全場景城軌網絡化運營指揮平臺探索與研究

呂 楠，胡清梅，禹丹丹，夏朋飛，趙素杰

（1.北京市地鐵運營有限公司，北京 100044；2.深頂科技（北京）有限公司，北京 100102；3.北京索斯克科技開發有限公司，北京 100070）

1 概述

城市軌道交通（簡稱“城軌交通”）是現代大城市交通的發展方向。發展城軌交通是解決大城市病的有效途徑，也是建設綠色城市、智能城市的有效途徑。要繼續大力發展城軌交通，構建綜合、綠色、安全、智能的立體化現代化城市交通系統。進入新時代，信息化、大數據、物聯網、AI人工智能等新技術與傳統產業深度融合、轉型、升級，進一步促進了我國軌道交通行業的快速發展。

北京作為一個國際化大都市已進入以城軌交通為主的交通發展階段。目前北京市軌道交通線網規模為1 080.5 km，其中地鐵等城軌交通727 km，市郊鐵路353.5 km，城軌交通路網工作日日均客流量超過1 300萬人次。在城軌交通網絡化運營飛速發展的同時，新一代技術應用和軌道交通高質量發展要求為大規模網絡化運營調度指揮帶來了巨大的機遇和挑戰，如何讓調度指揮更高效更精準、讓設備運行更穩定更可靠、讓調度管理更科學更經濟，成為新時代城市軌道交通運營管理急需解決的關鍵問題。

2 運營調度指揮平臺現狀

城軌交通具有專業多、系統多、管理層次多等特點，而運營調度指揮強調各部門各單位的協同性和聯動性，使各專業、各系統和管理層達到準確管控、高效協同，以提高服務質量和應急聯動效率。建立統一的運營調度指揮系統，實現對在線列車、人員和物資的集中調度和統一指揮，是加強行車安全保障，高效、快速處置突發事件的必要條件。

但是，目前行車、電力、防災及環控等各類調度指揮設備均采用“一線一中心”的建設模式，主要存在以下問題。

1）存在“標準多、廠家多、接口多、設備多”問題，設備資源利用率低，不同廠家的系統操作界面和運維方式不統一，人力資源成本、維護成本和升級改造成本高。

2）各線路 ATS（Automatic Train Supervision）、SCADA（Power Supervisory Control and Data Acquisition System）、BAS（Building Automatic System）、FAS（Automatic Fire Alarm System）等數據沉淀于分線系統中，無法發揮大數據深度分析作用，未實現各線路之間的數據共享。

3）各線系統無法與相關專業系統進行協調聯動，難以有效支撐綜合調度決策。比如行車調度指揮系統未關聯網客流狀態數據，無法支撐實行“以客流為中心”的行車組織模式。

4）既有系統在監視內容、形式、預警及故障分析、智能控制和輔助決策方面的智能化水平較低。綜合監控系統各廠家設備告警代碼和報警、事件等描述內容不統一，對調度指揮和應急處置的支撐不夠；既有感知設備不足，無法掌握設備運行狀態，預警信息少，只能被動進行應急處置，且風機、照明設備未能隨環境變化進行自主調控。

3 網絡化運營調度指揮平臺發展趨勢

隨著云計算、物聯網、大數據和人工智能等新技術的發展以及人民群眾對公共交通美好需求的日益增長，城市軌道交通逐步向網絡化、數字化、智能化、人文化方向發展。關于智慧城軌交通研究也受到更加廣泛的重視，越來越多的新技術和新方法開始被應用到城市軌道交通調度指揮中。未來通過物聯網、大數據、云計算技術，可以實現對城市軌道交通調度指揮從自主感知到智能分析再到智能控制。這說明建設信息化、網絡化、數字化、智能化的運營調度指揮平臺是智慧城軌建設發展的必然選擇。

3.1 面向調度指揮智慧化的發展趨勢

城軌交通專業設備系統眾多，都是以圍繞調度指揮的安全快速可靠為基準，為使乘客能更方便地利用城軌交通出行，調度指揮的界面展示方式從二維向二維、三維融合轉變，操控方式從人工手動操控逐步向人工智能控制轉變，信息方式從固定信息向多元化轉變，行車組織原則從按圖行車到“人車并重”轉變，調度范圍從單線向網絡化轉變；列車運行系統也從基于通信的列車自動控制系統轉向全自動運行系統。

