基于云邊端協同架構的多制式低運能智能綜合調度系統

文：孫巍，徐曉龍，王曉磊｜北京城建智控科技股份有限公司

本文介紹了云邊端協同架構在低運能系統中的應用探索與實踐，利用云平臺、一體機、工業互聯網、微服務、邊端融合的理念，通過數據協同、服務協同、應用管理協同、安全協同等技術，創建了云邊端協同的應用集成架構。將架構應用于低運能生產調度系統，提高系統的實時性，有效控制中心和邊端的建設規模，且便于系統后續的應用擴展。

近年來，我國的城市軌道交通已逐漸呈現多層次、多模式、多制式發展趨勢。由城市軌道交通中、低運能系統構建公共交通系統的骨干體系日漸受到國內大中城市的重視和青睞，也成為超大和特大城市的軌道交通大運能系統和道路公交系統的有力補充，能夠有效解決大運能系統覆蓋不足的問題。

通過對比國內外的調度系統發展現狀，綜合分析后，目前低運量領域綜合調度系統主要包含以下方面的問題或者短板：一是調度功能方面，只適用于單一制式。多數在地鐵系統上做減法。在地面膠輪車輛運營線路中，不能與城市公交實現路權共享和融合調度，無法真正成為城市大運量制式的補充。二是平臺建設方面，各子系統分立，缺少統一的數據采集、業務綜合處理等平臺化基礎，系統功能和線路管理不易擴展。三是系統架構方面，底層設備與中心直接交互，關鍵數據有一定延時。當站臺側與中心失聯后，站臺側設備不具備自動反饋和智能決策能力，多數業務功能受影響。四是運營維護方面，各子系統和設備眾多，增加運營、運維的成本和壓力。基于此，項目組統籌分析低運量各制式中（包括電子導向膠輪智軌、有軌電車等）的系統功能、站臺規模、道路類型、供電方式等特性，基于云邊端協同架構打造了一套全新智能綜合調度系統。本文將著重對該系統采用的云邊端協同架構的構成、關鍵技術及落地情況進行詳細介紹。

一、系統架構

基于云邊端一體化架構，打造智能高效、安全可靠的云邊協同框架，使得每一個邊緣側設備都能站在全局視角獨立運行和智能決策，支持邊緣節故障節點的業務遷移，支持站臺側核心業務支持降級不降服務，通過綜合提升系統的可靠性，實現中心化的架構。

（一）中心系統

中心系統以智能控制一體機為硬件載體，通過云平臺實現系統部署。系統通過對功能的整合和劃分，采用微服務架構方式，實現業務服務化，便于成果復用的同時，易于實現按需擴展。通過構建統一的數據及業務處理平臺，深度集成信號系統、通信系統、自動售檢票系統、綜合監控、站臺門等核心專業，實現數據的高效處理，對運營線路的擴展和功能升級提供強大平臺基礎。核心組件（如IIS、MySQL、Redis、Kafka 等）均采用高可用設計或者負載均衡設計，綜合提升系統魯棒性。

中心系統與每一臺邊緣硬件平臺設備基于Kafka，構建統一、專屬、共享、雙向的消息通道，從而實現業務消息的傳輸。每一臺邊緣硬件平臺設備可通過該消息通道向中心發送心跳狀態、站臺側業務聯動執行狀態（如車輛進站開門、站臺側報站聯動等）；中心通過該消息通道向每一臺邊緣硬件平臺設備發送線路運營時刻表的變更消息、邊緣側報站聯動消息、邊緣側系統平臺軟件服務升級消息、配置信息更新消息等。

（二）邊緣側系統

由于邊緣側異構資源較多，接口復雜，后期運維壓力大，邊緣側系統架構采用集約化思路，采用輕量化超融合智能硬件平臺，該智能硬件融合了網絡交換、計算、存儲、IO、工業通信總線等諸多功能于一身，形成了低成本、高可靠、功能多樣、配置靈活的一體化設備。具備有線、無線、光纖通信等功能。基于超融合硬件平臺，實現對站臺側核心專業設備軟件功能和計算資源的統一整合。對于AFC、站臺門等設備，按照業務邏輯處理（或數據存儲）以及末端執行機構（或傳感器）兩個維度對設備子模塊進行劃分和分解，匯總各模塊間的硬件接口形式及軟件通訊協議。將業務邏輯處理模塊集成至邊緣一體機中，并重新整合、統一接口形式，將各專業終端設備與邊緣一體機深度融合，同時綜合考量各專業設備的供電需求，最終實現邊緣側泛專業設計。

