城市軌道交通智能信息化集成系統(tǒng)

華為技術(shù)有限公司 沈光亮

城市軌道交通智能信息化集成系統(tǒng)

清華同方股份有限公司 魏曉東

華為技術(shù)有限公司 沈光亮

1 概述

城市軌道交通技術(shù)發(fā)展到今天，進(jìn)入了以工業(yè)4.0為綱領(lǐng)的新工業(yè)革命時(shí)代。以智能制造、智能生產(chǎn)、智能工廠和智能產(chǎn)品為特征的工業(yè)4.0也將引領(lǐng)城市軌道交通建設(shè)與運(yùn)營(yíng)走向信息化與智能化。城市軌道交通的信息化與自動(dòng)化必將深度融合并按照《中國(guó)制造2025》的總發(fā)展方針邁向新階段。特別是“十三五”期間城市軌道交通建設(shè)總里程將增加3000公里，總投資將增加近2萬(wàn)億，擁有全世界最大的軌道交通市場(chǎng)，無(wú)疑會(huì)使城市軌道交通的信息化與智能化發(fā)展到前所未有的水平。

信息化與工業(yè)化兩化融合一直是我國(guó)新工業(yè)革命時(shí)代工業(yè)發(fā)展的既定方針，在工業(yè)企業(yè)構(gòu)建信息化集成系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)兩化融合的具體方式。城市軌道交通領(lǐng)域的兩化融合就是要構(gòu)建城市軌道交通信息化集成系統(tǒng)，在工業(yè)4.0時(shí)代就是要建設(shè)地鐵智能信息化集成系統(tǒng)。建設(shè)智能地鐵不能是空虛的概念，應(yīng)該為地鐵建設(shè)起一個(gè)信息化與底層自動(dòng)化深度融合的系統(tǒng)、也就是智能信息化集成系統(tǒng)。為此，本文將清楚地闡述城市軌道交通智能信息化集成系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)以及城市軌道交通運(yùn)營(yíng)智能化技術(shù)內(nèi)涵。

1.1 工業(yè)4.0及其核心系統(tǒng)與系統(tǒng)集成技術(shù)

現(xiàn)代工業(yè)進(jìn)入工業(yè)4.0時(shí)代，最主要特征是工業(yè)+互聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)。此時(shí)的互聯(lián)網(wǎng)包含了物聯(lián)網(wǎng)（IoT：Internet of Things）和務(wù)聯(lián)網(wǎng)（IoS：Internet of Service）。通過(guò)價(jià)值網(wǎng)絡(luò)的橫向集成；端到端工程數(shù)字集成和縱向集成和網(wǎng)絡(luò)化制造三項(xiàng)系統(tǒng)集成，構(gòu)建起一個(gè)核心系統(tǒng)—信息物理系統(tǒng)（CPS, Cyber Physical System），這一CPS也就是智能信息化集成系統(tǒng)。工業(yè)4.0的核心是通過(guò)IoT和IoS支持的CPS實(shí)現(xiàn)四個(gè)“智能”。通過(guò)充分利用信息通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)相結(jié)合的手段，促成信息物理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)、將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。四個(gè)智能是：第一，通過(guò)價(jià)值網(wǎng)絡(luò)的橫向集成實(shí)現(xiàn)世界范圍的智能制造。第二，實(shí)現(xiàn)IoT和IoS支持的智能工廠。第三，實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)線。第四，生產(chǎn)出源源不斷的智能工業(yè)產(chǎn)品。

圖1 智能制造技術(shù)內(nèi)涵框圖

所以工業(yè)4.0的本質(zhì)就是制造向智能化轉(zhuǎn)型。對(duì)城市軌道交通領(lǐng)域而言，就是自動(dòng)化、信息化向智能化轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)智能地鐵或智慧地鐵，就是構(gòu)建地鐵的智能信息化集成系統(tǒng)。

1.2 城市軌道交通智能信息化集成系統(tǒng)的構(gòu)架和形態(tài)

何為工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)？國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26335-2010《工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)規(guī)范（Standard of Industry Enterprise Information Integration System）》指出：工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)環(huán)境和技術(shù)，將工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)與經(jīng)營(yíng)決策系統(tǒng)綜合集成，提高企業(yè)經(jīng)營(yíng)效率、促進(jìn)企業(yè)戰(zhàn)略目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的大系統(tǒng)。顯然，信息化集成系統(tǒng)將自動(dòng)化技術(shù)、信息化技術(shù)滲透到工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的每一個(gè)層次，每一個(gè)環(huán)節(jié)；工業(yè)制造過(guò)程的各層次的信息又被集成起來(lái)為企業(yè)的根本目標(biāo)服務(wù)；產(chǎn)品工廠的所有設(shè)備由工業(yè)企業(yè)的自動(dòng)化系統(tǒng)和信息化系統(tǒng)監(jiān)控管理；與制造相關(guān)的所有信息被遍布企業(yè)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接、實(shí)現(xiàn)全企業(yè)的信息集成。最終實(shí)現(xiàn)企業(yè)高效運(yùn)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)全企業(yè)智能化的戰(zhàn)略目標(biāo)。工業(yè)4.0背景下，實(shí)現(xiàn)工業(yè)信息化與智能化就是要在工業(yè)企業(yè)建設(shè)智能信息化集成系統(tǒng)，構(gòu)建企業(yè)的CPS系統(tǒng)，在IoT&IoS支持下建成智能工廠，可在世界范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)。

GB/T 26335-2010《工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)規(guī)范（Standard of Industry Enterprise Information Integration System）》給出了一般工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)的層次模型，如圖2所示，它是基于普渡模型的分層分級(jí)系統(tǒng)：

圖 2 工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)的分層分級(jí)模型

工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)的典型架構(gòu)由三級(jí)構(gòu)成，它們是：H1：廠級(jí)系統(tǒng)（廠級(jí)包括，大、中、小型生產(chǎn)廠，生產(chǎn)基地等）；H2：公司級(jí)系統(tǒng)（公司級(jí)包括：跨廠級(jí)聯(lián)合企業(yè)，大型聯(lián)合生產(chǎn)基地等）；H3：集團(tuán)公司級(jí)系統(tǒng)。

（1）H1：廠級(jí)系統(tǒng)：工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)廠級(jí)系統(tǒng)應(yīng)包括如圖2所示L1到L5五層，它們是：L1：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層；L2：生產(chǎn)過(guò)程控制層；L3：生產(chǎn)執(zhí)行層；L4：經(jīng)營(yíng)管理；L5：戰(zhàn)略決策層。通過(guò)5層的縱向集成與橫向集成實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程控制、生產(chǎn)執(zhí)行、指揮、經(jīng)營(yíng)管理及戰(zhàn)略決策的應(yīng)用集成一體化，構(gòu)成完整的廠級(jí)系統(tǒng)。其中，L1與L2構(gòu)成企業(yè)的生產(chǎn)自動(dòng)化基礎(chǔ)層，信息化集成系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)的本源信息產(chǎn)生于此。

（2）H2公司級(jí)系統(tǒng)：此級(jí)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)分布的廠級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)集成、構(gòu)建企業(yè)公司級(jí)的信息化集成系統(tǒng)。系統(tǒng)包括L3、L4、L5三層，但其結(jié)構(gòu)與功能不同于H1的相應(yīng)三層。通過(guò)縱向集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)H2與H1的無(wú)縫接口，實(shí)現(xiàn)本級(jí)信息的貫通。

