城市軌道交通信息化云平臺及大數據平臺建設

景亮 方暉 張森

摘 要：隨著云計算、大數據、物聯網、人工智能、5G 等新興技術的不斷發展進步，全面提升城市軌道交通的智能化程度，構建安全、高效、便捷、綠色的智慧城軌，實現整個行業的轉型升級迫在眉睫。文章針對城市軌道交通信息化云平臺及大數據平臺建設，提出具體實施方案，助力城市軌道交通智能化﹑信息化發展。

關鍵詞：城市軌道交通;云平臺;大數據平臺;人工智能;轉型升級

中圖分類號：U293.13

截至2019年12月31日，中國內地累計有40個城市開通運營城市軌道交通線路，總里程達6 730.27 km，車站約3 000座，日均客流約7 000萬人次，如何有效利用這些數據，提高城市軌道交通智能化﹑信息化﹑數據化水平，成為整個行業面臨的迫切問題。本文針對城市軌道交通信息化云平臺及大數據平臺建設，提出具體實施方案，加速以人工智能和大數據為特征的第四次科技革命在城市軌道交通中的應用，實現城市軌道交通智能化﹑信息化發展。

1 建設背景及發展現狀

1.1 建設背景

2017年以來，為迎接以人工智能和大數據為特征的第四次科技革命，實現城市軌道交通行業轉型升級，從而帶動全產業鏈創新發展，中國城市軌道交通協會陸續發布《智慧城軌信息技術架構及信息安全規范》《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》等各類信息化﹑智能化規范。北京﹑上海﹑武漢﹑深圳等城市相繼開始試點建設城市軌道交通信息化云平臺和大數據平臺，實施互聯網+戰略，推進信息化﹑智能化深度融合，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，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。

1.2發展現狀

傳統的城市軌道交通架構具有以下特點：①按線單獨設置，設備物理位置分散且相互獨立，設備占地面積大，重復投資現象明顯;②用電負荷過高，供電質量可靠性差，用電浪費嚴重，備用蓄電池組容量過大，運維成本較高;③各專業系統各自運營，通信信道占用資源較多，閑置浪費資源現象嚴重;④“煙囪”式運營管理，各自為“線”，機構臃腫;⑤建設與運營過程中，各線單獨建設，不同廠家、不同硬件及軟件導致系統升級改造復雜、互聯互通及兼容性差、標準化水平低。

目前國內城市軌道交通信息化建設及運營方面主要存在以下不足：①信息孤島嚴重，各機電系統單獨組網，單獨運營，沒有進行信息集中處置和統一調度;② 基礎設施分散，各機電系統設備安裝在各自獨立設備機房內，機房利用率低，缺乏設備共享;③網絡資源浪費，各機電系統單獨組網，單獨設置服務器和交換機等網絡資源，形成資源浪費;④安全管控偏弱，各機電設備系統根據自身特點獨立設置安全管控設施設備，無整體解決方案;⑤運維體系失衡，運營公司根據各機電設備分設管理維修機構，缺乏統一調度維修;⑥標準規范缺失，全國沒有城市軌道交通信息化建設及運營方面的統一標準，各城市根據自身的管理特點獨立建設及運營信息化系統;⑦建管統籌乏力，大部分城市的建設和運營部門單獨設立，互相之間缺乏協調統籌，導致信息化系統建設和運營實際存在脫鉤問題。

2 云平臺方案

云平臺在保障安全的前提下實現集中指揮、信息共享，并形成“城市軌道交通網絡信息化”的頂層設計。總體層面：實現安全防護可控、標準規范成形、架構合理易擴展、效率效益顯著;信息層面：實現體系技術先進、應用功能領先、運行數據共享;管理層面：實現線網集中指揮、生產管理與應急指揮一體化、企業管理現代化和資源經營精準化，具體線網平臺架構方案如圖1所示。

2.1 云平臺設計原則

云平臺設計原則包括：①網絡化、互聯網+（線路、線網合署）的運營控制中心;②集中統一（生產、應急合一） 的調度指揮中心;③異地雙活的數據中心;④頂層設計的總體架構;⑤應用創新的系統功能;⑥技術先進的云計算、大數據平臺;⑦新線部署和既有線遷移的融合方案;⑧整體防護的信息安全體系;⑨相互促進的工程驗證和規范制定的技術路線;⑩適應網絡化運營的信息化管理體系。

