基于云平台的城市轨道交通自动化集成系统架构与实践

吴正中，邓能文，王晓东，汪永刚，武 涛，刘 鑫

（北京城建智控科技股份有限公司，北京 100075）

1 研究背景

城市轨道交通运营活动的开展需要一整套完备的系统支撑，包括供电、轨道、车辆、机电和弱电等系统。其中，弱电系统包括列车自动控制系统(automatic train control，ATC) 、综合监控系统(integrated supervisory control system，ISCS)、通信系统、自动售检票系统(automatic fare collection system，AFC)、乘客信息系统(passenger information system，PIS)、环境与设备监控系统(building automatic system，BAS)、火灾自动报警系统(fire alarm system，FAS)和门禁系统(access control system，ACS)等监督、控制和服务系统。整个弱电系统包含的子系统众多，接口复杂且运营维护工作量大[1]；系统间的接口方式、通信协议均存在较大差异，调试接口多、规模大，操作起来难度也相应增加[2]，尤其是在数据采集、处理和分析方面存在较大难度，各设备系统较独立，资源共享利用率较低[3]。

为适应云计算、大数据、AI 等新技术接入城市轨道交通的新要求[4]，城市轨道交通弱电系统设计等需要创新思路，调整管理方式，加大融合互通。广州地铁、呼和浩特地铁等单位及相关设计院[5-7]均开始逐步探索应用云计算技术，但是主要局限在基础设施及资源的融合方面，对于上层监控调试业务的融合应用及数据挖掘，深度有限。本文提出的城市轨道交通自动化集成系统解决方案，应用了云计算、大数据、边缘计算、人工智能等技术，结合了超融合智能硬件开发技术、大数据中台技术、分布式云平台技术以及微服务综合治理平台技术。其核心思想是打破传统弱电系统架构分立限制和各子系统间的信息孤岛状态，实现各子系统间信息互联互通、实时共享，同时统一配置弱电系统硬件资源，实现硬件设备统一化、集成化。这种集成化的设计思路可实现城市轨道交通自动化系统的全面优化和升级，提高运营效率和服务质量。

基于该方案，研发了云交系统，实现了各子系统间的信息共享和数据互通，实时监测和控制城市轨道交通整体与各部分的运营状态，提高运营效率和服务质量。同时实现硬件设备的统一管理和集成，提高设备的利用率，降低运营成本，具备高可靠、高可用、灵活易扩展等特点，可以充分满足城市轨道交通不断发展和变化的需求。

2 云交系统的架构与设计

云交系统从基础设施层、平台层、数据层和服务层这四个层面进行架构设计。IaaS 层通过应用高度标准化、集成化的智能基础设备，替代传统的各类专用设备，实现了信息传输层级的扁平化，并为数据的统一收集和处理提供媒介，为数据的整合分析提供硬件基础；围绕业务功能拆分应用和组织服务的微服务架构方案[5]，构建微服务化的平台设计PaaS 层，完成关键数据库、通用业务中间件和专用业务中间件设计与实现，单个微服务实现一组独立的特性或功能，包含自身业务逻辑和适配器，各个微服务之间通过开放的API接口(application programming interface，应用程序编程接口)实现业务数据交互；数据层采用全系统、全类型和全时空数据构建DaaS 层；SaaS 层基于业务需求实现综合监控系统、通信系统、信号系统、自动售检票系统的全弱电系统上云服务。整体的业务架构如图1 所示。

基于云平台的城市轨道交通自动化集成系统采用云边端协同计算架构设计，通过构建云边端的轨道交通弱电系统架构，实现业务系统计算任务下放到车站执行，车站边缘云承载车站级业务系统，实现降级执行但不降级服务。边缘计算模式具有实时性高、能耗低、可接入设备多等优势[6]，解决了系统实时性差和网络带宽低、延时等技术难题。整个系统架构设计包含三大核心部分。

1) 基于超融合智能控制一体机、环境监测控制设备、智能感知设备等，支撑云边端系统架构实现；采用超融合智能硬件承载分布式边缘云平台，满足轨道交通所有弱电专业系统车站业务的计算、交换和存储资源需求；通过统一的标准接口和集成协议程序实现数据的统一采集和实时存储。

2) 基于大数据技术对全弱电系统的各类型数据进行统一管理，实现对多种不同来源和结构的轨道交通运行数据进行采集、分类、存储，形成轨道交通全弱电系统大数据资源池，通过数据介入、数据清洗、数据归类和数据分析完成对数据的处理，采用非结构化数据转换为结构化数据的形式，为轨道交通智慧化应用提供数据支持和数据决策服务，并对上层应用提供服务。

