景亮 方暉 張森

摘 要：隨著云計(jì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)整個(gè)行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)迫在眉睫。文章針對(duì)城市軌道交通信息化云平臺(tái)及大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)，提出具體實(shí)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(tái);大數(shù)據(jù)平臺(tái);人工智能;轉(zhuǎn)型升級(jí)

中圖分類號(hào)：U293.13

截至2019年12月31日，中國(guó)內(nèi)地累計(jì)有40個(gè)城市開(kāi)通運(yùn)營(yíng)城市軌道交通線路，總里程達(dá)6 730.27 km，車站約3 000座，日均客流約7 000萬(wàn)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(gè)行業(yè)面臨的迫切問(wèn)題。本文針對(duì)城市軌道交通信息化云平臺(tái)及大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)，提出具體實(shí)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(shí)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(lái)，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(shí)現(xiàn)城市軌道交通行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，從而帶動(dòng)全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新發(fā)展，中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)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(guó)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(kāi)始試點(diǎn)建設(shè)城市軌道交通信息化云平臺(tái)和大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)施互聯(lián)網(wǎng)+戰(zhàn)略，推進(jìn)信息化﹑智能化深度融合，以信息化帶動(dòng)城市軌道交通智能化，以城市軌道交通智能化促進(jìn)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(qiáng)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(diǎn)：①按線單獨(dú)設(shè)置，設(shè)備物理位置分散且相互獨(dú)立，設(shè)備占地面積大，重復(fù)投資現(xiàn)象明顯;②用電負(fù)荷過(guò)高，供電質(zhì)量可靠性差，用電浪費(fèi)嚴(yán)重，備用蓄電池組容量過(guò)大，運(yùn)維成本較高;③各專業(yè)系統(tǒng)各自運(yùn)營(yíng)，通信信道占用資源較多，閑置浪費(fèi)資源現(xiàn)象嚴(yán)重;④“煙囪”式運(yùn)營(yíng)管理，各自為“線”，機(jī)構(gòu)臃腫;⑤建設(shè)與運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，各線單獨(dú)建設(shè)，不同廠家、不同硬件及軟件導(dǎo)致系統(tǒng)升級(jí)改造復(fù)雜、互聯(lián)互通及兼容性差、標(biāo)準(zhǔn)化水平低。

目前國(guó)內(nèi)城市軌道交通信息化建設(shè)及運(yùn)營(yíng)方面主要存在以下不足：①信息孤島嚴(yán)重，各機(jī)電系統(tǒng)單獨(dú)組網(wǎng)，單獨(dú)運(yùn)營(yíng)，沒(méi)有進(jìn)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(jī)電系統(tǒng)設(shè)備安裝在各自獨(dú)立設(shè)備機(jī)房?jī)?nèi)，機(jī)房利用率低，缺乏設(shè)備共享;③網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)，各機(jī)電系統(tǒng)單獨(dú)組網(wǎng)，單獨(dú)設(shè)置服務(wù)器和交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)資源，形成資源浪費(fèi);④安全管控偏弱，各機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)根據(jù)自身特點(diǎn)獨(dú)立設(shè)置安全管控設(shè)施設(shè)備，無(wú)整體解決方案;⑤運(yùn)維體系失衡，運(yùn)營(yíng)公司根據(jù)各機(jī)電設(shè)備分設(shè)管理維修機(jī)構(gòu)，缺乏統(tǒng)一調(diào)度維修;⑥標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范缺失，全國(guó)沒(méi)有城市軌道交通信息化建設(shè)及運(yùn)營(yíng)方面的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各城市根據(jù)自身的管理特點(diǎn)獨(dú)立建設(shè)及運(yùn)營(yíng)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(yùn)營(yíng)部門(mén)單獨(dú)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(yùn)營(yíng)實(shí)際存在脫鉤問(wèn)題。

2 云平臺(tái)方案

云平臺(tái)在保障安全的前提下實(shí)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(jì)。總體層面：實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)可控、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范成形、架構(gòu)合理易擴(kuò)展、效率效益顯著;信息層面：實(shí)現(xiàn)體系技術(shù)先進(jìn)、應(yīng)用功能領(lǐng)先、運(yùn)行數(shù)據(jù)共享;管理層面：實(shí)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(yíng)精準(zhǔn)化，具體線網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)方案如圖1所示。

