智慧轨道交通信息化与装备重点实验室规划设计研究

◆娄飞鹏 刘海东 李罡 郑雷 安俊峰

智慧轨道交通信息化与装备重点实验室规划设计研究

◆娄飞鹏1，2刘海东1，2李罡1，2郑雷3安俊峰1，2

（1.济南轨道交通集团有限公司 山东 250014；2.山东省智慧轨道交通信息化与装备重点实验室 山东 250014；3.积成电子股份有限公司 山东 250100）

为了开展大数据、云计算、人工智能、物联网、5G等新一代信息技术产品、设备（软、硬件）在地铁领域的集成测试，进而为新技术在正线应用提供可行性技术依据，济南轨道交通集团筹划搭建基于智慧城轨云平台的信息化与智能装备实验室测试平台（以下简称“测试平台”）。以云平台为底座，对城轨运营核心业务系统包括全自动运行系统（以下简称“FAO”）进行测试，开展FAO系统架构与云平台的兼容性测试及研究，以适应当前城轨智慧化发展趋势。

智慧轨道交通；信息化；全自动运行

当前，随着经济的快速发展，我国城市轨道交通事业正处于黄金发展时期。根据《中国城市轨道交通行业发展报告（2020）》发布的信息，截至2019年底，全国线网规划总里程达34850公里。2020年3月12日，中国城市轨道交通协会发布了《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》，为我国今后一个时期城市轨道交通高质量建设、智慧化发展指明了方向。随着我国加大推进“互联网+城市轨道交通”战略，城市轨道交通向着网络化、信息化、智能化的方向发展。面对轨道交通新技术应用的发展趋势，如何建立轨道交通建造、运维与装备技术的新模式，提高信息化水平，保证城市轨道交通安全、绿色、可靠、高效、低成本运营，是值得城市轨道交通相关企业思考的重要课题。

随着云计算、大数据、物联网、人工智能、5G、卫星通信、区块链等新兴信息技术的飞速发展，京沪穗等先行城市的智慧车站建设已经起步，智慧车站建设得到国家和行业的高度重视。依托新技术新设备，车站的运行已向场景化的全自动运营转变，车站服务也随着智能技术及产业的成熟与应用，逐步向灵活、多样、便捷、智能化转变，车站的内部管理向科学、高效、精细化转变，因此推动智慧车站建设与普及也显得尤为重要。

UITP（国际公共交通协会）统计数据显示，截至2018年底，全球已有42个城市开通运营64条里程达1026公里的FAO线路，后续75%在建新线、40%的既有线改造将采用FAO技术，预计到2025年，全球采用FAO技术的线路将达到2300公里。中国北京、上海、香港等已开通FAO线路，全国12个城市规划、建设FAO线路达1150公里。济南轨道交通2号线也采用了GOA4等级全自动无人驾驶技术，并于2020年底开通。

随着全自动驾驶技术的广泛应用，灵活的行车组织、精准的运能投放将得到进一步提升；大数据挖掘技术的深入，乘客行为辨识和预判能力，安防效率将得以提升；云闸机、云购票及无线网络技术的广泛应用，将实现大数据智能票务服务。未来十年，城市轨道交通还将持续新的建设和运营浪潮，随着常规客流量的快速攀升，轨道交通车站数量的快速增加，各类技术装备数量激增，信息化系统日益庞大，给轨道交通运营和日常维保带来了巨大压力和不确定性，对轨道交通建设、运维及装备技术水平也提出了更高要求，也给轨道交通建设和运维产业开辟了极其广阔的发展空间，并带来了良好的发展机遇。智慧赋能建设、运维、装备的高潮正在来临。