3) 基于模块化的微服务平台完成技术中台的架构设计，通过业务拆分、分散治理、负载均衡等实现按照业务形态重新构建系统，采用微服务技术对弱电系统业务需求进行颗粒化处理，同时为上层应用服务提供部署、调度、监测、管控等基础技术，实现业务模块清晰且按需资源分配[7]，有利于系统的持续集成，提升整个系统的可伸缩性和鲁棒性。

城市轨道交通中的网络一般划分为三张网，即安全生产网、内部管理网和外部服务网，数据在三网间不可直接流通，如图2 所示。而运营管理技术(operational technology，OT)主要涉及安全生产网中的设备运行数据和外部服务网中的乘客出行数据；信息管理技术(information technology，IT)主要涉及内部管理网的企业经营数据。为了将三张网中的两大类数据进行打通融合，云交系统在网络边界侧设置有边界墙，并横跨三大网络设置安全服务总线，使OT 类数据可以汇入管理网与IT 类数据进行融合。考虑到面向智慧运维的设备数据具有总量大、重复性强等特点，在生产网设置大数据分析平台，基于算法模型进行分析过滤，将二次处理的结论性数据通过边界墙流入管理网中的数据中台。而业务管理数据因其变化快、类型多样，则在管理网数据中台进行治理和资产化，再由业务中台对上层应用进行支撑服务。

图2 生产网、管理网、服务网的业务数据融合机制Figure 2 Mechanism to integrate production data, management data, and service data from different networks

基于云平台的城市轨道交通自动化集成系统从终端、云平台、数据中台、技术中台和业务功能驱动等层面实现整体架构设计，各层架构如图3 所示。

图3 基于云平台的城市轨道交通自动化集成系统架构Figure 3 Layers of an integrated automation system for urban rail transit based on cloud platform

3 云交系统的技术特点

3.1 中心云与车站云相结合的创新设计

基于云平台的城市轨道交通自动化集成系统采用云边端协同架构设计的理念，通过云计算技术与边缘计算技术，结合移动场景下的边缘卸载策略，为边缘或终端设备补充算力，从而提高轨道交通的智慧化能力[8]。系统采用“中心云+车站云”的创新架构搭建全弱电系统集成的综合解决方案架构，双云融合业务架构如图4 所示。在该架构下，由中心云平台负责全线集中处理和监控类业务，车站云平台负责车站监控和实时处理类业务，中心云平台与车站云平台通过业务划分实现各司其职地进行业务处理协同。若中心云平台发生故障或与车站云平台断联时，车站云平台仍能保证全线车站系统不降级运行服务。随着智慧地铁的发展，车站侧将产生越来越多的计算任务，车站云平台的服务模式及其可扩展性，可以使其很好地扮演“车站大脑”的角色。

图4 双云融合的业务架构Figure 4 Double live clouds to realize high availability of applications

3.2 微服务架构重构传统业务形态

城市轨道交通自动化集成系统的技术中台层采用基于云的微服务架构，将大型应用拆分重组，降低系统与功能耦合，同时又具备易扩展以及高度自治的能力[9]。此架构打破了传统弱电系统架构中综合监控、通信、信号、自动售检票、站台门等子系统相互独立的“烟囱”式架构，各子系统被拆分成功能相对独立和微小化颗粒，各功能颗粒被打包成业务、数据、通用功能等微服务，形成微服务池(见图5)，统一布置于云端。通过微服务池对外开放API 接口，提供业务服务支撑的同时还能支持第三方对应用进行自主二次开发，满足用户在地铁运营期内组织自有软件开发团队个性化升级弱电系统或开发新智慧应用的需求。

图5 微服务架构Figure 5 Architectural design of common and specific microservices

3.3 统一化大数据中台深度应用

当前轨道交通网络发展迅猛，轨道交通运营管理的数据量呈现井喷式增长，原有传统的单一时间分析以及数据孤岛架构，必须转变为可对实时海量数据落盘并分析处理的新架构[10]。传统架构中，各弱电系统设备终端采集的数据通常先进入历史数据库与实时数据库，然后进入大数据平台进行大数据分析，大数据系统的数据采集能力取决于历史库与实时库性能，数据采集能力因此受限。

基于云平台的城市轨道交通自动化集成系统重塑了数据传递流程，将采集的数据直接传递至大数据平台，省略了历史库与实时库的中间环节，使得数据采集成本降低，采集能力显著提高。基于统一化大数据中台架构，用户在建设阶段进行各系统设备运行数据的规划，并通过统一数据中台进行数据采集、分类、分析和存储，将传统的非结构化数据转换为结构化数据，避免在运营期内进行智慧应用开发时缺乏关键数据。同时，大数据中台采用数据标准化模块、数据挖掘模块、统计分析及可视化模块、数据安全管理模块，结合基础硬件设备超融合一体机，构建完备的大数据分析决策系统，为调度指挥、应急处理等高实时性应用场景提供智能分析、辅助决策的能力，同时也为经营决策提供辅助决策。