2.1 云平臺(tái)設(shè)計(jì)原則

云平臺(tái)設(shè)計(jì)原則包括：①網(wǎng)絡(luò)化、互聯(lián)網(wǎng)+（線路、線網(wǎng)合署）的運(yùn)營(yíng)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(jì)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(jìn)的云計(jì)算、大數(shù)據(jù)平臺(tái);⑦新線部署和既有線遷移的融合方案;⑧整體防護(hù)的信息安全體系;⑨相互促進(jìn)的工程驗(yàn)證和規(guī)范制定的技術(shù)路線;⑩適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)的信息化管理體系。

智慧城市軌道交通信息平臺(tái)支撐運(yùn)營(yíng)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(tái)為三大系統(tǒng)提供計(jì)算資源池、存儲(chǔ)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(diǎn)，確定系統(tǒng)信息安全需求和可用性、可靠性及可維護(hù)性要求，并明確歸屬哪個(gè)系統(tǒng)，具體情況如圖2所示。

2.2 云平臺(tái)構(gòu)建

云平臺(tái)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(dòng)控制（ATC）系統(tǒng)的一個(gè)重要子系統(tǒng)，通過(guò)與ATC系統(tǒng)中的其他子系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，共同完成對(duì)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)列車和信號(hào)設(shè)備的管理和控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)高密度、大流量的城市軌道交通運(yùn)輸進(jìn)行自動(dòng)化管理和調(diào)度;②綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS），實(shí)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(dòng)，提高對(duì)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(yùn)營(yíng)指揮管理的智能化水平;③自動(dòng)售檢票系統(tǒng)（AFC），由計(jì)算機(jī)集中控制自動(dòng)或半自動(dòng)售票、自動(dòng)檢票，并進(jìn)行票務(wù)管理、財(cái)務(wù)結(jié)算、客流統(tǒng)計(jì)分析;④乘客信息系統(tǒng)（PIS），通過(guò)文字、圖像為進(jìn)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(yùn)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(jī)在車站停車后監(jiān)視旅客上下車、掌握開(kāi)關(guān)車門(mén)時(shí)間的重要手段，還可作為防災(zāi)調(diào)度員指揮搶險(xiǎn)的指揮工具;⑥門(mén)禁系統(tǒng)（ACS），根據(jù)城市軌道交通工程的特殊條件和特點(diǎn)，為確保城市軌道交通安全運(yùn)營(yíng)，保證授權(quán)人員在授權(quán)情況下方便地進(jìn)入設(shè)備及管理區(qū)域，防止非授權(quán)人員進(jìn)入限制區(qū)域;⑦公專電話系統(tǒng)，滿足管理部門(mén)、運(yùn)營(yíng)部門(mén)、維修部門(mén)等工作人員進(jìn)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(chǎng)的值班員組織指揮行車、運(yùn)營(yíng)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(dòng)售檢票清分清算管理中心（ACC）系統(tǒng)，處理整個(gè)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(gè)線網(wǎng)的信息播報(bào)平臺(tái)，負(fù)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(jī)、負(fù)載均衡、數(shù)據(jù)庫(kù)、存儲(chǔ)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(fù)載均衡等;⑤線網(wǎng)級(jí)列車監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）數(shù)據(jù)云平臺(tái)（NATS），可實(shí)現(xiàn)所有線路信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)云平臺(tái)共享，集中調(diào)度控制;⑥線網(wǎng)級(jí)綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）數(shù)據(jù)云平臺(tái)（NISCS），可實(shí)現(xiàn)所有線路綜合監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)云平臺(tái)共享，集中調(diào)度控制;⑦線網(wǎng)級(jí)門(mén)禁系統(tǒng)（ACS）數(shù)據(jù)云平臺(tái)（NACS），可實(shí)現(xiàn)所有線路門(mén)禁系統(tǒng)數(shù)據(jù)云平臺(tái)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(tái)（NCCTV），可實(shí)現(xiàn)所有線路視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)云平臺(tái)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(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各條線路的控制中心及各運(yùn)營(yíng)主體，具有綜合監(jiān)視，多軌道線路、多交通系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)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(fù)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(shí)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(jí)電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)（NPSCADA），可實(shí)現(xiàn)全線網(wǎng)電力調(diào)度實(shí)時(shí)監(jiān)控，具體云平臺(tái)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(hào)ATS系統(tǒng)等共需設(shè)置服務(wù)器和工作站上百臺(tái)，并配備多套存儲(chǔ)設(shè)備，業(yè)務(wù)獨(dú)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(chǔ)資源利用率低于36%，網(wǎng)絡(luò)資源利用率小于50%。

