地鐵智慧車輛段/停車場的核心特征與體系架構(gòu)*

劉增民

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司， 710043， 西安∥正高級工程師)

隨著國內(nèi)越來越多的城市逐步開啟全自動無人駕駛地鐵的建設(shè)，地鐵車輛段/停車場(以下簡為“車輛場段”)作為承擔車輛的運用管理、整備保養(yǎng)、檢查等工作，以及承擔定修或架修車輛檢修任務(wù)的基本生產(chǎn)單位，迫切需要新的能力與手段，使地鐵場段的生產(chǎn)管理和服務(wù)能力獲得增強，資源利用能力和生產(chǎn)要素組織能力獲得提升，有效信息資源空間獲得擴展，并為地鐵場段提供全方位、全壽命周期的發(fā)展方式。在此情況下，地鐵智慧車輛場段作為信息化與工業(yè)自動化高度融合的產(chǎn)物應(yīng)運而生。

1 地鐵智慧車輛場段的概念

地鐵智慧車輛場段的概念是全面而綜合的，應(yīng)從建設(shè)指導思想到生產(chǎn)架構(gòu)設(shè)計和管理運營體制等諸多方面進行考慮，不能過分強調(diào)信息化基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，而缺少信息的交流、整合、共享，以及信息的智能化分析、處理與利用。綜合“智慧”理念的發(fā)展源流，以及地鐵車輛場段生產(chǎn)管理運營信息化的實踐經(jīng)驗，可將地鐵智慧車輛場段的基本概念歸納如下：

地鐵智慧車輛場段是在工業(yè)自動化與信息化融合的背景下，圍繞改善地鐵場段生產(chǎn)、運營、管理等資源，綜合利用地鐵工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G(第5代移動通信技術(shù))、云計算等信息技術(shù)手段，結(jié)合地鐵車輛場段先進的管理理念，建立廣泛覆蓋和深度互聯(lián)的地鐵車輛場段信息網(wǎng)絡(luò)，對地鐵車輛場段的設(shè)施、設(shè)備、物料、人員等資源的多方面生產(chǎn)要素進行全面感知采集，并整合構(gòu)建協(xié)同共享的地鐵車輛場段信息網(wǎng)絡(luò)平臺，對采集的信息進行智能處理利用，從而為地鐵車輛場段的日常生產(chǎn)和資源配置提供智能響應(yīng)控制，為地鐵車輛場段的生產(chǎn)管理、設(shè)施管理、設(shè)備管理、物料管理、人員管理等提供智能決策依據(jù)及手段，為地鐵車輛場段管理提供智能信息資源及開放式信息應(yīng)用平臺。

2 地鐵智慧車輛場段的核心特征

地鐵智慧車輛場段的核心特征在于其“智慧”。若要實現(xiàn)“智慧”，需搭建廣泛覆蓋的信息采集網(wǎng)絡(luò)，建立協(xié)同的信息資源共享機制；地鐵智慧車輛場段信息資源的應(yīng)用以開放為特性，應(yīng)具有深度互聯(lián)的信息傳輸體系，擁有信息的智能分析處理能力，具備自我學習進步的功能。地鐵智慧車輛場段必須包含從地鐵場段信息的感知、采集、傳輸、共享、分析、處理到應(yīng)用的全過程，以形成一個完整的信息智慧循環(huán)。

2.1 信息采集覆蓋面廣

信息感知采集網(wǎng)絡(luò)是地鐵智慧車輛場段的基礎(chǔ)，任何一座地鐵場段擁有的生產(chǎn)、設(shè)施、設(shè)備、物料、人員等的信息資源都是海量的。為了及時、全面地獲取地鐵場段的信息，準確地判斷地鐵場段的狀況，地鐵智慧車輛場段的中心系統(tǒng)必需擁有與該場段各專業(yè)、全過程的各類生產(chǎn)要素交流并獲取所需信息的能力。地鐵智慧車輛場段的信息感知采集網(wǎng)絡(luò)應(yīng)覆蓋該場段的各種對象、時間、空間等各個維度，并能夠感知并采集不同種類、不同屬性、不同格式及不同密度的信息。同時信息感知采集網(wǎng)絡(luò)應(yīng)以地鐵智慧車輛場段系統(tǒng)的需求為導向，覆蓋地鐵場段全專業(yè)、全過程的各類生產(chǎn)、運營、管理等要素信息。

