城市軌道交通信息化云平臺及大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)

景亮 方暉 張森

摘 要：隨著云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G 等新興技術(shù)的不斷發(fā)展進步，全面提升城市軌道交通的智能化程度，構(gòu)建安全、高效、便捷、綠色的智慧城軌，實現(xiàn)整個行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級迫在眉睫。文章針對城市軌道交通信息化云平臺及大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)，提出具體實施方案，助力城市軌道交通智能化﹑信息化發(fā)展。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;云平臺;大數(shù)據(jù)平臺;人工智能;轉(zhuǎn)型升級

中圖分類號：U293.13

截至2019年12月31日，中國內(nèi)地累計有40個城市開通運營城市軌道交通線路，總里程達6 730.27 km，車站約3 000座，日均客流約7 000萬人次，如何有效利用這些數(shù)據(jù)，提高城市軌道交通智能化﹑信息化﹑數(shù)據(jù)化水平，成為整個行業(yè)面臨的迫切問題。本文針對城市軌道交通信息化云平臺及大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)，提出具體實施方案，加速以人工智能和大數(shù)據(jù)為特征的第四次科技革命在城市軌道交通中的應(yīng)用，實現(xiàn)城市軌道交通智能化﹑信息化發(fā)展。

1 建設(shè)背景及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 建設(shè)背景

2017年以來，為迎接以人工智能和大數(shù)據(jù)為特征的第四次科技革命，實現(xiàn)城市軌道交通行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，從而帶動全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新發(fā)展，中國城市軌道交通協(xié)會陸續(xù)發(fā)布《智慧城軌信息技術(shù)架構(gòu)及信息安全規(guī)范》《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》等各類信息化﹑智能化規(guī)范。北京﹑上海﹑武漢﹑深圳等城市相繼開始試點建設(shè)城市軌道交通信息化云平臺和大數(shù)據(jù)平臺，實施互聯(lián)網(wǎng)+戰(zhàn)略，推進信息化﹑智能化深度融合，以信息化帶動城市軌道交通智能化，以城市軌道交通智能化促進信息化，為城市軌道交通行業(yè)的可持續(xù)、快速發(fā)展提供強有力的信息技術(shù)支撐。

1.2發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的城市軌道交通架構(gòu)具有以下特點：①按線單獨設(shè)置，設(shè)備物理位置分散且相互獨立，設(shè)備占地面積大，重復(fù)投資現(xiàn)象明顯;②用電負荷過高，供電質(zhì)量可靠性差，用電浪費嚴重，備用蓄電池組容量過大，運維成本較高;③各專業(yè)系統(tǒng)各自運營，通信信道占用資源較多，閑置浪費資源現(xiàn)象嚴重;④“煙囪”式運營管理，各自為“線”，機構(gòu)臃腫;⑤建設(shè)與運營過程中，各線單獨建設(shè)，不同廠家、不同硬件及軟件導(dǎo)致系統(tǒng)升級改造復(fù)雜、互聯(lián)互通及兼容性差、標準化水平低。

目前國內(nèi)城市軌道交通信息化建設(shè)及運營方面主要存在以下不足：①信息孤島嚴重，各機電系統(tǒng)單獨組網(wǎng)，單獨運營，沒有進行信息集中處置和統(tǒng)一調(diào)度;② 基礎(chǔ)設(shè)施分散，各機電系統(tǒng)設(shè)備安裝在各自獨立設(shè)備機房內(nèi)，機房利用率低，缺乏設(shè)備共享;③網(wǎng)絡(luò)資源浪費，各機電系統(tǒng)單獨組網(wǎng)，單獨設(shè)置服務(wù)器和交換機等網(wǎng)絡(luò)資源，形成資源浪費;④安全管控偏弱，各機電設(shè)備系統(tǒng)根據(jù)自身特點獨立設(shè)置安全管控設(shè)施設(shè)備，無整體解決方案;⑤運維體系失衡，運營公司根據(jù)各機電設(shè)備分設(shè)管理維修機構(gòu)，缺乏統(tǒng)一調(diào)度維修;⑥標準規(guī)范缺失，全國沒有城市軌道交通信息化建設(shè)及運營方面的統(tǒng)一標準，各城市根據(jù)自身的管理特點獨立建設(shè)及運營信息化系統(tǒng);⑦建管統(tǒng)籌乏力，大部分城市的建設(shè)和運營部門單獨設(shè)立，互相之間缺乏協(xié)調(diào)統(tǒng)籌，導(dǎo)致信息化系統(tǒng)建設(shè)和運營實際存在脫鉤問題。

