毛少將

（通號(hào)通信信息集團(tuán)有限公司,北京 100070）

0 引言

城市軌道交通具有安全、快捷、準(zhǔn)時(shí)、高運(yùn)能、綠色環(huán)保等明顯優(yōu)勢(shì)，對(duì)推進(jìn)城市現(xiàn)代化進(jìn)程、改善交通運(yùn)輸環(huán)境、引導(dǎo)優(yōu)化城市空間布局、帶動(dòng)城市經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展發(fā)揮了巨大推動(dòng)作用，被各級(jí)政府和市民所接受[1]。目前全國(guó)運(yùn)行線路數(shù)量和旅客總量均列世界首位，中國(guó)已成為名副其實(shí)的“城軌大國(guó)”。在當(dāng)前中國(guó)城市軌道交通建設(shè)規(guī)?；F(xiàn)代化快速推進(jìn)的情況下，中國(guó)實(shí)現(xiàn)了由“城軌大國(guó)”到“城軌強(qiáng)國(guó)”的轉(zhuǎn)變，大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)在中國(guó)城市軌道交通方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用[2-3]。

2019年9月，由中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)實(shí)施的《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》提到了“大力發(fā)展智慧交通，推動(dòng)大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈、超級(jí)計(jì)算等新技術(shù)與交通行業(yè)深度融合”[4]。該文提出的城市軌道交通綜合服務(wù)平臺(tái)將大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等信息技術(shù)與城市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理、運(yùn)維保障和安全防護(hù)業(yè)務(wù)應(yīng)用深度融合，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通服務(wù)的智能化和協(xié)同化，進(jìn)一步提升了城軌公共服務(wù)水平和治理能力。綜合服務(wù)平臺(tái)作為城市軌道交通各業(yè)務(wù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)智慧化的“數(shù)字底座”，通過(guò)整合所有信息系統(tǒng)的海量異構(gòu)數(shù)據(jù)資源，進(jìn)行匯集、管理和分析，可打破城市軌道交通各信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)孤島的局面，形成數(shù)據(jù)融合分析和共用共享，推動(dòng)城市軌道交通系統(tǒng)向智慧化、人性化的趨勢(shì)演變。

1 總體架構(gòu)

城市軌道交通綜合服務(wù)平臺(tái)的總體架構(gòu)如圖1所示，整個(gè)平臺(tái)由基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺(tái)服務(wù)層和應(yīng)用展示層構(gòu)成。向下由城市軌道交通現(xiàn)有的乘客資訊、綜合監(jiān)控、自動(dòng)售檢票、通信、視頻監(jiān)控、供電等信息系統(tǒng)，各類傳感設(shè)備及其他行業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)源提供數(shù)據(jù)來(lái)源，向上支撐城市軌道交通智能車站、運(yùn)維保障和智能安防等業(yè)務(wù)應(yīng)用。

圖1 城市軌道交通綜合服務(wù)平臺(tái)總體架構(gòu)

1.1 基礎(chǔ)設(shè)施層（IaaS）

基礎(chǔ)設(shè)施層是整個(gè)城市軌道交通綜合服務(wù)平臺(tái)的載體，包括網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、服務(wù)器集群系統(tǒng)、存儲(chǔ)備份系統(tǒng)等物理環(huán)境，以及專用計(jì)算機(jī)機(jī)房環(huán)境、互聯(lián)網(wǎng)等，其為系統(tǒng)提供其所需的計(jì)算、通信和存儲(chǔ)等資源[5]。

1.2 平臺(tái)服務(wù)層（PaaS）

平臺(tái)服務(wù)層主要實(shí)現(xiàn)城市軌道交通各原有信息系統(tǒng)和多源異構(gòu)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、加工、存儲(chǔ)、分析和管理等功能，提供系統(tǒng)或設(shè)備與平臺(tái)間穩(wěn)定安全的雙向通信。同時(shí)，根據(jù)平臺(tái)內(nèi)部集成的分布式存儲(chǔ)、平臺(tái)管理、大數(shù)據(jù)分析、人工智能分析和空間位置服務(wù)，提高數(shù)據(jù)的流式和離線計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)分析和挖掘、智能化視頻分析、信息融合、資源共享、統(tǒng)一管理等能力[6]。平臺(tái)服務(wù)層是整個(gè)系統(tǒng)的核心層，其面向應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)者，把分布式軟件開(kāi)發(fā)、測(cè)試、部署、運(yùn)行環(huán)境以及復(fù)雜的應(yīng)用程序托管當(dāng)作服務(wù)，使得開(kāi)發(fā)者可以從復(fù)雜低效的環(huán)境搭建、配置和維護(hù)工作中解放出來(lái)，將精力集中在軟件編寫上，從而大大提高軟件開(kāi)發(fā)的效率[7]。平臺(tái)服務(wù)層向下由城市軌道交通各信息系統(tǒng)和設(shè)備提供海量數(shù)據(jù)來(lái)源，向上支撐城市軌道交通行業(yè)的各個(gè)應(yīng)用子系統(tǒng)的需求。