云平臺(tái)經(jīng)濟(jì)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(kuò)建至5條線可節(jié)省直接投資3 000萬(wàn)元左右;③具備機(jī)房空間節(jié)省、能耗節(jié)省、運(yùn)維效率提升等優(yōu)勢(shì);④基于云計(jì)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(tái)的信息安全

根據(jù)云平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試情況，對(duì)城市軌道交通各系統(tǒng)入云可行性進(jìn)行分析驗(yàn)證，同時(shí)對(duì)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(jìn)行測(cè)試。

在中心云平臺(tái)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(jìn)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(fù)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(jī)向哪里發(fā)送數(shù)據(jù)包，從而實(shí)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(tái)方案

大數(shù)據(jù)平臺(tái)的主要作用包括：①通過(guò)整合線網(wǎng)級(jí)電力監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)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(shí)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(jí)數(shù)據(jù)統(tǒng)一視圖，實(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化;②實(shí)現(xiàn)客流、設(shè)備、行車、票務(wù)、維保等信息的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析，幫助運(yùn)管人員及時(shí)了解路網(wǎng)客流、行車運(yùn)營(yíng)、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(yùn)營(yíng)的前提下，不斷提升運(yùn)能、降低成本;③通過(guò)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(shí)可預(yù)測(cè)新增線路對(duì)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(shí)時(shí)路網(wǎng)信息，方便乘客進(jìn)行出行選擇，提升公眾信息服務(wù)。具體大數(shù)據(jù)平臺(tái)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(tái)可實(shí)現(xiàn)城市軌道交通車輛﹑接觸網(wǎng)、動(dòng)力照明、通風(fēng)空調(diào)、食堂生活、生產(chǎn)用水等機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)營(yíng)用電實(shí)時(shí)采集，并對(duì)耗電量進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，實(shí)時(shí)采取節(jié)能措施，降低運(yùn)營(yíng)耗電量。同時(shí)，針對(duì)用電負(fù)荷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)合理調(diào)度確保用電安全，從而更好地實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)營(yíng)。

針對(duì)某些用電量比較大的專業(yè)，如車站動(dòng)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(yùn)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(cè)

基于大數(shù)據(jù)的城市軌道交通客流預(yù)測(cè)與乘客行為分析：通過(guò)引入客流起訖點(diǎn)分布（OD）、一卡通、移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商定位、ATS﹑行車計(jì)劃數(shù)據(jù)等，分析樞紐車站乘客進(jìn)出站情況及新線對(duì)既有線換乘的影響，研究大型活動(dòng)客流的變化規(guī)律，優(yōu)化客運(yùn)組織。大數(shù)據(jù)客流信息監(jiān)測(cè)如圖7所示。

3.3 實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)行圖

基于動(dòng)態(tài)客流數(shù)據(jù)，采用以下大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)列車運(yùn)行圖進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整：①利用實(shí)時(shí)客流監(jiān)測(cè)技術(shù)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)AFC進(jìn)出站客流情況;②利用視頻分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在計(jì)數(shù)區(qū)域進(jìn)行客流計(jì)數(shù)，并對(duì)站臺(tái)人群密度進(jìn)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(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)行圖示例如圖8所示。

4 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通信息化云平臺(tái)及大數(shù)據(jù)平臺(tái)的建設(shè)，必須根據(jù)運(yùn)營(yíng)實(shí)際需求進(jìn)行，建設(shè)和運(yùn)營(yíng)部門(mén)要進(jìn)行密切協(xié)調(diào)統(tǒng)籌，嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，整合所有機(jī)電專業(yè)的信息資源，實(shí)現(xiàn)所有機(jī)電設(shè)備的運(yùn)營(yíng)信息共享、維修調(diào)度集中控制，從而提高整個(gè)城市軌道交通的自動(dòng)化、信息化水平，推動(dòng)城市軌道交通信息化系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。通過(guò)城市軌道交通信息化云平臺(tái)及大數(shù)據(jù)平臺(tái)的建設(shè)，既減少了機(jī)電設(shè)備資源的重復(fù)投資和浪費(fèi)，又有效提高了整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)的智能化水平，降低機(jī)電設(shè)備采購(gòu)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)使用及維修成本，實(shí)現(xiàn)整個(gè)線網(wǎng)機(jī)電設(shè)備信息實(shí)時(shí)共享﹑實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)﹑實(shí)時(shí)決策。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期 2020-03-24

責(zé)任編輯 胡姬