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★北京和利時系統(tǒng)工程有限公司柴軍，祝德昱

1 項目背景

重慶江北國際機場旅客捷運系統(tǒng)（以下簡稱：捷運系統(tǒng)）承擔(dān)T3A航站樓至T3B航站樓之間的旅客和工作人員的運送任務(wù)。全線均采用地下敷設(shè)方式，線路全長約2.353km（雙線），設(shè)置T3A航站樓站、T3B航站樓站、運維中心各一座。列車為具備超級電容的跨座式單軌車體。全線采用GoA4級別的全自動無人駕駛系統(tǒng)。

圖1重慶江北國際機場旅客捷運系統(tǒng)線路示意圖

結(jié)合捷運系統(tǒng)項目定位、航站樓車站無人值守功能、多專業(yè)綜合管控、多專業(yè)智慧運維等功能需求，北京和利時系統(tǒng)工程有限公司（以下簡稱：和利時）為捷運系統(tǒng)量身打造基于智能城軌綜合業(yè)務(wù)平臺的捷運系統(tǒng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺，在車站、運維中心設(shè)置邊緣控制云節(jié)點（Edge Control Center，簡稱ECC），滿足ATS、ISCS、BAS、PSCADA等多專業(yè)運營生產(chǎn)需求的中央調(diào)度系統(tǒng)與滿足ISCS、通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、車輛系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、綜合蓄電池系統(tǒng)、站臺門系統(tǒng)、道岔系統(tǒng)、綜合網(wǎng)管系統(tǒng)的多專業(yè)智能運維系統(tǒng)相結(jié)合，進(jìn)而“云-邊-端”相依而生，協(xié)同運作，實現(xiàn)資源協(xié)同、管理協(xié)同、數(shù)據(jù)協(xié)同、服務(wù)協(xié)同的智慧交通一體化解決方案。

2 邊緣控制云節(jié)點（ECC）功能及應(yīng)用介紹

ECC是以緊湊的工業(yè)尺寸，融合工業(yè)控制、邊緣計算、邊云協(xié)同、物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、信息安全、本地顯示、信息安全等核心能力于一體的邊緣智能計算控制平臺。

圖2 ECC產(chǎn)品介紹

ECC通過工業(yè)級無風(fēng)扇設(shè)計搭載高性能多核CPU，支持USB2.0、USB3.0、DisplayPort++、以太網(wǎng)等多種外設(shè)接口，支持多種存儲介質(zhì)擴(kuò)容的工業(yè)級邊緣智能計算控制硬件設(shè)備。依托虛擬化技術(shù)，可將ECC劃分為工業(yè)控制、邊緣計算等不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)，靈活劃分各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的硬件資源、外設(shè)，使得各系統(tǒng)安全隔離、靈活擴(kuò)展。集成成熟的工業(yè)控制、邊緣計算、協(xié)議轉(zhuǎn)換等行業(yè)應(yīng)用，并與捷運系統(tǒng)云平臺深度融合，實現(xiàn)云邊端協(xié)同。

圖3 云-邊-端協(xié)同架構(gòu)

協(xié)同內(nèi)容如下：

（1）資源協(xié)同

ECC提供計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)、虛擬化等基礎(chǔ)設(shè)施資源，具有本地資源調(diào)度管理能力，也接收并執(zhí)行云端的資源調(diào)度管理策略；云端則提供資源調(diào)度管理策略，包括邊緣端的設(shè)備管理、資源管理以及網(wǎng)絡(luò)連接管理。

（2）管理協(xié)同

ECC提供應(yīng)用部署與運行環(huán)境，并對本節(jié)點應(yīng)用的生命周期進(jìn)行管理；云端實現(xiàn)對全部邊緣節(jié)點應(yīng)用的全生命周期管理，包括應(yīng)用的推送、安裝、卸載、更新、監(jiān)控及日志等。

（3）數(shù)據(jù)協(xié)同

ECC負(fù)責(zé)終端設(shè)備數(shù)據(jù)的收集，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理與分析，然后將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至云端；云端對海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析與價值挖掘。

（4）服務(wù)協(xié)同

云端進(jìn)行大數(shù)據(jù)的存儲，利用大數(shù)據(jù)分析和機器學(xué)習(xí)建立模型；云端將訓(xùn)練的模型通過云邊通道同步到邊緣側(cè)ECC，在ECC中進(jìn)行計算，實現(xiàn)設(shè)備的控制輸出；云端根據(jù)設(shè)備的運行情況，持續(xù)優(yōu)化模型。

ECC承載工業(yè)實時控制、智能診斷、數(shù)據(jù)分析等多類邊緣智能應(yīng)用，具備如下功能：

（1）工業(yè)控制

ECC除自身應(yīng)用程序軟件外，承載和利時自主的MACS-SCADA4.0工業(yè)控制程序，完全集成PLC功能。提供容量更大、速度更快的多種現(xiàn)場工業(yè)總線。實現(xiàn)對車站風(fēng)機、水泵、動照、PSCADA等系統(tǒng)的工業(yè)控制功能，實現(xiàn)對各類溫濕度傳感器、氣體傳感器的信息采集功能。