二、云邊端協同關鍵技術

將中心與各車站邊緣硬件平臺設備組成環形網絡，基于Kafka 搭建分布式發布訂閱消息系統，構建起中心與各邊緣節點、以及各邊緣節點之間的協同框架。在此框架下，每一個邊緣硬件平臺設備都能站在全局視角獨立運行和智能決策，確保從運營調度角度出發，核心業務功能實現云邊兩級管理，做到了降級不降服務。中心云與邊緣側根據自身特性承擔不同的服務能力，統籌云邊兩級的算力、存儲資源需求，兩者協同才能最大化體現本架構的優勢和特點，關鍵技術具體包括：數據協同、服務協同、應用管理協同、安全協同。

一是數據協同。目前多數系統采用底層設備與中心直接交互，站臺側無法對數據進行實時或近實時分析與處理。將數據傳回中心處理的過程中，敏感數據傳輸延時較高；同時，很多數據為原始無用數據，無法做適當處理，對帶寬造成不必要浪費，也加大了對中心資源的需求。因此，可以將各類異構設備進行統一數據采集和業務聯動，在邊緣側精簡整合后，上傳至中心，統一云邊接口標準的同時，實現云邊數據協同。

二是服務協同。當某臺智軌車輛通訊異常時，系統會將站臺側業務聯動觸發權降級至邊緣側，最大程度保留站臺側核心業務正常運行；當車輛通訊恢復后，站臺側業務聯動觸發權恢復至中心。對于某一車輛，分為班次運營狀態和非班次運營狀態。當車輛處于非班次運營狀態時，站臺側無需對該車進行預報站、報站聯動，但保留站臺門聯動功能。運營班次根據其通信是否正常，又分為中心控制和邊緣控制。中心控制的班次，其預報站和報站功能完全由中心通知，邊緣側不做邏輯處理。邊緣控制的班次，其預報站和報站功能由邊緣側根據發車時間推算。

三是應用管理協同。中心與每臺邊緣側設備進行實時通訊檢測機制，當中心識別到某臺邊緣側設備通訊異常時，系統會將失聯邊緣側業務交由與之互為冗余的邊緣側設備接管。當互為冗余關系的邊緣側設備均失聯時，可由中心接管兩臺邊緣側設備負責的站臺業務。當出現故障的邊緣硬件平臺設備與中心的通訊狀態恢復后，中心根據邊緣節點冗余配置關系，向暫時接管故障節點的邊緣硬件平臺設備下發消息指令，邊緣硬件平臺設備停止對邊緣硬件平臺設備終端設備及業務的機關，同時，邊緣硬件平臺設備將恢復對設備及站臺側業務的接管。

四是安全協同。整套設計采用三級等保要求設計與建設，云邊動態消息的交互采用國密SM4 對稱加密算法。業務交互方面，邊緣側通過SFTP 協議向中心獲取相關配置信息，完成邊緣側配置信息的更新；在獲取基礎信息方面，如點表信息、設備信息等，邊緣側通過HTTPS 協議向中心獲取相關基礎信息。

三、系統落地及應用效果

本系統在株洲市智能軌道交通系統項目和宜賓市智能軌道快運系統T2、T4 線工程項目實現落地。

2021 年3 月，株洲市智能軌道交通系統一期工程竣工驗收。2021 年8 月，項目法人湖南京建投資建設有限公司提供用戶使用情況反饋，基于云邊端協同的智軌綜合調度系統在株洲智軌項目運行以來，滿足系統設計要求，運行良好，實現調度的自動化和智能化。在株洲智軌項目實施中，大膽使用云邊端協同架構的設計思路，超融合智能硬件等關鍵技術在建設過程節約成本1000 多萬元，全線車站節省用房800多平米，縮短建設工期4 個月；基于分布式微服務架構下多制式融合的智能軌道快運系統，運營初期每站臺減少2 人，每年節省人工成本326 萬元。

本系統還應用于宜賓市智能軌道快運系統T2、T4 線工程項目，其中T4 線已經開始運營，預計T2 線年底也將開始進入調試階段。適用于低運能制式的超融合系統架構平臺，可顯著提高系統資源利用效率，大量減少硬件配置容量并節約機房面積。經測算，預計節省土建費用約1000 萬元，運營期每年可節約人工成本及降低能耗約500 萬元，經濟效益顯著。

云邊端協同的平臺架構相對于傳統架構，更有利于調度生產系統的實時性要求，適配工業互聯網的特征，能有效控制線網中心、線路中心和車站機房的占地面積及其他損耗。此外，在中心云平臺、邊緣云節點中，均可同時具備基礎資源和平臺資源，各生產系統可根據其數據和業務特征選擇部署在中心側或邊緣側，并能進一步通過模塊化和微服務化的軟件架構放大融合平臺的使用價值。