1.3 應(yīng)用展示層（SaaS）

應(yīng)用展示層的功能是實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)信息技術(shù)與城軌行業(yè)應(yīng)用的深度接觸，完成物體信息的協(xié)同、共享、決策等功能，形成智能化應(yīng)用的解決方案，從而實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)在城市軌道交通行業(yè)的運(yùn)用。其直接面向城市軌道交通工作人員和管理員，提供城市軌道交通行業(yè)應(yīng)用服務(wù)，解決包括智能車站、運(yùn)維保障、智能安防等應(yīng)用子系統(tǒng)的需求問(wèn)題，提供城市軌道交通行業(yè)通用的綜合管控。

2 系統(tǒng)組成

城市軌道交通綜合服務(wù)平臺(tái)由兩大塊組成：一個(gè)是大數(shù)據(jù)平臺(tái)，一個(gè)是融合3個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的城市軌道交通智慧應(yīng)用服務(wù)。整個(gè)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 城市軌道交通綜合服務(wù)平臺(tái)組成結(jié)構(gòu)

2.1 大數(shù)據(jù)平臺(tái)

大數(shù)據(jù)平臺(tái)主要針對(duì)多種城市軌道交通應(yīng)用服務(wù)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)及計(jì)算支撐。平臺(tái)主要包括數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)預(yù)處理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子系統(tǒng)、平臺(tái)管理子系統(tǒng)五個(gè)部分。

2.1.1 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

城市軌道交通系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源復(fù)雜，有業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)和文件，也有終端實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)是大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的第一個(gè)環(huán)節(jié)，如圖3所示，從功能上分為離線數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。其中離線采集包括Mysql、PostgreSQL數(shù)據(jù)同步以及文本類日志同步，Mysql、PostgreSQL數(shù)據(jù)同步基于Seatunnel框架構(gòu)建，文本類日志同步基于Flume構(gòu)建。實(shí)時(shí)采集包括Mysql、PostgreSQL數(shù)據(jù)同步和Kafka數(shù)據(jù)采集，整體基于FlinkCDC構(gòu)建。同時(shí)，支持傳感設(shè)備數(shù)據(jù)的接入，由IoT-hub統(tǒng)一接入到消息代理服務(wù)器，并發(fā)布到Kafka消息總線。

圖3 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理子系統(tǒng)

從采集大量原始數(shù)據(jù)只有被整合和計(jì)算才能體現(xiàn)出其價(jià)值，數(shù)據(jù)預(yù)處理子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。其主要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的校驗(yàn)、清洗和轉(zhuǎn)化，然后按主題對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重組，最后以維度模型的方式呈現(xiàn)出來(lái)。其中主要分為FlinkSQL在線編輯、建表和相關(guān)功能預(yù)處理部分，包括分組聚合、缺失值處理、數(shù)據(jù)篩選、表連接、表合并、修改列名、新增字段等。該模塊使用Flinksql、Hive組件基于SpringBoot和Codemirror框架開(kāi)發(fā)。

圖4 數(shù)據(jù)預(yù)處理子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子系統(tǒng)

如圖5所示，整個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子系統(tǒng)對(duì)外通過(guò)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問(wèn)層，提供多種數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)能力，具體包括：對(duì)象存儲(chǔ)、半結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。其中選擇IoTDB等數(shù)據(jù)庫(kù)用于半結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)，存儲(chǔ)以傳感設(shè)備上傳的終端數(shù)據(jù)的設(shè)備影子和智能分析為主的海量半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。選擇MinIO用于對(duì)象存儲(chǔ)，包括視頻及圖片二進(jìn)制對(duì)象。選擇Openlookeng提供通過(guò)數(shù)據(jù)源連接框架連接數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，Data Source Connector提供多種數(shù)據(jù)源的訪問(wèn)能力，無(wú)論是大數(shù)據(jù)生態(tài)的Hive或者Clickhouse，或是OLTP數(shù)據(jù)庫(kù)PostgreSQL以及MySQL，都可以方便地接入。此外，OpenLooKeng提供跨數(shù)據(jù)中心Data Center Connector，提供高性能跨域協(xié)同計(jì)算。