（2）數(shù)據(jù)接入

ECC通過靈活的硬件配置的方式，完全集成前端處理器FEP（Front End Processor）。通過部署FEP服務(wù)，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)接入（FEP）服務(wù)采用跨平臺設(shè)計，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)接入功能。結(jié)合數(shù)據(jù)交互、協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能，實現(xiàn)與車站能管表計、電氣火災(zāi)主機、感溫光纖主機、站臺門控制盤、站臺門運維工作站、弱電綜合UPS、車載數(shù)據(jù)落地接收等設(shè)備和系統(tǒng)接口。

（3）邊緣計算

ECC搭載輕量級、低延時、高效的AI算法，并針對捷運系統(tǒng)不同系統(tǒng)，不同應(yīng)用場景，實現(xiàn)個性化、泛在化的智能應(yīng)用服務(wù)，為邊緣側(cè)賦能。ECC除支撐常規(guī)數(shù)據(jù)采集功能外，可以通過高頻數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)毫秒級的對現(xiàn)場設(shè)備傳感器的高頻數(shù)據(jù)采樣，并擴(kuò)展APU模塊增強邊緣計算能力，支撐風(fēng)機、水泵、站臺門、蓄電池、車輛等設(shè)備的智能設(shè)備診斷、故障預(yù)測等各類應(yīng)用。

（4）物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

ECC通過基于工業(yè)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)多種開放協(xié)議，通過自研時隙分配和管理軟件，實現(xiàn)時隙的分配、節(jié)點的管理、數(shù)據(jù)的收發(fā)、實時數(shù)據(jù)的獲取/交互、非實時數(shù)據(jù)的獲取/交互等功能，通過以上通信方式可實現(xiàn)ECC與現(xiàn)場設(shè)備、云端的無縫連接。完全滿足現(xiàn)場高實時性的數(shù)據(jù)傳輸要求。

（5）本地顯示

ECC通過集成的本地顯示功能，就地搭建組態(tài)、調(diào)試環(huán)境，可在本地實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)監(jiān)控等功能，方便現(xiàn)場維護(hù)工作。

（6）信息安全

ECC提供車站級計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源，低延時傳輸，ECC采用和利時成熟的信息安全方案，將IT技術(shù)引入到工業(yè)生產(chǎn)層面，滿足捷運系統(tǒng)在車站邊緣側(cè)可靠性、安全性的信息安全要求。

依托于云邊端協(xié)同架構(gòu)，捷運系統(tǒng)首創(chuàng)運營生產(chǎn)與運維管理融合共建的集約化平臺建設(shè)方案，實現(xiàn)非安全網(wǎng)和安全網(wǎng)兩張感知網(wǎng)中設(shè)備數(shù)據(jù)的采集與融合。捷運系統(tǒng)在T3A、T3B各部署4套邊緣智能控制器，在邊緣側(cè)實現(xiàn)BAS實時控制、高頻數(shù)據(jù)采集、外專業(yè)接口及站臺門、風(fēng)機、水泵等重點設(shè)備的智能診斷。捷運系統(tǒng)架構(gòu)圖如下：

圖4 ECC捷運系統(tǒng)架構(gòu)圖（單車站示例）

邊緣智能控制器通過虛機、容器兩級虛擬化承載多種實時、非實時的業(yè)務(wù)應(yīng)用。其中，開放側(cè)系統(tǒng)部署的容器應(yīng)用由中心云平臺統(tǒng)一進(jìn)行配置管理。T3A/T3B虛擬化配置見表1。

表1 T3A/T3B虛擬化配置表

3 項目創(chuàng)新

從民航捷運系統(tǒng)發(fā)展至今來看，捷運系統(tǒng)相比城市軌道交通系統(tǒng)具備如下特點：

（1）站點規(guī)模少、終端設(shè)備多、存在與航站樓共用的多類設(shè)備；

（2）捷運系統(tǒng)接口多，特別是對民航各個部門，捷運系統(tǒng)的需要與多個民航管理部門、運營部門存在接口，并且需為各個部門提供不同的數(shù)據(jù)結(jié)果使用；

（3）7×24小時不間斷運行；

（4）運營生產(chǎn)與運營維護(hù)相對獨立，并沒有相互融合。

結(jié)合捷運系統(tǒng)建設(shè)要求、運營運維特點與管理需求，充分將ECC的產(chǎn)品特性最大化，捷運系統(tǒng)采用如下創(chuàng)新點以及解決思路：

（1）將運營生產(chǎn)與運營維護(hù)通過ECC提供的多協(xié)議接口模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，打通數(shù)據(jù)壁壘，滿足各類設(shè)備接入。

（2）通過ECC的強大的PLC、FEP等功能，做到硬件資源節(jié)約，投資優(yōu)化。實現(xiàn)高可靠性、高實時性、高安全性的嵌入式虛擬化技術(shù)。通過自研的虛擬化平臺，可實現(xiàn)毫秒級調(diào)度控制，并虛擬化為多個大型PLC或多個智能診斷器；多種異構(gòu)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的接入，高頻數(shù)據(jù)、TSN網(wǎng)絡(luò)接入；開放的符合工業(yè)級低代碼二次開發(fā)環(huán)境；內(nèi)置的智能診斷算法；內(nèi)置安全芯片，搭載全方位的信息安全防御技術(shù)，使得整個邊緣智能控制平臺可信啟動、可信計算。