为了开展大数据、云计算、人工智能、物联网、5G等IT前沿技术产品、设备（软、硬件）在地铁领域的集成测试，进而为新技术在正线应用提供可行性技术依据，济南轨道交通集团筹划搭建基于智慧城轨云平台的信息化与智能装备实验室测试平台（以下简称“测试平台”）。以云平台为底座，对城轨运营核心业务系统包括FAO系统进行测试，开展FAO系统架构与云平台的兼容性测试及研究，支持济南地铁相关全业务上云调试及验证，包括功能、性能、灾备和故障等相关测试。提供数据平台，规范各业务的数据接口。验证数据应用及相应的智慧应用，展示济南轨道交通智能智慧系统研究建设成果，满足运营正常培训及各种故障和异常情况培训需求，以适应当前城轨智慧化发展趋势。

1 测试平台系统架构

1.1 平台架构

城轨云平台架构设计符合《智慧城市轨道交通信息技术架构及网络安全规范》（T-CAMET 11001.2-2019），设置主用中心、灾备中心和站段云平台，网络架构分为安全生产网、内部管理网、外部服务网3个网域，满足ATS、ISCS、PIS等生产业务系统上云或在云平台纳管。在安全生产网中承载大数据平台，用于业务间数据共享及挖掘。

测试平台与主用中心、灾备中心网络架构一致，具备双中心结构，安全生产网核心交换机及防火墙均采用冗余配置、集中存储方案。

为了与正式环境部署保持一致性，要求平台软件运行环境应尽量模拟正线平台软件实际运行环境，测试平台VDC划分原则与生产中心一致、资源分配与生产中心一致、IP配置与生产中心一致、测试业务应与云化业务一致。

1.2 测试业务范围

业务测试范围如表1所示。

表1 业务测试范围

序号专业业务分类容灾需求资源池 1信号（ATS）安全生产网应用级专用 2综合监控系统安全生产网应用级共享 3AFC安全生产网应用级共享 4乘客信息系统安全生产网应用级共享 5时钟系统安全生产网应用级（网管）共享 6广播系统安全生产网应用级（网管）共享 7集中告警安全生产网应用级共享 8大数据平台安全生产网无专用 8视频监视系统外部服务网应用级（不含存储）共享 9公务电话系统外部服务网应用级共享

1.3 FAO最小系统架构

按照“硬件最小化，功能最大化”的最小系统思想，测试平台以FAO为技术核心，提取城市轨道交通生产系统中的核心设备和典型设备作为最小系统的雏形，选取功能和接口全覆盖的最小子集作为最小系统的首选模型，采用功能接口全部预留和增量式的整体架构，按照仿真设备、真实设备和信号外围设备结构进行设计，可模拟全自动运行系统各种运营场景，实现对信号系统、综合监控系统、车辆（TCMS）、通信系统（包括CCTV）的接口集成和功能确认测试。

以全自动运行系统中的核心设备和典型设备为基础，以信号系统作为纽带，通过与车辆、通信（包括CCTV）、综合监控等其他系统共同配合，实现全自动运行系统需求，搭建FAO最小系统测试平台，以实现对核心系统间接口、全自动联动功能的充分测试验证，全自动运行集成测试平台组成如下所述。

（1）测试系统

信号系统：信号系统用于列车进路控制、列车间隔控制、调度指挥、维护管理等，是保证列车运行安全，实现行车指挥，提高运输效率的关键系统设备，信号系统包含CI、ZC、ATS、VOBC和DCS等设备及相关仿真设备，完成与车辆TCMS系统、综合监控系统、广播系统、PIS系统的接口调试和联动功能测试。

车辆系统：车辆系统主要为TCMS、车载广播系统接口设备及配套仿真，主要针对车辆全自动运行相关的部件构建测试，模拟车辆及其子系统的运行原理，完成车辆全自动运行控制仿真及功能测试验证。此部分预留真实车辆系统接入条件，也可使用信号仿真代替，保证实验室测试阶段完成与信号系统、通信系统的接口测试和联动功能测试。

通信系统：通信系统包括CCTV、广播、PIS、时钟等，鉴于实验室集成测试阶段偏向接口协议测试，此部分可使用仿真模拟。基于全自动运行系统对列车状态信息、控制命令、车厢内语音和视频信息、远程遥控信息传输的需求，在实验室构建仿真通信系统，满足综合监控系统和通信系统间实验室集成测试要求。完成与信号系统、综合监控及车辆的接口调试和联动功能测试。