（3）H3集團(tuán)公司級(jí)系統(tǒng)：集團(tuán)公司級(jí)系統(tǒng)包括L3、L4、L5三層，但其結(jié)構(gòu)與功能不同于H1和H2的相應(yīng)三層。通過(guò)縱向集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)級(jí)間、層間信息的貫通。

在城市軌道交通領(lǐng)域，智能信息化集成系統(tǒng)也采用類似的結(jié)構(gòu)。線路級(jí)控制系統(tǒng)是城市軌道交通基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)，主要有信號(hào)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等等。其中綜合監(jiān)控系統(tǒng)是最為典型的線路級(jí)控制系統(tǒng)，它有典型的五層結(jié)構(gòu)。有的城市建有區(qū)域級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)成為區(qū)域線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)，它采用典型的三層結(jié)構(gòu)：區(qū)域線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)+區(qū)域線網(wǎng)經(jīng)營(yíng)管理系統(tǒng)+區(qū)域線網(wǎng)戰(zhàn)略決策系統(tǒng)。全城市的線網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，也采用典型的三層結(jié)構(gòu)：城市軌道交通TCC+城市軌道交通經(jīng)營(yíng)管理系統(tǒng)+城市軌道交通決策系統(tǒng)。城市軌道交通信息化集成系統(tǒng)的級(jí)、層架構(gòu)如圖3所示。在新工業(yè)革命時(shí)代地鐵智能化發(fā)展就是要在信息化集成系統(tǒng)級(jí)、層進(jìn)行系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)智能化。

圖3 地鐵智能信息化集成系統(tǒng)的分層分級(jí)結(jié)構(gòu)

地鐵業(yè)務(wù)的根本所在是安全高效運(yùn)營(yíng)，將乘客快速、平安、正點(diǎn)運(yùn)送到目的地。當(dāng)下就是要實(shí)現(xiàn)地鐵運(yùn)營(yíng)智能化。在城市軌道交通走向智能化的過(guò)程中，線路級(jí)控制系統(tǒng)五層的功能是基礎(chǔ)，城市軌道交通智能化功能則主要聚集在H3的三層：全線網(wǎng)TCC調(diào)度指揮層（相當(dāng)于MES生產(chǎn)執(zhí)行層），全線網(wǎng)經(jīng)營(yíng)管理層和全線網(wǎng)決策支持層。在實(shí)現(xiàn)智能地鐵過(guò)程中，主要是地鐵運(yùn)營(yíng)的各項(xiàng)功能智能化。

1.3 地鐵運(yùn)營(yíng)需求分析及其智能化

（1）地鐵傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)管理可分三部分：①列車運(yùn)行管理：主要是對(duì)列車的運(yùn)行調(diào)度指揮，保證行車安全和準(zhǔn)點(diǎn)的信號(hào)控制管理。列車運(yùn)行管理主要由信號(hào)系統(tǒng)及行車調(diào)度系統(tǒng)支持實(shí)現(xiàn)；②車站站務(wù)管理、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)管理：主要是車站秩序管理、票務(wù)管理和安全管理，保障乘客上下車和列車到發(fā)的安全和準(zhǔn)點(diǎn)，避免站內(nèi)發(fā)生意外事故。③設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的管理：以機(jī)電設(shè)備管理為主，主要是供電系統(tǒng)和地下車站中的通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)。

車站站務(wù)管理、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)管理是在列車運(yùn)行管理的基礎(chǔ)上，綜合機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)等各專業(yè)子系統(tǒng)的信息來(lái)實(shí)現(xiàn)的。運(yùn)營(yíng)中，為保證旅客的安全、保證列車的有效運(yùn)營(yíng)、保證設(shè)備正常工作必須對(duì)地鐵各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控管理，主要靠構(gòu)建地鐵自動(dòng)化系統(tǒng)和信息化系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（2）地鐵運(yùn)營(yíng)管理的基本目標(biāo)有四個(gè)：列車安全穩(wěn)定運(yùn)行；地鐵經(jīng)營(yíng)效率提高；機(jī)電設(shè)備良好運(yùn)轉(zhuǎn)；旅客服務(wù)完善。工業(yè)4.0時(shí)代則要求：列車無(wú)論在線路級(jí)或線網(wǎng)級(jí)都要實(shí)現(xiàn)運(yùn)行計(jì)劃與調(diào)整的智能化管理，實(shí)現(xiàn)安全高效運(yùn)行。地鐵經(jīng)營(yíng)要在大數(shù)據(jù)的支持下效率得到極大提高并保證節(jié)能與環(huán)保。機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)最優(yōu)化，即有效支持運(yùn)營(yíng)又保護(hù)生態(tài)環(huán)境。而人性化服務(wù)將會(huì)因?yàn)橹悄芑_(dá)到更高水平與智慧城市的市民出行服務(wù)協(xié)調(diào)一致。運(yùn)營(yíng)的四個(gè)目標(biāo)全部實(shí)現(xiàn)智能化將使地鐵運(yùn)行達(dá)到更高水平。

（3）如圖3所示。地鐵運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)是線路運(yùn)營(yíng)，地鐵運(yùn)營(yíng)中心（OCC）是地鐵線路運(yùn)營(yíng)管理的指揮部，地鐵規(guī)范要求以行車指揮為中心設(shè)立行調(diào)、電調(diào)、環(huán)調(diào)、防災(zāi)調(diào)度、維調(diào)和總調(diào)，要求這些調(diào)度站信息溝通。要求在運(yùn)營(yíng)中心構(gòu)建信息相通的行調(diào)、電調(diào)、環(huán)調(diào)、防災(zāi)調(diào)度、維調(diào)和總調(diào)工作站，以實(shí)現(xiàn)對(duì)全線的運(yùn)營(yíng)調(diào)度指揮，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)營(yíng)管理。

（4）當(dāng)城市形成軌道交通的路網(wǎng)時(shí)，需要構(gòu)建整個(gè)城市的軌道交通線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)，此線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)成為智能信息化集成系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)各層次的智能化是智能地鐵的主要內(nèi)容。

（5）城市軌道交通運(yùn)營(yíng)過(guò)程可視作“制造過(guò)程”，它的產(chǎn)品是：不斷地運(yùn)送乘客，使他們安全、準(zhǔn)時(shí)地到達(dá)目的地，在為乘客服務(wù)的同時(shí)也不斷地生產(chǎn)出城市軌道交通唯一的產(chǎn)品——乘客人數(shù)/公里。

其中最關(guān)鍵的是保證地鐵設(shè)施與設(shè)備的正常、協(xié)同、良好運(yùn)行。大體上屬于三個(gè)系統(tǒng)：①列車運(yùn)行系統(tǒng)：隧道、站臺(tái)、線路、車輛、牽引供電、信號(hào)、控制中心、車站行車等。②客運(yùn)服務(wù)系統(tǒng)：車站及照明、售檢票機(jī)計(jì)算中心、導(dǎo)向及預(yù)告措施、消防、環(huán)控、自動(dòng)扶梯、電梯、車站服務(wù)等。③檢修保障系統(tǒng)：為保障上述設(shè)備性能良好、能隨時(shí)啟動(dòng)重新投入運(yùn)行而具備的檢修手段能力等。

