城軌云在全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

王軍賢

(通號(hào)城市軌道交通技術(shù)有限公司，北京 100070)

1 概述

近年來(lái)，隨著城市軌道交通技術(shù)裝備與管理水平的提升，以云平臺(tái)為代表的信息化、智能化新技術(shù)相繼應(yīng)用，大大提高了系統(tǒng)硬件資源的利用率，降低了工程總造價(jià)及運(yùn)營(yíng)成本。全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)是由車輛、通信、信號(hào)、綜合監(jiān)控及站臺(tái)門等專業(yè)設(shè)備共同協(xié)作來(lái)實(shí)現(xiàn)列車全程自動(dòng)化運(yùn)行的系統(tǒng)，可在中心控制遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)喚醒、自檢、自動(dòng)運(yùn)行、到站停車、開(kāi)關(guān)車門、清洗車輛、自動(dòng)休眠等功能，不但節(jié)約了人力成本，還減少了人工操作失誤而產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn)，極大提升軌道交通控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平、安全性、可靠性及總體效率。因此，基于城軌云技術(shù)的全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智慧城軌的必然發(fā)展方向。

2 城軌交通云平臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，城市軌道交通行業(yè)的智能化已逐步從探索進(jìn)入應(yīng)用階段，大數(shù)據(jù)及云計(jì)算在城軌行業(yè)中逐漸得到應(yīng)用，打破了傳統(tǒng)服務(wù)器物理資源有限的瓶頸，將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與虛擬化技術(shù)結(jié)合形成云平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)超大容量存儲(chǔ)、資源動(dòng)態(tài)分配和擴(kuò)展功能、超強(qiáng)能力計(jì)算，因此，越來(lái)越多的城市正在積極推廣云計(jì)算的應(yīng)用。2017年4月武漢地鐵率先在全國(guó)提出城軌線網(wǎng)云平臺(tái)建設(shè)方案，該方案打破了此前“按線、分專業(yè)”的建設(shè)思路模式；2019年1月溫州開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的S1線采用單線路、單專業(yè)的城軌系統(tǒng)云平臺(tái)，將云計(jì)算應(yīng)用到綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，系統(tǒng)可靠性、效率及運(yùn)維智能化水平得到了很大提高；2019年12月呼和浩特市地鐵1, 2號(hào)線工程云平臺(tái)系統(tǒng)投入運(yùn)營(yíng)，涵蓋信號(hào)系統(tǒng)、AFC系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)。由此可見(jiàn)，城軌系統(tǒng)中將核心業(yè)務(wù)云化在技術(shù)上是可行的并且具有很大的優(yōu)勢(shì)。

3 云平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)

將云平臺(tái)應(yīng)用到軌道交通是實(shí)現(xiàn)城軌智能化的重要手段，云平臺(tái)與既有傳統(tǒng)軌道交通信息化建設(shè)相比，主要有如下幾方面的優(yōu)勢(shì)。

3.1 建設(shè)成本節(jié)約化

云平臺(tái)主要通過(guò)服務(wù)器集群及造價(jià)低的節(jié)點(diǎn)服務(wù)器構(gòu)建而成，可以通過(guò)動(dòng)態(tài)分配提高系統(tǒng)資源利用率，有效降低了設(shè)備冗余造成的大量硬件成本，節(jié)省了建設(shè)成本及運(yùn)維成本，提高了資源利用效率。

3.2 資源管理集中化

云平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)軟硬件資源集中管理，靈活分配，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的錯(cuò)峰配備，如在業(yè)務(wù)需求高峰期啟用閑置資源提高云平臺(tái)處理能力，在業(yè)務(wù)需求低時(shí)轉(zhuǎn)入節(jié)能模式；同時(shí)云平臺(tái)可以統(tǒng)一分配、調(diào)整、回收系統(tǒng)的硬件資源，統(tǒng)一部署、集中軟件升級(jí)，統(tǒng)一管理用戶的認(rèn)證、授權(quán)等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)云上資源的集中管理。

3.3 運(yùn)維成本最小化

當(dāng)前軌道交通建設(shè)呈現(xiàn)井噴式的發(fā)展，隨之面臨缺乏既懂城軌業(yè)務(wù)，又懂計(jì)算機(jī)的復(fù)合型專業(yè)運(yùn)維人才，通過(guò)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)軌道交通信息化、自動(dòng)化后，在中心便可以實(shí)現(xiàn)集中運(yùn)維和管理，數(shù)據(jù)自動(dòng)備份在云端，大大減少了運(yùn)維人力成本，消除了因維護(hù)管理水平而造成影響的風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 接口高度通用化