综合监控系统：综合监控系统用于设备故障、列车火灾等突发情况下设备联动以及调度员突发事件处理状况下的任务和决策过程，整合ATS、PSCADA、BAS、FAS、门禁、水位、人防门等系统的信息，在实验室完成对实时接收列车自诊断信息、列车紧急情况的检测与监督、防灾报警等。包括PSCADA、BAS、FAS等系统的信息（仿真信号），完成与信号系统、广播系统、CCTV系统、乘客信息系统的接口调试及联动功能测试。

站台门系统：站台门系统用于接受信号系统指令或列车司机确认后控制活动门开关，全自动运行系统站台门与信号系统间增加对位隔离功能，可实现进站时故障车门对应站台门不开启或故障站台门对应车门不开启。测试平台预留站台门真实接口接入条件，同时信号仿真支持模拟站台门测试，可保证系统设计和实现满足全自动运行系统要求。

（2）测试环境

仿真设备主要为信号仿真，包括车载仿真（驾驶台仿真器、列车控制模型、TCMS仿真器等）和地面仿真（轨旁仿真器、IO仿真器、CI仿真器、ZC仿真器等），是实现系统实验室联动，模拟真实运行场景的基础。信号仿真具备完备的功能接口测试与故障注入功能，可实现所有典型运营场景全覆盖，所有被测系统功能全覆盖，所有被测数据全覆盖，最终达到提升测试质量，缩短现场测试时间，提高运营交付质量的目标。

1.4 资源需求

系统容量应能保证单线所有系统进行功能测试及互联互通测试，或两个系统同时进行性能测试，系统预估容量如表2所示。

表2 系统容量预估统计表

系统名称位置vCPU（主）内存/G（主）存储/G（主）vCPU（备）内存/G（备）存储/G（备）备注 ATS/TIAS生产网25651218000256512180000数据库：裸金属*2（主中心） ISCS生产网5121600256005121600256000数据库：裸金属*4（主中心） AFC生产网5122048200005122048200000数据库：裸金属*2（主中心） PIS生产网28844810000---数据库：裸金属*2（主中心） 门禁生产网1281925000--- 专用电话生产网1281925000--- 集中告警生产网48963000--- 数据挖掘生产网128256500---裸金属*3，本机存储应>60T 互联网售票外服网1282561000012825610000 CCTV外服网25651220000---视频存储<20T 公务电话外服网48965000--- 总计243262081221001408441673600灾备存储可根据需求增加

2 设计原则

2.1 计算、存储资源

2.2 网络安全

网管部署在运维管理网；网络设备除接口设备外均为单网，接口设备与线网一致的冗余设置；主备中心之间，中心—站段之间，采用光纤直连方式；安全设备按照最小需求配置核心防火墙、核心NIP开启防病毒能力、云主机防病毒、UMA、网闸，不设边界防火墙；暂不考虑标记及安全强访；站段仅用于业务系统汇聚。

2.3 云管、云桌面

云平台暂不考虑多厂商平台集成；云管系统均部署在运维管理网；操纵终端暂定采用云桌面形式，涉安功能不在云平台上承载，使用物理机形式。

2.4 系统功能

云平台和大数据平台作为FAO相关业务系统（ISCS、ATS、ACS、PIS、CCTV、AFC、公务电话）承载平台，验证云平台的兼容性、稳定性，各家业务系统在云平台上的兼容性、系统间的接口与联动、性能和灾备能力，以及验证业务系统和大数据平台间接口及大数据平台数据挖掘处理能力。对城轨运营核心的FAO全自动系统进行测试，验证接口、功能指标是否符合FAO要求，开展FAO系统架构与云平台的兼容性测试及研究，以适应当前智慧城轨发展的态势。