如何保證城市軌道交通三大系統(tǒng)、幾十項(xiàng)不同的專業(yè)設(shè)施正常而協(xié)調(diào)地運(yùn)行是擺在運(yùn)營(yíng)組織者面前的課題，要求運(yùn)行管理能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)、實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一指揮和高效管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)乘客的優(yōu)良服務(wù)。而今對(duì)三大系統(tǒng)運(yùn)行的智能化要求成為地鐵智能化的基本任務(wù)。

顯然，在討論地鐵智能化發(fā)展時(shí)，必須以運(yùn)營(yíng)智能化要求為基礎(chǔ)，以當(dāng)下地鐵技術(shù)發(fā)展水平為基礎(chǔ)，IoT和IoS必須加在這些基礎(chǔ)之上。是從基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智能化，并不是天上掉下一片“云”，天上掉下一個(gè)智能化。

地鐵的基本運(yùn)營(yíng)狀態(tài)包括正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)、非正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)和緊急運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。地鐵運(yùn)營(yíng)就是要在這三種狀態(tài)下，保證人和設(shè)備的安全，提高人性化服務(wù)水平，提高地鐵經(jīng)營(yíng)效率。這就要求智能信息化集成系統(tǒng)能在上述三種運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下，協(xié)調(diào)各專業(yè)達(dá)到目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)營(yíng)。

智能信息化集成系統(tǒng)的基礎(chǔ)在線路級(jí)，在OCC實(shí)現(xiàn)線路運(yùn)營(yíng)管理智能化；智能信息化集成系統(tǒng)的核心是全線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)城市實(shí)現(xiàn)全線網(wǎng)智能調(diào)度管理；整個(gè)城市地鐵的管理智能化則由全線網(wǎng)經(jīng)營(yíng)管理和決策支持系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

2 智能信息化集成系統(tǒng)的基礎(chǔ)——線路綜合監(jiān)控系統(tǒng)

線路運(yùn)營(yíng)管理智能化的基礎(chǔ)是線路級(jí)線控系統(tǒng)（五層）的智能化，其中監(jiān)控系統(tǒng)（線路MES）是核心。線路級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)主要有對(duì)移動(dòng)設(shè)備—車輛的監(jiān)控系統(tǒng)即信號(hào)系統(tǒng)和對(duì)固定設(shè)備監(jiān)控的綜合監(jiān)控系統(tǒng)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)已在監(jiān)控層集成了信號(hào)系統(tǒng)的監(jiān)控功能（ATS）發(fā)展成為線路信息共享平臺(tái)，線路信息共享平臺(tái)是地鐵智能信息化集成系統(tǒng)的基礎(chǔ)信息集成平臺(tái)。

圖4 地鐵線路信息共享平臺(tái)

2.1 線路信息共享平臺(tái)（ISCS）的構(gòu)建方式

如圖4所示，為地鐵構(gòu)建線路的信息共享平臺(tái)或者說(shuō)構(gòu)建地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)，是一個(gè)宏大工程的總設(shè)計(jì)，不可以簡(jiǎn)單地運(yùn)用一種接入方法對(duì)待地鐵情況各異的子系統(tǒng)，而應(yīng)按照實(shí)際情況采用經(jīng)過(guò)實(shí)踐實(shí)證的不同接入方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。在工程實(shí)際中形成較為有效的信息共享平臺(tái)構(gòu)建方法，包括四個(gè)基本點(diǎn)：①以開(kāi)放系統(tǒng)作為平臺(tái)的基礎(chǔ)。②無(wú)縫地接入各個(gè)需要接入的子系統(tǒng)構(gòu)成綜合監(jiān)控系統(tǒng)。③綜合監(jiān)控系統(tǒng)與其他自動(dòng)化專業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行必要的信息交互。④信息共享平臺(tái)由成熟的大型SCADA軟件體系支持。

（1）開(kāi)放系統(tǒng)

開(kāi)放系統(tǒng)應(yīng)滿足以下條件：①工業(yè)PC加HMI加PLC構(gòu)成它的主要結(jié)構(gòu)。②可以接入多廠家設(shè)備。③必須容納用戶的高層需求及需求的擴(kuò)展。④系統(tǒng)是由COTS（Commercial -Off-The-Shelf，商用現(xiàn)貨）的硬件和軟件組成，而不采用專利產(chǎn)品。⑤系統(tǒng)組件和通信協(xié)議遵從國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。⑥系統(tǒng)具有安全性（more Security）。⑦系統(tǒng)具有較高性價(jià)比(Price/Performance)。⑧系統(tǒng)具有較好的柔性(Flexibility)。⑨系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性(Extendibility)。⑩系統(tǒng)具有可伸縮性（Scalability）。地鐵ISCS軟件平臺(tái)采用典型的SCADA系統(tǒng)。

開(kāi)放系統(tǒng)的一般構(gòu)成如圖5所示。

圖5 典型控制系統(tǒng)構(gòu)成圖

（2）對(duì)各專業(yè)系統(tǒng)的無(wú)縫接入—集成與互聯(lián)

地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是對(duì)地鐵各專業(yè)系統(tǒng)的“綜合”，即將各系統(tǒng)信息按照需求接入到綜合監(jiān)控系統(tǒng)中來(lái)。接入分為二大類型：一類稱為對(duì)子系統(tǒng)的集成。所謂對(duì)子系統(tǒng)集成，是將被集成的子系統(tǒng)完全融入綜合監(jiān)控系統(tǒng)中。被集成的子系統(tǒng)成為綜合監(jiān)控系統(tǒng)的一部分。其中央功能和車站功能都由綜合監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。綜合監(jiān)控系統(tǒng)的硬件網(wǎng)絡(luò)取代了被集成子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，綜合監(jiān)控系統(tǒng)的軟件取代了被集成系統(tǒng)的軟件；另一類稱為對(duì)專業(yè)系統(tǒng)的互聯(lián)。所謂互聯(lián)，是與完全獨(dú)立的系統(tǒng)建立接口，實(shí)現(xiàn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)與互聯(lián)系統(tǒng)間的信息交互。被互聯(lián)系統(tǒng)是完全獨(dú)立的系統(tǒng)，與綜合監(jiān)控系統(tǒng)在中央或在車站有接口，實(shí)現(xiàn)與運(yùn)營(yíng)相關(guān)信息的交互。綜合監(jiān)控系統(tǒng)可向被互聯(lián)系統(tǒng)提供共享信息、可實(shí)現(xiàn)全新的功能。

（3）大型SCADA軟件體系

構(gòu)建地鐵信息共享平臺(tái)的關(guān)鍵之一是選用軟件平臺(tái)。城市軌道交通綜合監(jiān)控軟件是一個(gè)以地理分散的大型SCADA軟件為基礎(chǔ)的軟件體系。它必須具備SCADA軟件的遠(yuǎn)動(dòng)特性，同時(shí)又是大型的分層分布式工業(yè)自動(dòng)化軟件。它必須能實(shí)現(xiàn)被集成子專業(yè)的一些特定的需求，又必須具有工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的通用功能。城市軌道交通綜合監(jiān)控軟件除了具有一般通用工業(yè)自動(dòng)化軟件所要求的穩(wěn)定的通用平臺(tái)，更為重要的是此軟件包含了定制開(kāi)發(fā)適于具體工程的應(yīng)用軟件，內(nèi)涵了為滿足用戶需求的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)的映射。城市軌道交通綜合監(jiān)控軟件既考慮平臺(tái)應(yīng)用的成熟性，還要求平臺(tái)對(duì)具體工程的適應(yīng)性，以必須滿足最終用戶需求為第一原則。

