城軌交通弱電一體化及在跨座式單軌交通的應用探討

■ 陳國芳 卓開闊

0 引言

軌道交通弱電系統主要為軌道交通提供行車控制、乘客服務、運輸調度、運營管理以及安全保障等，主要包括：信號系統、通信專業子系統、AFC、FAS、BAS等。隨著現代工業系統集成和信息化技術高速發展，軌道交通傳統分立的各專業子系統開始轉向發展以統一信息平臺為基礎實現綜合自動化數據共享和業務聯動一體化系統，并開始通過人工智能與大數據等技術向乘客提供個性化服務和體驗。軌道交通領域倡導：采用新興技術，建立敏捷安全的IT基礎設施與服務交付模型；提升用戶體驗，優化公共交通運營和管理組織；通過技術創新，創造業務價值。因此，對于未來城市軌道交通（簡稱城軌交通）重要形式之一的跨座式單軌交通（簡稱單軌交通），如何依托中國城市軌道交通協會發展總體指導原則，設計符合單軌交通中低運量運營特點的單軌交通弱電一體化系統，包括信息化集成技術、現場設備創新集成，網絡綜合承載等，是一項非常重要的研究課題。

1 城軌交通弱電系統集成技術和現狀

1.1 集成技術

目前，城軌交通系統建設模式、系統架構都是以現代工業系統集成技術為指導總原則。現代工業系統集成發展方向主要是將信息、網絡、軟件與基礎設施有機融合在一起，通過系統信息共享、數據共享和業務聯動實現行業業務需求，其中工業信息系統集成技術成為關鍵環節。

現代工業信息系統集成的核心是通過硬件接口的標準化、通信協議標準化，適配眾多廠家現場設備；通過構建開放的系統集成平臺，用信息化技術滿足用戶自動化、智能化的需求[1]。2010年1月，國家標準化管理委員會發布《工業企業信息化集成系統規范》，規范定義了工業企業信息化集成系統“是基于計算機環境和技術，將工業企業生產自動化系統、生產管理系統與經營決策系統綜合集成，提高企業經營效率，促進企業戰略目標實現的大系統”。當前工業領域系統集成方式分為橫向集成、縱向集成和端對端集成。

城軌交通系統集成主要在縱向集成，將專用網絡環境里的各信息集成，實現運營環境內所有數據共享和無縫連接。城軌交通信息化集成系統典型架構由3層組成：第1層為線路行車指揮調度系統，第2層為區域線網調度指揮系統，第3層為城軌交通運營指揮系統。單軌交通信息化、智能化兩化融合的架構方案也是基于以上3個層次結構展開研究的。

1.2 發展現狀

截至2017年上半年，我國31個城市建成投入運營的城軌交通運營里程4 400 km；已批準53個城市的軌道交通建設規劃，在建里程約5 770 km，到2020年總里程將達8 600 km[2]。目前，城軌交通運營管理方面，服務形式與用戶需求遠遠不能匹配，運輸效率受弱電系統建設限制；在信息化系統建設方面，總體技術架構陳舊，各專業子系統都是豎井式、獨立應用架構建設，線路運營信息孤島嚴重；在基礎設備建設方面，各系統都申請獨立的資源投資，冗余資源不能跟其他專業系統共享，系統升級擴容難等[3]。傳統軌道交通集成系統“豎井式”應用架構見圖1。

1.3 單軌交通和地鐵、輕軌比較

單軌交通相較地鐵、輕軌，在建設成本、建設周期、運行速度以及運能等方面都有其自身特點（見表1）[4-6]。

2 單軌交通弱電一體化系統方案

2.1 系統架構

單軌交通弱電一體化系統設計原則致力于打造數字化軌道交通，在技術條件上滿足國家標準、行業標準規范，設計符合單軌交通建設特點的行車調度和運營管理智控系統，實現基礎設施建設的標準化、系統接口標準化和系統間的互聯互通。系統架構設計全面綜合考慮到的業務范圍，逐步從通號一體化到弱電一體化系統集成實施，實現創新性綜合監控層；進而實現單軌交通信息化大MES生產運營平臺，為單軌交通提供智能化的行車指揮調度和運營管理，為乘客提供多元化、定制化的出行體驗。

圖1 傳統軌道交通集成系統“豎井式”應用架構

表1 單軌交通與地鐵、輕軌的指標對比

單軌交通弱電一體化除專業系統現場設備層，系統分為4層架構體系，分別為數據采集層、基礎設施層、管理服務平臺層以及應用服務層（見圖2）。數據采集層主要負責從現場設備采集設備狀態，通過智能組件轉換為標準化通用通信總線模型給上層進行數據處理；基礎設施層主要是對基礎的計算、存儲、網絡等資源進行統一管理，根據各業務系統需求進行資源統一分配，能夠實現資源的有效利用、線路擴容和快速資源升級需求；管理服務平臺層主要是提供分布式消息服務、分布式數據服務、實時數據分析服務以及多租戶管理等系統技術支撐，同時根據業務需求通過微服務技術，建設共享業務能力中心，提高公用業務能力，實現共享業務能力包，如網絡管理中心、設備狀態中心、運營管理中心以及用戶中心等，提供給應用服務層進行應用；應用服務層主要是基于管理服務平臺層提供的系統技術能力，實現各業務應用的功能實現，專注于系統功能HMI展示和功能交互[7-8]。

