地鐵線網指揮中心級運營調度系統架構設計

劉曉蘭,劉 琴

(南京國電南自軌道交通工程有限公司,江蘇 南京 210000)

0 引言

根據中國城市軌道交通協會《2022年度統計分析報告》,截至2022年年底,國內共有55座城市開通運營軌道交通線路308條,已累計建成投入運營線路10 287.45 km。目前,已有26個城市的線網規模達到100 km及以上,尤其以上海936.17 km、北京868.37 km兩市運營規模在全國領先,已逐步形成超大線網規模。隨著各大城市線網規模的不斷擴大,網絡化運營是城市軌道交通發展的必然結果。

目前,地鐵綜合監控系統所集成的系統或者專業,僅限于某一條地鐵線路,數據集成及信息共享水平低,缺乏地鐵全線網的互聯互通及信息共享,不具有與各控制中心及各運行主體、各線路運行協同的功能。同時,部分城市運營管理權分散在不同的運營商手中,缺乏運營協調機制,不利于線網日常運營及突發事件的協調反應,也無法有效體現軌道交通的整體服務水平。

地鐵線網指揮中心級運營調度系統通過對線網行車、客流、供電、設備、視頻、報警實施全面的集中監視,加強協調管理,全線跨業務的數據整合共享,并提供靈活的數據查詢功能、強大的數據分析和挖掘功能,以滿足線網指揮中心開展各項業務的需求,提高線網綜合化運營管理水平。為了緊隨城市軌道交通網絡化發展的趨勢,滿足城市軌道交通車站及設備的多樣性、運營單位管理模式多樣性需求,本文以綜合監控系統為基礎,深入剖析了地鐵線網指揮中心級運營調度系統組成原理,設計了一套地鐵線網指揮中心級運營調度系統架構。

1 地鐵線網指揮中心級運營調度系統背景

國外發達城市,線網指揮中心級運營系統建設較早,同時都建立了完善高效的線網智慧平臺系統和線網管理組織機構。各城市地鐵線網控制中心都具有對線路機電、電力和行車等的控制功能,強化了線網的集中指揮調度及應急處理能力,趨向于取消線路控制中心,主要采用線網中央調度和區域中心二級管理模式。隨著經濟的發展,網絡信息技術、數據傳輸技術和計算機技術在地鐵線網運營調度系統上得到了廣泛的應用。目前,國內各大城市開展或正在開展線網運營調度系統的建設工作,其中以廣州地鐵三號線綜合監控系統為代表,標志著單線路地鐵機電系統的全面深度集成,為線網級指揮系統的集成奠定了基礎。

目前總體的技術發展趨勢是高度集成統一的技術平臺、高可靠的冗余技術、高速的網絡技術、滿足運營管理需求的業務驅動和加速系統開發部署的中間件技術。與此同時,仍存在前期規劃與需求調研不充分、標準規范不統一以及系統深度集成局限性等不足,只實現了全線部分重要設備或者故障報警信息的接入,甚至只能通過復視的方式實現在調度中心對線路的狀態監視,無法實現全網所有線路設備狀態信息、行車、客流等數據的集成。

2 地鐵線網指揮中心級運營調度系統架構設計

2.1 系統架構原理

地鐵線網指揮中心級運營調度系統在線網指揮中心平臺具有中央協調功能,以及運營指揮、綜合監視、運營協調等職能。

本系統通過整合各線路ATS信號系統、各線路設施設備綜合監控系統(ISCS)、各線路票務清分系統以及路網CCTV系統的數據和信息,同時接收和整合路網乘客信息系統(NPIS)的數據和信息,在匯聚、整合、聚類各系統數據的基礎上進行綜合展示,以完成線網層面的行車、客流、供電、設備、視頻的實時聯動綜合監視;在指揮中心建立數據倉庫平臺對全網歷史數據進行統一管理,并在數據倉庫支持下完成報表、報告、指標計算、模式分析、評估分析等數據業務應用。

