wǎng)指揮中心級運營調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

劉曉蘭,劉 琴

(南京國電南自軌道交通工程有限公司,江蘇 南京 210000)

0 引言

根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會《2022年度統(tǒng)計分析報告》,截至2022年年底,國內(nèi)共有55座城市開通運營軌道交通線路308條,已累計建成投入運營線路10 287.45 km。目前,已有26個城市的線網(wǎng)規(guī)模達到100 km及以上,尤其以上海936.17 km、北京868.37 km兩市運營規(guī)模在全國領(lǐng)先,已逐步形成超大線網(wǎng)規(guī)模。隨著各大城市線網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大,網(wǎng)絡(luò)化運營是城市軌道交通發(fā)展的必然結(jié)果。

目前,地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)所集成的系統(tǒng)或者專業(yè),僅限于某一條地鐵線路,數(shù)據(jù)集成及信息共享水平低,缺乏地鐵全線網(wǎng)的互聯(lián)互通及信息共享,不具有與各控制中心及各運行主體、各線路運行協(xié)同的功能。同時,部分城市運營管理權(quán)分散在不同的運營商手中,缺乏運營協(xié)調(diào)機制,不利于線網(wǎng)日常運營及突發(fā)事件的協(xié)調(diào)反應(yīng),也無法有效體現(xiàn)軌道交通的整體服務(wù)水平。

地鐵線網(wǎng)指揮中心級運營調(diào)度系統(tǒng)通過對線網(wǎng)行車、客流、供電、設(shè)備、視頻、報警實施全面的集中監(jiān)視,加強協(xié)調(diào)管理,全線跨業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)整合共享,并提供靈活的數(shù)據(jù)查詢功能、強大的數(shù)據(jù)分析和挖掘功能,以滿足線網(wǎng)指揮中心開展各項業(yè)務(wù)的需求,提高線網(wǎng)綜合化運營管理水平。為了緊隨城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的趨勢,滿足城市軌道交通車站及設(shè)備的多樣性、運營單位管理模式多樣性需求,本文以綜合監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ),深入剖析了地鐵線網(wǎng)指揮中心級運營調(diào)度系統(tǒng)組成原理,設(shè)計了一套地鐵線網(wǎng)指揮中心級運營調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)。

1 地鐵線網(wǎng)指揮中心級運營調(diào)度系統(tǒng)背景

國外發(fā)達城市,線網(wǎng)指揮中心級運營系統(tǒng)建設(shè)較早,同時都建立了完善高效的線網(wǎng)智慧平臺系統(tǒng)和線網(wǎng)管理組織機構(gòu)。各城市地鐵線網(wǎng)控制中心都具有對線路機電、電力和行車等的控制功能,強化了線網(wǎng)的集中指揮調(diào)度及應(yīng)急處理能力,趨向于取消線路控制中心,主要采用線網(wǎng)中央調(diào)度和區(qū)域中心二級管理模式。隨著經(jīng)濟的發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和計算機技術(shù)在地鐵線網(wǎng)運營調(diào)度系統(tǒng)上得到了廣泛的應(yīng)用。目前,國內(nèi)各大城市開展或正在開展線網(wǎng)運營調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)工作,其中以廣州地鐵三號線綜合監(jiān)控系統(tǒng)為代表,標(biāo)志著單線路地鐵機電系統(tǒng)的全面深度集成,為線網(wǎng)級指揮系統(tǒng)的集成奠定了基礎(chǔ)。

目前總體的技術(shù)發(fā)展趨勢是高度集成統(tǒng)一的技術(shù)平臺、高可靠的冗余技術(shù)、高速的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、滿足運營管理需求的業(yè)務(wù)驅(qū)動和加速系統(tǒng)開發(fā)部署的中間件技術(shù)。與此同時,仍存在前期規(guī)劃與需求調(diào)研不充分、標(biāo)準規(guī)范不統(tǒng)一以及系統(tǒng)深度集成局限性等不足,只實現(xiàn)了全線部分重要設(shè)備或者故障報警信息的接入,甚至只能通過復(fù)視的方式實現(xiàn)在調(diào)度中心對線路的狀態(tài)監(jiān)視,無法實現(xiàn)全網(wǎng)所有線路設(shè)備狀態(tài)信息、行車、客流等數(shù)據(jù)的集成。

