以信息化助推城市軌道交通快速發展的思考

李中浩 朱東飛 邢智明

(1.中國城市軌道交通協會專家和學術委員會,100038,北京;2.武漢地鐵集團有限公司,430017,武漢;3.原鐵道部信息技術中心,100844,北京∥第一作者,教授級高級工程師)

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以信息化助推城市軌道交通快速發展的思考

李中浩1朱東飛2邢智明3

(1.中國城市軌道交通協會專家和學術委員會,100038,北京;2.武漢地鐵集團有限公司,430017,武漢;3.原鐵道部信息技術中心,100844,北京∥第一作者,教授級高級工程師)

揭示了我國城市軌道交通運營管理信息化方面存在的問題：總體架構陳舊,應用水平不高,信息孤島嚴重,基礎設施分散,網絡資源浪費,安全管控偏弱,運維體系失衡,標準規范缺失,建管統籌乏力,等等。針對這些問題,提出了我國城市軌道交通信息化建設的指導原則和總體目標,城市軌道交通信息系統的總體構架,以及解決問題的思路、對策和建議。

城市軌道交通; 運營管理; 信息化建設; 對策

First-author′s address Expert and Academic Committee of China Urban Transportation Association,100038,Beijing,China

0 概述

城市軌道交通以其速度快、運量大、安全好、正點率高、服務優、污染少等優勢得以迅猛發展。自1863 年英國倫敦建成世界上第一條地鐵以來,全球已有 200多個城市開通了地鐵線路,線路總長度超過 1.3 萬km。截至2016年末,我國30個城市建成投運的城市軌道交通線路有130多條,運營線路長度超過4 100 km。據我國已獲批準的43個城市的軌道交通建設規劃,其線路長度將超過8 600 km。隨著我國國民經濟的發展,以及城鎮化戰略的實施,城市軌道交通建設如火如荼的態勢還將持續發展,城市軌道交通將以其無可比擬的優勢,在城市公共交通中發揮越來越大的作用。

目前,我國開通運營的城市軌道交通制式有地鐵、輕軌、單軌、有軌電車、磁浮以及市域快軌等。城市軌道交通是一個龐大的系統工程,在設計、施工、運營,以及行車安全、客運服務、通信信號、工務、供電、車輛設備、防災應急和企業管理等方面均有很高的技術含量。多年來,我國城市軌道交通行業的科技人員緊緊跟蹤世界軌道交通技術和信息化的發展方向,在工程質量、行車安全、服務水平等方面大力推進技術創新和信息化建設,為城市軌道交通的建設、安全運營和服務做出了不可磨滅的突出貢獻。

與此同時,也應清醒地認識到,由于我國城市軌道交通行業受投融資體制、“建管運”體制以及信息化水平等因素的制約和影響,在城市軌道交通運營管理方面存在服務手段落后、運輸效率不高、企業管理粗放等現象，在信息化建設方面存在總體架構陳舊、應用水平不高、信息孤島嚴重、基礎設施分散、網絡資源浪費、安全管控偏弱、運維體系失衡、標準規范缺失、建管統籌乏力等弊端。在互聯網和信息技術快速發展的今天,信息化已成為業務發展的重要基石。因此,應順應時代發展和技術進步的現狀,深入研討城市軌道交通信息化建設中的問題,興利除弊;并實施“互聯網+”戰略,以信息化帶動城市軌道交通智能化,以城市軌道交通智能化促進信息化,強力推進“兩化”(信息化和工業化)深度融合,為城市軌道交通行業的可持續、快速發展提供強有力的信息技術支撐。

1 科學合理地制定城市軌道交通信息化建設指導原則和總體目標

城市軌道交通信息化建設要實現城市軌道交通制式和城市軌道交通業務兩個全覆蓋。根據城市軌道交通專業和信息化的特點,針對當前信息化建設中存在的弊端,提出了9個指導原則:創新，提升，集中，整合，共享，強化，完善，健全，加強。具體是指:創新總體架構,提升應用水平,共享信息資源,集中基礎設施,整合通信網絡,強化安全管控,完善運維體系,健全標準規范,加強“建管”統籌。

順應當前城市軌道交通快速發展的形勢,審時度勢,科學合理地制定城市軌道交通信息化的總體目標:適應我國城市軌道交通快速發展和“智慧城市、智慧地鐵建設”的總體要求,在城市軌道交通行業廣泛采用物聯網、云計算、大數據、互聯網(移動互聯網)、地理信息(北斗衛星)等信息技術,實施業務驅動和創新驅動策略,推進信息技術與城市軌道交通業務深度融合,為實現乘客便捷出行、運輸效率提高、服務質量改善、運營安全可控、企業高效運營提供強有力的信息技術支撐,進而實現城市軌道交通的現代化和智能化。

