城軌云在全自動運行系統中的應用研究

王軍賢

(通號城市軌道交通技術有限公司，北京 100070)

1 概述

近年來，隨著城市軌道交通技術裝備與管理水平的提升，以云平臺為代表的信息化、智能化新技術相繼應用，大大提高了系統硬件資源的利用率，降低了工程總造價及運營成本。全自動運行系統是由車輛、通信、信號、綜合監控及站臺門等專業設備共同協作來實現列車全程自動化運行的系統，可在中心控制遠程實現列車自動喚醒、自檢、自動運行、到站停車、開關車門、清洗車輛、自動休眠等功能，不但節約了人力成本，還減少了人工操作失誤而產生的安全風險，極大提升軌道交通控制系統的自動化水平、安全性、可靠性及總體效率。因此，基于城軌云技術的全自動運行系統是實現智慧城軌的必然發展方向。

2 城軌交通云平臺發展現狀

目前，城市軌道交通行業的智能化已逐步從探索進入應用階段，大數據及云計算在城軌行業中逐漸得到應用，打破了傳統服務器物理資源有限的瓶頸，將網絡技術與虛擬化技術結合形成云平臺，可以實現超大容量存儲、資源動態分配和擴展功能、超強能力計算，因此，越來越多的城市正在積極推廣云計算的應用。2017年4月武漢地鐵率先在全國提出城軌線網云平臺建設方案，該方案打破了此前“按線、分專業”的建設思路模式；2019年1月溫州開通運營的S1線采用單線路、單專業的城軌系統云平臺，將云計算應用到綜合監控系統中，系統可靠性、效率及運維智能化水平得到了很大提高；2019年12月呼和浩特市地鐵1, 2號線工程云平臺系統投入運營，涵蓋信號系統、AFC系統、綜合監控系統。由此可見，城軌系統中將核心業務云化在技術上是可行的并且具有很大的優勢。

3 云平臺的優勢

將云平臺應用到軌道交通是實現城軌智能化的重要手段，云平臺與既有傳統軌道交通信息化建設相比，主要有如下幾方面的優勢。

3.1 建設成本節約化

云平臺主要通過服務器集群及造價低的節點服務器構建而成，可以通過動態分配提高系統資源利用率，有效降低了設備冗余造成的大量硬件成本，節省了建設成本及運維成本，提高了資源利用效率。

3.2 資源管理集中化

云平臺可以實現軟硬件資源集中管理，靈活分配，實現系統資源的錯峰配備，如在業務需求高峰期啟用閑置資源提高云平臺處理能力，在業務需求低時轉入節能模式；同時云平臺可以統一分配、調整、回收系統的硬件資源，統一部署、集中軟件升級，統一管理用戶的認證、授權等，從而實現對云上資源的集中管理。

3.3 運維成本最小化

當前軌道交通建設呈現井噴式的發展，隨之面臨缺乏既懂城軌業務，又懂計算機的復合型專業運維人才，通過云平臺實現軌道交通信息化、自動化后，在中心便可以實現集中運維和管理，數據自動備份在云端，大大減少了運維人力成本，消除了因維護管理水平而造成影響的風險。

3.4 接口高度通用化

云平臺架構采用開放的接口和標準化的硬件，實現了硬件、系統和應用軟件之間的集成，云平臺的設備采用成熟的商用設備，具有靈活的擴展性和系統兼容性，所以在云平臺上可根據用戶需求部署應用軟件或開發。

3.5 數據處理海量化

隨著數據分析和數據挖掘技術的發展，大數據在城市軌道交通領域的應用越來越廣泛，城市軌道交通業務中產生海量數據，利用云平臺進行集中計算，為大數據獲取、管理、處理、整理提供穩定、高效的平臺。如對客流趨勢、設備狀態進行預測、分析、進而指導決策運營及維護。

4 城軌交通云平臺架構

4.1 城軌云平臺底層架構

城軌云平臺底層架構主要由5部分組成，即采集層、網絡層、數據層、應用層和用戶層。采集層是按照特定的周期和協議進行信息的收集，并采用一定的周期傳送至數據層；網絡層將采集的信息和控制指令進行傳輸；數據層將采集的各種海量信息進行存儲、計算、查詢、管理等；應用層以數據層的數據庫及其計算為基礎，通過數據整合、數據挖掘、數據分析等技術進行信息處理，進行調度決策、站場管理、運維管理等；用戶層通過人機交互方式展現信息，為用戶進行智能決策提供依據。

4.2 城軌云平臺系統架構

城軌云平臺的系統架構通常采用中心和車站兩級模式，由云管理平臺進行統一管理。同時按照冗余性原則設置災備中心，在災備中心根據需要和業務重要性選擇災備不同的業務系統,如信號、ISCS、AFC、ACC、CCTV等。城軌云平臺系統架構如圖1所示。

