城市軌道交通線網指揮中心系統關鍵技術研究

解 凱，錢曉超

（1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 211102；2. 重慶市軌道交通集團有限公司線網管控中心，重慶 401123）

隨著城市軌道交通線網規模的不斷擴大，運營管理由單個線路管控中心向多個線路管控中心管理的網絡化（即線網指揮中心方向）發展[1]。綜合運營協調指揮中心（COCC）的主要作用是綜合指揮協調城市軌道交通各線路控制中心（OCC）。

我國如北京、上海、廣州、深圳等城市已經建設了軌道交通線網指揮中心[2-3]，還有一批重點城市正在建設線網指揮中心[4]。線網指揮中心的日常工作主要包括對各線路運營組織方案進行審查協調，對網絡實時運營信息及時匯總，對網絡中出現的有關問題作出迅速處理，以及在發生重大突發事件時，對網絡、重要樞紐、換乘節點及列車運行進行統一調度指揮。為了實現上述職能，需要建立多技術支持、集成的城市軌道交通線網協調指揮中心，至少應包括運行監察、設備監察、應急指揮、運營分析、信息發布等核心功能。

本文探討了建設該系統基礎信息化平臺的關鍵技術，通過先進的計算機技術引領上述功能實現，有效地協調各線路管控中心之間的接口關系，提升線網管理水平和應急事件的處置能力。

1 全線網對象編碼和建模技術

我國城市軌道交通運營管控機構大都自下而上建設，先建各線控制中心，再建線網指揮中心。由于各線控制中心先期建設，各分系統信息采集和存儲在不同的信息平臺上，線網層級應建立統一的數據共享平臺，以實現列車、客流、綜合監控等運營數據的一體化管理及分析。線網級的數據平臺系統是在充分考慮系統網絡安全的基礎上，以統一線網對象編碼為基礎，構建數據采集匯總模型，對數據進行一體化整合，實現對全線網信息的長期存儲。

1.1 全線網對象編碼

各線控制中心系統建設時間不一，設備命名不統一，導致數據交互復雜。標準化工作規范是 COCC 系統數據模型建設的基礎。首先需編制線網各類車站、處所、設備、對象的編碼標準規范，作為 COCC 與 OCC 各系統及外部系統的數據交換接口規范，以滿足 COCC 作為數據中心角色的對象服務和模型服務功能，如圖1所示。

1.2 模型服務和數據交換

如圖2所示，通過統一的線網對象編碼，為全線網的管控對象和數據建立了標準命名，并建立統一編碼的映射表，使各線系統私有編碼經統一編碼轉換后可高效地接入 COCC 系統。同時城市軌道交通運營公司已建的其他信息化中心系統也通過統一編碼映射方式接入COCC。對于新建線路的系統設計建設，要求其按照統一編碼格式進行對象命名，就可不再建立編碼映射表，直接接入 COCC。

圖1 全線網對象編碼結構

圖2 基于全線對象編碼結構的數據和模型交換

基于統一模型編碼的線網數據中心不僅可用于匯集數據，同時也為各線控制系統和業務系統提供了模型和數據交換平臺。這種COCC 的模型和數據交換網絡方式，相較以往 2 個系統之間點對點開發接口通信的方式，降低了通信成本，提高了通信效率，促進了各線系統互聯互通。

2 分布式集成和數據服務技術

COCC 系統一般不直接與現場設備進行通信采集數據，而是對各線 OCC 已建成的各專業系統，如自動列車監控系統（ATS）、綜合監控系統（ISCS）、自動售檢票系統（AFC）、電力監控系統（PSCADA），進行第二次系統級的匯總和集成，然后將集成數據在全線網模型上進行分析計算，再把處理過的分析結果分發到線網級各應用系統中。這樣的業務流程要求 COCC 數據平臺具有高內聚的系統集成能力和低耦合的數據服務能力。

2.1 “分-總-分”架構

COCC 平臺宜采用“分-總-分”（分布式采集-總模型和數據中心-分布式應用）的系統部署架構，如圖3所示。COCC 平臺采用分布式系統架構，系統內按照消息隊列和實時數據庫同步 2 類總線方式進行通信，消息隊列用于傳遞觸發信號和下發命令，實時數據庫同步用于常規數據通信。

這種分布式采集架構非常適合已建設的多處 OCC中心數據集成，在各 OCC 中心部署 COCC 分布式采集平臺，匯總各異構系統數據，轉化為標準編碼格式后，再向線網中心平臺同步。

線網指揮中心部署 COCC 總平臺，接收各線 OCC 采集平臺的同步數據，同時向各線 OCC 系統發布統一模型和提供數據交換網絡，為線網指揮中心的上層應用提供數據支撐。