云平臺(tái)架構(gòu)采用開(kāi)放的接口和標(biāo)準(zhǔn)化的硬件，實(shí)現(xiàn)了硬件、系統(tǒng)和應(yīng)用軟件之間的集成，云平臺(tái)的設(shè)備采用成熟的商用設(shè)備，具有靈活的擴(kuò)展性和系統(tǒng)兼容性，所以在云平臺(tái)上可根據(jù)用戶需求部署應(yīng)用軟件或開(kāi)發(fā)。

3.5 數(shù)據(jù)處理海量化

隨著數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)在城市軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，城市軌道交通業(yè)務(wù)中產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，利用云平臺(tái)進(jìn)行集中計(jì)算，為大數(shù)據(jù)獲取、管理、處理、整理提供穩(wěn)定、高效的平臺(tái)。如對(duì)客流趨勢(shì)、設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)、分析、進(jìn)而指導(dǎo)決策運(yùn)營(yíng)及維護(hù)。

4 城軌交通云平臺(tái)架構(gòu)

4.1 城軌云平臺(tái)底層架構(gòu)

城軌云平臺(tái)底層架構(gòu)主要由5部分組成，即采集層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和用戶層。采集層是按照特定的周期和協(xié)議進(jìn)行信息的收集，并采用一定的周期傳送至數(shù)據(jù)層；網(wǎng)絡(luò)層將采集的信息和控制指令進(jìn)行傳輸；數(shù)據(jù)層將采集的各種海量信息進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算、查詢、管理等；應(yīng)用層以數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)庫(kù)及其計(jì)算為基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)進(jìn)行信息處理，進(jìn)行調(diào)度決策、站場(chǎng)管理、運(yùn)維管理等；用戶層通過(guò)人機(jī)交互方式展現(xiàn)信息，為用戶進(jìn)行智能決策提供依據(jù)。

4.2 城軌云平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

城軌云平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)通常采用中心和車站兩級(jí)模式，由云管理平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一管理。同時(shí)按照冗余性原則設(shè)置災(zāi)備中心，在災(zāi)備中心根據(jù)需要和業(yè)務(wù)重要性選擇災(zāi)備不同的業(yè)務(wù)系統(tǒng),如信號(hào)、ISCS、AFC、ACC、CCTV等。城軌云平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

中心級(jí)云平臺(tái)包括生產(chǎn)中心、災(zāi)備中心兩部分，當(dāng)中心級(jí)云平臺(tái)同時(shí)故障或車站至中心間網(wǎng)絡(luò)故障，將切換到車站后備級(jí)應(yīng)用服務(wù)，城市軌道交通一般將生產(chǎn)中心設(shè)置在控制中心，將災(zāi)備中心設(shè)置在車輛段，云節(jié)點(diǎn)設(shè)置在沿線各車站，車站、車輛段與中心云平臺(tái)之間通過(guò)骨干環(huán)網(wǎng)及接入交換機(jī)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖1 城軌云平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture of an urban rail cloud platform

4.3 城軌云業(yè)務(wù)分配

對(duì)于城軌云系統(tǒng)架構(gòu)，在云平臺(tái)上統(tǒng)一部署多條地鐵線路的系統(tǒng)軟件，再根據(jù)不同的專業(yè)和業(yè)務(wù)劃分不同的虛擬數(shù)據(jù)中心(Virtual Data Center,VDC)，不同線路的同一專業(yè)或同一業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件可以部署在一個(gè)VDC內(nèi)，VDC內(nèi)部可以根據(jù)線路按照需求進(jìn)行再次劃分并設(shè)置一定的邊界安全隔離策略，從而形成不同的虛擬專有云(Virtual Private Cloud，VPC)；當(dāng)出現(xiàn)業(yè)務(wù)容量不足時(shí)可以對(duì)VDC內(nèi)的計(jì)算、存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)資源池中的任何一部分進(jìn)行擴(kuò)容或遷移 ,城軌云業(yè)務(wù)劃分如圖2所示。

5 城軌云在全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)中的應(yīng)用發(fā)展

5.1 單線單系統(tǒng)在城軌云上的應(yīng)用

城軌云平臺(tái)第一階段主要應(yīng)用在單線路單系統(tǒng)上，對(duì)于單系統(tǒng)云技術(shù)的實(shí)踐，已經(jīng)成功應(yīng)用于多個(gè)城市,如北京市軌道交通指揮中心(TCC)二期工程、天津地鐵TCC系統(tǒng)、溫州地鐵S1線綜合監(jiān)控系統(tǒng)，呼和浩特地鐵1號(hào)線ATS信號(hào)系統(tǒng)，均采用搭建的云平臺(tái)安全生產(chǎn)網(wǎng)部署一條線的單個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用業(yè)務(wù)，以信號(hào)系統(tǒng)ATS子系統(tǒng)為例，借助城軌云將ATS系統(tǒng)虛擬化到云平臺(tái)上并網(wǎng)絡(luò)化，在車站部署終端節(jié)點(diǎn)與客戶實(shí)現(xiàn)交互，順利實(shí)現(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和信息整合，極大優(yōu)化ATS系統(tǒng)的整體性能，最終為全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)提供相應(yīng)的支持和服務(wù)。