2 以創新的思維編制城市軌道交通信息化總體架構

按照“統籌規劃、業務引領、技術支撐”的策略,結合城市軌道交通建設、運營和發展的趨勢,制定了城市軌道交通信息化的“13531”總體應用功能架構(見圖1):打造1個門戶,即智慧地鐵的門戶網站;構建3個中心,即生產(應急)指揮中心、乘客服務中心和企業管理中心;拓展5大領域,即乘客服務、運輸指揮、安全保障、企業管理和建設管理;依托3張網絡,即安全生產網、內部服務網和外部服務網;搭建1個平臺,即由云計算、大數據等組成的基礎設施平臺。

在城市軌道交通信息化總體應用功能的基礎上,設計出了城市軌道交通信息化總體架構，如圖2所示：信息化總體架構由“6個層面”和“2大體系”構成。以感知網、車載網、車地通信網,以及地面網絡、數據采集平臺、云計算平臺、大數據平臺和存儲資源池等為基礎,圍繞乘客服務、運輸指揮、安全管控、企業管理和建設管理5大業務領域,建設生產指揮中心、乘客服務中心、企業管理中心和城市軌道交通的門戶網站。“2大體系”作為需要執行的行業標準規范和信息安全工作要求,貫穿于城市軌道交通信息化的建設、運營、管理、維護、服務等各階段。

圖1 城市軌道交通信息化總體應用功能架構圖

注：RFID——射頻識別圖2 城市軌道交通信息化總體架構

3 滿足城市軌道交通智能化需要,提升應用系統的整體水平

在完善既有信息系統功能的基礎上,利用大數據技術和人工智能,研發具有大數據時代特色的應用功能,以提升城市軌道交通行業的信息化水平。

按照“業務引領、完善功能、創新發展”的理念,對城市軌道交通信息化建設中的諸多應用系統進行規范建設和統籌管理,將過去各專業獨立設計、獨立開發的應用系統根據城市軌道交通的業務進行分類管理,整合歸納為乘客服務、運輸指揮、安全管控、企業管理和建設管理5大應用領域(如表1所示)。

表1 城市軌道交通既有信息系統分類歸納表

在乘客服務方面:完善售檢票系統功能,研發網絡售檢票系統;創新票制體系,探索年、季、月、周,以及老年、學生等票種;推行智能手機支付,直接刷手機進出站;推進信用消費,基于乘客的真實身份,實現先消費(乘車)后結算;采用生物識別和行為識別技術,如刷聲音、刷臉、刷指紋、刷手形、刷脈搏、刷虹膜等,提供更便捷的乘車服務;完善自動售檢票系統;建立乘客服務中心，統籌有關乘客服務信息、資訊等的發布。

在運輸組織方面:完善優化運行圖編制功能,研發智能運行圖編制系統;適應網絡化運營的模式,利用客流監測信息實時(智能)調整列車運行圖,實現運能利用最大化;完善行調、電調、施工調和環設調的應用功能;實現ATC、CBTC模式下列車運行信息和乘客服務系統的信息共享;建立調度指揮和應急處置合一的線網綜合指揮中心;探索列車全自動運行、車站無人值守或少人化值守及全天候24 h運營模式,以信息化和智能化提高城市軌道交通的運營效率和效益。

在安全管控方面:進一步提高閉路電視監控系統、綜合監控系統和線網應急指揮系統的智能化水平,確保日常運營和突發情況下乘客安全;為行車安全提供信息技術支撐;強化工務(線、橋、隧)、電務(通信、信號)、車輛、供電、設備等專業系統的安全;建立網絡安全框架,健全網絡安全的技術、管理和運維3個體系。

在企業管理方面:完善優化清分系統功能;提升辦公自動化系統的技術和應用水平;實現人、財、物一體化管理和設備設施全生命周期管理,實現資源優化配置;推薦實施ERP(企業資源計劃)系統;建立企業管理中心。

在建設管理方面:對工程立項、設計、施工、驗收、評估和運營進行全生命周期管理；研發基于 BIM(建筑信息模型)的建設項目管理系統和基于GIS(地理信息系統)的管理信息系統；強化工程質量安全監控、現場管理和風險管理,加強工程建設調度指揮和應急管理提供技術手段。

另外，從立法模式上講，“我國關于偷稅罪的規定實際上采取的是一種混合式立法模式，即在稅法如《稅收征管法》里規定涉及偷稅罪的有關行為和表現，但真正明確罪刑關系是在刑法典中。因此，我國偷稅罪立法的改革完善還要取決于立法模式的改變。從世界發展趨勢來看，隨著各國經濟的發展、稅制得復雜化、稅種的不斷增加，把稅收犯罪規定于各種稅收管理法規之下是一種理想選擇。”或許，該選擇是目前一些經濟文化發達國家稅法發展的主要方向，但是對于我國現今經濟文化與水平來說，或許不是最佳選擇，我國仍需如當年一樣“摸著石頭過河”來探索最適合國情的立法方向。