中心級云平臺包括生產中心、災備中心兩部分，當中心級云平臺同時故障或車站至中心間網絡故障，將切換到車站后備級應用服務，城市軌道交通一般將生產中心設置在控制中心，將災備中心設置在車輛段，云節點設置在沿線各車站，車站、車輛段與中心云平臺之間通過骨干環網及接入交換機連接進行數據通信。

圖1 城軌云平臺系統架構Fig.1 System architecture of an urban rail cloud platform

4.3 城軌云業務分配

對于城軌云系統架構，在云平臺上統一部署多條地鐵線路的系統軟件，再根據不同的專業和業務劃分不同的虛擬數據中心(Virtual Data Center,VDC)，不同線路的同一專業或同一業務應用軟件可以部署在一個VDC內，VDC內部可以根據線路按照需求進行再次劃分并設置一定的邊界安全隔離策略，從而形成不同的虛擬專有云(Virtual Private Cloud，VPC)；當出現業務容量不足時可以對VDC內的計算、存儲及網絡資源池中的任何一部分進行擴容或遷移 ,城軌云業務劃分如圖2所示。

5 城軌云在全自動運行系統中的應用發展

5.1 單線單系統在城軌云上的應用

城軌云平臺第一階段主要應用在單線路單系統上，對于單系統云技術的實踐，已經成功應用于多個城市,如北京市軌道交通指揮中心(TCC)二期工程、天津地鐵TCC系統、溫州地鐵S1線綜合監控系統，呼和浩特地鐵1號線ATS信號系統，均采用搭建的云平臺安全生產網部署一條線的單個系統應用業務，以信號系統ATS子系統為例，借助城軌云將ATS系統虛擬化到云平臺上并網絡化，在車站部署終端節點與客戶實現交互，順利實現信號系統的數據采集和信息整合，極大優化ATS系統的整體性能，最終為全自動運行系統提供相應的支持和服務。

5.2 單線多系統在城軌云上的應用

城軌云應用的第二階段主要是將各系統整合上云，單線多系統云平臺采用集中式部署，將一套云平臺服務器部署在控制中心，虛擬化出車站及跨站中心業務所用工作站及服務器，在虛擬服務器和工作站上部署系統軟件和應用軟件，同時在車站和中心根據用戶需求配置終端通過云桌面實現人機交互。如北京地鐵12號線將綜合監控與ATS系統整合，武漢地鐵16號線計劃將各子系統接入云平臺實現各系統間信息互聯互通，數據共享，提高了各系統的協調聯動能力，有效地提高了軌道交通自動化水平和運營管理能力。

圖2 城軌云業務劃分Fig.2 The division of services of urban rail cloud

多系統上云平臺的前提是實現多系統融合，把各子系統整合形成一個大系統并部署在一個平臺上，第一步要實現車站級各子系統整合，即整合車站聯鎖、區域控制器、ATS、監測及運維等所有功能，取消其物理接口，在系統內部完成信息傳遞，將大大降低建設成本，縮短現場調試時間，同時降低了系統間通信故障的概率，提升了系統的性能和穩定性；在此基礎上通過車站與中心之間的網絡形成強大的云平臺整體，所有車站所有系統所有設備均在同一個廣域網絡上，從而實現遠程操作、遠程診斷與分析等。

5.3 多線多系統在城軌云上的應用

隨著城市的發展，軌道交通高負荷運行對運營提出了嚴峻的考驗，城軌行業的信息化和智慧化趨勢也正逐漸由線路運營向線網運營發展，前面兩個階段都是基于單條線路建立的云平臺，對于一個城市多條線路多個系統的設備，通過整合融合，運算中心化，構建線網級云平臺是終極目標，因此基于全城全網一個云平臺并搭載全自動運行系統的城軌云架構呼之欲出，涉及電力、車輛、通信、信號、綜合監控、異物檢測等多個專業，并建立一個以行車指揮為中心的綜合信息云平臺，承載線網統一服務、集中運維。

基于城軌云發展軌道交通全自動運行系統仍有一段路要走，車輛運行需要依靠車載信號控制，而做好車載網絡與城軌云兼容是構建城軌智能化控制系統的關鍵；同時在全自動運行系統中，車上無司機，在此情況下保障列車安全運行顯得尤為重要，因此基于云架構及大數據的車輛智能運維研究需要不斷地實踐并改進，進而全面實現智慧城軌從頂層設計到規劃再到可持續發展的模式。

6 結束語

城軌云在軌道交通領域的應用時機已經成熟，必將為實現交通強國智能交通建設起到推波助瀾的作用，對城軌行業安全、高效的生產運營起到巨大的促進作用，但是相對于國外發達國家，國內城軌云在軌道交通領域的應用尚處于起步階段，需要在建設中總結經驗盡快形成統一的技術標準，并與城市軌道交通相關的技術規范相結合以獲得更好的應用效果。