2.2 信息網(wǎng)絡(luò)交互程度深

地鐵智慧車輛場段的信息感知采集是以各種信息網(wǎng)絡(luò)，如工業(yè)以太網(wǎng)、傳感網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)等為基礎(chǔ)，要求該場段內(nèi)各種信息網(wǎng)絡(luò)形成高效連接，實現(xiàn)地鐵車輛場段信息的互聯(lián)互通，以及信息資源的綜合化與深入化。將各個獨立且自成體系的小型信息網(wǎng)絡(luò)連接成一個互聯(lián)互通的大型信息網(wǎng)絡(luò)，可以有效增加信息的交互程度，使信息網(wǎng)絡(luò)對所有組成生產(chǎn)要素對象的價值獲得全面提高，從而使信息網(wǎng)絡(luò)的總體價值顯著提升，并形成強大的吸收力，吸引更多的生產(chǎn)要素信息加入信息網(wǎng)絡(luò)，形成地鐵智能場段信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點擴充與信息量的增加及信息升值。

2.3 業(yè)務(wù)信息資源協(xié)同共享

在傳統(tǒng)的地鐵場段中，各種信息資源被各專業(yè)、各部門、各設(shè)備等之間的業(yè)務(wù)界限和堡壘所割裂，信息資源的構(gòu)架形式是零散、細碎的，形成了信息資源“孤島”現(xiàn)象。地鐵智慧車輛場段信息資源協(xié)同共享的目的,就是要破除這些業(yè)務(wù)界限和堡壘，形成一個具有綜合性、統(tǒng)一性的地鐵車輛場段業(yè)務(wù)信息資源體系，使地鐵車輛場段業(yè)務(wù)信息資源不再出現(xiàn)“孤島”現(xiàn)象，便于業(yè)務(wù)信息資源的有效利用。

通過地鐵智慧車輛場段的業(yè)務(wù)信息資源協(xié)同共享，地鐵車輛場段生產(chǎn)、運營、管理等任何一個生產(chǎn)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，均可在相關(guān)授權(quán)后運行相關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)業(yè)務(wù)，并對其生產(chǎn)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)進行實際操作，從而可以根據(jù)地鐵車輛場段生產(chǎn)運營管理系統(tǒng)的需要，使各類資源各負其責地發(fā)揮其最大的作用；使各專業(yè)、各部門、各設(shè)備等子系統(tǒng)中蘊含的資源，能夠按照地鐵車輛場段生產(chǎn)運營管理系統(tǒng)的需要協(xié)調(diào)統(tǒng)一調(diào)配，進而使該場段的整體作用大大優(yōu)于各專業(yè)、各部門、各設(shè)備等各個子系統(tǒng)簡單疊加的作用。

2.4 擁有智能分析處理的能力

地鐵智慧車輛場段擁有的數(shù)量繁多、組成繁雜的信息資源體系，是其決策和操作的基礎(chǔ)。該場段需要具有對所擁有的海量信息資源進行智能分析與處理的能力，這就要求地鐵智慧車輛場段智能系統(tǒng)能根據(jù)不斷接收的各種需求，對海量數(shù)據(jù)進行智能分析、判斷和預測，最終形成智能決策，并向相應(yīng)的執(zhí)行設(shè)備發(fā)出操作指令。