2.2 設計原則

根據系統的功能定位及使用需求的分析,地鐵線網指揮中心級運營調度系統架構設計的主要原則包括以下幾點。

(1)圍繞列車運行安全穩定、地鐵經營效率提高、機電設備運轉良好、旅客服務完善等目標進行設置。該系統需具備線網運營數據管理、線網日常行車協調指揮、線網電力調度管理中心、線網機電設備調度、線網運營信息統計分析等功能。

(2)采用先進的計算機網絡構建硬件平臺,配備網絡管理系統對網絡進行性能管理、配置管理和故障管理。采用先進的計算機集成系統軟件體系架構,適應軌道交通發展的需要,具備完善的人機界面體系支持線網運營調度功能的實現。

(3)為開放系統,硬件設備通信接口、網絡協議、數據庫等均采用國際或國內標準,具有較強的擴展能力,并提供較廣闊的集成平臺,能接入其他系統,也能對軌道交通建設中新出現的項目進行集成,還具有集成第三方設備和軟件的能力。

(4)采集所含線路的全部信息,滿足線網監控管理需求,且線路信息共享程度應盡量深入,但功能實現為漸進式,系統總架構為可擴展式。

2.3 總體架構

地鐵線網運營調度系統平臺采用開放式的體系結構,總體架構如圖1所示。

圖1 地鐵線網運營調度系統總體架構

線網指揮中心級運營調度系統是在軌道交通通信網絡和硬件資源的基礎上,具有實用性、開放性和技術延伸性的信息系統。系統的總體邏輯架構從上至下分別為業務組件層、基礎服務層、支撐平臺層和接入平臺層。系統在邏輯架構的基礎上實現信息的定制化處理,并采用權限管理策略,為工作人員分配角色和權限。

2.3.1 接入平臺層

軌道交通業務中的綜合監控系統庫、客流管理庫、票務管理庫、設備管理庫、能耗管理庫等,通過數據服務平臺,使用集成技術,實現不同類型信息的整合處理,形成可用于運營調度、統計分析、開發測試、網絡管理、培訓仿真等業務數據資源庫

2.3.2 支撐平臺層

支撐平臺層為線網運營調度系統提供正常運行的軟件支持環境,包括地理信息GIS平臺、信息分析平臺、其他業務系統搭建、業務組件交互的中間件平臺,用于實時數據管理的實時數據管理平臺和用于各類離線和近線數據管理的數據倉庫平臺等。

2.3.3 基礎服務層

基礎服務層為線網系統提供歷史數據管理、計算服務、報警管理、容錯管理等一系列功能服務,便于功能服務組件的獨立升級,同時減少無關聯性組件之間的不必要交互。

2.3.4 業務組件層

該層直接面向用戶,為用戶提供各項功能應用,包括報表管理、報告、行車監察、供電監察、通信監察、客流監察/誘導、機電監察等。

3 技術架構

本系統涉及通信技術、數據倉庫技術、數據交換與分發技術,調度監控技術,數據庫技術、ETL技術、多維計算技術、Web技術等多種技術。下文將結合系統總體架構方案,對總體架構各層所涉及的技術方案進行具體描述。

3.1 數據接入層

線網運營調度系統的接入數據按照時效性可分為實時數據、近線數據、離線數據。從數據類型上又可分為從線路綜合監控、各專業系統、AFC以及其他系統上傳的結構化數據,以及視頻、音頻、文檔等非結構化數據。為滿足上述不同類型的數據接入需求,數據接入層擬采用如下技術實現。

(1)實時規約通信:實時規約通信技術是傳統點對點通信技術手段,在本項目中可用于實時結構化數據采集。

(2)消息中間件:消息中間件基于隊列與消息傳遞技術,為平臺提供同步或異步、高效可靠的消息傳輸,并基于數據通信完成分布式系統的集成。采用排隊和消息傳遞模型,實現在分布式環境下擴展進程間的通信。

(3)ETL技術:ETL技術詳細描述了數據從抽取到轉換、加載直至完成的全過程。ETL使用于近離線結構化數據的接入,通過ETL過程可實現所需數據的抽取,通過數據清洗,獲得有效數據,將數據處理成符合預先定義好的數據倉庫模型并加載到數據倉庫中。