2 云平臺方案

云平臺在保障安全的前提下實現(xiàn)集中指揮、信息共享，并形成“城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)信息化”的頂層設(shè)計。總體層面：實現(xiàn)安全防護可控、標準規(guī)范成形、架構(gòu)合理易擴展、效率效益顯著;信息層面：實現(xiàn)體系技術(shù)先進、應(yīng)用功能領(lǐng)先、運行數(shù)據(jù)共享;管理層面：實現(xiàn)線網(wǎng)集中指揮、生產(chǎn)管理與應(yīng)急指揮一體化、企業(yè)管理現(xiàn)代化和資源經(jīng)營精準化，具體線網(wǎng)平臺架構(gòu)方案如圖1所示。

2.1 云平臺設(shè)計原則

云平臺設(shè)計原則包括：①網(wǎng)絡(luò)化、互聯(lián)網(wǎng)+（線路、線網(wǎng)合署）的運營控制中心;②集中統(tǒng)一（生產(chǎn)、應(yīng)急合一） 的調(diào)度指揮中心;③異地雙活的數(shù)據(jù)中心;④頂層設(shè)計的總體架構(gòu);⑤應(yīng)用創(chuàng)新的系統(tǒng)功能;⑥技術(shù)先進的云計算、大數(shù)據(jù)平臺;⑦新線部署和既有線遷移的融合方案;⑧整體防護的信息安全體系;⑨相互促進的工程驗證和規(guī)范制定的技術(shù)路線;⑩適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化運營的信息化管理體系。

智慧城市軌道交通信息平臺支撐運營生產(chǎn)信息系統(tǒng)、內(nèi)部管理信息系統(tǒng)和乘客服務(wù)信息系統(tǒng)。根據(jù)各應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)及接口關(guān)系，云平臺為三大系統(tǒng)提供計算資源池、存儲資源池及網(wǎng)絡(luò)資源池。根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)定位及業(yè)務(wù)特點，確定系統(tǒng)信息安全需求和可用性、可靠性及可維護性要求，并明確歸屬哪個系統(tǒng)，具體情況如圖2所示。

2.2 云平臺構(gòu)建

云平臺可承載的業(yè)務(wù)系統(tǒng)主要包括線路層面入云系統(tǒng)和線網(wǎng)層面入云系統(tǒng)。

（1）線路層面入云系統(tǒng)。包括：①列車監(jiān)控系統(tǒng)（ATS），該系統(tǒng)是列車自動控制（ATC）系統(tǒng)的一個重要子系統(tǒng)，通過與ATC系統(tǒng)中的其他子系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，共同完成對城市軌道交通運營列車和信號設(shè)備的管理和控制，實現(xiàn)對高密度、大流量的城市軌道交通運輸進行自動化管理和調(diào)度;②綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS），實現(xiàn)全線設(shè)備、環(huán)境、乘客、災(zāi)害的綜合監(jiān)控管理，提供各系統(tǒng)間業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)和觸發(fā)聯(lián)動，提高對事件的應(yīng)急處理能力，提供全面信息和輔助決策支持功能，提高城市軌道交通運營指揮管理的智能化水平;③自動售檢票系統(tǒng)（AFC），由計算機集中控制自動或半自動售票、自動檢票，并進行票務(wù)管理、財務(wù)結(jié)算、客流統(tǒng)計分析;④乘客信息系統(tǒng)（PIS），通過文字、圖像為進出車站的乘客提供列車到發(fā)等有關(guān)信息，引導(dǎo)乘客快捷方便的乘車，而且可為候車乘客提供新聞節(jié)目、播放廣告等服務(wù)，具備災(zāi)害情況下的緊急疏散引導(dǎo)顯示功能;⑤視頻監(jiān)視系統(tǒng)（CCTV），監(jiān)視列車運行、掌握客流大小和方向、提高行車指揮透明度的輔助通信工具，是列車司機在車站停車后監(jiān)視旅客上下車、掌握開關(guān)車門時間的重要手段，還可作為防災(zāi)調(diào)度員指揮搶險的指揮工具;⑥門禁系統(tǒng)（ACS），根據(jù)城市軌道交通工程的特殊條件和特點，為確保城市軌道交通安全運營，保證授權(quán)人員在授權(quán)情況下方便地進入設(shè)備及管理區(qū)域，防止非授權(quán)人員進入限制區(qū)域;⑦公專電話系統(tǒng)，滿足管理部門、運營部門、維修部門等工作人員進行內(nèi)部及外部公務(wù)聯(lián)系的需求，為控制中心調(diào)度員、車站、車輛段和停車場的值班員組織指揮行車、運營管理及確保行車安全的重要通信工具。