圖5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1.4 平臺(tái)管理子系統(tǒng)

平臺(tái)管理子系統(tǒng)主要包括分布式協(xié)調(diào)、集群管理、任務(wù)管理、元數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)一認(rèn)證管理、消息管理、運(yùn)維管理7個(gè)部分。其中分布式協(xié)調(diào)采用Zookeeper組件，主要實(shí)現(xiàn)任務(wù)的分配以及分布式各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息同步；采用Yarn實(shí)現(xiàn)集群資源的調(diào)度以及各任務(wù)資源的分配；通過(guò)Oozie實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理以及分析任務(wù)的整合，大幅提高開(kāi)發(fā)效率；元數(shù)據(jù)管理主要是管理業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)以及集群元數(shù)據(jù)的收集、組織和維持，通過(guò)Atlas元數(shù)據(jù)架構(gòu)，它建立了一種可延伸和可拓展性的核心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理業(yè)務(wù)集；統(tǒng)一認(rèn)證管理主要實(shí)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)以及模塊之間的認(rèn)證（鑒定訪問(wèn)是否合法），該平臺(tái)統(tǒng)一認(rèn)證主要是基于spring security來(lái)實(shí)現(xiàn)；消息管理部分采用成熟的大數(shù)據(jù)組件Kafka來(lái)開(kāi)發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)及集群之間的消息交互任務(wù)以及消息創(chuàng)建、跟蹤、銷毀等；運(yùn)維管理功能主要是基于Metrics進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備層、服務(wù)層、平臺(tái)層不同資源的監(jiān)控。

2.1.5 數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化、機(jī)器學(xué)習(xí)/人工智能、信息融合4部分。其中數(shù)據(jù)分析主要實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和關(guān)聯(lián)分析業(yè)務(wù)，使用SparkMLlib及Kylin、Druid來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)中數(shù)據(jù)的基本統(tǒng)計(jì)分析和潛在關(guān)系的深度挖掘；數(shù)據(jù)可視化主要實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的可視化展示，基于Tableau、OpenLayers、Cesium等來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)的可視化、數(shù)據(jù)分析建模可視化、數(shù)據(jù)處理過(guò)程可視化、自定義操作界面和三維地理信息可視化交互；機(jī)器學(xué)習(xí)/人工智能實(shí)現(xiàn)圖像、文本、語(yǔ)音等數(shù)據(jù)的知識(shí)提取，依托于大數(shù)據(jù)平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，此部分基于Sklearn、Tensorflow、Pytorch等深度學(xué)習(xí)模型，使用深度學(xué)習(xí)算法（CNN、DNN、RNN、LSTM等）及部分機(jī)器學(xué)習(xí)算法（SVM、DBSCAN、KF等）實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音、圖像及其他數(shù)據(jù)的分析；信息融合主要是對(duì)原始數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)、高維度數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，實(shí)現(xiàn)輔助決策，根據(jù)信息融合得到的結(jié)果，可以為城市軌道交通行業(yè)提供全方位、多層次的輔助決策支持和知識(shí)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)包括應(yīng)急預(yù)案推薦、節(jié)能計(jì)劃推薦、系統(tǒng)優(yōu)化方案推薦等。

2.2 城市軌道交通智慧應(yīng)用

2.2.1 智能車站

智能車站系統(tǒng)主要針對(duì)城市軌道交通車站日常運(yùn)營(yíng)和車站管控，其通過(guò)大數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)車站各信息系統(tǒng)和傳感設(shè)備的連接、控制，實(shí)現(xiàn)一鍵智能開(kāi)關(guān)站，將開(kāi)關(guān)站從線下轉(zhuǎn)為線上，縮短開(kāi)關(guān)站時(shí)間；采集環(huán)境數(shù)據(jù)，智能調(diào)控車站內(nèi)部溫度異常、空氣異味；采集手機(jī)、購(gòu)票、閘機(jī)數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)車站及線路的人流數(shù)據(jù)，科學(xué)預(yù)判未來(lái)人流趨勢(shì)；配置應(yīng)急預(yù)案，根據(jù)報(bào)警類型智能匹配對(duì)應(yīng)預(yù)案；采用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)車站能耗指標(biāo)多維度分析；采用室內(nèi)定位技術(shù)，定位車站工作人員準(zhǔn)確位置。