（3）工業(yè)級實時、時序大數(shù)據(jù)分析和共享，低代碼開發(fā)工具共享。研究工業(yè)設(shè)備實時、時序數(shù)據(jù)融合與數(shù)據(jù)治理及提供工業(yè)級PaaS開發(fā)環(huán)境。

（4）基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、邊緣控制云節(jié)點，為各專業(yè)設(shè)備提供邊緣層的通用智能控制與診斷平臺，實現(xiàn)邊緣層泛在化接入，智能化計算，預(yù)測性診斷，真正實現(xiàn)診斷模型云層訓(xùn)練、邊層執(zhí)行、端層賦能的云邊端協(xié)同。

（5）結(jié)合ECC具備的虛擬化技術(shù)實現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的邊端部署和降級應(yīng)用，既滿足就地運維需要，同時可通網(wǎng)絡(luò)，為多部門、多業(yè)務(wù)提供滿足需求的運維數(shù)據(jù)。

4 項目效益分析

捷運系統(tǒng)ECC基于智能城軌綜合業(yè)務(wù)平臺綜合承載中央調(diào)度系統(tǒng)、智能運維系統(tǒng)兩大核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)，將滿足ATS、ISCS、BAS、PSCADA等多專業(yè)運營生產(chǎn)需求的中央調(diào)度系統(tǒng)與滿足ISCS、通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、車輛系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、綜合蓄電池系統(tǒng)、站臺門系統(tǒng)、道岔系統(tǒng)、綜合網(wǎng)管系統(tǒng)的多系統(tǒng)智能運維需求的智能運維系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)集中管理、集約監(jiān)控，智能運維、智能診斷運維等特點，從而節(jié)省機房空間，減少接口數(shù)量和調(diào)試工作量，降低建設(shè)運維成本。

（1）減少投資成本：創(chuàng)新性地提出運營生產(chǎn)與運維管理“云-邊-端”三層全覆蓋的融合共建模式，中心基于城軌云與大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)，邊緣通過邊緣控制云節(jié)點整合各專業(yè)服務(wù)器、控制器、診斷器及接入網(wǎng)絡(luò)。這種多專業(yè)融合的集約化建設(shè)模式，相較以往運營系統(tǒng)與運維系統(tǒng)孤立建設(shè)、各系統(tǒng)運維設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)孤立搭建的傳統(tǒng)建設(shè)模式，可整體降低投資建設(shè)成本約20%。

（2）節(jié)省機房空間：由于整合了多專業(yè)的硬件設(shè)施，可減少車站有限的機房空間的占用。單機電專業(yè)，通過邊緣控制云節(jié)點、邊緣云節(jié)點集成站臺門、風(fēng)機、水泵、蓄電池等子專業(yè)的診斷器、服務(wù)器，單站可至少減少5面機柜的物理空間。故可整體節(jié)省機房空間占用約15%。

（3）提升運維效率：通過ECC，實現(xiàn)在云邊端各層整合了原先各專業(yè)孤立的運維系統(tǒng)，可實現(xiàn)全系統(tǒng)統(tǒng)一終端運維。同時，通過設(shè)備故障預(yù)測與健康管理研究的深入，將相關(guān)診斷模型部署在ECC上，可從傳統(tǒng)設(shè)備計劃修、故障修運維模式轉(zhuǎn)向更精準(zhǔn)有效的設(shè)備狀態(tài)修模型，進(jìn)而減少不必要的運維人員投入。故可提升運維整體效率25%以上。

（4）提升開發(fā)效率：根據(jù)本項目各專業(yè)特點，ECC通過除滿足和利時自身業(yè)務(wù)需求外，還可以為業(yè)務(wù)廠家和業(yè)務(wù)專家快速實現(xiàn)智能運維應(yīng)用的部署，可將新型應(yīng)用的開發(fā)效率提升25%以上。

5 項目意義

ECC在重慶江北國際機場旅客捷運系統(tǒng)的成功應(yīng)用，叩開了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在民航捷運系統(tǒng)以及城軌行業(yè)應(yīng)用的大門，促進(jìn)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、城軌云平臺、邊緣云平臺、四型機場的融合發(fā)展，為后續(xù)民航捷運工程、城市軌道交通工程的建設(shè)提供了借鑒參考。

“十四五”時期是民航機場科技創(chuàng)新、以技術(shù)引領(lǐng)發(fā)展的關(guān)鍵時期。和利時緊密圍繞“四型機場”建設(shè)主旨，充分融入重慶機場五期擴(kuò)建工程，實現(xiàn)以捷運建設(shè)助推重慶機場建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展。即將捷運系統(tǒng)項目打造成智慧、綠色、安全、舒適的行業(yè)亮點工程，同時推進(jìn)智慧交通行業(yè)高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展！

摘自《自動化博覽》2022年12月刊