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★ 上海艾文普信息技術(shù)有限公司 

★ 天津大學(xué)

1目標(biāo)和概述

截至2021年6月30日，我國地鐵開通的城市累計有49個，262條線路，投運城軌交通線路8448.67公里。我國《十四五規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要草案》提出，“十四五”期間我國城市軌道交通運營里程數(shù)將新增3000公里。隨著城市軌道交通線路建設(shè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)機電專業(yè)系統(tǒng)建設(shè)模式的不足越來越顯現(xiàn)，無法應(yīng)對地鐵經(jīng)營成本效率方面的挑戰(zhàn)。

根據(jù)軌道交通機電設(shè)備業(yè)務(wù)管理和網(wǎng)絡(luò)化運營管理需求，迫切需要開展全新一代、面向整個軌道交通機電設(shè)備管理的綜合業(yè)務(wù)平臺研究。艾文普信息技術(shù)有限公司與天津大學(xué)電氣自動化與信息工程學(xué)院共同開發(fā)的CloudSCADA工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合云平臺架構(gòu)體系，使用大數(shù)據(jù)、AI、3D、數(shù)字孿生等技術(shù)，通過構(gòu)建一個基于物聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)的軌道交通智慧運控平臺體系，實現(xiàn)軟硬件、應(yīng)用/數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)/算法以及業(yè)務(wù)開發(fā)/系統(tǒng)開發(fā)解耦，降低運維成本，提高管理效率。

CloudSCADA工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺提供物聯(lián)網(wǎng)各行業(yè)應(yīng)用對接入層、通訊層以及行業(yè)應(yīng)用基礎(chǔ)層的通用解決方案，基于CloudSCADA工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺各行業(yè)應(yīng)用實現(xiàn)自己的業(yè)務(wù)邏輯處理。CloudSCADA工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺的功能如下：

（1）提供統(tǒng)一的終端接入平臺

通過CloudSCADA工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺，為所有物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用終端提供的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接入方案。數(shù)據(jù)接入支持多種通訊設(shè)備、通訊協(xié)議，對接收到的數(shù)據(jù)進行辨識、分發(fā)，以及報警分析等預(yù)處理。

（2）提供統(tǒng)一的應(yīng)用基礎(chǔ)運行平臺

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件與傳統(tǒng)的應(yīng)用軟件相比，有底層終端數(shù)量多、上層行業(yè)應(yīng)用復(fù)雜的特點，各種行業(yè)終端數(shù)量規(guī)模往往能達(dá)到百萬甚至更高級別，要求CloudSCADA工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺能維護大量共享數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)，提供物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的統(tǒng)一運行環(huán)境，從概念、技術(shù)、方法與機制等多個方面無縫集成數(shù)據(jù)的實時處理與歷史記錄，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高時效調(diào)度與處理，并保證數(shù)據(jù)的一致性。

（3）提供統(tǒng)一的安全認(rèn)證平臺

以用戶信息、系統(tǒng)權(quán)限為核心，集成各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的認(rèn)證信息，提供一個高度集成且統(tǒng)一的認(rèn)證平臺。

（4）提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換平臺

CloudSCADA工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺提供統(tǒng)一的“數(shù)據(jù)交換平臺”，通過中間件作為粘合劑連接各種業(yè)務(wù)相關(guān)的異構(gòu)系統(tǒng)、應(yīng)用以及數(shù)據(jù)源，滿足重要系統(tǒng)之間無縫共享和交換數(shù)據(jù)的需要。

（5）提供統(tǒng)一的門戶支撐平臺

提供一個靈活、規(guī)范的信息組織管理平臺和全網(wǎng)范圍的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作環(huán)境，實現(xiàn)集成的信息采集、內(nèi)容管理、信息搜索，能夠直接組織各類共享信息和內(nèi)部業(yè)務(wù)基礎(chǔ)信息，面向不同使用對象，通過門戶技術(shù)實現(xiàn)個性化服務(wù)，實現(xiàn)信息整合應(yīng)用。