（2）線網(wǎng)層面入云系統(tǒng)。包括：①自動售檢票清分清算管理中心（ACC）系統(tǒng)，處理整個線網(wǎng)的票務(wù)清算;②乘客信息系統(tǒng)總編播控制中心（PCC），是整個線網(wǎng)的信息播報平臺，負責(zé)線網(wǎng)節(jié)目的統(tǒng)一制作并發(fā)布給各線中心PIS;③虛擬私有云（Virtual Private Cloud，VPC）為彈性云服務(wù)器構(gòu)建隔離的、用戶自主配置和管理的虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可在該私有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部署云主機、負載均衡、數(shù)據(jù)庫、存儲等云服務(wù)資源;④VDC是建立在 VPC 之上的虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，由用戶自主定義，包括二層網(wǎng)絡(luò)、三層網(wǎng)絡(luò)（子網(wǎng)）、路由、安全策略、負載均衡等;⑤線網(wǎng)級列車監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）數(shù)據(jù)云平臺（NATS），可實現(xiàn)所有線路信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)云平臺共享，集中調(diào)度控制;⑥線網(wǎng)級綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）數(shù)據(jù)云平臺（NISCS），可實現(xiàn)所有線路綜合監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)云平臺共享，集中調(diào)度控制;⑦線網(wǎng)級門禁系統(tǒng)（ACS）數(shù)據(jù)云平臺（NACS），可實現(xiàn)所有線路門禁系統(tǒng)數(shù)據(jù)云平臺共享，集中調(diào)度控制;⑧線網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）數(shù)據(jù)云平臺（NCCTV），可實現(xiàn)所有線路視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)云平臺集中調(diào)度監(jiān)控;⑨城市軌道交通指揮中心（TCC）作為路網(wǎng)的中央?yún)f(xié)調(diào)角色，負責(zé)協(xié)調(diào)各條線路的控制中心及各運營主體，具有綜合監(jiān)視，多軌道線路、多交通系統(tǒng)運營協(xié)調(diào)，應(yīng)急指揮，信息共享等職能;⑩ 列車控制和管理系統(tǒng)（NTCMS）負責(zé)所有線路軌道交通車輛關(guān)鍵設(shè)備和部件的信息管理，實現(xiàn)線網(wǎng)內(nèi)所有車輛關(guān)鍵設(shè)備和部件信息的采集、交換、監(jiān)視和記錄; 城市軌道交通線網(wǎng)級電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)（NPSCADA），可實現(xiàn)全線網(wǎng)電力調(diào)度實時監(jiān)控，具體云平臺架構(gòu)示例如圖3所示。

傳統(tǒng)城市軌道交通每條線路的ISCS、CCTV、AFC、PIS、安防系統(tǒng)、信號ATS系統(tǒng)等共需設(shè)置服務(wù)器和工作站上百臺，并配備多套存儲設(shè)備，業(yè)務(wù)獨享資源，資源利用率低。各業(yè)務(wù)系統(tǒng)中央處理器（CPU）資源利用率約5%～10%，存儲資源利用率低于36%，網(wǎng)絡(luò)資源利用率小于50%。

云平臺經(jīng)濟效益：①1條線路相關(guān)投資節(jié)省約10%;②后續(xù)線路新增設(shè)備，前期線路部分資源可重復(fù)利用，為后續(xù)新增線路投資節(jié)省約12%，擴建至5條線可節(jié)省直接投資3 000萬元左右;③具備機房空間節(jié)省、能耗節(jié)省、運維效率提升等優(yōu)勢;④基于云計算的虛擬化技術(shù)可提升物理資源使用率，系統(tǒng)資源使用率傳統(tǒng)模式下不足10%，云化后可提升至40%～50%。

2.3 云平臺的信息安全

根據(jù)云平臺實驗室測試情況，對城市軌道交通各系統(tǒng)入云可行性進行分析驗證，同時對云化后系統(tǒng)功能、性能、可靠性、不同廠家系統(tǒng)異構(gòu)等方面進行測試。

在中心云平臺為各系統(tǒng)（ISCS、PIS、CCTV、ACS、AFC、ATS、公專電話）按照專業(yè)劃分資源池，進行資源隔離，確保業(yè)務(wù)安全，SDN控制器是軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）中的應(yīng)用程序，負責(zé)流量控制以確保智能網(wǎng)絡(luò)。SDN控制器基于如OpenFlow等網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，允許服務(wù)器告訴交換機向哪里發(fā)送數(shù)據(jù)包，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)智能控制、智能分析，具體如圖4所示。