2 地鐵線網(wǎng)指揮中心級運營調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)原理

地鐵線網(wǎng)指揮中心級運營調(diào)度系統(tǒng)在線網(wǎng)指揮中心平臺具有中央?yún)f(xié)調(diào)功能,以及運營指揮、綜合監(jiān)視、運營協(xié)調(diào)等職能。

本系統(tǒng)通過整合各線路ATS信號系統(tǒng)、各線路設(shè)施設(shè)備綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)、各線路票務(wù)清分系統(tǒng)以及路網(wǎng)CCTV系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息,同時接收和整合路網(wǎng)乘客信息系統(tǒng)(NPIS)的數(shù)據(jù)和信息,在匯聚、整合、聚類各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行綜合展示,以完成線網(wǎng)層面的行車、客流、供電、設(shè)備、視頻的實時聯(lián)動綜合監(jiān)視;在指揮中心建立數(shù)據(jù)倉庫平臺對全網(wǎng)歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理,并在數(shù)據(jù)倉庫支持下完成報表、報告、指標(biāo)計算、模式分析、評估分析等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用。

2.2 設(shè)計原則

根據(jù)系統(tǒng)的功能定位及使用需求的分析,地鐵線網(wǎng)指揮中心級運營調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的主要原則包括以下幾點。

(1)圍繞列車運行安全穩(wěn)定、地鐵經(jīng)營效率提高、機電設(shè)備運轉(zhuǎn)良好、旅客服務(wù)完善等目標(biāo)進行設(shè)置。該系統(tǒng)需具備線網(wǎng)運營數(shù)據(jù)管理、線網(wǎng)日常行車協(xié)調(diào)指揮、線網(wǎng)電力調(diào)度管理中心、線網(wǎng)機電設(shè)備調(diào)度、線網(wǎng)運營信息統(tǒng)計分析等功能。

(2)采用先進的計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建硬件平臺,配備網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)進行性能管理、配置管理和故障管理。采用先進的計算機集成系統(tǒng)軟件體系架構(gòu),適應(yīng)軌道交通發(fā)展的需要,具備完善的人機界面體系支持線網(wǎng)運營調(diào)度功能的實現(xiàn)。

(3)為開放系統(tǒng),硬件設(shè)備通信接口、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、數(shù)據(jù)庫等均采用國際或國內(nèi)標(biāo)準,具有較強的擴展能力,并提供較廣闊的集成平臺,能接入其他系統(tǒng),也能對軌道交通建設(shè)中新出現(xiàn)的項目進行集成,還具有集成第三方設(shè)備和軟件的能力。

(4)采集所含線路的全部信息,滿足線網(wǎng)監(jiān)控管理需求,且線路信息共享程度應(yīng)盡量深入,但功能實現(xiàn)為漸進式,系統(tǒng)總架構(gòu)為可擴展式。

2.3 總體架構(gòu)

地鐵線網(wǎng)運營調(diào)度系統(tǒng)平臺采用開放式的體系結(jié)構(gòu),總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 地鐵線網(wǎng)運營調(diào)度系統(tǒng)總體架構(gòu)

線網(wǎng)指揮中心級運營調(diào)度系統(tǒng)是在軌道交通通信網(wǎng)絡(luò)和硬件資源的基礎(chǔ)上,具有實用性、開放性和技術(shù)延伸性的信息系統(tǒng)。系統(tǒng)的總體邏輯架構(gòu)從上至下分別為業(yè)務(wù)組件層、基礎(chǔ)服務(wù)層、支撐平臺層和接入平臺層。系統(tǒng)在邏輯架構(gòu)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)信息的定制化處理,并采用權(quán)限管理策略,為工作人員分配角色和權(quán)限。

2.3.1 接入平臺層

軌道交通業(yè)務(wù)中的綜合監(jiān)控系統(tǒng)庫、客流管理庫、票務(wù)管理庫、設(shè)備管理庫、能耗管理庫等,通過數(shù)據(jù)服務(wù)平臺,使用集成技術(shù),實現(xiàn)不同類型信息的整合處理,形成可用于運營調(diào)度、統(tǒng)計分析、開發(fā)測試、網(wǎng)絡(luò)管理、培訓(xùn)仿真等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資源庫

2.3.2 支撐平臺層

支撐平臺層為線網(wǎng)運營調(diào)度系統(tǒng)提供正常運行的軟件支持環(huán)境,包括地理信息GIS平臺、信息分析平臺、其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)搭建、業(yè)務(wù)組件交互的中間件平臺,用于實時數(shù)據(jù)管理的實時數(shù)據(jù)管理平臺和用于各類離線和近線數(shù)據(jù)管理的數(shù)據(jù)倉庫平臺等。