圖3 “分-總-分”的 COCC 系統部署架構

2.2 分布式數據服務和應用部署

COCC 系統是典型的多用戶系統，其主要用戶包括線網調度大廳各個專業席位、應急指揮作戰室、交控中心、清分中心、軌道交通集團的運營中心等。針對不同需求的用戶群以及不同地點的系統部署要求，系統必須提供專業的分布式應用服務。在接入整個軌道交通集團辦公網、對外信息發布網絡、政府信息網絡時，必須重點考慮安全訪問控制問題。

在整個線網指揮中心系統的生命周期中，線網在不斷發展，業務需求也在不斷變化，不斷會有新的應用需要部署。COCC 的數據平臺實際上提供了一個包括模型和數據服務的基礎軟件開發環境，各類新應用都可以在這個軟件生態系統環境中進行開發部署上線。

3 大數據處理技術

COCC 數據庫是系統建設的核心模塊，OCC 各系統一般采用關系型數據庫。COCC 系統需要匯總和處理全線網各類型數據，要滿足數據海量、計算強度大、非結構化數據處理等需求，因此需要引入大數據技術，與傳統關系庫協作實現業務功能。

3.1 大數據的必要性

隨著線路不斷建設，越來越多的新線將接入 COCC，需要采集的數據越來越多，傳統數據庫難以完成海量數據存儲。

業務運行數據隨著系統運行時間的積累，所需存儲的數據量越來越大，而且客流預測和分析需要大量的歷史數據作為機器學習的訓練樣本，導致基于傳統數據庫的統計分析時間將會成倍增長。

COCC 匯聚數據類型呈現多樣化，隨著計算機技術和視頻圖像分析技術的發展，對視頻監控系統（CCTV）中視頻、圖像語音等非結構化數據的分析處理，將在城市軌道交通運營中發揮更大的作用。對海量非結構化數據的分析已經不能在傳統的文件或關系庫方式下進行處理。

3.2 分步實施的可行性

前期建設可采用傳統關系型數據庫。一方面，線網指揮中心前期功能主要集中在運營、監察和應急功能方面，傳統關系數據庫集群可以滿足；另一方面，系統投運前期數據量較少，從大數據平臺自身運用的特點上分析，大數據分析功能必須建立在歷史數據積累上，具體的業務需求一般要在 COCC 運行一段時間后再歸納；而且大數據中心需要專人運維，前期投入使用大數據平臺，不僅增加建設成本，還增加維護的人力和技術成本。

因此，COCC 數據平臺的建設宜采用分步建設的模式，如圖4所示：前期由傳統關系型數據庫集群實現負載均衡，投運初期人員需要時間和系統磨合，對需求的把握也不是很精準。在系統運行一段時間后，隨著數據量的增加，業務需求也基本明確，此時引入大數據平臺，將原有關系庫中的數據抽取到大數據平臺，加載新的大數據分析業務，原關系型數據庫繼續作為數據采集庫和關鍵數據備份庫。

4 可視化分析技術

線網指揮中心的職能包括對線網當前狀態的監察功能，以及對整個線網運營的分析功能，需要監察和管理的對象相較單條線路成倍增加，而且線網 COCC 管理的層面更偏向宏觀調度指揮。因此 COCC 對線網的分析管理，主要是結合計算機統計分析技術，對線網進行宏觀監察和分析，構建運營評估指標體系，匯總采集數據，形成行車、客運、能耗等監察指標，并利用可視化技術展現計算結果。

可視化的價值在于將復雜的問題通過直觀視覺展現，對線網運行和運營數據進行加工提煉，以可視化的圖線報表方式為 COCC 調度人員提供更為直觀的線網運行趨勢。

圖4 分步建設 COCC 大數據平臺

4.1 客流分析可視化

線網中心的客流交通出行量（OD）研究，能夠站在全線網的角度為車輛調度、車站運營、票務策略、新線規劃等提供數據決策依據。以往的分析主要是以 OD矩陣方式提供數字表格，難以實現線網實時客流趨勢監控，而采用桑吉圖的方法來進行 OD 客流的可視化展現，可直觀反映 OD 關系，對客流的變化趨勢作總體把握。在桑吉圖上以線條代表客流到各站的匯入、流出和換乘關系，以線條的寬度表示客流的大小。

如圖5所示，線網中兩站之間有多個路由途徑，可通過桑吉圖表示線網中各線通過換乘樞紐站的分流狀況。

使用可視化方法來分析客流，可觀察到不同時間段內線網的總體客流變化趨勢，COCC 可以從線網的角度做出客流預警，通知各線 OCC 做好客流分流、調整發車間隔，必要時采用跨線網協調列車運力、跳站運行等應急運行方式。