3.4 高度集成化智能控制一体机应用

新时代新基建下的数据中心建设是计算、存储以及网络这三大核心技术的共同演化和互补，高度集成化和模块化的基础硬件架构是实现这三个关键要素的关键。基于云平台的城市轨道交通自动化集成系统的超融合智能控制一体机，采用模块化硬件设计思路，可承载中心云及车站云的计算、交换、存储、采集等业务服务需求。同时，通过加入环境监测控制设备、智能感知设备等一系列扩展性模块，智能控制一体机可以拓展特定功能。例如，通过加入物联网采集扩展板卡，可将各弱电系统的物联网协议数据转化为网络协议数据进行上云；通过加入图像处理类GPU 显卡模块，可使智能控制一体机具备智能视频分析功能。

在此架构方案下，通过“超融合智能控制一体机+弱电系统终端”的模式(见图6)可替代传统弱电系统垂直架构下各层级设备，打破轨道交通行业传统方案由于设备多、品牌不统一导致的占地面积大、能耗高、设备不方便管理等难题，大大简化了弱电系统架构，降低了弱电系统的建设难度与后续运维难度。通过高度集成化与车站云等技术的应用，可整体节省设备用房面积，降低设备配套土建与机电建设成本，同时具有跨系统资源整合优化、节能减排、易于部署维护等特点，为未来智慧城轨业务扩展、功能提升、场景优化提供基础套件和数字化转型建设服务。

图6 超融合智能一体机硬件设备Figure 6 Hyper-converged all-in-one computer for urban rail transit

4 云交系统的实践分析

基于云平台的城市轨道交通自动化集成系统充分运用云计算、大数据、边缘计算、人工智能等技术，实现了全弱电系统上云的高度集成服务，与传统车站弱电系统架构相比(见图7)，基于车站云弱电系统架构具备以下优势：

图7 传统车站和基于车站云弱电系统架构对比Figure 7 Comparison of hardware architecture between traditional station and cloud-based station

1) 集成化的系统架构设计进一步打破了信息孤岛，提高了建设、运营、维护效率，保障弱电系统的高可用性、安全性与稳定性，降低了10%运维人员需求；

2) 打通建设、运营、维护等环节，实现了多专业和多业务间的联动协同，降低了弱电系统建设与升级成本，同时降低30%与之配套的土建、机电建设成本；

3) 高度集成化的智能控制一体机通过计算、存储、网络、采集等方面的模块化设计，降低了系统运维成本，包括运维人员、能耗、设备故障损失等；

4) 基于大数据的分析决策系统为运维、乘客服务和系统提升提供数据决策依据，为实现智慧城轨提供解决方案，提升了地铁运营、运维与乘客服务水平。

基于云平台的城市轨道交通自动化集成系统已应用于昆明地铁4 号线、绍兴地铁1 号线，经调整、裁剪后部分应用于太原地铁2 号线、南昌地铁4 号线等智慧城轨应用场景，实现了统一运营和维护，赋能城市轨道交通全生命周期管控。经过两年的多项目数据分析，基于云平台的城市轨道交通自动化集成系统在智慧城轨弱电一体化集成领域，在绿色节能、减少运维人员、降低工作强度、缩短新需求上线周期等方面均取得较大突破，真正实现了用技术服务于智慧和绿色城轨运营。

5 结论

随着城市规模的快速扩大和轨道交通的高速发展，基于云平台的城市轨道交通自动化集成系统为新基建下的新型轨道交通建设发展提供了一套综合解决方案。

1) 系统采用的云边端以及多云协同技术，提升了边缘服务能力与用户体验，提高了设备利用率并降低了能耗。

2) 同时，边端核心设备实现自主化与国产化，打破关键技术封锁；以业务融合为抓手，采用微服务重新定义传统业务形态，实现平台创新融合；顺应设备精细化管理与数据增长需求，深度优化统一大数据平台全链路结构，并与智慧应用进行全面结合，为各类不同场景提供更优质的智慧服务；在提高系统可靠性、降低整体建设成本、降低运维成本和打造智慧城轨等方面具有较大优势。

3) 未来，城市轨道交通自动化系统的深度集成将广泛地运用于地铁及轨道交通领域其他制式，进一步推动轨道交通控制系统朝更加绿色、智慧、安全的方向发展。