（4）地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的通用結(jié)構(gòu)

圖6是地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)一個(gè)典型結(jié)構(gòu)圖。在綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)的支持下實(shí)現(xiàn)對(duì)電力、環(huán)控與火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的集成。并與其他獨(dú)立的系統(tǒng)：信號(hào)系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)及乘客信息系統(tǒng)等互聯(lián)。

圖6 地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖

2.2 線路綜合監(jiān)控系統(tǒng)的功能及智能化

城市軌道交通線路綜合監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全線路的資源共享，信息互通可為線路運(yùn)營(yíng)提供強(qiáng)大的功能，特別是智能信息化集成系統(tǒng)的線路級(jí)綜合監(jiān)控系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)新的智能化功能。

（1）綜合監(jiān)控系統(tǒng)功能

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50636-2010）中對(duì)線路級(jí)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的功能進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)范。規(guī)定了：①綜合監(jiān)控系統(tǒng)基本功能要求。②綜合監(jiān)控系統(tǒng)中央級(jí)功能。③綜合監(jiān)控系統(tǒng)車站級(jí)功能。④互聯(lián)系統(tǒng)功能。在每項(xiàng)功能要求中都包含了綜合功能與系統(tǒng)功能。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)功能特別強(qiáng)調(diào)聯(lián)動(dòng)功能。構(gòu)筑地鐵線路信息共享平臺(tái)建起了綜合監(jiān)控系統(tǒng)，更重要的在于實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的聯(lián)動(dòng)功能。綜合監(jiān)控功能主要表現(xiàn)為各種運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的各子系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，它們是：①火災(zāi)模式下的聯(lián)動(dòng)。②阻塞模式下的聯(lián)動(dòng)。③對(duì)客流信息的自動(dòng)響應(yīng)。④對(duì)電力重要故障信息的自動(dòng)響應(yīng)。⑤運(yùn)營(yíng)方式啟動(dòng)后的子系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)：早間啟運(yùn)，車站緊急疏散，車站恢復(fù)運(yùn)營(yíng)（疏散后），AFC恢復(fù)服務(wù)，全線停止運(yùn)營(yíng)等。

當(dāng)一個(gè)城市構(gòu)建起地鐵智能信息化集成系統(tǒng)時(shí)，綜合監(jiān)控系統(tǒng)的上述功能會(huì)在新的平臺(tái)支持下智能化，詳細(xì)研究上述功能實(shí)現(xiàn)其智能化是智能地鐵建設(shè)的重要任務(wù)。

（2）綜合監(jiān)控系統(tǒng)的智能功能

綜合監(jiān)控系統(tǒng)為地鐵構(gòu)建了信息共享平臺(tái)，構(gòu)建了地鐵線路的綜合數(shù)據(jù)庫(kù)為開(kāi)發(fā)運(yùn)營(yíng)智能功能奠定了基礎(chǔ)。綜合監(jiān)控系統(tǒng)的智能功能會(huì)隨著我國(guó)地鐵大發(fā)展逐步進(jìn)步，在實(shí)踐中積累，大致在以下幾方面：

①在地鐵長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，積累了較豐富的經(jīng)驗(yàn)，這些運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)是一般的自動(dòng)化系統(tǒng)難于實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橐话愕淖詣?dòng)化系統(tǒng)信息不全難于仿真。而綜合監(jiān)控系統(tǒng)則可在中央實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的支持下，利用人工智能技術(shù)，通過(guò)開(kāi)發(fā)地鐵運(yùn)營(yíng)專家系統(tǒng)的途徑，為地鐵開(kāi)發(fā)出運(yùn)營(yíng)決策支持系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一些高級(jí)運(yùn)營(yíng)功能，如自適應(yīng)調(diào)度、調(diào)度決策分析建議、綜合節(jié)能、安防體系、綜合維修與狀態(tài)維修等。

②綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)作為線路信息共享平臺(tái)支持地鐵線路實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行模式（俗稱無(wú)人駕駛模式）已在一些地鐵實(shí)施，此中綜合監(jiān)控系統(tǒng)具有許多智能功能。全自動(dòng)運(yùn)行模式的普及將地鐵進(jìn)一步推向智能地鐵。

③綜合監(jiān)控系統(tǒng)是智能地鐵的底層信息共享平臺(tái)，它為地鐵智能信息化集成系統(tǒng)提供最廣泛的底層本源信息。智能地鐵建設(shè)須以此為基礎(chǔ)，智能化功能也是對(duì)這些信息集成后產(chǎn)生的。

3 智能信息化集成系統(tǒng)的核心——線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)

智能信息化集成系統(tǒng)的核心在線網(wǎng)調(diào)度指揮中心，中心又是以調(diào)度指揮層為核心，也就是智能信息化集成系統(tǒng)的MES層。線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖7所示，它下聯(lián)線路綜合監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)及線路信息管理系統(tǒng)，上聯(lián)線網(wǎng)信息管理系統(tǒng)。

圖7 地鐵線網(wǎng)調(diào)度指揮中心系統(tǒng)圖

3.1 線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)（TCC）結(jié)構(gòu)

城市軌道交通的線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)嚴(yán)格來(lái)講是信息化集成系統(tǒng)的MES層和部分經(jīng)營(yíng)管理層的結(jié)合。信息集成是TCC的主要目標(biāo)。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)在上分為兩層：MES層與信息管理層。MES層由雙冗余的工業(yè)以太網(wǎng)支撐；信息管理層由線網(wǎng)的管理網(wǎng)支撐。

一般來(lái)講，MES層建有行車調(diào)度指揮中心，應(yīng)急指揮中心，電力調(diào)度指揮中心，總調(diào)度長(zhǎng)席位，機(jī)電輪值工程師席位。建有線網(wǎng)綜合維修中心，線網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理中心，通過(guò)線路網(wǎng)關(guān)，MES層與各條線的信號(hào)ATS監(jiān)控系統(tǒng)，CCTV和各條線信息管理系統(tǒng)相連。

信息管理層建有信息管理網(wǎng)，其上建有信息化中心設(shè)備，節(jié)能中心，信息發(fā)布中心，信息報(bào)送中心和線網(wǎng)門戶網(wǎng)站。線網(wǎng)信息管理系統(tǒng)對(duì)全市軌道交通線網(wǎng)的各類信息協(xié)同管理實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)軌道交通的各種功能需求。

線網(wǎng)調(diào)度指揮的MES層主要是生產(chǎn)執(zhí)行。實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的調(diào)度指揮管理。當(dāng)進(jìn)入n條線組網(wǎng)建設(shè)之時(shí)應(yīng)根據(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況做出具體項(xiàng)目的設(shè)計(jì)以及工程的初步設(shè)計(jì)。

3.2 線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)的功能

線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)的兩層結(jié)構(gòu)上建有MES數(shù)據(jù)庫(kù)以及全線網(wǎng)管理信息中心數(shù)據(jù)庫(kù)。線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