3.2 面向設備管控主動化的發展趨勢

城軌交通專業眾多，設備種類繁多，高效的主動機制是保證城軌交通高速發展的必要條件。只有充分發揮調度指揮平臺的快速性、準確性、可換性、可視化性、主動性，才能更好地保障線路運營的安全準點和乘客出行的便捷舒適。目前，城軌交通大部分設備因缺少狀態感知信息，仍采用傳統的計表管控等手段。隨著互聯網與科技水平不斷發展，數據感知與分析技術將設備管控方式逐步轉向主動化和智能化，更好地保障城軌交通安全、有序、高效地運營。

4 網絡化運營調度指揮平臺建設思路

通過研究，全面梳理和總結目前調度指揮業務流程，遵循“以人為本、提質增效”的建設理念，突出多線路集中管控的創新模式和調度指揮人機交互體驗，提出平臺建設的原則、目標和思路。

4.1 建設原則和目標

以安全、便捷、高效、綠色、經濟為基本原則，采用物聯網、云計算、大數據、人工智能等新一代信息化技術，實現對乘客出行、列車運行、設備運轉等進行全貌監視、故障預警以及智能管控，建設信息化、網絡化、數字化、智能化的綜合調度指揮體系，讓調度指揮更高效精準、讓設備運行更安全可靠、讓乘客出行更便捷舒適、讓運營管理更科學經濟。

4.2 建設總體要求

為建設信息化、網絡化、數字化、智能化的綜合調度指揮體系，該平臺建設總體要求包括4個方面。

1）設備集約化。建設云平臺，整合軟件系統和終端設備，以行車指揮系統ATS為核心，集成列車運行控制、列車乘客服務、調度電話等系統功能，與電力防災環控系統、CCTV、客流監控平臺等進行協調聯動，減少終端設備數量，提高設備利用率。

2）調度網絡化。按專業整合多條線路的調度指揮系統，實現多線路集中管控，優化資源配置，提高線路間的協調運輸組織和應急調度指揮的效率。

3）決策智能化。基于信息化技術，實現車輛設備故障及大客流的預警，以及常態和突發事件情況下的列車、車輛、設備的智能控制及輔助決策。

4）管理高效化。為配合多線路集中管控要求，整合全自動駕駛線路和既有運行線路各調度崗位及其職責，優化人員配置，實現降本增效。

4.3 建設總體思路

為實現信息“需要即可呈現，需要即可操作，需要即可分析”，該平臺根據調度指揮業務需要，將軌道交通各類信息進行全面融合、科學分析與靈活應用，如圖1所示。

圖1 模塊化軟件平臺示意Fig.1 Schematic diagram of modular software platform

業務需求層面：一是橫向打通專業系統信息壁壘，將行車、電力、設備、維護、管理等多領域數據進行共享融合，以更好地支撐目前業務需求；二是縱向打通各個層級信息維度，將線網、線路以及末端操作多層信息進行共享融合，使宏觀數據更真實直觀，使微觀操作過程更細致全面。

數據分析層面：從時間維度將當下運行數據、歷史運行數據、預測數據進行融合，并基于大數據挖掘技術，實現將統計預測數據服務于生產操作輔助策略的目的，提高運營調度指揮智能化水平。

信息交互層面：從以人為本角度出發，優化顯示界面，實現更為直觀可操作的信息展示。一是綜合立體與傳統平面信息展示優勢，確保滿足展示時效需求和平臺平滑過渡使用。二是重構信息呈現內容，權衡信息重要性和信息量可接受度，根據不同業務需要，靈活直觀展現業務人員重點關注的核心信息，并支持對一般數據的二次展開操作。