2.3.3 基礎(chǔ)服務(wù)層

基礎(chǔ)服務(wù)層為線網(wǎng)系統(tǒng)提供歷史數(shù)據(jù)管理、計算服務(wù)、報警管理、容錯管理等一系列功能服務(wù),便于功能服務(wù)組件的獨立升級,同時減少無關(guān)聯(lián)性組件之間的不必要交互。

2.3.4 業(yè)務(wù)組件層

該層直接面向用戶,為用戶提供各項功能應(yīng)用,包括報表管理、報告、行車監(jiān)察、供電監(jiān)察、通信監(jiān)察、客流監(jiān)察/誘導(dǎo)、機電監(jiān)察等。

3 技術(shù)架構(gòu)

本系統(tǒng)涉及通信技術(shù)、數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)、數(shù)據(jù)交換與分發(fā)技術(shù),調(diào)度監(jiān)控技術(shù),數(shù)據(jù)庫技術(shù)、ETL技術(shù)、多維計算技術(shù)、Web技術(shù)等多種技術(shù)。下文將結(jié)合系統(tǒng)總體架構(gòu)方案,對總體架構(gòu)各層所涉及的技術(shù)方案進行具體描述。

3.1 數(shù)據(jù)接入層

線網(wǎng)運營調(diào)度系統(tǒng)的接入數(shù)據(jù)按照時效性可分為實時數(shù)據(jù)、近線數(shù)據(jù)、離線數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)類型上又可分為從線路綜合監(jiān)控、各專業(yè)系統(tǒng)、AFC以及其他系統(tǒng)上傳的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),以及視頻、音頻、文檔等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。為滿足上述不同類型的數(shù)據(jù)接入需求,數(shù)據(jù)接入層擬采用如下技術(shù)實現(xiàn)。

(1)實時規(guī)約通信:實時規(guī)約通信技術(shù)是傳統(tǒng)點對點通信技術(shù)手段,在本項目中可用于實時結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采集。

(2)消息中間件:消息中間件基于隊列與消息傳遞技術(shù),為平臺提供同步或異步、高效可靠的消息傳輸,并基于數(shù)據(jù)通信完成分布式系統(tǒng)的集成。采用排隊和消息傳遞模型,實現(xiàn)在分布式環(huán)境下擴展進程間的通信。

(3)ETL技術(shù):ETL技術(shù)詳細描述了數(shù)據(jù)從抽取到轉(zhuǎn)換、加載直至完成的全過程。ETL使用于近離線結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的接入,通過ETL過程可實現(xiàn)所需數(shù)據(jù)的抽取,通過數(shù)據(jù)清洗,獲得有效數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)處理成符合預(yù)先定義好的數(shù)據(jù)倉庫模型并加載到數(shù)據(jù)倉庫中。

(4)FTP技術(shù):該技術(shù)用于網(wǎng)絡(luò)上的控制文件的雙向傳輸。本項目中非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要通過FTP技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接入功能。

3.2 支撐平臺層

如上文所述,總體架構(gòu)中運行支撐平臺提供了線網(wǎng)運營調(diào)度系統(tǒng)能夠正常運行的軟件支持環(huán)境。該層涉及的技術(shù)如下。

(1)實時數(shù)據(jù)庫技術(shù):實時數(shù)據(jù)庫是實時數(shù)據(jù)管理的核心,正常情況下,數(shù)據(jù)接入層采集的所有實時數(shù)據(jù)都保存在實時數(shù)據(jù)庫中,并依賴于實時數(shù)據(jù)庫進行實時報警、實時計算、實時畫面等業(yè)務(wù)應(yīng)用的開發(fā)。

(2)數(shù)據(jù)倉庫技術(shù):本項目擬采用數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)對線網(wǎng)近線及離線數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理,提高數(shù)據(jù)的利用率以及發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的價值。

(3)備份與恢復(fù)技術(shù):數(shù)據(jù)備份/恢復(fù)技術(shù)是為了防止數(shù)據(jù)的失效、數(shù)據(jù)的丟失等事件的發(fā)生,就必然要考慮數(shù)據(jù)的有效保護方式備份。本項目擬采用數(shù)據(jù)備份/恢復(fù)技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)備用中心與主中心的數(shù)據(jù)同步和數(shù)據(jù)恢復(fù)功能。

