城市軌道交通線網(wǎng)指揮中心系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)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(tuán)有限公司線網(wǎng)管控中心，重慶 401123）

隨著城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，運(yùn)營(yíng)管理由單個(gè)線路管控中心向多個(gè)線路管控中心管理的網(wǎng)絡(luò)化（即線網(wǎng)指揮中心方向）發(fā)展[1]。綜合運(yùn)營(yíng)協(xié)調(diào)指揮中心（COCC）的主要作用是綜合指揮協(xié)調(diào)城市軌道交通各線路控制中心（OCC）。

我國(guó)如北京、上海、廣州、深圳等城市已經(jīng)建設(shè)了軌道交通線網(wǎng)指揮中心[2-3]，還有一批重點(diǎn)城市正在建設(shè)線網(wǎng)指揮中心[4]。線網(wǎng)指揮中心的日常工作主要包括對(duì)各線路運(yùn)營(yíng)組織方案進(jìn)行審查協(xié)調(diào)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)信息及時(shí)匯總，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的有關(guān)問(wèn)題作出迅速處理，以及在發(fā)生重大突發(fā)事件時(shí)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)、重要樞紐、換乘節(jié)點(diǎn)及列車運(yùn)行進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度指揮。為了實(shí)現(xiàn)上述職能，需要建立多技術(shù)支持、集成的城市軌道交通線網(wǎng)協(xié)調(diào)指揮中心，至少應(yīng)包括運(yùn)行監(jiān)察、設(shè)備監(jiān)察、應(yīng)急指揮、運(yùn)營(yíng)分析、信息發(fā)布等核心功能。

本文探討了建設(shè)該系統(tǒng)基礎(chǔ)信息化平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)引領(lǐng)上述功能實(shí)現(xiàn)，有效地協(xié)調(diào)各線路管控中心之間的接口關(guān)系，提升線網(wǎng)管理水平和應(yīng)急事件的處置能力。

1 全線網(wǎng)對(duì)象編碼和建模技術(shù)

我國(guó)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)管控機(jī)構(gòu)大都自下而上建設(shè)，先建各線控制中心，再建線網(wǎng)指揮中心。由于各線控制中心先期建設(shè)，各分系統(tǒng)信息采集和存儲(chǔ)在不同的信息平臺(tái)上，線網(wǎng)層級(jí)應(yīng)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)列車、客流、綜合監(jiān)控等運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)的一體化管理及分析。線網(wǎng)級(jí)的數(shù)據(jù)平臺(tái)系統(tǒng)是在充分考慮系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全的基礎(chǔ)上，以統(tǒng)一線網(wǎng)對(duì)象編碼為基礎(chǔ)，構(gòu)建數(shù)據(jù)采集匯總模型，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化整合，實(shí)現(xiàn)對(duì)全線網(wǎng)信息的長(zhǎng)期存儲(chǔ)。

1.1 全線網(wǎng)對(duì)象編碼

各線控制中心系統(tǒng)建設(shè)時(shí)間不一，設(shè)備命名不統(tǒng)一，導(dǎo)致數(shù)據(jù)交互復(fù)雜。標(biāo)準(zhǔn)化工作規(guī)范是 COCC 系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型建設(shè)的基礎(chǔ)。首先需編制線網(wǎng)各類車站、處所、設(shè)備、對(duì)象的編碼標(biāo)準(zhǔn)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(duì)象服務(wù)和模型服務(wù)功能，如圖1所示。

1.2 模型服務(wù)和數(shù)據(jù)交換

如圖2所示，通過(guò)統(tǒng)一的線網(wǎng)對(duì)象編碼，為全線網(wǎng)的管控對(duì)象和數(shù)據(jù)建立了標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)統(tǒng)一編碼轉(zhuǎn)換后可高效地接入 COCC 系統(tǒng)。同時(shí)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)公司已建的其他信息化中心系統(tǒng)也通過(guò)統(tǒng)一編碼映射方式接入COCC。對(duì)于新建線路的系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)，要求其按照統(tǒng)一編碼格式進(jìn)行對(duì)象命名，就可不再建立編碼映射表，直接接入 COCC。

圖1 全線網(wǎng)對(duì)象編碼結(jié)構(gòu)

圖2 基于全線對(duì)象編碼結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)和模型交換

基于統(tǒng)一模型編碼的線網(wǎng)數(shù)據(jù)中心不僅可用于匯集數(shù)據(jù)，同時(shí)也為各線控制系統(tǒng)和業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供了模型和數(shù)據(jù)交換平臺(tái)。這種COCC 的模型和數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)方式，相較以往 2 個(gè)系統(tǒng)之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)開(kāi)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(jìn)了各線系統(tǒng)互聯(lián)互通。