（6）提供多種業(yè)務(wù)基礎(chǔ)構(gòu)件

為各行業(yè)應(yīng)用業(yè)務(wù)提供開發(fā)輔助工具、快速定制、2D/3D組態(tài)工具、BIM輕量化工具、地理信息服務(wù)、權(quán)限管理、數(shù)據(jù)展現(xiàn)及機器學(xué)習(xí)等多種平臺支撐服務(wù)。通過這些基礎(chǔ)構(gòu)件，實現(xiàn)系統(tǒng)的松散耦合，提高系統(tǒng)的靈活性和可擴展性，保障快速開發(fā)、降低運營維護成本。

2方案詳細(xì)介紹

2.1系統(tǒng)架構(gòu)

基于CloudSCADA工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺的軌道交通綜合業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)分為三層，如圖1所示。

圖1系統(tǒng)架構(gòu)圖

（1）綜合應(yīng)用層（SaaS層）

該層為面向用戶的各專業(yè)應(yīng)用軟件，以目前先進的微服務(wù)和分布式的方式開發(fā)，在平臺能力層上運行，打通“煙囪”式布局結(jié)構(gòu)，更注重功能本身，按需分配，提高通用度和可維護性。

可根據(jù)現(xiàn)有的業(yè)務(wù)需求開發(fā)的軌道交通綜合業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，不僅包含傳統(tǒng)綜合監(jiān)控的設(shè)備展示和簡單控制功能，還結(jié)合報警、工單、數(shù)據(jù)分析等完成高效管理，從而降低運營管理人員投入，提升運營管理效率。

（2）物聯(lián)網(wǎng)云平臺層（PaaS層）

該層主要的工作是對SaaS層的應(yīng)用軟件模塊提供部署、運行、發(fā)布的基礎(chǔ)平臺。配合邊緣側(cè)配置應(yīng)用，進行邊緣側(cè)網(wǎng)管的配置管理、數(shù)據(jù)點位模型的管理，以及配置運行的計劃任務(wù)和策略。該層是系統(tǒng)的核心節(jié)點，數(shù)據(jù)收集上傳和下發(fā)都需要在此層進行連接和調(diào)配。它可實現(xiàn)統(tǒng)一運營管理、統(tǒng)一人員管理、設(shè)備管理、組織結(jié)構(gòu)管理、人員權(quán)限管理、職權(quán)管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理。實現(xiàn)UI界面統(tǒng)一，登錄登出管控，數(shù)據(jù)接口管控等一系列的通用功能服務(wù)。對上對下實現(xiàn)一體支撐、一體管理的能力。

利用CloudSCADA工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺體系，包括應(yīng)用軟件管理、組態(tài)工具、邊緣協(xié)同、物模型轉(zhuǎn)換、物聯(lián)網(wǎng)連接套件、實時數(shù)據(jù)庫、時空歷史數(shù)據(jù)庫、AI數(shù)據(jù)分析、及統(tǒng)計報表等能力模塊，將邊緣計算層匯聚的數(shù)據(jù)進行云端處理，轉(zhuǎn)發(fā)并形成數(shù)據(jù)模型和服務(wù)模型，供上層應(yīng)用調(diào)用。同時搭建軌道交通行業(yè)能力平臺層，為上層應(yīng)用搭建提供數(shù)據(jù)和開發(fā)工具。

（3）邊緣組件層

用于對下被監(jiān)管設(shè)備的連接、監(jiān)視、控制等工作。主要配合上位應(yīng)用一體聯(lián)動，并提供數(shù)據(jù)支撐和自動化任務(wù)的處理等功能。