智慧城市軌道交通信息平臺支撐運營生產信息系統、內部管理信息系統和乘客服務信息系統。根據各應用系統架構及接口關系，云平臺為三大系統提供計算資源池、存儲資源池及網絡資源池。根據應用系統定位及業務特點，確定系統信息安全需求和可用性、可靠性及可維護性要求，并明確歸屬哪個系統，具體情況如圖2所示。

2.2 云平臺構建

云平臺可承載的業務系統主要包括線路層面入云系統和線網層面入云系統。

（1）線路層面入云系統。包括：①列車監控系統（ATS），該系統是列車自動控制（ATC）系統的一個重要子系統，通過與ATC系統中的其他子系統協調配合，共同完成對城市軌道交通運營列車和信號設備的管理和控制，實現對高密度、大流量的城市軌道交通運輸進行自動化管理和調度;②綜合監控系統（ISCS），實現全線設備、環境、乘客、災害的綜合監控管理，提供各系統間業務關聯和觸發聯動，提高對事件的應急處理能力，提供全面信息和輔助決策支持功能，提高城市軌道交通運營指揮管理的智能化水平;③自動售檢票系統（AFC），由計算機集中控制自動或半自動售票、自動檢票，并進行票務管理、財務結算、客流統計分析;④乘客信息系統（PIS），通過文字、圖像為進出車站的乘客提供列車到發等有關信息，引導乘客快捷方便的乘車，而且可為候車乘客提供新聞節目、播放廣告等服務，具備災害情況下的緊急疏散引導顯示功能;⑤視頻監視系統（CCTV），監視列車運行、掌握客流大小和方向、提高行車指揮透明度的輔助通信工具，是列車司機在車站停車后監視旅客上下車、掌握開關車門時間的重要手段，還可作為防災調度員指揮搶險的指揮工具;⑥門禁系統（ACS），根據城市軌道交通工程的特殊條件和特點，為確保城市軌道交通安全運營，保證授權人員在授權情況下方便地進入設備及管理區域，防止非授權人員進入限制區域;⑦公專電話系統，滿足管理部門、運營部門、維修部門等工作人員進行內部及外部公務聯系的需求，為控制中心調度員、車站、車輛段和停車場的值班員組織指揮行車、運營管理及確保行車安全的重要通信工具。

（2）線網層面入云系統。包括：①自動售檢票清分清算管理中心（ACC）系統，處理整個線網的票務清算;②乘客信息系統總編播控制中心（PCC），是整個線網的信息播報平臺，負責線網節目的統一制作并發布給各線中心PIS;③虛擬私有云（Virtual Private Cloud，VPC）為彈性云服務器構建隔離的、用戶自主配置和管理的虛擬網絡環境，可在該私有網絡內部署云主機、負載均衡、數據庫、存儲等云服務資源;④VDC是建立在 VPC 之上的虛擬網絡環境，由用戶自主定義，包括二層網絡、三層網絡（子網）、路由、安全策略、負載均衡等;⑤線網級列車監控系統（ATS）數據云平臺（NATS），可實現所有線路信號系統數據云平臺共享，集中調度控制;⑥線網級綜合監控系統（ISCS）數據云平臺（NISCS），可實現所有線路綜合監控系統數據云平臺共享，集中調度控制;⑦線網級門禁系統（ACS）數據云平臺（NACS），可實現所有線路門禁系統數據云平臺共享，集中調度控制;⑧線網視頻監控系統（CCTV）數據云平臺（NCCTV），可實現所有線路視頻監控系統數據云平臺集中調度監控;⑨城市軌道交通指揮中心（TCC）作為路網的中央協調角色，負責協調各條線路的控制中心及各運營主體，具有綜合監視，多軌道線路、多交通系統運營協調，應急指揮，信息共享等職能;⑩ 列車控制和管理系統（NTCMS）負責所有線路軌道交通車輛關鍵設備和部件的信息管理，實現線網內所有車輛關鍵設備和部件信息的采集、交換、監視和記錄; 城市軌道交通線網級電力自動化監控系統（NPSCADA），可實現全線網電力調度實時監控，具體云平臺架構示例如圖3所示。

傳統城市軌道交通每條線路的ISCS、CCTV、AFC、PIS、安防系統、信號ATS系統等共需設置服務器和工作站上百臺，并配備多套存儲設備，業務獨享資源，資源利用率低。各業務系統中央處理器（CPU）資源利用率約5%～10%，存儲資源利用率低于36%，網絡資源利用率小于50%。