終端設備層面：接入固定網絡和移動網絡環境，滿足大屏幕顯示、操作終端顯示、移動式終端等各類設備顯示需求和軟件系統靈活使用的需要。

5 網絡化運營調度指揮平臺系統架構方案

5.1 系統架構融合總體規劃

搭建網絡化多線集中調度平臺，旨在對各線各專業系統進行整合，統一所有線路數據接入規范和操作界面標準，打造網絡化運營的“最強大腦”，實現一個平臺對客流監控、行車指揮、設備管控、應急管理等全方位網絡化運營業務進行調度指揮。由于網絡化運營的“最強大腦”是首都智慧地鐵建設的核心平臺，因此，該平臺系統架構設計方案遵循北京地鐵公司信息化系統總體架構，自下向上依次為感知層、傳輸層、數據層、業務平臺層、應用展示層，如圖2所示。

圖2 信息系統架構Fig.2 Information system architecture

感知層：從“人、機、環”3方面采集基礎數據，實現客流、車輛及設備的運行狀態監測、視頻圖像監測、故障預警監測等信息的全面感知。

傳輸層：依托有線承載網、無線接入網為各智慧應用提供數據傳輸通道。

數據層：將所有業務數據資源進行錄入、清洗、加工和存儲，是各業務系統之間的全量數據交換平臺。建設基于云架構的雙活數據中心，實現軌道交通各種大數據的分析和挖掘，為軌道交通各類業務應用提供數據支持。

業務平臺層：突出數據分析和系統級聯動，根據各業務需求，形成跨業務的統一智能化數據分析能力。

應用展示層：著力打造智能運行調度指揮平臺，對客流、車輛、設備運行狀態進行全面監控和應急指揮，全方位提升調度指揮網絡化和智能化的水平。

同時，為滿足大數據融合計算和各線路系統專業設備安全操控的要求，將管理分析數據與控制型系統數據分別處理。一是將線路各類控制數據直接與多線路運營指揮平臺對接。二是將線路采集的各類基礎數據統一錄入大數據服務平臺進行處理；建立基于多線路運營指揮業務的智能分析模塊，將線路運營所需分析數據以數據交換的方式導入多線路調度指揮平臺的數據智能分析模塊，實現全量數據的全貌展示和輔助決策支持，如圖3所示。

圖3 多線路運營指揮平臺業務數據流示意Fig.3 Schematic diagram of service data flow of multi-line dispatching command platform

5.2 系統功能模塊設計

平臺根據用戶權限以二維和三維相結合的形式展示各級別、各業務全時空信息。通過將三維地理信息、BIM數據、抽象邏輯圖、系統運行數據有機結合，并利用業務重構技術，對線網、線路和車站的客流、行車、電力和其他設備4方面的核心業務進行監控。

5.2.1 線網信息界面主要功能

線網層主要實現線網宏觀數據監測，以更好地支持協調各線路間列車運行調整的決策，實現線網精準高效的日常調度和應急指揮。界面展示以GIS信息為主，并將客流、列車、設備、天氣各類宏觀統計和預測的數據以表格、餅圖、熱點圖等形式呈現，并可通過點擊線路信息進入對應線路的監控模式，如圖4所示。

圖4 線網信息界面Fig.4 Line network information interface diagram

5.2.2 線路信息界面功能

線路層主要監控線路客流、行車、電力、設備運行的狀態，發布線路運營調度指令，組織夜間檢修維修等作業，并支持多線路區域化調度指揮。界面信息分行車指揮和設備調度兩大業務核心分別展示。

1）行車指揮業務功能

行車指揮的核心業務是監控列車運行狀態、計劃執行、車輛調配等情況。業務重構的核心思路是全面、精簡、便利地呈現支撐行車指揮和決策的關鍵信息。

行車信息顯示：風格上延續既有行車顯示習慣，集成列車駕駛控制、列車乘客服務、調度電話等功能，同時互聯客流監控系統、CCTV，疊加輔助決策信息，實現界面綜合指揮。

設備操作與控制：主要包括進路辦理、行車計劃確認及發車、運行圖查看及計劃修改等功能；通過選取列車或車站，與司機、綜控員通話，發布電子化調度命令；當乘客撥打緊急通話時，系統自動推送車廂內CCTV視頻畫面；全自動運行線路可直接選取列車，對列車進行喚醒、休眠等操控。