3 实验室布局规划

实验室分为展厅、报告区、办公区、设备区、中心区、车站区、会议区、待测区、运维培训区、检测区、工具间等，其中，模拟驾驶舱区是用于放置模拟驾驶台，开展驾驶员技术培训；中心区、车站区、待测区、检测区是用于新技术软硬件相关区域的测试。

3.1 设备区

平台仿真、车站服务器设备和控制中心设备均上云部署。控制中心层主要由中心ATS设备、DSU设备、大屏显示设备等设备组成。

设备区主要是放置平台设备，采用机柜布置方式，包括云平台设备机柜、中心网络机柜、中心ATS（列车自动监督）测试机柜、车站ATS测试机柜、VOBC（车载控制器）测试机柜、CI（计算机联锁）测试机柜、仿真设备测试机柜、ZC（区域控制器）测试机柜、DSU（数据通信系统）机柜、ZC机柜等，每个机柜单独设置空开模块，合理走线，提升美观度、安全性。配备电源屏，实现对整个测试平台所有设备的电力供给。

3.2 中心区和车站区

车站设备层主要用于在实验室内搭建一个与现场实际车站架构一致的环境。主要包括ZC设备、CI设备。平台仿真层主要包括轨旁仿真器，车载适配器等，用于模拟轨旁的信号设备，如道岔、应答器、计轴、信号机等设备，以及对车载设备进行适配控制等。车载设备层主要包括真实VOBC设备、MMI等。

中心区主要配备大屏显示、调度工作台等，用于事故回放、系统升级、维护、培训等，通过进行软件和数据的配置，实现所有线路的仿真测试和单一集中站实际设备的系统测试与集成测试，降低了现场调试安全风险，减少了现场测试工作量，为运营维护提供技术支撑。

3.3 检测区

检测区按照检测对象分为集成检测区、系统检测区、硬件检测区、安全检测区。系统检测区用于单系统软件测试；硬件检测区用于硬件产品、设备测试；安全检测区用于安全硬、软件测试；集成检测区用于硬、软件与云平台集成测试。

数学方法变题主要指对于同一数学问题从不同的角度寻找不同的方法解决，常见的有图形方法变题和代数方法变题。

4 实验室管理体系

4.1 运行管理

实验室实行理事会领导下、学术委员会监督下的主任负责制和岗位责任制，在实验室主任领导下自主组织开展实验室科研、学术活动。实验室主任全面负责科研、学术活动的组织、人员聘任、财务开支、行政管理等工作。

实验室实行“开放、共享、合作、竞争”的运行机制。为保证实验室的正常运行，充分调动科技人员的积极性，在管理方面，重点实验室建立了相对完善的规章制度，对人、财、物、科研及服务等进行全面管理。制定《重点实验室管理制度》《重点实验室科技奖励管理办法》《重点实验室知识产权管理办法》《重点实验室技术交流与合作管理办法》《重点实验室科研管理办法》等一系列技术创新管理制度，以规范实验室的各项行为。

根据需求，每年列支一定比例的科研经费用于科技创新工作，积极研究和开发有利于降低建设成本、提高可靠性、提升运营维护效率、增强乘客黏度的新技术。

对科技人员的使用实行聘任制，主要依据科技人员工作绩效，采取双向选择、择优聘任，与被聘任人员签订《技术服务协议书》，明确工作内容。

4.2 开放交流

实验室利用依托单位的优质技术队伍和优良的教学资源条件进行相关专业技术培训。建立技术推广和咨询服务站，充分发挥科技人才、技术和实验设备的作用，接受访问学者或合作研究人员。

按照轨道交通智慧建造、运维及装备技术研发方向组建若干科研团队，依托济南轨道交通实际建设项目及一流工程实验条件，积极吸引国内同行业技术人才进行交流，培养出高质量技术人员和管理人员，建成国内轨道交通产业技术人才研究培养的重要基地。