(4)FTP技術:該技術用于網絡上的控制文件的雙向傳輸。本項目中非結構化數據主要通過FTP技術實現數據的接入功能。

3.2 支撐平臺層

如上文所述,總體架構中運行支撐平臺提供了線網運營調度系統能夠正常運行的軟件支持環境。該層涉及的技術如下。

(1)實時數據庫技術:實時數據庫是實時數據管理的核心,正常情況下,數據接入層采集的所有實時數據都保存在實時數據庫中,并依賴于實時數據庫進行實時報警、實時計算、實時畫面等業務應用的開發。

(2)數據倉庫技術:本項目擬采用數據倉庫技術對線網近線及離線數據進行統一管理,提高數據的利用率以及發現數據的價值。

(3)備份與恢復技術:數據備份/恢復技術是為了防止數據的失效、數據的丟失等事件的發生,就必然要考慮數據的有效保護方式備份。本項目擬采用數據備份/恢復技術實現系統備用中心與主中心的數據同步和數據恢復功能。

(4)GIS技術:在本項目中,借助GIS技術可以實現線網線路走向、車站位置等靜態信息以及客流量、設備運營參數、車輛位置等動態數據在真實的地理信息圖上的展示,有助于調度人員更加直觀地掌握線網的運營狀態。

(5)BI技術:本項目中擬基于BI技術,對地鐵線網運營數據進行深度整合和挖掘分析,提供輔助決策依據,以直觀豐富反映線網運營情況。

3.3 服務層

系統服務層包括基礎服務層和業務服務層兩部分,用于提供線網運營調度系統能夠正常運行的基礎服務組件以及面向業務的系統服務組件,涉及的技術如下。

(1)SOA框架技術:系統服務層將基于SOA框架技術開發,服務層中所有的基礎及業務服務都被劃分(組件化)為一系列業務服務組件和業務流程,基于標準接口實現交互與集成。組件的分離意味著不同業務領域的人員可以獨立地設完成各自的部分,提高了工作效率,且任何非關鍵組件的故障都不會對其他業務服務組件產生影響。

(2)負載均衡技術:負載均衡技術即把用戶負載壓力根據某種算法合理分配到集群中的每一臺計算機上,以減輕主服務器的壓力,降低對主服務器的硬件和軟件要求。同時由于將用戶請求均衡地分發到不同的應用服務器實現并行計算,可以減少應用等待時間,提高處理效率。

(3)冗余容錯技術:冗余容錯技術用于保證系統平臺的穩定可靠運行。系統中所有的進程、服務都分布運行在不止一個硬件節點上,當系統中發生硬件或進程服務的故障時,其余節點的進程服務可迅速接管故障節點,保證系統穩定運行。

3.4 信息展示

本項目擬采用B/S架構,所有的信息展示都將通過Web瀏覽器實現。

(1)Websocket:該協議是基于TCP的一種新的網絡協議,實現了瀏覽器與服務器全雙工通信。本項目基于Websocket技術對實時監控功能進行開發實現。

(2)Ajax技術:本項目中除實時監控業務功能外,其他業務信息查詢獲取都將采用交互式網頁應用的網頁開發技術Ajax實現。

(3)ExtJs技術:本項目采用具有現代UI的桌面應用程序開發平臺ExtJS,通過Ajax框架創建風格多樣、功能豐富、界面美觀、輕量級的UI界面。

4 結語

地鐵線網指揮中心級運營調度系統,用于反映城市軌道交通網絡的狀態,對網絡中所有線路、設備實施全面的集中監視和管理,加強協調管理,實現資源共享,最終提高運營效益。本文對地鐵線網指揮中心級運營調度系統進行深度剖析,設計了一套更加深層次的系統架構,能夠提供靈活的數據查詢功能、強大的數據分析和挖掘功能,滿足線網指揮中心開展各項業務需要,對提高地鐵網絡化運營管理水平和運營效益具有重要意義。