（1）線網(wǎng)行車調(diào)度功能：以所有的線路運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)為監(jiān)控目標(biāo)，以行車指揮為核心，充分協(xié)調(diào)各線路上在線列車的運(yùn)行，促成線網(wǎng)上列車的統(tǒng)一指揮，最大限度地提高地鐵網(wǎng)絡(luò)上列車運(yùn)行的協(xié)同性，可根據(jù)實(shí)際情況，分期分步實(shí)現(xiàn)ATS 的線網(wǎng)級(jí)功能集成；經(jīng)過(guò)實(shí)踐考證實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)運(yùn)行總計(jì)劃及總運(yùn)行圖編制及總運(yùn)行計(jì)劃調(diào)整。

（2）線網(wǎng)電力監(jiān)控功能：建立線網(wǎng)電力調(diào)度與能耗管理中心；實(shí)現(xiàn)供電主所的資源共享，可通過(guò)制定線網(wǎng)電力支援預(yù)案，實(shí)現(xiàn)軌道交通網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一電力調(diào)度及主變電所資源共享。監(jiān)視全線網(wǎng)電網(wǎng)主所與變電所的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行運(yùn)行管理及應(yīng)急處置。將城市軌道交通整個(gè)供電網(wǎng)看作區(qū)域電網(wǎng)，線網(wǎng)電力監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的網(wǎng)調(diào)功能。

（3）線網(wǎng)關(guān)鍵機(jī)電設(shè)備監(jiān)控管理：監(jiān)控線網(wǎng)內(nèi)各站、區(qū)間的關(guān)鍵機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)運(yùn)行工況。分析各線大功率設(shè)備能耗，協(xié)調(diào)換乘車站運(yùn)行模式；分析服務(wù)類設(shè)施運(yùn)行情況，如自動(dòng)扶梯、電梯的運(yùn)行情況。操作員可以監(jiān)視各線車站及區(qū)間機(jī)電設(shè)備狀態(tài)、各線車站站臺(tái)/站廳平均溫度/濕度等，監(jiān)視水泵、電扶梯、配電照明等運(yùn)行情況。

（4）建立線網(wǎng)應(yīng)急指揮系統(tǒng)：TCC設(shè)置應(yīng)急指揮中心并有會(huì)議系統(tǒng)支持，設(shè)置防災(zāi)專家席位。各線OCC設(shè)有應(yīng)急指揮分中心，現(xiàn)場(chǎng)有應(yīng)急處置分隊(duì)。軟件平臺(tái)設(shè)有成熟的應(yīng)急指揮子系統(tǒng)。

（5）線網(wǎng)安防系統(tǒng)：建立全線網(wǎng)的安全管理與防災(zāi)體系（全線安防平臺(tái)）。協(xié)調(diào)指揮各線路安防系統(tǒng)。

（6）建立客流分析中心：全線客流分析及PIS，對(duì)全線客流進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)全市城市軌道交通客流大數(shù)據(jù)分析及成果應(yīng)用。

（7）全線視頻監(jiān)控系統(tǒng)：在TCC建立線網(wǎng)視頻信息中心實(shí)現(xiàn)視頻信息大數(shù)據(jù)分析的分享，實(shí)現(xiàn)智能視頻監(jiān)控功能。

（8）建立全線運(yùn)營(yíng)評(píng)估系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)狀況進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。

3.3 線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)功能智能化

目前，已建或在建的線網(wǎng)調(diào)度指揮中心實(shí)現(xiàn)上述線網(wǎng)調(diào)度指揮功能的水平不盡相同，智能化水平更加差異。地鐵智能信息化集成系統(tǒng)對(duì)線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)的智能功能要求是：

（1）實(shí)現(xiàn)上述TCC八大功能和信息化中心設(shè)備，節(jié)能中心，信息發(fā)布中心，信息報(bào)送中心和線網(wǎng)門戶網(wǎng)站等功能的智能化。要求線網(wǎng)調(diào)度指揮中心MES數(shù)據(jù)庫(kù)和管理信息中心數(shù)據(jù)庫(kù)在智能化要求下優(yōu)化、升級(jí)，互相融合，成為融合海量數(shù)據(jù)庫(kù)（大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)）支持云計(jì)算與大數(shù)據(jù)的發(fā)展要求。

（2）TCC八大功能向智能化發(fā)展，提出新的智能化要求：①編制線網(wǎng)行車總計(jì)劃的算法中引入人工智能，將富有實(shí)踐成功編圖經(jīng)驗(yàn)的專家的經(jīng)驗(yàn)吸收進(jìn)來(lái)。實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)總運(yùn)行計(jì)劃的智能編制和智能調(diào)整。②全線網(wǎng)智能電力調(diào)度，應(yīng)用智能電網(wǎng)的技術(shù)成果，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通電網(wǎng)智能管理。③線網(wǎng)關(guān)鍵機(jī)電設(shè)備智能化管理：在對(duì)線網(wǎng)內(nèi)各站、區(qū)間的關(guān)鍵機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)運(yùn)行工況監(jiān)控基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)智能管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)修。④線網(wǎng)應(yīng)急指揮系統(tǒng)功能智能化，做到預(yù)測(cè)、實(shí)時(shí)、預(yù)案智能調(diào)度及應(yīng)急指揮的智能管理。⑤建立城市軌道交通大安防系統(tǒng)智能調(diào)度管理。⑥在全市客流分析中心，建立大數(shù)據(jù)平臺(tái)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析支持行車調(diào)度與客流疏導(dǎo)。⑦建立全線智能視頻監(jiān)控中心，引入智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)：自動(dòng)判別異常狀況、識(shí)別危險(xiǎn)源、防恐。識(shí)別擁堵、人流異動(dòng)、客流估算；防恐、常客戶統(tǒng)計(jì)、社會(huì)服務(wù)；自動(dòng)判別行車障礙、異常狀況；自動(dòng)識(shí)別危及行車非法行為的“鉆探”、挖掘；自動(dòng)判別異常運(yùn)動(dòng)、異物。應(yīng)用人臉識(shí)別技術(shù)、異常行為跟蹤等智能技術(shù)，提高監(jiān)控水平。⑧對(duì)整個(gè)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)狀況在大數(shù)據(jù)支持下，引入人工智能進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，使城市軌道交通運(yùn)行智能化。

（3）城市軌道交通信息化中心設(shè)備，節(jié)能中心，信息發(fā)布中心，信息報(bào)送中心和線網(wǎng)門戶網(wǎng)站等傳統(tǒng)功能在云計(jì)算中心與大數(shù)據(jù)支持下實(shí)現(xiàn)智能化升級(jí)，全線網(wǎng)信息實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度管理和人性化服務(wù)。

線網(wǎng)調(diào)度指揮中心全面智能化將使城市軌道交通指南信息化系統(tǒng)融入智慧城市的信息化集成大系統(tǒng)。

4 地鐵智能信息化集成系統(tǒng)的云計(jì)算架構(gòu)

城市智能地鐵發(fā)展的一個(gè)里程碑標(biāo)志是采用云計(jì)算技術(shù)，地鐵智能信息化集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向云計(jì)算結(jié)構(gòu)進(jìn)步。其間，智能信息化集成系統(tǒng)發(fā)生了一個(gè)巨大的變化——智能信息化集成系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)與功能結(jié)構(gòu)的分離。智能信息化集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可通過(guò)虛擬化技術(shù)聚集成為云計(jì)算結(jié)構(gòu)，云計(jì)算中心代替了原三層結(jié)構(gòu)；而原來(lái)在各層所要求的功能依舊分層實(shí)現(xiàn)。