2.2 集成綜合平臺

以中國城市軌道交通協會發布的《智慧城軌信息技術架構和信息安全規范 第2部分 技術架構》為指導原則，將云平臺、大數據、物聯網等技術應用到軌道交通系統設計方案，提出單軌交通弱電一體化系統方案。根據單軌交通建設成本、建設周期、運能、運行速度等特點及對比分析單軌交通的特點，對弱電子系統從系統結構機理、對外接口方式、軟件通信接口、通用設備和專用設備等方面進行分析研究，在創新的系統架構體系下，提出單軌交通弱電一體化系統方案（見圖3）。將傳統的20多個弱電專業子系統集成為6個綜合平臺：行車控制平臺、綜合通信平臺、乘客服務平臺、綜合調度平臺、生產運營平臺和培訓平臺[9-12]。

（1）行車控制平臺：主要包括車載信號子系統、行車控制子系統和ZIC系統。主要為行車調度、安全提供服務。系統特點：車載信號系統VOBC，融合車載ATP/ATO為VOBC一體化系統，設備更精簡，系統更優化；ZC和CI系統融合為一體化ZIC系統；而行車控制子系統則會跟弱電信息系統融合，共享數據，實現以行車指揮為核心的綜合自動化系統。

（2）綜合通信平臺：主要重構通信專業子系統傳輸系統、電源系統、公/專電話、專用無線、集中告警和時鐘等系統功能，實現一體化通信綜合管理平臺。

（3）乘客服務平臺：融合PIS、CCTV、PA為一體化乘客服務系統，實現車載和地面系統統一信息管理和聯動共享，為乘客提供多元化、個性化服務平臺。

圖2 單軌交通弱電一體化系統架構

圖3 跨座式單軌交通弱電一體化系統

（4）綜合調度平臺：重構弱電F A S、B A S、PSCADA以及ISCS等各專業子系統，實現單軌交通新型綜合監控層。

（5）生產運營平臺：主要以資產全生命周期管理為主要目標，實現單軌交通信息化大MES層。

（6）培訓平臺：構建弱電系統培訓系統，實現綜合培訓管理平臺。

2.3 綜合通信平臺子系統

綜合通信平臺主要包括車地無線綜合承載子系統、語音子系統、傳輸系統綜合承載子系統和綜合網管子系統。

（1）車地無線綜合承載子系統以1套無線專網綜合承載通信PIS、CCTV、語音子系統和信號VOBC車地通信。目前可選3種方案：①LTE-U+公網承載語音通信，可滿足大帶寬數據傳輸需求、高速移動對傳輸切換延遲的高性能需求，用于地面軌道交通建設的線路。②LTE-M實現車地無線綜合承載，當地頻段申請可滿足建設周期需求。③WLAN+公網承載語音通信，可滿足大帶寬數據傳輸需求。

（2）重構公/專電話、專用無線子系統為語音子系統，以行業成熟的IP電話或VoIP技術實現語音業務一體化。

（3）傳輸系統綜合承載子系統包括弱電各子系統傳輸IP統一規劃、傳輸網融合，通信信號網絡統一規劃，傳輸系統綜合承載，通過VLAN技術實現邏輯隔離，保證系統安全性需求。

（4）綜合網管子系統將各弱電子系統的10多個網管子系統構建為綜合網管子系統，實現設備監控和網絡節點統一配置管理。

2.4 系統特點

單軌交通的信息化架構屬于第3期規劃的業務范疇。單軌交通弱電系統集成要實現智能化、綜合調度平臺即單軌交通創新型綜合監控實現是系統集成的基礎，生產運營平臺即單軌交通大MES層是系統集成的核心。

單軌交通弱電一體化系統的信息系統集成方案采用云平臺架構，主要特點和優勢為：實現資源共享，存儲、計算和網絡資源分散部署、統一管理，基礎設備資源按需分配；彈性擴容，隨著跨座式單軌建設線路的增加，業務發展需要可實現彈性擴容，助力單軌交通將來從線路建設轉向網絡化運營的無縫轉型；數據共享，實現業務聯動和智能化行車自動化能力；標準化專業系統硬件接口和軟件通信接口，統一專用設備對外接口，提供系統聯調效率。

3 結束語

單軌交通弱電一體化系統設計原則符合公司頂層設計，滿足相關標準規范，設計符合跨座式單軌交通建設特點，實現系統標準化和互聯互通。系統架構設計要全面綜合考慮涉及業務范圍，逐步從通號一體化到弱電一體化系統集成，實現創新性綜合監控層，進而實現跨座式單軌信息化大MES生產運營平臺，為單軌交通智能化、多元化運營服務提供基礎。