2.5 具備自我學習進步的能力

地鐵智慧車輛場段智能系統(tǒng)包括自我評價與監(jiān)控、目標設(shè)置與策略計劃、策略執(zhí)行與監(jiān)控及策略結(jié)果監(jiān)控等子系統(tǒng)。該智能系統(tǒng)通過自我評價與監(jiān)控系統(tǒng)能夠評價地鐵智慧車輛場段在某一項生產(chǎn)、運營或管理任務(wù)中的現(xiàn)有能力水平;通過目標設(shè)置與策略計劃系統(tǒng)分析任務(wù)、設(shè)置目標、計劃和改進學習策略;通過策略執(zhí)行與監(jiān)控系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)化的情境中使用某種策略，或在使用該策略的過程中監(jiān)控其精確性;最后通過策略結(jié)果監(jiān)控系統(tǒng)對所使用的每種策略結(jié)果的監(jiān)控、反思與修正，決定所選策略的有效性。學會對策略結(jié)果進行監(jiān)控是保證自我調(diào)節(jié)有效性的重要前提。

2.6 信息應(yīng)用以開放為特性

地鐵智慧車輛場段的信息應(yīng)用以開放為特性，智能處理不是信息使用過程的最終結(jié)果，亦不是停留在某專業(yè)或某設(shè)備部門對信息的掌控和分配上，而是搭建開放式的信息應(yīng)用平臺，使專業(yè)、設(shè)備、子系統(tǒng)等個體能為整個地鐵智慧車輛場段系統(tǒng)貢獻信息，使個體間能通過地鐵智慧車輛場段系統(tǒng)進行信息交互，能將處理后的各類信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給信息需求者，或?qū)刂平K端進行直接操作。這將充分利用系統(tǒng)的現(xiàn)有能力，極大豐富地鐵智慧車輛場段的信息資源，從而完成信息的增值利用。

3 地鐵智慧車輛場段的業(yè)務(wù)組成及體系構(gòu)架

3.1 地鐵智慧車輛場段的業(yè)務(wù)組成

地鐵車輛場段為車輛停放、運用、整備和檢修的基地，主要由生產(chǎn)生活房屋、機電設(shè)備、檢修工藝設(shè)備等組成，主要業(yè)務(wù)涵蓋數(shù)據(jù)管理、基礎(chǔ)信息管理、設(shè)備設(shè)施管理、車輛檢修管理及人員管理等。地鐵智慧車輛場段業(yè)務(wù)組成詳見圖1。

注:TCMS為列車控制與管理系統(tǒng)。圖1 地鐵智慧車輛場段業(yè)務(wù)組成示意圖

3.2 地鐵智慧車輛場段的體系架構(gòu)

3.2.1 地鐵智慧車輛場段體系架構(gòu)的搭建目標

地鐵智慧車輛場段體系構(gòu)架搭建的目標主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 構(gòu)建融合發(fā)展的車輛場段數(shù)據(jù)平臺。通過融合各專業(yè)、各部門及各種設(shè)備等的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，提供快速、靈活、準確的數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用擴展能力，以及精確的業(yè)務(wù)服務(wù)，解決海量信息數(shù)據(jù)的采集、處理及應(yīng)用分析挖掘，形成持續(xù)的數(shù)據(jù)整合和應(yīng)用能力，以完成基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的地鐵智慧車輛場段的業(yè)務(wù)優(yōu)化。

2) 構(gòu)建安全、可靠的車輛場段運行平臺。通過共享信息資源的方式統(tǒng)一管理信息資源，提供一個供給彈性和高可靠性的應(yīng)用運行平臺環(huán)境，滿足地鐵車輛場段業(yè)務(wù)應(yīng)用及高并發(fā)用戶的訪問需求。

3) 構(gòu)建能夠持續(xù)迭代的車輛場段開發(fā)平臺。通過開放與標準化的開發(fā)架構(gòu)，向車輛場段內(nèi)各專業(yè)、各部門、各種設(shè)備及業(yè)務(wù)運行提供持續(xù)迭代的應(yīng)用開發(fā)能力和開發(fā)生態(tài)圈，以滿足未來對車輛場段業(yè)務(wù)變化的快速響應(yīng)。