智能車站系統(tǒng)通過(guò)利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)的服務(wù)，賦能原始數(shù)據(jù)并應(yīng)用到車站不同場(chǎng)景的各個(gè)功能，實(shí)現(xiàn)車站運(yùn)營(yíng)智慧化、報(bào)警處理智能化、人員管理數(shù)字化。

2.2.2 運(yùn)維保障

運(yùn)維保障系統(tǒng)通過(guò)智能檢測(cè)設(shè)備、檢修機(jī)器人、智能生產(chǎn)作業(yè)、設(shè)備健康大數(shù)據(jù)評(píng)估等技術(shù)手段對(duì)傳統(tǒng)城市軌道交通運(yùn)維作業(yè)和管理進(jìn)行智慧化升級(jí)。系統(tǒng)利用車載設(shè)備、綜合檢測(cè)設(shè)備對(duì)隧道、軌道、橋梁等設(shè)施檢測(cè)和智能分析，升級(jí)檢測(cè)和巡檢方式；設(shè)備接入、狀態(tài)檢測(cè)，科學(xué)評(píng)估設(shè)備健康狀態(tài)，升級(jí)設(shè)備故障預(yù)防技術(shù)；圍繞設(shè)備設(shè)施運(yùn)維管理，自動(dòng)化生成計(jì)劃，作業(yè)流程標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)控，升級(jí)生產(chǎn)管理方法，提升管理效率；引入檢修機(jī)器人，升級(jí)檢修手段。

系統(tǒng)通過(guò)接入城市軌道交通各信息系統(tǒng)的終端設(shè)備數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)包括智能生產(chǎn)管理、應(yīng)急搶修管理、安全管理、資產(chǎn)管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、消息管理、用戶管理、系統(tǒng)管理等功能。結(jié)合智能裝備（線路巡檢車、智能作業(yè)終端、檢修機(jī)器人）實(shí)現(xiàn)城市軌道交通運(yùn)維管理智慧化、設(shè)施設(shè)備檢測(cè)智能化、設(shè)備檢修自動(dòng)化。

2.2.3 智能安防

智能安防系統(tǒng)整合了視頻監(jiān)控、安檢、出入口控制、入侵報(bào)警、電子巡查等子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)間信息共享和統(tǒng)一聯(lián)動(dòng)。智能安防系統(tǒng)由安防綜合監(jiān)控和安防監(jiān)控模塊組成。其中根據(jù)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)組織機(jī)構(gòu)的層級(jí)，安防綜合監(jiān)控總共劃分為路網(wǎng)級(jí)安防監(jiān)控、區(qū)域級(jí)安防監(jiān)控、線路中心級(jí)安防監(jiān)控和站點(diǎn)級(jí)安防監(jiān)控4個(gè)綜合監(jiān)控等級(jí)。根據(jù)面向的安防子系統(tǒng)的不同，共有視頻監(jiān)控、客流管理、入侵探測(cè)、門禁控制和安全檢查5個(gè)安防監(jiān)控模塊。

智能安防系統(tǒng)應(yīng)用視頻AI技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多種重要安防場(chǎng)景的視頻分析及異常識(shí)別，內(nèi)置多種場(chǎng)景化的事件處置預(yù)案和應(yīng)急預(yù)案，結(jié)合大數(shù)據(jù)統(tǒng)分功能，實(shí)現(xiàn)安防事件的快速處置和科學(xué)分析預(yù)測(cè)。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市軌道交通建設(shè)發(fā)展迅猛[8]。但由于信息化和協(xié)同化程度不高，城市軌道交通存在各子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)難以共用、系統(tǒng)存在獨(dú)立操作和展示等問(wèn)題。結(jié)合城市軌道交通的智能化發(fā)展需求和新技術(shù)與業(yè)務(wù)的深度融合，急需打造具有互聯(lián)互通和“接、存、算、管”一體化特色的城市軌道交通綜合服務(wù)平臺(tái)。該文以城市軌道交通行業(yè)信息化、協(xié)同化、智能化需求為背景，基于大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等信息通信技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)提升城市軌道交通管理與服務(wù)信息化、智慧化能力的綜合服務(wù)平臺(tái)，為軌道交通行業(yè)在生產(chǎn)方式、組織形態(tài)、管理理念和商業(yè)模式方面的創(chuàng)新發(fā)展提供新思路。