2 分布式集成和數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)

COCC 系統(tǒng)一般不直接與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行通信采集數(shù)據(jù)，而是對(duì)各線 OCC 已建成的各專業(yè)系統(tǒng)，如自動(dòng)列車監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）、綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)（AFC）、電力監(jiān)控系統(tǒng)（PSCADA），進(jìn)行第二次系統(tǒng)級(jí)的匯總和集成，然后將集成數(shù)據(jù)在全線網(wǎng)模型上進(jìn)行分析計(jì)算，再把處理過(guò)的分析結(jié)果分發(fā)到線網(wǎng)級(jí)各應(yīng)用系統(tǒng)中。這樣的業(yè)務(wù)流程要求 COCC 數(shù)據(jù)平臺(tái)具有高內(nèi)聚的系統(tǒng)集成能力和低耦合的數(shù)據(jù)服務(wù)能力。

2.1 “分-總-分”架構(gòu)

COCC 平臺(tái)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(yīng)用）的系統(tǒng)部署架構(gòu)，如圖3所示。COCC 平臺(tái)采用分布式系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)內(nèi)按照消息隊(duì)列和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)同步 2 類總線方式進(jìn)行通信，消息隊(duì)列用于傳遞觸發(fā)信號(hào)和下發(fā)命令，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)同步用于常規(guī)數(shù)據(jù)通信。

這種分布式采集架構(gòu)非常適合已建設(shè)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(tái)，匯總各異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)編碼格式后，再向線網(wǎng)中心平臺(tái)同步。

線網(wǎng)指揮中心部署 COCC 總平臺(tái)，接收各線 OCC 采集平臺(tái)的同步數(shù)據(jù)，同時(shí)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(wǎng)絡(luò)，為線網(wǎng)指揮中心的上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

圖3 “分-總-分”的 COCC 系統(tǒng)部署架構(gòu)

2.2 分布式數(shù)據(jù)服務(wù)和應(yīng)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(wǎng)調(diào)度大廳各個(gè)專業(yè)席位、應(yīng)急指揮作戰(zhàn)室、交控中心、清分中心、軌道交通集團(tuán)的運(yùn)營(yíng)中心等。針對(duì)不同需求的用戶群以及不同地點(diǎn)的系統(tǒng)部署要求，系統(tǒng)必須提供專業(yè)的分布式應(yīng)用服務(wù)。在接入整個(gè)軌道交通集團(tuán)辦公網(wǎng)、對(duì)外信息發(fā)布網(wǎng)絡(luò)、政府信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)，必須重點(diǎn)考慮安全訪問(wèn)控制問(wèn)題。

在整個(gè)線網(wǎng)指揮中心系統(tǒng)的生命周期中，線網(wǎng)在不斷發(fā)展，業(yè)務(wù)需求也在不斷變化，不斷會(huì)有新的應(yīng)用需要部署。COCC 的數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)際上提供了一個(gè)包括模型和數(shù)據(jù)服務(wù)的基礎(chǔ)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，各類新應(yīng)用都可以在這個(gè)軟件生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行開(kāi)發(fā)部署上線。

3 大數(shù)據(jù)處理技術(shù)

COCC 數(shù)據(jù)庫(kù)是系統(tǒng)建設(shè)的核心模塊，OCC 各系統(tǒng)一般采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。COCC 系統(tǒng)需要匯總和處理全線網(wǎng)各類型數(shù)據(jù)，要滿足數(shù)據(jù)海量、計(jì)算強(qiáng)度大、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)處理等需求，因此需要引入大數(shù)據(jù)技術(shù)，與傳統(tǒng)關(guān)系庫(kù)協(xié)作實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)功能。

3.1 大數(shù)據(jù)的必要性

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

業(yè)務(wù)運(yùn)行數(shù)據(jù)隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的積累，所需存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，而且客流預(yù)測(cè)和分析需要大量的歷史數(shù)據(jù)作為機(jī)器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練樣本，導(dǎo)致基于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)計(jì)分析時(shí)間將會(huì)成倍增長(zhǎng)。

COCC 匯聚數(shù)據(jù)類型呈現(xiàn)多樣化，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和視頻圖像分析技術(shù)的發(fā)展，對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）中視頻、圖像語(yǔ)音等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的分析處理，將在城市軌道交通運(yùn)營(yíng)中發(fā)揮更大的作用。對(duì)海量非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的分析已經(jīng)不能在傳統(tǒng)的文件或關(guān)系庫(kù)方式下進(jìn)行處理。