4.1 地鐵智能信息化集成系統(tǒng)線路級(jí)云計(jì)算方案

地鐵智能信息化集成系統(tǒng)具有如圖5的層級(jí)結(jié)構(gòu)。但云計(jì)算技術(shù)的興起使它的線路級(jí)與線網(wǎng)級(jí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生突變。這兩級(jí)系統(tǒng)通過(guò)云計(jì)算虛擬化技術(shù)進(jìn)化為云計(jì)算中心的結(jié)構(gòu)。實(shí)踐中出現(xiàn)了各種云計(jì)算的解決方案。

最早的線路級(jí)綜合監(jiān)控系統(tǒng)云計(jì)算方案是深圳地鐵公司在2012年廣州地鐵主辦的地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)研討會(huì)上提出的。2015年，以住建部為主編單位的《城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》編委會(huì)責(zé)成深圳地鐵、華為和廣州佳都科技公司聯(lián)合提供地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)云計(jì)算方案并在佳都科技綜合監(jiān)控系統(tǒng)仿真平臺(tái)上實(shí)施，由編委會(huì)主持、對(duì)云計(jì)算方案進(jìn)行測(cè)試。最終，地鐵線路綜合監(jiān)控系統(tǒng)云計(jì)算實(shí)施成功，通過(guò)測(cè)試，寫(xiě)進(jìn)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 華為與佳都科技地鐵線路及綜合監(jiān)控系統(tǒng)云計(jì)算方案

圖8 是華為與佳都科技線路及綜合監(jiān)控系統(tǒng)云計(jì)算方案。其設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

（1）云計(jì)算方案包含“綜合監(jiān)控系統(tǒng)OCC云計(jì)算中心”和“綜合監(jiān)控系統(tǒng)車站云計(jì)算工作站”兩大部分。

（2）綜合監(jiān)控系統(tǒng)OCC云計(jì)算中心的設(shè)計(jì)，采用輕型簡(jiǎn)約化設(shè)計(jì)。采用華為E6000一體機(jī)，20個(gè)車站的40臺(tái)車站服務(wù)器虛擬化到一體機(jī)的刀片服務(wù)器中。同時(shí)，一體機(jī)的部分刀片服務(wù)器虛擬車站的桌面云，實(shí)現(xiàn)三屏配置的車站操作員站。

（3）綜合監(jiān)控系統(tǒng)車站云計(jì)算工作站的設(shè)計(jì)，包括了兩部分：第一，須設(shè)計(jì)一個(gè)本地工作站作為綜合監(jiān)控系統(tǒng)車站本地云計(jì)算控制站。第二，在車站車控室設(shè)置云終端（桌面云），它可支持三屏顯示。車站綜合監(jiān)控系統(tǒng)的工作機(jī)制是，當(dāng)骨干網(wǎng)故障，云終端失效，但本地工作站繼續(xù)工作。骨干網(wǎng)故障同時(shí)本地工作站故障，IBP盤(pán)實(shí)現(xiàn)緊急操作。綜合監(jiān)控系統(tǒng)車站云計(jì)算工作站設(shè)計(jì)采用了本地云終端與中央云桌面互為冗余方案。本地工作站的另一功能是工程實(shí)施時(shí)刻支持每一站的安裝、調(diào)試。

（4）云計(jì)算方案按照城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)附錄中的結(jié)構(gòu)圖方式繪制地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)云計(jì)算結(jié)構(gòu)圖。

（5）云計(jì)算的硬件與綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)相適應(yīng)。云計(jì)算中心的軟件要與綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)相兼容，但云計(jì)算中心軟件的成本應(yīng)嚴(yán)格控制。

此后華為又在其蘇州的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室與浙大中控合作構(gòu)建了一個(gè)升級(jí)版的地鐵線路級(jí)綜合監(jiān)控系統(tǒng)云計(jì)算中心，證明了云計(jì)算可行。

華為城軌綜合監(jiān)控云解決方案在控制中心部署虛擬化平臺(tái)，采用FusionCube融合一體機(jī)架構(gòu)，為各個(gè)不同業(yè)務(wù)分配不同的虛擬機(jī)資源，實(shí)現(xiàn)資源高效利用，簡(jiǎn)化運(yùn)維。FusionCube高度融合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)資源，并分別通過(guò)FusionCompute、FusionNetwork、FusionStorage實(shí)現(xiàn)計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)資源池化，為綜合監(jiān)控系統(tǒng)各專業(yè)高效利用提供基礎(chǔ)。同時(shí)，為了縮短業(yè)務(wù)部署周期，方案還預(yù)安裝好云平臺(tái)軟件FusionSphere以及云平臺(tái)管理軟件FuionManager，設(shè)備到貨上電即可進(jìn)行業(yè)務(wù)安裝調(diào)試。總體來(lái)說(shuō)，綜合監(jiān)控云方案具備以下特點(diǎn)：

（1）高度集成，簡(jiǎn)化運(yùn)維：融合架構(gòu)，硬件一體化，軟件預(yù)集成，業(yè)務(wù)靈活擴(kuò)展；系統(tǒng)升級(jí)、維護(hù)、故障處理等集中在控制中心。

（2）設(shè)備精簡(jiǎn)，彈性優(yōu)化：僅控制中心部署虛擬化資源，將設(shè)備降到最少，成本可控；服務(wù)器、存儲(chǔ)資源池化，按需彈性分配提高資源利用率。

（3）安全、穩(wěn)定、可靠：全方位多重可靠性保障；全面靈活的E2E安全防護(hù)；多級(jí)冗余設(shè)計(jì)。

（4）硬件資源的統(tǒng)一管理和維護(hù)，降低工程實(shí)施、調(diào)試和更新的工作量和風(fēng)險(xiǎn)度。提高服務(wù)器硬件資源的利用率。在進(jìn)行分段開(kāi)通、延伸線接入等節(jié)點(diǎn)工程時(shí)，減少對(duì)已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)線路的影響。

（5）促使服務(wù)器硬件由雙機(jī)冗余模式向并行分布式集群模式轉(zhuǎn)變，提升系統(tǒng)的高可用度。便于系統(tǒng)新功能、新應(yīng)用的擴(kuò)展。

（6）大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)平臺(tái)，在同等造價(jià)下，數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)3 ～5年。云存儲(chǔ)平臺(tái)基于分布式存儲(chǔ)，規(guī)模可以橫向擴(kuò)展，未來(lái)可以擴(kuò)展為線網(wǎng)級(jí)大數(shù)據(jù)平臺(tái)。為將來(lái)大數(shù)據(jù)分析提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。

4.2 地鐵智能信息化集成系統(tǒng)云計(jì)算方案

在線路級(jí)綜合監(jiān)控系統(tǒng)云計(jì)算基礎(chǔ)上全線網(wǎng)調(diào)度指揮中心的MES和信息管理層也可虛擬化為全線網(wǎng)云計(jì)算中心。其結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 地鐵云計(jì)算結(jié)構(gòu)圖