信息系統的部署是信息安全的基礎,在搭建應用架構時,應同步考慮信息安全。遵照國家信息安全等級保護條例的要求,綜合分析應用系統和數據重要性、實時性等因素,將應用系統分別部署在安全生產網、內部服務網和外部服務網,如圖3所示。

圖3 城市軌道交通應用信息系統部署圖

4 利用大數據技術,實現信息資源共享

信息是企業信息化的靈魂。信息共享是提高信息資源利用率、充分發揮其效益的重要手段。信息共享的基礎是信息標準化和規范化。信息效益的取得依賴信息系統的技術發展,必須嚴格在信息安全和保密的條件下實現。大數據潛在價值的挖掘和利用,是當前世界發展的強勁動力。為此，要統籌各專業信息系統,以支撐城市軌道交通運營現實和發展的新需求;要深入分析既有應用系統和新需求的共享數據,制定基礎數據、主數據和元數據規范,建立以大數據技術為支撐的信息共享平臺,使各信息系統既是共享信息的貢獻者,又是共享信息的受益者,最大限度地實現信息共享,為城市軌道交通的智能化提供信息支撐。圖4為各應用系統的信息共享示意圖。

注：DBMS——數據庫管理系統；ETL——數據從來源端 經過抽取、轉換、加載至目的端的過程

5 實施集中統一策略,優化基礎設施配置

目前,線網合一的調度指揮中心,將城市軌道交通的管理和控制模式調整為“三層運管”(指揮中心、線路控制中心和車站)、“兩層運控”(指揮中心和車站),既節省了建設投資和運營成本,又提高了運營效率和綜合調度(應急)指揮能力,得到了業界的廣泛認可和好評。這一模式必將成為今后城市軌道交通運控模式的主流。信息化建設要順應這一創新性變革,應在以下幾個主要方面做好技術支撐。

(1) 計算平臺的集中和優化。將三級設備部署變為二級部署,撤銷(必要時或大量減少)線路運控中心級的計算設備,將線路運控中心和線網調度中心的設備集中在線網調度中心,實現設備高性能、集中化管理;采用云計算和云存儲技術,整合既有資源,將多級服務器的模式簡化為云、端二級模式,建成技術先進、結構合理的業務云平臺和數據存儲平臺,實現計算與存儲等資源的統一管理、彈性擴展、按需調配,確保核心業務應用系統的安全性、可靠性和連續性,提高線網調度中心的處理能力和前沿技術的水平。圖5為線網中心云平臺示意圖。

(2) 網絡資源的集中和整合。對網絡的拓撲結構進行優化,將線網中心、線路中心和車站這三層網絡匯聚,集中為線網中心和車站的二級網絡匯聚(如圖6所示)。

(3) 大屏幕顯示設備的集中和共用。大屏幕顯示設備歷來是各類指揮中心之“痛”,用之低效,棄之可惜。要按照“集中部署、線網共用、系統共享、動態分屏、按需使用”的原則,在指揮中心合理控制大屏幕的數量,采用動態分屏等技術,供線、網及各專業按需使用,努力實現降低造價、提高效率及節能環保的要求。

注：OCC——運營控制中心圖5 線網中心云平臺示意圖

圖6 線網中心、車站兩級網絡匯聚圖

6 強化網絡安全,確保信息安全有序可控

我國信息網絡安全的策略是:按單位、信息系統承載業務、信息內容、系統遭到攻擊破壞后造成的危害程度等安全需求以及安全成本等因素,設定其保護等級,并自主進行信息系統安全建設和安全管理,以提高安全保護的科學性、整體性和實用性。

按照國家相關規定,綜合分析城市軌道交通行業的現狀,將網絡分為安全生產網、內部服務網和外部服務網。圖7為“三網”的網絡拓撲結構圖。

在安全生產網、內部服務網、外部服務網三張網絡上,實施可信安全技術和統一的安全策略。“三網”的邊界根據需要采用邏輯隔離、物理隔離、數據交換等手段,構建不同強度的隔離系統,從外層到內層對內部生產系統形成三道隔離保護,如圖8所示。

圖7 “三網”網絡拓撲結構圖

圖8 “三網”安全隔離示意圖

根據系統總體環境、業務的復雜程度和所面臨的威脅,構建縱深網絡安全防御架構。采用層次化的安全保護策略,實施基礎設施安全、應用與數據安全、訪問控制與認證授權等多重保護,并建設集中安全監控平臺,形成系統的縱深安全防御體系,如圖9所示。各層次的保護策略如下：