3.2 分步實(shí)施的可行性

前期建設(shè)可采用傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。一方面，線網(wǎng)指揮中心前期功能主要集中在運(yùn)營(yíng)、監(jiān)察和應(yīng)急功能方面，傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)集群可以滿足；另一方面，系統(tǒng)投運(yùn)前期數(shù)據(jù)量較少，從大數(shù)據(jù)平臺(tái)自身運(yùn)用的特點(diǎn)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(wù)需求一般要在 COCC 運(yùn)行一段時(shí)間后再歸納；而且大數(shù)據(jù)中心需要專人運(yùn)維，前期投入使用大數(shù)據(jù)平臺(tái)，不僅增加建設(shè)成本，還增加維護(hù)的人力和技術(shù)成本。

因此，COCC 數(shù)據(jù)平臺(tái)的建設(shè)宜采用分步建設(shè)的模式，如圖4所示：前期由傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)集群實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，投運(yùn)初期人員需要時(shí)間和系統(tǒng)磨合，對(duì)需求的把握也不是很精準(zhǔn)。在系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，隨著數(shù)據(jù)量的增加，業(yè)務(wù)需求也基本明確，此時(shí)引入大數(shù)據(jù)平臺(tái)，將原有關(guān)系庫(kù)中的數(shù)據(jù)抽取到大數(shù)據(jù)平臺(tái)，加載新的大數(shù)據(jù)分析業(yè)務(wù)，原關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)繼續(xù)作為數(shù)據(jù)采集庫(kù)和關(guān)鍵數(shù)據(jù)備份庫(kù)。

4 可視化分析技術(shù)

線網(wǎng)指揮中心的職能包括對(duì)線網(wǎng)當(dāng)前狀態(tài)的監(jiān)察功能，以及對(duì)整個(gè)線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的分析功能，需要監(jiān)察和管理的對(duì)象相較單條線路成倍增加，而且線網(wǎng) COCC 管理的層面更偏向宏觀調(diào)度指揮。因此 COCC 對(duì)線網(wǎng)的分析管理，主要是結(jié)合計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)，對(duì)線網(wǎng)進(jìn)行宏觀監(jiān)察和分析，構(gòu)建運(yùn)營(yíng)評(píng)估指標(biāo)體系，匯總采集數(shù)據(jù)，形成行車、客運(yùn)、能耗等監(jiān)察指標(biāo)，并利用可視化技術(shù)展現(xiàn)計(jì)算結(jié)果。

可視化的價(jià)值在于將復(fù)雜的問(wèn)題通過(guò)直觀視覺(jué)展現(xiàn)，對(duì)線網(wǎng)運(yùn)行和運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工提煉，以可視化的圖線報(bào)表方式為 COCC 調(diào)度人員提供更為直觀的線網(wǎng)運(yùn)行趨勢(shì)。

圖4 分步建設(shè) COCC 大數(shù)據(jù)平臺(tái)

4.1 客流分析可視化

線網(wǎng)中心的客流交通出行量（OD）研究，能夠站在全線網(wǎng)的角度為車輛調(diào)度、車站運(yùn)營(yíng)、票務(wù)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(shí)現(xiàn)線網(wǎng)實(shí)時(shí)客流趨勢(shì)監(jiān)控，而采用桑吉圖的方法來(lái)進(jìn)行 OD 客流的可視化展現(xiàn)，可直觀反映 OD 關(guān)系，對(duì)客流的變化趨勢(shì)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(guān)系，以線條的寬度表示客流的大小。

如圖5所示，線網(wǎng)中兩站之間有多個(gè)路由途徑，可通過(guò)桑吉圖表示線網(wǎng)中各線通過(guò)換乘樞紐站的分流狀況。

使用可視化方法來(lái)分析客流，可觀察到不同時(shí)間段內(nèi)線網(wǎng)的總體客流變化趨勢(shì)，COCC 可以從線網(wǎng)的角度做出客流預(yù)警，通知各線 OCC 做好客流分流、調(diào)整發(fā)車間隔，必要時(shí)采用跨線網(wǎng)協(xié)調(diào)列車運(yùn)力、跳站運(yùn)行等應(yīng)急運(yùn)行方式。

圖5 線網(wǎng)樞紐車站客流變化分析

4.2 線網(wǎng)告警事件可視化

COCC 作為線網(wǎng)日常運(yùn)營(yíng)機(jī)電設(shè)備管理中心，負(fù)責(zé)對(duì)環(huán)控模式進(jìn)行監(jiān)督和跨中心協(xié)調(diào)；負(fù)責(zé)對(duì)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、自動(dòng)滅火系統(tǒng)、各類消防設(shè)施總體運(yùn)行情況及線網(wǎng)各車站、區(qū)間的機(jī)電設(shè)備（給排水、屏蔽門、照明、電扶梯）總體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。