地鐵智能信息化集成系統(tǒng)的線網(wǎng)級(jí)虛擬化部署在線網(wǎng)中心云計(jì)算一體機(jī)中，如圖10所示線網(wǎng)調(diào)度指揮中心的MES層與管理層的各類服務(wù)器虛擬化到FusionCube一體機(jī)集群中，構(gòu)成整個(gè)地鐵網(wǎng)的云計(jì)算中心，各線路的云計(jì)算中心的信息匯聚到線網(wǎng)云計(jì)算中心。

以華為公司的一個(gè)典型方案為例闡述智能地鐵信息化集成系統(tǒng)云計(jì)算基礎(chǔ)的智能地鐵解決方案，如圖11所示。

圖11 華為云計(jì)算解決方案

華為智能地鐵解決方案主要分為三個(gè)層級(jí)，分別是面向數(shù)據(jù)采集的終端層、面向數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層、面向數(shù)據(jù)管理及展示的的云計(jì)算中心：包括平臺(tái)層以及面向業(yè)務(wù)展示的應(yīng)用層。終端層主要解決終端層設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集及上傳問(wèn)題，確保中心能及時(shí)獲取各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，為地鐵安全、高效運(yùn)行提供更可靠保障。方案可以配合各設(shè)備廠商提供模組芯片（內(nèi)置多種傳感器），以便設(shè)備信息通過(guò)功耗更低、覆蓋更廣的NB-IOT回傳到控制中心。網(wǎng)絡(luò)層主要解決各類數(shù)據(jù)安全、可靠傳輸問(wèn)題。針對(duì)地鐵不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景，方案提供各種網(wǎng)絡(luò)傳輸方案：比如針對(duì)車載業(yè)務(wù)，方案提供LTE穩(wěn)定、可靠回傳方案；針對(duì)綜合監(jiān)控業(yè)務(wù)，方案提供接口種類多，工業(yè)屬性強(qiáng)的物聯(lián)網(wǎng)回傳方案；針對(duì)站廳、展臺(tái)的無(wú)線覆蓋業(yè)務(wù)，方案提供大帶寬、高并發(fā)的WLAN方案。而在各車站與中心間，則采用軟硬管道一體化、TDM/分組業(yè)務(wù)統(tǒng)一承載的增強(qiáng)型MSTP方案，既滿足不同制式業(yè)務(wù)統(tǒng)一傳輸，又能保證不同安全等級(jí)業(yè)務(wù)的可靠傳輸。

云計(jì)算中心包括了平臺(tái)層和應(yīng)用層，主要解決設(shè)備數(shù)據(jù)的高效管理以及數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘問(wèn)題。數(shù)據(jù)的管理不僅是把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來(lái)，而且也必須解決海量數(shù)據(jù)分類管理、高效檢索難題。方案采用模塊化、流程化設(shè)計(jì)，為上層應(yīng)用提供安全、高效、可靠的數(shù)據(jù)、管理平臺(tái)支撐。同時(shí)利用平臺(tái)層分析的數(shù)據(jù)，提供線網(wǎng)行車運(yùn)營(yíng)調(diào)度、客流分析監(jiān)控、線網(wǎng)應(yīng)急指揮、線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)評(píng)估、城市交通信息共享及信息服務(wù)等業(yè)務(wù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)地鐵業(yè)務(wù)的智能化管理。

4.3 智能信息化集成系統(tǒng)云計(jì)算架構(gòu)上的大數(shù)據(jù)

在地鐵行業(yè)，每天產(chǎn)生大量的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，包括視頻數(shù)據(jù)、票務(wù)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。然而，當(dāng)前的系統(tǒng)建設(shè)只是把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來(lái)，并沒(méi)有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析和處理來(lái)促進(jìn)業(yè)務(wù)發(fā)展。在云計(jì)算中心，采用大數(shù)據(jù)平臺(tái)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析方法。

數(shù)據(jù)是智慧之源，但作為智慧之源的數(shù)據(jù)是指從海量低價(jià)值數(shù)據(jù)中挖掘出來(lái)的高價(jià)值數(shù)據(jù)，并非原生態(tài)、無(wú)規(guī)則的低價(jià)值甚至無(wú)價(jià)值數(shù)據(jù)。在智慧地鐵方案的平臺(tái)層引入了大數(shù)據(jù)引擎，對(duì)元數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，服務(wù)上層業(yè)務(wù)應(yīng)用。數(shù)據(jù)詳細(xì)分析、處理流程如圖12所示。

圖12 智慧地鐵大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)

平臺(tái)首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)：票務(wù)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之類的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Hbase（一種構(gòu)建在HDFS之上的分布式、面向列的存儲(chǔ)系統(tǒng)）上；視頻數(shù)據(jù)之類的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Hive（建立在Hadoop基礎(chǔ)上的開(kāi)源的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，提供類似SQL的Hive QL語(yǔ)言操作結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)和基本的數(shù)據(jù)分析服務(wù)）上。

針對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的特性，不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采用不同分析模型：設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)分析，則采用基于內(nèi)存進(jìn)行計(jì)算的分布式計(jì)算框架Spark進(jìn)行分析；視頻數(shù)據(jù)則可以采用實(shí)時(shí)流式數(shù)據(jù)處理Storm進(jìn)行分析處理；而對(duì)于票務(wù)數(shù)據(jù)建議周期性分析處理，則可以采用能提供快速并行處理大量數(shù)據(jù)能力的Mapreduce處理分析。

數(shù)據(jù)處理完成后，可以根據(jù)不同維度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，比如：通過(guò)設(shè)備狀態(tài)信息，整合綜合監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，分析出在什么狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)設(shè)備故障的概率更大，為狀態(tài)維修提供數(shù)據(jù)支撐；通過(guò)售檢票數(shù)據(jù)信息，挖掘乘客的行為習(xí)慣，為提升乘車體驗(yàn)及應(yīng)急指揮提供數(shù)據(jù)支撐。

數(shù)據(jù)分析完成后，也可根據(jù)不同業(yè)務(wù)應(yīng)用，如運(yùn)營(yíng)調(diào)度、應(yīng)急指揮、運(yùn)營(yíng)評(píng)估等，采用多維度數(shù)據(jù)分析結(jié)果構(gòu)建抽象模型，并通過(guò)迭代方式不斷完善抽象模型。把分析完成的數(shù)據(jù)導(dǎo)入抽象模型中，獲得支撐業(yè)務(wù)決策的有價(jià)值數(shù)據(jù)；

此外，可通過(guò)開(kāi)放的eSDK平臺(tái)，把數(shù)據(jù)共享給上層應(yīng)用；經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)引擎的分析處理，元數(shù)據(jù)已經(jīng)轉(zhuǎn)化成各種業(yè)務(wù)模型數(shù)據(jù)。上層應(yīng)用通過(guò)開(kāi)放的API接口調(diào)用這些數(shù)據(jù)，讓業(yè)務(wù)服務(wù)更加智能。可以說(shuō)，實(shí)現(xiàn)了城市軌道交通智能信息化集成系統(tǒng)的縱向集成，實(shí)現(xiàn)了云端到底層的數(shù)據(jù)打通。

5 地鐵智能信息化集成系統(tǒng)內(nèi)涵

地鐵智能信息化集成系統(tǒng)由于云計(jì)算結(jié)構(gòu)與大數(shù)據(jù)技術(shù)支撐真正開(kāi)啟了智慧地鐵之門。總結(jié)起來(lái)它包括了以下幾個(gè)方面的發(fā)展：