4) 構(gòu)建便捷、泛在的車輛場段網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。通過各種通信連接方式，實現(xiàn)感知層基礎(chǔ)設(shè)備至車輛場段、車輛場段至地鐵運營控制中心、控制中心至線網(wǎng)的信息傳送和交換,為地鐵智慧車輛場段提供泛在、隨需、極簡且更為靈活的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

5) 構(gòu)建安全、綠色的車輛場段基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境。基于虛擬化和分布式存儲、并行計算、負載調(diào)度等技術(shù)設(shè)置統(tǒng)一的車輛場段基礎(chǔ)設(shè)施資源池，為智慧車輛場段各專業(yè)、各部門的各項業(yè)務(wù)提供彈性調(diào)度、按需分配的基礎(chǔ)架構(gòu)資源服務(wù)。

6) 構(gòu)建協(xié)同的地鐵車輛場段行業(yè)技術(shù)組件庫。匯聚協(xié)同統(tǒng)一的智慧車輛場段通用技術(shù)組件和通用AI(人工智能)技術(shù)組件，為上層業(yè)務(wù)應(yīng)用提供基于行業(yè)技術(shù)的組件庫，以及快速拼裝業(yè)務(wù)能力，以提高應(yīng)用開發(fā)的交付速度。

3.2.2 地鐵智慧車輛場段體系架構(gòu)的設(shè)計

地鐵智慧車輛場段架構(gòu)主要是以云為核心，通過網(wǎng)的按需連接，實現(xiàn)對終端、資源、數(shù)據(jù)及主題的匯聚集成與優(yōu)化配置，最終解決多類設(shè)備接入、多源數(shù)據(jù)集成、海量數(shù)據(jù)管理與處理、數(shù)據(jù)建模分析、業(yè)務(wù)應(yīng)用創(chuàng)新與集成、知識積累迭代實現(xiàn)等一系列問題。該架構(gòu)由6個層面、2大體系組成，主要實現(xiàn)對生產(chǎn)調(diào)度、安全生產(chǎn)、內(nèi)部管理、對外服務(wù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的全面支撐，如圖2所示。

3.2.3 地鐵智慧車輛場段體系架構(gòu)的特點

地鐵智慧車輛場段體系架構(gòu)具有以下特點：

1) 具備各類信息資源和數(shù)據(jù)共享的特點。提供應(yīng)用功能信息資源池和數(shù)據(jù)資源池，能為各專業(yè)、各部門應(yīng)用系統(tǒng)提供功能與數(shù)據(jù)的貢獻和分享能力，可減少應(yīng)用系統(tǒng)的重復功能開發(fā)，同時提供綜合分析和展現(xiàn)能力。

2) 具備開放的特點。可將各專業(yè)技術(shù)和業(yè)務(wù)能力沉淀，具備對各種業(yè)務(wù)變化及創(chuàng)新的快速響應(yīng)能力，對于應(yīng)用開發(fā)、應(yīng)用管理、打破應(yīng)用豎井和業(yè)務(wù)壁壘有著深遠影響。

注:MES為生產(chǎn)信息化管理;SCADA為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng);EDP為電子數(shù)據(jù)處理;PIS為乘客信息系統(tǒng);HTTP為超文本傳輸協(xié)議;MQTT為即時通信協(xié)議;OPCUA為工業(yè)通信協(xié)議;ETL為抽取、轉(zhuǎn)換、加載。

3) 具備可持續(xù)迭代優(yōu)化的功能。系統(tǒng)采用微服務(wù)架構(gòu)，未來其共享功能將不斷被重復調(diào)用，各類關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)系統(tǒng)也將不斷優(yōu)化和完善，具備可持續(xù)迭代優(yōu)化的能力。

4 結(jié)語

地鐵智慧車輛場段的概念和特征是動態(tài)的。隨著地鐵智慧車輛場段的生產(chǎn)、運營、管理等實踐的不斷改進，其概念和特征的內(nèi)涵和外延也將在發(fā)展中不斷變化、豐富和完善。本文主要探討了地鐵智慧車輛場段的概念、核心特征及體系構(gòu)架，以期對地鐵車輛場段未來的智慧化發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。