線網(wǎng)中需要監(jiān)視管理的設(shè)備眾多，以重慶兩路口車站為例，每日產(chǎn)生的告警和事件量多達(dá) 2.7 萬(wàn)條。線網(wǎng)指揮中心監(jiān)視幾百個(gè)車站，無(wú)法監(jiān)視到每個(gè)設(shè)備，而是按線路分系統(tǒng)運(yùn)行情況計(jì)算評(píng)估關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)（KPI），按照實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)設(shè)備故障并依據(jù)重要程度權(quán)重，計(jì)算線路設(shè)備系統(tǒng)健康狀態(tài)，突出顯示需關(guān)注的故障嚴(yán)重設(shè)備。

如圖6所示，采用線路告警事件統(tǒng)計(jì)動(dòng)態(tài)矩陣，每個(gè)矩形代表1個(gè)車站的告警事件統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其面積為該站所有告警事件乘以其等級(jí)權(quán)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(yán)重度。

圖6 車站告警事件統(tǒng)計(jì)動(dòng)態(tài)矩陣

5 地理和空間信息技術(shù)

線網(wǎng)指揮中心的另一項(xiàng)重要職能是應(yīng)急情況的處置，在線網(wǎng)中單條線路的事故影響會(huì)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(shù)可為線網(wǎng)應(yīng)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(guó)多個(gè)城市軌道交通的建設(shè)過(guò)程中已經(jīng)開(kāi)始嘗試使用建筑信息模型（BIM）技術(shù)[6]。隨著 BIM 技術(shù)的推廣和不斷發(fā)展，BIM 模型在建設(shè)竣工交付后，還可以作為城市軌道交通的長(zhǎng)期運(yùn)維和運(yùn)營(yíng)模型。

以往單獨(dú)建立三維模型需要耗費(fèi)巨大的人力和時(shí)間，而且建立的模型缺乏后期的有效維護(hù)。有了 BIM 模型后，將其導(dǎo)入 COCC 平臺(tái)進(jìn)行三維建模，方便快速且節(jié)省成本，而且可與 BIM 模型動(dòng)態(tài)維護(hù)同步修改。

如圖7所示，線網(wǎng)指揮中心利用三維模型可以進(jìn)行應(yīng)急策略決策預(yù)案分析和仿真場(chǎng)景演練。在事故應(yīng)急指揮室調(diào)取各車站和隧道 BIM 模型的可視化三維場(chǎng)景，可進(jìn)行仿真實(shí)地情況查看，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)視頻作出綜合應(yīng)急處置決策。

圖7 基于三維車站模型的應(yīng)急疏散策略仿真

5.2 地理信息系統(tǒng)（GIS）應(yīng)急指揮

目前我國(guó)城市軌道交通公司大都建設(shè)了自身的 GIS系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)化矢量地圖，COCC 可以導(dǎo)入 GIS 地圖，并結(jié)合行車、客流、供電采集數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合展示，有利于線網(wǎng)指揮中心了解線網(wǎng)在整個(gè)城市空間下的運(yùn)行狀態(tài)。

在應(yīng)急狀況下，線網(wǎng)指揮中心可在 GIS 地圖上，掌握線網(wǎng)范圍內(nèi)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施空間分布情況和與城市軌道交通線網(wǎng)的位置關(guān)系，便于在緊急情況下快速指揮救援和疏散。

6 結(jié)語(yǔ)

從目前已經(jīng)投入運(yùn)行的城市軌道交通線網(wǎng)指揮中心信息化平臺(tái)的運(yùn)行效果來(lái)看，系統(tǒng)對(duì)線網(wǎng)指揮中心各類監(jiān)察、調(diào)度、管理、分析、應(yīng)急等業(yè)務(wù)提供了強(qiáng)有力的支撐。但是線網(wǎng)指揮中心沒(méi)有通用的建設(shè)規(guī)則，其支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)還沒(méi)有相關(guān)的國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，各城市軌道交通公司應(yīng)結(jié)合自身線網(wǎng)指揮中心的組織架構(gòu)和角色定位開(kāi)發(fā) COCC 業(yè)務(wù)需求、設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能。另一方面，計(jì)算機(jī)、通信、大數(shù)據(jù)、圖像處理識(shí)別、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)在不斷變化發(fā)展，在新的線網(wǎng)指揮中心建設(shè)中，實(shí)行更合理的系統(tǒng)部署架構(gòu)、采用更貼合線網(wǎng)管理的實(shí)用化新技術(shù)，將推動(dòng)城市軌道交通線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)向更高層次的智能化管控發(fā)展。

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