（1）地鐵智能化的實(shí)現(xiàn)落實(shí)到地鐵信息化集成系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，也就是地鐵智能化在地鐵兩化融合的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，腳踏實(shí)地，以自動(dòng)化與信息化系統(tǒng)為基礎(chǔ)。

（2）由于智能信息化集成系統(tǒng)采用了新工業(yè)革命時(shí)代的新技術(shù)：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)。設(shè)備終端接入方式靈活多樣：支持WiFi、LTE、NB-IoT等無(wú)線接入以及串口、以太網(wǎng)等有線接入。

（3）由于云計(jì)算中心的集中管理，智能信息化集成系統(tǒng)的安全管理特別是信息安全管理至關(guān)重要。安全管理分為設(shè)備安全、接入安全、平臺(tái)安全、應(yīng)用安全以及數(shù)據(jù)安全的全方位安全架構(gòu)，必須能為地鐵安全、可靠運(yùn)營(yíng)保駕護(hù)航。

（4）在云計(jì)算與大數(shù)據(jù)支持下，智能信息化集成系統(tǒng)更容易應(yīng)用人工智能成果，支持地鐵智能運(yùn)營(yíng)，更好地為乘客人性化服務(wù)。

（5）可視調(diào)度，智慧協(xié)同。線網(wǎng)中心集中監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)所有線路可視化管理，為各線路間協(xié)調(diào)運(yùn)營(yíng)提供統(tǒng)一平臺(tái)。單線路故障時(shí)，能及時(shí)、動(dòng)態(tài)調(diào)整全網(wǎng)運(yùn)行圖，避免乘客大量滯留情況，實(shí)現(xiàn)公眾便捷、舒適出行。

（6）多維分析，智慧決策。客票數(shù)據(jù)分析，為制定合理運(yùn)行圖以及有效發(fā)車間隔提供決策依據(jù)；運(yùn)維數(shù)據(jù)分析，為運(yùn)維管理由故障運(yùn)維到計(jì)劃運(yùn)維再到狀態(tài)運(yùn)維提供平臺(tái)支撐；視頻數(shù)據(jù)智能分析，大大提升地鐵運(yùn)營(yíng)的安全性。

（7）通過(guò)地鐵智能信息化集成系統(tǒng)，即地鐵CPS系統(tǒng)的橫向集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與智慧城市的功能協(xié)同，使智能地鐵成為智慧城市最有效、最智慧的一個(gè)組成部分。

魏曉東，1967年畢業(yè)于天津大學(xué)精儀系。1984～1991任安徽工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化系副教授。1991出版《分散型控制系統(tǒng)》（上海科技文獻(xiàn)出版社）。2000-2012任北京和利時(shí)系統(tǒng)工程公司副總工、事業(yè)部總設(shè)計(jì)師，北京地鐵13號(hào)線、深圳地鐵一期工程、廣州地鐵3號(hào)線綜合監(jiān)控系統(tǒng)工程技術(shù)總負(fù)責(zé)人。2006、2010年出版《城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)與技術(shù)》初版與第二版（電自工業(yè)出版社）；2010年主編國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50636-2010）《城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB/T50732-2011）；2010年主編關(guān)于兩化融合的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)規(guī)范》（GB/T26335-2010）。2013至今任清華同方數(shù)字城市工程中心技術(shù)專家，住建部城市軌道交通標(biāo)注技術(shù)網(wǎng)Eu委員會(huì)委員，全國(guó)自動(dòng)化系統(tǒng)與集成標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)委員。

CLPA與OPC Foundation簽署合作備忘錄

2016年4月，CC-Link協(xié)會(huì)（CLPA）與OPC Foundation在對(duì)工廠和ICT間的連接提供支持上達(dá)成協(xié)議。當(dāng)前，將工廠自動(dòng)化（FA）與管理層的ICT相結(jié)合，通過(guò)分析制造現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的數(shù)據(jù)以提高生產(chǎn)效率的需求日漸高漲。在這一背景下，CLPA與OPC Foundation確立了通過(guò)統(tǒng)一FA與ICT間的接口，實(shí)現(xiàn)以高端制造為目標(biāo)的智能工廠的方針。

2015年底，CLPA與PROFIBUS& PROFINET International（PI）就實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)性達(dá)成協(xié)議。通過(guò)制定連接CC-Link IE與PROFINET的通用規(guī)格，使現(xiàn)場(chǎng)層不同的網(wǎng)絡(luò)間的通信變得更加簡(jiǎn)單。

如果將CC-Link IE與PROFINET的合作視為橫向?qū)拥倪B接強(qiáng)化，此次備忘錄的達(dá)成則可以說(shuō)是對(duì)縱向連接的加強(qiáng)。OPC Foundation提供將基于FA的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)與基于ICT的經(jīng)營(yíng)部門信息系統(tǒng)相連接的“OPC UA”接口解決方案，在工業(yè)4.0中被定義為FA與ICT間的標(biāo)準(zhǔn)接口。此次協(xié)議的目的是實(shí)現(xiàn)CC-Link IE與OPC UA的連接，以滿足需連接工廠所有相關(guān)信息的工業(yè)4.0及 Industrial IoT時(shí)代的要求。

具體來(lái)說(shuō)，CLPA對(duì)設(shè)備描述文件“CSP+”加以擴(kuò)展，使裝置所持的各種信息可統(tǒng)一進(jìn)行處理，并與OPC Foundation共同定義了與OPC UA模式間的映射規(guī)范。由此，制造工廠的裝置與ICT間的接口得到統(tǒng)一，以前兩者之間繁瑣的連接變得非常簡(jiǎn)單。

具有1Gbps高速通信的CC-Link IE可滿足信息量急劇增長(zhǎng)的工業(yè)4.0時(shí)代的要求，而OPC UA則具備對(duì)應(yīng)工業(yè)4.0的標(biāo)準(zhǔn)接口，這兩大網(wǎng)絡(luò)的推廣團(tuán)體CLPA與OPC Foundation的合作具有重大意義。CLPA中村直美事務(wù)局長(zhǎng)指出，通過(guò)擴(kuò)展CSP+實(shí)現(xiàn)與OPC UA的連接，可以將各種裝置作為單個(gè)設(shè)備進(jìn)行操作，使生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的信息能夠更容易地為整個(gè)企業(yè)共享。OPC Foundation的Thomas J.Burke社長(zhǎng)也強(qiáng)調(diào)了雙方合作的意義，他認(rèn)為，通過(guò)與CLPA的合作，實(shí)現(xiàn)CC-Link支持設(shè)備與云端連接的高效解決方案，可以跨越供應(yīng)商界限，向CLPA與OPC的會(huì)員提供整合了所有信息的系統(tǒng)環(huán)境。

以下一代產(chǎn)品制造為目標(biāo)的“智能工廠”正在通過(guò)IoT和工業(yè)4.0將制造與管理融為一體。在這一發(fā)展潮流中，拘泥于細(xì)微的規(guī)范差異已經(jīng)不存在意義。CLPA先后推進(jìn)與PI、OPC等其他網(wǎng)絡(luò)的合作，正是順應(yīng)這一潮流的舉措。