5.2 單線多系統(tǒng)在城軌云上的應(yīng)用

城軌云應(yīng)用的第二階段主要是將各系統(tǒng)整合上云，單線多系統(tǒng)云平臺(tái)采用集中式部署，將一套云平臺(tái)服務(wù)器部署在控制中心，虛擬化出車站及跨站中心業(yè)務(wù)所用工作站及服務(wù)器，在虛擬服務(wù)器和工作站上部署系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，同時(shí)在車站和中心根據(jù)用戶需求配置終端通過(guò)云桌面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。如北京地鐵12號(hào)線將綜合監(jiān)控與ATS系統(tǒng)整合，武漢地鐵16號(hào)線計(jì)劃將各子系統(tǒng)接入云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)間信息互聯(lián)互通，數(shù)據(jù)共享，提高了各系統(tǒng)的協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)能力，有效地提高了軌道交通自動(dòng)化水平和運(yùn)營(yíng)管理能力。

圖2 城軌云業(yè)務(wù)劃分Fig.2 The division of services of urban rail cloud

多系統(tǒng)上云平臺(tái)的前提是實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)融合，把各子系統(tǒng)整合形成一個(gè)大系統(tǒng)并部署在一個(gè)平臺(tái)上，第一步要實(shí)現(xiàn)車站級(jí)各子系統(tǒng)整合，即整合車站聯(lián)鎖、區(qū)域控制器、ATS、監(jiān)測(cè)及運(yùn)維等所有功能，取消其物理接口，在系統(tǒng)內(nèi)部完成信息傳遞，將大大降低建設(shè)成本，縮短現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間，同時(shí)降低了系統(tǒng)間通信故障的概率，提升了系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性；在此基礎(chǔ)上通過(guò)車站與中心之間的網(wǎng)絡(luò)形成強(qiáng)大的云平臺(tái)整體，所有車站所有系統(tǒng)所有設(shè)備均在同一個(gè)廣域網(wǎng)絡(luò)上，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作、遠(yuǎn)程診斷與分析等。

5.3 多線多系統(tǒng)在城軌云上的應(yīng)用

隨著城市的發(fā)展，軌道交通高負(fù)荷運(yùn)行對(duì)運(yùn)營(yíng)提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，城軌行業(yè)的信息化和智慧化趨勢(shì)也正逐漸由線路運(yùn)營(yíng)向線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)發(fā)展，前面兩個(gè)階段都是基于單條線路建立的云平臺(tái)，對(duì)于一個(gè)城市多條線路多個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備，通過(guò)整合融合，運(yùn)算中心化，構(gòu)建線網(wǎng)級(jí)云平臺(tái)是終極目標(biāo)，因此基于全城全網(wǎng)一個(gè)云平臺(tái)并搭載全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的城軌云架構(gòu)呼之欲出，涉及電力、車輛、通信、信號(hào)、綜合監(jiān)控、異物檢測(cè)等多個(gè)專業(yè)，并建立一個(gè)以行車指揮為中心的綜合信息云平臺(tái)，承載線網(wǎng)統(tǒng)一服務(wù)、集中運(yùn)維。

基于城軌云發(fā)展軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)仍有一段路要走，車輛運(yùn)行需要依靠車載信號(hào)控制，而做好車載網(wǎng)絡(luò)與城軌云兼容是構(gòu)建城軌智能化控制系統(tǒng)的關(guān)鍵；同時(shí)在全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)中，車上無(wú)司機(jī)，在此情況下保障列車安全運(yùn)行顯得尤為重要，因此基于云架構(gòu)及大數(shù)據(jù)的車輛智能運(yùn)維研究需要不斷地實(shí)踐并改進(jìn)，進(jìn)而全面實(shí)現(xiàn)智慧城軌從頂層設(shè)計(jì)到規(guī)劃再到可持續(xù)發(fā)展的模式。

6 結(jié)束語(yǔ)

城軌云在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟，必將為實(shí)現(xiàn)交通強(qiáng)國(guó)智能交通建設(shè)起到推波助瀾的作用，對(duì)城軌行業(yè)安全、高效的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)起到巨大的促進(jìn)作用，但是相對(duì)于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，國(guó)內(nèi)城軌云在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于起步階段，需要在建設(shè)中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)盡快形成統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并與城市軌道交通相關(guān)的技術(shù)規(guī)范相結(jié)合以獲得更好的應(yīng)用效果。