可通過邊緣服務(wù)器的協(xié)議轉(zhuǎn)換、規(guī)則引擎、AI等能力，完成各系統(tǒng)、設(shè)備的接入和管理，數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)聯(lián)動和AI賦能等。同時支持簡單站級工控軟件，可實現(xiàn)云平臺斷線后降級運行的簡單操作與控制。

2.2硬件平臺

系統(tǒng)部署的硬件平臺主要包括分布式中心服務(wù)器、邊緣服務(wù)器（即站點服務(wù)器），通過網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)互通，硬件架構(gòu)如圖2所示：

其中，中心服務(wù)器和站點服務(wù)器分別部署各自系統(tǒng)，相對獨立，互不影響；配置信息的數(shù)據(jù)在中心服務(wù)器和站點服務(wù)器間雙向同步；中心服務(wù)器如果出現(xiàn)問題，可以使用站點服務(wù)器提供服務(wù)。

2.3軟件平臺

地鐵智慧運控平臺系統(tǒng)由1個物聯(lián)網(wǎng)云平臺、1套邊緣體系、和N個應(yīng)用場景組成。如圖3、圖4所示。

圖3地鐵智慧運控平臺系統(tǒng)

圖4地鐵智慧運控平臺系統(tǒng)界面

2.4數(shù)據(jù)通信

通過智慧運維平臺+邊緣計算+工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺模式實現(xiàn)全域數(shù)據(jù)采集。如圖5所示。

圖5數(shù)據(jù)通訊

2.5安全措施

提供多重防護保障設(shè)備和云端安全。具體包括：

（1）設(shè)備認(rèn)證

提供一機一密的設(shè)備認(rèn)證機制，降低設(shè)備被攻破的安全風(fēng)險。

（2）安全傳輸

提供TLS標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸通道，保證數(shù)據(jù)的機密性和完整性。

（3）權(quán)限管控

嚴(yán)格控制設(shè)備和用戶的權(quán)限范圍，任何操作都需要鑒權(quán)，防止越權(quán)訪問的情況。

（4）數(shù)據(jù)隔離

實例間數(shù)據(jù)完全隔離，不會存在跨實例越權(quán)訪問的問題。

2.6技術(shù)特點

（1）云原生高性能實時數(shù)據(jù)庫；

（2）云原生關(guān)系型數(shù)據(jù)庫；

（3）云原生時序數(shù)據(jù)庫，歷史數(shù)據(jù)無限存儲；

（4）數(shù)字孿生，采用BIM3D建模技術(shù)，VR智能眼鏡技術(shù)；

（5）使用標(biāo)準(zhǔn)Web技術(shù)HTML+CSS+Javascript；

（6）無需瀏覽器插件，支持Android/iOS設(shè)備；

（7）支持各種工業(yè)協(xié)議，如OPCUA、Node-RED、ModbusTCP等；

（8）支持MQTT，可接入工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備；

（9）采用IoT分布式架構(gòu)，性能可彈性伸縮；

（10）支持本地部署和云端部署；

（11）支持Windows/Linux跨平臺部署；

（12）支持容器化部署。

3代表性及推廣價值

本解決方案的系統(tǒng)建設(shè)是在CloudSCADA工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺的基礎(chǔ)之上建設(shè)地鐵智慧運控平臺，在確保運營安全和保障乘客出行體驗的前提下，降低站務(wù)人員的工作強度，減少現(xiàn)場人員的數(shù)量；通過對現(xiàn)場設(shè)備工作狀態(tài)的采集，優(yōu)化作業(yè)安排，降低人力和設(shè)備維修成本；工作人員憑借系統(tǒng)對設(shè)備數(shù)據(jù)采集和分析，采取預(yù)防性維護等措施，減少設(shè)備故障的風(fēng)險；借助大數(shù)據(jù)分析、暖通設(shè)備能耗和環(huán)境等指標(biāo)，優(yōu)化控制相關(guān)設(shè)備的運行策略，實現(xiàn)節(jié)能減排。