选择一批实践能力和创新能力较强、基础条件较好的实验平台，投入一定经费，给予重点扶持，开放实验技术平台，面向社会开放运行，积极为同行业提供技术与咨询服务。积极承担委托任务，以承担实施课题或横向课题的形式，承接国家、行业、部门、地方、企业、科研机构委托或下达的轨道交通产业技术研究开发课题。根据我省轨道交通产业的发展和需求，以现阶段轨道交通行业存在的问题及关键性技术难题为主要的研究对象，设立若干开放课题，吸引优秀人才开展合作研究。

4.3 组织体系

（1）理事会

理事会是重点实验室的决策机构，负责聘任实验室主任、副主任，确定发展方向和重大项目，审议、批准财务预算等重大事项。

（2）学术委员会

学术委员会是重点实验室的学术指导组织，职责是审议重点实验室的目标、研究方向、重大学术活动、年度工作计划和总结。由国内外轨道交通及信息技术相关领域的著名专家组成，其成员由依托单位提名，重点实验室主任聘任。

（3）实验室主任

主持实验室全面工作，其职责是执行理事会制定的决策和决议，负责实验室建设与发展规划、日常事务管理，聘任各部室负责人及科研人员，组织业绩考核。

（4）办公室

负责对外联络、科研项目合同、总结汇报、验收与鉴定；协助重点实验室主任贯彻理事会决议精神，负责档案管理、财务管理、人事管理、法律咨询、后勤保障等工作。

（5）技术研发部

负责技术调研，制定软件与信息安全测试的标准、规范、规程，执行实验室的技术攻关，开展关键技术测试、验证研究，出具软件与信息安全测试评价报告，输出科研成果。

（6）培训交流部

培训交流部的主要工作包括：利用实验室的人才优势，为本集团和行业内其他企业培训高质量的专业技术人员；负责国际国内学术交流、国内外专家聘任。

4.4 实验室能力

实验室人员主要由以下几类人员构成：

（1）协调管控类：在单位领导下，负责具体的技术管理协调；根据科研工作发展规划，组织筹备研究项目的设备等工作；制定和落实单位科研办公室管理制度和科研办公室管理标准；负责科研资料的归档管理工作；完成领导布置的其他工作。能力要求有一定轨道交通行业工作经验，办公自动化熟练应用。

（2）平台维护类：主要负责实验室平台的正常运行，包括机房维护（电源、空调、工程等）、平台IT系统维护、平台网络维护、平台安全平台维护等。能力要求有一定的平台运维经验，计算机相关专业。

（3）测试管理类：主要负责研究、制定测试规程，开展新产品软、硬件测试、验证，输出测试成果；相关课题科研项目申报。能力要求有轨道交通行业测试相关实践经验，计算机、通信、自动化相关专业。

（4）各专业的辅助人员。

5 结束语

通过测试平台，对轨道交通行业最先进的技术及最新成果的探索性应用，预期可以实现以下目标：一是统一平台，线网级、线路级、站段级应用均在一个统一平台下部署，为后续的数据共享、智慧应用提供了应用基础；二是完整的信息安全架构，建设一个完整企业信息安全架构，将生产运营、企业管理、客户服务等所有业务进行全面的统一保护；三是整合车站的机房空间、电力、环控、消防、IT等资源，进一步提升资源利用率、降低成本；四是提升数据的共享及利用率，面对大量基于业务的数据分析，能够共享业务数据，使数据的利用率提高，更好地服务企业管理；五是FAO核心技术及设备的测试与验证，对按照FAO信号系统规范研制的信号系统设备进行需求符合性验证。

未来五年内，实验室将结合轨道交通建设项目完成各项研究内容的落地实施，保证实验室良好运转，完成科研开发、技术转化等重要任务。增强实验室的软硬件设备投入，不断完善实验室的硬件条件，完成实验室的网站建设工作。同时加强实验室的人员培训，不断强化研究人员自身素质、增强自我创新能力。积极借鉴和吸收国外先进的成果，为引进、消化、再创新打好基础。通过寻求市场化、合理化的融资方式扩大对实验室的条件设施建设，使实验室最终成为具备国际一流水平的开放式实验基地。

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