圖9 網絡安全縱深防御架構示意圖

(1) 實施基礎設施安全防護策略。① 區域邊界安全:在三張網外部邊界及內部邊界實施安全防護,提高抗DoS/DDoS(拒絕服務/分布式拒絕服務)能力,域內通過VLAN(虛擬局域網)進行隔離和控制。② 計算環境安全:采用硬件與智能軟件相結合的方式,保證系統的高可用性。③ 網絡與傳輸安全:實施基于角色的傳輸控制,并根據業務應用需求采取加密技術,實現業務數據保密性管理。

(2) 實施應用與數據安全策略。按照國家信息安全等級保護的要求,對應用系統進行定級,并根據業務重要程度劃分應用安全保護域,對安全保護域進行統一防護;實施業務數據安全分級保護策略,在基礎設施安全防護的前提下,建立事前防御、事中控制、事后審計及三權分立體系,對數據收集、傳輸、處理、存儲全過程進行安全監測,并建立數據容災備份機制。

(3) 實施訪問控制與認證授權策略。實施基于數字證書對用戶身份認證授權和集中管理,實施基于數字簽名的應用訪問、業務操作、數據交換等抗抵賴管理,實施基于標記的三級及以上系統的主客體強制訪問控制機制,實施基于準入控制的終端與網絡介入安全管理。

(4) 建立網絡集中安全監控平臺。對基礎設施集中安全監控,對安全策略集中部署,對安全事件集中管理,對網絡運行狀態持續實時監控,對監控信息綜合審計與關聯分析。

7 完善運行維護體系,確保城市軌道交通信息系統安全運行

堅持信息化建設與運行維護同步建設、同步推進的原則,以保障信息化基礎設施、重要應用系統和關鍵控制系統安全穩定運行為目標,建立集城市軌道交通各專業監控、網絡安全監控、運行維護監控和機房環境監測為一體的新型綜合監控平臺,實現全方位監控、全過程服務、全視角展示,提高全程全網可視化安全態勢感知能力,快速發現安全問題,及時開展預警處置。建立安全和故障事件應急處置機制,制定應急預案,確保快速響應、及時恢復。大力加強運維技術隊伍建設,培養一支既熟知軌道交通業務又精通信息技術的復合型高素質人才隊伍。建立測評工作機制,提高安全漏洞和隱患的發現、分析、防范和處置能力。全面提高重要應用系統、控制系統和基礎設施的安全防護水平,確保城市軌道交通信息系統持續安全運行。

8 健全標準規范,確保信息化建設有序開展

目前,城市軌道交通信息化以各種制式、各專業自行建設模式為主,隨著城市軌道交通快速發展及信息技術日新月異,這種模式顯然不適應行車組織互聯互通、客流疏導線網協調、運營信息共享共用、大數據潛能深度挖掘的大趨勢要求,這使建立城市軌道交通總調度指揮中心,集中統一指揮全市軌道交通的模式成為可能。因此,要在當前以線、以專業為主體進行信息化建設的基礎上,超前思維,創新思維,研究健全線網中心運控、調度指揮,以及全行業信息化架構、網絡安全等標準規范,進行城市軌道交通信息化建設的頂層設計,使信息化建設有章可依、有規可循。

城市軌道交通發展形勢喜人,信息技術發展的態勢逼人,工業化和信息化深度融合的要求令人奮進。要緊緊抓住城市軌道交通千載難逢的發展機遇,創新信息化建設理念,扎實推進信息化建設,助推城市軌道交通快速健康發展。

[1] 李中浩,邢智明.中國鐵路TMIS 工程[M].北京:中國鐵道出版社,2005.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.地鐵設計規范:GB 50157—2013[S].北京:中國建筑工業出版社,2013.

[3] 陳海瀅,郭佳肅.大數據應用啟示錄[M].北京:中國機械工業出版社,2017.

[4] 中華人民共和國公安部.計算機信息系統安全保護等級劃分準則:GB 17859—1999[S].1999.

Boosting the Rapid Development of Urban Rail Transit by Information Construction

LI Zhonghao,ZHU Dongfei,XING Zhiming

The existing problems in urban rail transit operation management and information-based technology are pointed out, such as the obsolete overall architecture, low application level, serious information Silo, decentralized infrastructure, network resource waste, weak management and control, uneven operation and maintenance system, deficient standard specification and construction-management integration, etc. On this basis, the guiding principle, general goal, overall structure in urban rail transit information construction of China are proposed, corresponding solutions and countermeasures are discussed.

urban rail transit; operation management; information construction; countermeasure

F 530.7

10.16037/j.1007-869x.2017.05.001

2017-04-05)