基于CloudSCADA工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺建設(shè)的地鐵信號設(shè)備智慧運維平臺已在軌道交通領(lǐng)域得以應(yīng)用實踐。該平臺于2019年建成投用，經(jīng)過第一階段線路改造及地鐵運維基地信號設(shè)備智能運維中心建設(shè)，已完成ATC信號系統(tǒng)、道岔轉(zhuǎn)轍機、通信信號電源、CBTC系統(tǒng)計軸系統(tǒng)、設(shè)備環(huán)境等關(guān)鍵系統(tǒng)接入，綜合應(yīng)用了多源融合感知、多引擎融合預(yù)警運維多專業(yè)融合協(xié)同、主動維修決策等關(guān)鍵技術(shù)。

該平臺完成的系統(tǒng)功能為：狀態(tài)監(jiān)測（線網(wǎng)設(shè)備運行全景圖、設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)、實時歷史告警預(yù)警、狀態(tài)查詢、觸發(fā)工單），數(shù)據(jù)分析（ATC分析、MDS分析、DCS分析、端到端分析、RAMS分析、故障異常規(guī)律分析），設(shè)備管理（設(shè)備動態(tài)履歷、巡檢校核、作業(yè)管理、健康度評估、剩余壽命預(yù)測），故障管理（故障響應(yīng)、過程回放、應(yīng)急處理、備件管理、故障閉環(huán)），維修管理（維修計劃、維修統(tǒng)計、設(shè)備輪換提示），專家系統(tǒng)（案例庫、維修建議、AR遠(yuǎn)程協(xié)作）。

該平臺獲取初步成效如下：通過設(shè)備集成化監(jiān)測、故障快速決策及故障預(yù)警分析，實現(xiàn)平均故障接手時間、維修響應(yīng)時間故障修復(fù)時間等大幅減少，降低了勞動強度提升了維護效率;通過設(shè)備質(zhì)量評價、設(shè)備健康度分析，進行維修策略調(diào)整，促進維護維修模式從故障修定時修向狀態(tài)修轉(zhuǎn)變，現(xiàn)已實現(xiàn)軌道交通線網(wǎng)級狀態(tài)修試點，降低系統(tǒng)全壽命維護成本;通過智能診斷和大數(shù)據(jù)分析，指導(dǎo)現(xiàn)場排查原因及跨專業(yè)分析，實現(xiàn)應(yīng)急能力和運行質(zhì)量提升;通過設(shè)備資產(chǎn)及技術(shù)管理、設(shè)備全壽命周期管理等，實現(xiàn)綜合性維護管理能力提升。

該平臺在地鐵公司上線以來，提升了以下指標(biāo)：系統(tǒng)運營非計劃延誤降低了10%，設(shè)備管理運行維護成本降低了30%，技術(shù)人員生產(chǎn)效率提高了30%，設(shè)備檢修時間降低了40%，綜合運營管理成本下降了5%。它為城市軌道交通信號系統(tǒng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化運維提供了全面的數(shù)據(jù)支持、主動的防御手段，以及一體化的健康管理。

解決方案的應(yīng)用和推廣有助于重構(gòu)長期以來形成的軌交行業(yè)機電系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)和體系，利用云和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建開放的綜合管理一體化平臺，有效打破行業(yè)技術(shù)壁壘，形成競爭的市場格局，有助于降低軌交企業(yè)設(shè)備采購的成本，保障線路和車輛的安全無故障運行。

隨著中國城市軌道交通的快速發(fā)展，超大規(guī)模地鐵網(wǎng)絡(luò)帶來了更大的機遇和挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的運維模式已無法適應(yīng)超規(guī)模、超體量的發(fā)展趨勢。智能運維是當(dāng)今城市軌道交通行業(yè)提升運維效率、確保質(zhì)量和安全的必由之路，助力中國城市軌道交通安全、高效、優(yōu)質(zhì)發(fā)展。

摘自《自動化博覽》2022年8月刊