3 大數(shù)據(jù)平臺方案

大數(shù)據(jù)平臺的主要作用包括：①通過整合線網(wǎng)級電力監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)（FAS）、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、ATC、AFC、ACC等專業(yè)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)客流、行車、設(shè)備數(shù)據(jù)的集中統(tǒng)一，形成企業(yè)級數(shù)據(jù)統(tǒng)一視圖，實現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)標準化;②實現(xiàn)客流、設(shè)備、行車、票務(wù)、維保等信息的實時統(tǒng)計分析，幫助運管人員及時了解路網(wǎng)客流、行車運營、設(shè)備資產(chǎn)、票卡收入、維修保養(yǎng)等情況，在保證地鐵路網(wǎng)安全運營的前提下，不斷提升運能、降低成本;③通過結(jié)合客流數(shù)據(jù)、商圈居住數(shù)據(jù)、市政規(guī)劃數(shù)據(jù)等，提供新線路規(guī)劃的數(shù)據(jù)支持，同時可預(yù)測新增線路對路網(wǎng)的影響;④結(jié)合客流、行車等數(shù)據(jù)為乘客提供實時路網(wǎng)信息，方便乘客進行出行選擇，提升公眾信息服務(wù)。具體大數(shù)據(jù)平臺構(gòu)建示例如圖5所示。

3.1 大數(shù)據(jù)能耗分析

大數(shù)據(jù)平臺可實現(xiàn)城市軌道交通車輛﹑接觸網(wǎng)、動力照明、通風(fēng)空調(diào)、食堂生活、生產(chǎn)用水等機電系統(tǒng)設(shè)備的運營用電實時采集，并對耗電量進行大數(shù)據(jù)分析，實時采取節(jié)能措施，降低運營耗電量。同時，針對用電負荷實時監(jiān)測，通過合理調(diào)度確保用電安全，從而更好地實現(xiàn)智能化運營。

針對某些用電量比較大的專業(yè)，如車站動力照明系統(tǒng)，可采取智能照明模式，降低用電量;通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，可采用智能溫控模式，節(jié)能降耗。運用大數(shù)據(jù)建立的能耗分析如圖6所示。

3.2 大數(shù)據(jù)客流預(yù)測

基于大數(shù)據(jù)的城市軌道交通客流預(yù)測與乘客行為分析：通過引入客流起訖點分布（OD）、一卡通、移動運營商定位、ATS﹑行車計劃數(shù)據(jù)等，分析樞紐車站乘客進出站情況及新線對既有線換乘的影響，研究大型活動客流的變化規(guī)律，優(yōu)化客運組織。大數(shù)據(jù)客流信息監(jiān)測如圖7所示。

3.3 實時調(diào)整運行圖

基于動態(tài)客流數(shù)據(jù)，采用以下大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對列車運行圖進行自動調(diào)整：①利用實時客流監(jiān)測技術(shù)，動態(tài)監(jiān)測AFC進出站客流情況;②利用視頻分析技術(shù)，實現(xiàn)在計數(shù)區(qū)域進行客流計數(shù)，并對站臺人群密度進行分析;③利用車輛的空氣彈簧提供的車廂重量信息，包括車站上下客的車廂重量變化情況，判斷客流變化。實時調(diào)整運行圖示例如圖8所示。

4 結(jié)語

城市軌道交通信息化云平臺及大數(shù)據(jù)平臺的建設(shè)，必須根據(jù)運營實際需求進行，建設(shè)和運營部門要進行密切協(xié)調(diào)統(tǒng)籌，嚴格按照國家標準和規(guī)范，整合所有機電專業(yè)的信息資源，實現(xiàn)所有機電設(shè)備的運營信息共享、維修調(diào)度集中控制，從而提高整個城市軌道交通的自動化、信息化水平，推動城市軌道交通信息化系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型升級。通過城市軌道交通信息化云平臺及大數(shù)據(jù)平臺的建設(shè)，既減少了機電設(shè)備資源的重復(fù)投資和浪費，又有效提高了整個機電系統(tǒng)的智能化水平，降低機電設(shè)備采購、建設(shè)、運營使用及維修成本，實現(xiàn)整個線網(wǎng)機電設(shè)備信息實時共享﹑實時監(jiān)測﹑實時決策。

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收稿日期 2020-03-24

責(zé)任編輯 胡姬