圖5 線網樞紐車站客流變化分析

4.2 線網告警事件可視化

COCC 作為線網日常運營機電設備管理中心，負責對環控模式進行監督和跨中心協調；負責對火災報警系統、自動滅火系統、各類消防設施總體運行情況及線網各車站、區間的機電設備（給排水、屏蔽門、照明、電扶梯）總體運行狀態進行監視。

線網中需要監視管理的設備眾多，以重慶兩路口車站為例，每日產生的告警和事件量多達 2.7 萬條。線網指揮中心監視幾百個車站，無法監視到每個設備，而是按線路分系統運行情況計算評估關鍵績效指標（KPI），按照實時統計設備故障并依據重要程度權重，計算線路設備系統健康狀態，突出顯示需關注的故障嚴重設備。

如圖6所示，采用線路告警事件統計動態矩陣，每個矩形代表1個車站的告警事件統計結果，其面積為該站所有告警事件乘以其等級權重的總和。矩形的大小代表車站發生告警事件的數量和嚴重度。

圖6 車站告警事件統計動態矩陣

5 地理和空間信息技術

線網指揮中心的另一項重要職能是應急情況的處置，在線網中單條線路的事故影響會波及其他線路，必須全局考慮事故的影響范圍和處置策略。利用地理信息系統和空間三維仿真技術可為線網應急指揮中心的事故分析和處置決策提供輔助手段。

5.1 BIM 模型三維仿真

目前我國多個城市軌道交通的建設過程中已經開始嘗試使用建筑信息模型（BIM）技術[6]。隨著 BIM 技術的推廣和不斷發展，BIM 模型在建設竣工交付后，還可以作為城市軌道交通的長期運維和運營模型。

以往單獨建立三維模型需要耗費巨大的人力和時間，而且建立的模型缺乏后期的有效維護。有了 BIM 模型后，將其導入 COCC 平臺進行三維建模，方便快速且節省成本，而且可與 BIM 模型動態維護同步修改。

如圖7所示，線網指揮中心利用三維模型可以進行應急策略決策預案分析和仿真場景演練。在事故應急指揮室調取各車站和隧道 BIM 模型的可視化三維場景，可進行仿真實地情況查看，結合現場視頻作出綜合應急處置決策。

圖7 基于三維車站模型的應急疏散策略仿真

5.2 地理信息系統（GIS）應急指揮

目前我國城市軌道交通公司大都建設了自身的 GIS系統和標準化矢量地圖，COCC 可以導入 GIS 地圖，并結合行車、客流、供電采集數據進行綜合展示，有利于線網指揮中心了解線網在整個城市空間下的運行狀態。

在應急狀況下，線網指揮中心可在 GIS 地圖上，掌握線網范圍內的關鍵基礎設施空間分布情況和與城市軌道交通線網的位置關系，便于在緊急情況下快速指揮救援和疏散。

6 結語

從目前已經投入運行的城市軌道交通線網指揮中心信息化平臺的運行效果來看，系統對線網指揮中心各類監察、調度、管理、分析、應急等業務提供了強有力的支撐。但是線網指揮中心沒有通用的建設規則，其支撐系統的設計和建設還沒有相關的國家和行業標準，各城市軌道交通公司應結合自身線網指揮中心的組織架構和角色定位開發 COCC 業務需求、設計系統功能。另一方面，計算機、通信、大數據、圖像處理識別、虛擬現實等技術在不斷變化發展，在新的線網指揮中心建設中，實行更合理的系統部署架構、采用更貼合線網管理的實用化新技術，將推動城市軌道交通線網運營向更高層次的智能化管控發展。

[1]何霖，方思源. 城市軌道交通網絡化運營的挑戰與對策[J]. 都市快軌交通，2015，28（2）：1-5.

[2]汪波，陳德愛，楊杰. 北京城市軌道交通網絡化運營探討[J]. 現代城市軌道交通，2010（4）：14-17.

[3]胡春杰. 簡述深圳地鐵線網指揮中心NOCC系統設計[J]. 城市建設理論研究（電子版），2016（13）：718.

[4]佘才高，代繼龍，張寧. 城市軌道交通線網中心規劃研究[J]. 鐵路通信信號工程技術，2014，11（4）：53-55.

[5]郝曉平，翟軍鋒. TCC數據中心與線路數據接口方式的探討[J]. 中國鐵路，2013（5）：46-47.

[6]李雙喜，周瀅. BIM技術在軌道交通工程設計中的應用[J]. 地下空間與工程學報， 2014，10（s1）：135.