云平臺經濟效益：①1條線路相關投資節省約10%;②后續線路新增設備，前期線路部分資源可重復利用，為后續新增線路投資節省約12%，擴建至5條線可節省直接投資3 000萬元左右;③具備機房空間節省、能耗節省、運維效率提升等優勢;④基于云計算的虛擬化技術可提升物理資源使用率，系統資源使用率傳統模式下不足10%，云化后可提升至40%～50%。

2.3 云平臺的信息安全

根據云平臺實驗室測試情況，對城市軌道交通各系統入云可行性進行分析驗證，同時對云化后系統功能、性能、可靠性、不同廠家系統異構等方面進行測試。

在中心云平臺為各系統（ISCS、PIS、CCTV、ACS、AFC、ATS、公專電話）按照專業劃分資源池，進行資源隔離，確保業務安全，SDN控制器是軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）中的應用程序，負責流量控制以確保智能網絡。SDN控制器基于如OpenFlow等網絡通信協議，允許服務器告訴交換機向哪里發送數據包，從而實現數據智能控制、智能分析，具體如圖4所示。

3 大數據平臺方案

大數據平臺的主要作用包括：①通過整合線網級電力監控系統（SCADA）、火災自動報警系統（FAS）、環境與設備監控系統（BAS）、ATC、AFC、ACC等專業數據，實現客流、行車、設備數據的集中統一，形成企業級數據統一視圖，實現企業數據標準化;②實現客流、設備、行車、票務、維保等信息的實時統計分析，幫助運管人員及時了解路網客流、行車運營、設備資產、票卡收入、維修保養等情況，在保證地鐵路網安全運營的前提下，不斷提升運能、降低成本;③通過結合客流數據、商圈居住數據、市政規劃數據等，提供新線路規劃的數據支持，同時可預測新增線路對路網的影響;④結合客流、行車等數據為乘客提供實時路網信息，方便乘客進行出行選擇，提升公眾信息服務。具體大數據平臺構建示例如圖5所示。

3.1 大數據能耗分析

大數據平臺可實現城市軌道交通車輛﹑接觸網、動力照明、通風空調、食堂生活、生產用水等機電系統設備的運營用電實時采集，并對耗電量進行大數據分析，實時采取節能措施，降低運營耗電量。同時，針對用電負荷實時監測，通過合理調度確保用電安全，從而更好地實現智能化運營。

針對某些用電量比較大的專業，如車站動力照明系統，可采取智能照明模式，降低用電量;通風空調系統，可采用智能溫控模式，節能降耗。運用大數據建立的能耗分析如圖6所示。

3.2 大數據客流預測

基于大數據的城市軌道交通客流預測與乘客行為分析：通過引入客流起訖點分布（OD）、一卡通、移動運營商定位、ATS﹑行車計劃數據等，分析樞紐車站乘客進出站情況及新線對既有線換乘的影響，研究大型活動客流的變化規律，優化客運組織。大數據客流信息監測如圖7所示。

3.3 實時調整運行圖

基于動態客流數據，采用以下大數據分析技術對列車運行圖進行自動調整：①利用實時客流監測技術，動態監測AFC進出站客流情況;②利用視頻分析技術，實現在計數區域進行客流計數，并對站臺人群密度進行分析;③利用車輛的空氣彈簧提供的車廂重量信息，包括車站上下客的車廂重量變化情況，判斷客流變化。實時調整運行圖示例如圖8所示。

4 結語

城市軌道交通信息化云平臺及大數據平臺的建設，必須根據運營實際需求進行，建設和運營部門要進行密切協調統籌，嚴格按照國家標準和規范，整合所有機電專業的信息資源，實現所有機電設備的運營信息共享、維修調度集中控制，從而提高整個城市軌道交通的自動化、信息化水平，推動城市軌道交通信息化系統的轉型升級。通過城市軌道交通信息化云平臺及大數據平臺的建設，既減少了機電設備資源的重復投資和浪費，又有效提高了整個機電系統的智能化水平，降低機電設備采購、建設、運營使用及維修成本，實現整個線網機電設備信息實時共享﹑實時監測﹑實時決策。

參考文獻

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收稿日期 2020-03-24

責任編輯 胡姬