(4)GIS技術(shù):在本項目中,借助GIS技術(shù)可以實現(xiàn)線網(wǎng)線路走向、車站位置等靜態(tài)信息以及客流量、設(shè)備運營參數(shù)、車輛位置等動態(tài)數(shù)據(jù)在真實的地理信息圖上的展示,有助于調(diào)度人員更加直觀地掌握線網(wǎng)的運營狀態(tài)。

(5)BI技術(shù):本項目中擬基于BI技術(shù),對地鐵線網(wǎng)運營數(shù)據(jù)進行深度整合和挖掘分析,提供輔助決策依據(jù),以直觀豐富反映線網(wǎng)運營情況。

3.3 服務(wù)層

系統(tǒng)服務(wù)層包括基礎(chǔ)服務(wù)層和業(yè)務(wù)服務(wù)層兩部分,用于提供線網(wǎng)運營調(diào)度系統(tǒng)能夠正常運行的基礎(chǔ)服務(wù)組件以及面向業(yè)務(wù)的系統(tǒng)服務(wù)組件,涉及的技術(shù)如下。

(1)SOA框架技術(shù):系統(tǒng)服務(wù)層將基于SOA框架技術(shù)開發(fā),服務(wù)層中所有的基礎(chǔ)及業(yè)務(wù)服務(wù)都被劃分(組件化)為一系列業(yè)務(wù)服務(wù)組件和業(yè)務(wù)流程,基于標(biāo)準接口實現(xiàn)交互與集成。組件的分離意味著不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域的人員可以獨立地設(shè)完成各自的部分,提高了工作效率,且任何非關(guān)鍵組件的故障都不會對其他業(yè)務(wù)服務(wù)組件產(chǎn)生影響。

(2)負載均衡技術(shù):負載均衡技術(shù)即把用戶負載壓力根據(jù)某種算法合理分配到集群中的每一臺計算機上,以減輕主服務(wù)器的壓力,降低對主服務(wù)器的硬件和軟件要求。同時由于將用戶請求均衡地分發(fā)到不同的應(yīng)用服務(wù)器實現(xiàn)并行計算,可以減少應(yīng)用等待時間,提高處理效率。

(3)冗余容錯技術(shù):冗余容錯技術(shù)用于保證系統(tǒng)平臺的穩(wěn)定可靠運行。系統(tǒng)中所有的進程、服務(wù)都分布運行在不止一個硬件節(jié)點上,當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生硬件或進程服務(wù)的故障時,其余節(jié)點的進程服務(wù)可迅速接管故障節(jié)點,保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

3.4 信息展示

本項目擬采用B/S架構(gòu),所有的信息展示都將通過Web瀏覽器實現(xiàn)。

(1)Websocket:該協(xié)議是基于TCP的一種新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,實現(xiàn)了瀏覽器與服務(wù)器全雙工通信。本項目基于Websocket技術(shù)對實時監(jiān)控功能進行開發(fā)實現(xiàn)。

(2)Ajax技術(shù):本項目中除實時監(jiān)控業(yè)務(wù)功能外,其他業(yè)務(wù)信息查詢獲取都將采用交互式網(wǎng)頁應(yīng)用的網(wǎng)頁開發(fā)技術(shù)Ajax實現(xiàn)。

(3)ExtJs技術(shù):本項目采用具有現(xiàn)代UI的桌面應(yīng)用程序開發(fā)平臺ExtJS,通過Ajax框架創(chuàng)建風(fēng)格多樣、功能豐富、界面美觀、輕量級的UI界面。

4 結(jié)語

地鐵線網(wǎng)指揮中心級運營調(diào)度系統(tǒng),用于反映城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài),對網(wǎng)絡(luò)中所有線路、設(shè)備實施全面的集中監(jiān)視和管理,加強協(xié)調(diào)管理,實現(xiàn)資源共享,最終提高運營效益。本文對地鐵線網(wǎng)指揮中心級運營調(diào)度系統(tǒng)進行深度剖析,設(shè)計了一套更加深層次的系統(tǒng)架構(gòu),能夠提供靈活的數(shù)據(jù)查詢功能、強大的數(shù)據(jù)分析和挖掘功能,滿足線網(wǎng)指揮中心開展各項業(yè)務(wù)需要,對提高地鐵網(wǎng)絡(luò)化運營管理水平和運營效益具有重要意義。