2）設備調度業務功能

設備調度主要負責監控電力監控系統，綜合監控系統（火災自動報警系統、通風、空調、CCTV等）各設備的運轉狀態。

電力程控操作：可在全網、線路、區段等不同范圍內執行電力程控操作；可根據需要，自動或手動排除不投送的車站，實現全網統一送電操作。

設備監控功能：火災自動報警系統、通風、空調等其他設備監控主要在車站層面進行操控。

5.2.3 車站信息界面功能

車站層主要實現本站各類設備運轉狀態的監控。

1）車站綜合信息顯示：按照運營關切的程度重構，將站內信息進行綜合顯示，以突出與乘客服務相關的運行數據，弱化系統運行狀態數據。界面信息主要包括照明、空調等系統運營模式，公共區、設備房、風道等安防等級，牽引用電、動力用電等實時能耗，公共區、設備房及室外的溫度、濕度和環境空氣質量，出入口扶梯水位，車站實時進、出站量等監控和報警數據。

電力程控操作：可在線路各站不同范圍內執行電力程控操作；并根據需要，自動或手動排除不投送的開關，實現按需送電。

2）設備監控功能：主要服務于車站工作人員，調度員也可按需獲取信息。車站信息以虛擬三維場景為主視角，GIS信息為輔助，將車輛運行、車站客流、環境設備等信息進行立體呈現，并可實現單個設備的點控。

6 建設重點難點

1）全場景架構規劃，分步實施落實

考慮運營管理模式的特點，滿足正常生產運營組織及應急指揮的需要，適應整體發展要求，全面考慮對現有及未來業務需求的支持。

考慮建設整體布局，結合軌道交通建設規劃，以生產管理建設為抓手，按照急用先行，先易后難，由點逐面的原則確定實施路線。

2）數據共享的同時保障網絡安全

對各信息系統進行統籌合理優化，推進業務應用系統集中整合，實現軌道交通信息互聯互通，提高業務應用、數據資產、信息基礎設施等資源利用效率，發揮智慧軌道交通信息資源整體效能。

統一遵循信息安全標準規范，積極防御，綜合防范，加強安全風險綜合防范能力。在考慮系統安全的情況下進行最大程度的資源整合和統一管理。

3）業務融合共享實現智慧協同

實現資源高效利用，基礎設備設施、數據資源共享，系統平臺集中設備、統一運營維護、綜合應用融合。

在信息數據、運輸調度、應急指揮、乘客服務、票務管理、資產管理、設備運維等多方面的智慧化，并支撐與軌道交通線路、市郊鐵路等多制式軌道交通的高效銜接，實現網絡化運營。

對軌道交通全生命周期業務領域全覆蓋，實行統一管控、分層精細化管理、精準維護、利于降本增效和智慧決策。

實現在多運營主體下的應急指揮、票務管理、運輸調度、乘客服務等多方面業務協同，發揮網絡化運營的最大效益。

4）規范標準建設促進平臺實施

統一標準體系框架，包括應用、互聯互通、信息安全、管理運行等標準，遵循國家及行業規范，或借鑒先進建設運營經驗，以保障信息化建設和管理合理有序開展。

7 結語

本研究提出了一套基于全時空多數據融合、全業務場景交互的運營調度指揮平臺建設思路和系統設計方案，以實現信息化、網絡化、數字化、智能化的線網調度指揮和設備集中管控。一是不僅能夠為城軌交通實現多維可視化的信息模型管理提供借鑒，而且有助于為城軌交通系統設備賦予感知能力和生命力；二是通過將運營調度管理信息和系統各對象狀態信息進行多維綜合顯示，將現場情況與時空浸入式平臺進行融合，實現所見即所得，所得即可管的效果；三是助力多線路集中管控創新型調度管理模式的建設，降低指揮協作成本和調度指揮復雜度。該平臺研究思路有助于打造網絡化運營的“最強大腦”，為城市軌道交通網絡化調度指揮系統建設提供借鑒。