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1 目標(biāo)和概述

截止2019年，上海地鐵運(yùn)營線路共16條，共設(shè)車站415座（含磁浮線2座），運(yùn)營里程共705千米（含磁浮線29千米）。目前上海地鐵日均客運(yùn)量1065萬人次，軌道交通已成為上海市民出行的首選交通工具。

隨著城市軌道交通線路建設(shè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)機(jī)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)上海軌道交通機(jī)電設(shè)備業(yè)務(wù)管理和網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營管理需求，需要開展全新一代的、面向整個軌道交通機(jī)電設(shè)備管理的綜合業(yè)務(wù)平臺研究。上海上實龍創(chuàng)智能科技股份有限公司（以下簡稱：上實龍創(chuàng)）基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合阿里云平臺架構(gòu)體系，通過軌道交通行業(yè)應(yīng)用平臺軟件的定制開發(fā)，形成軌道交通綜合業(yè)務(wù)一體化管理系統(tǒng)。

2 解決方案介紹

上海地鐵18號線是條新建線路，也是建設(shè)兩站一中心的物聯(lián)網(wǎng)云平臺應(yīng)用與試點(diǎn)項目。兩站即在線路中選擇兩個車站，一中心即控制中心。通過構(gòu)建一個基于邊緣計算物聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)的軌道交通智慧運(yùn)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(yùn)維成本，提高管理效率。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于邊緣計算物聯(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）

該層為原來ISV伙伴提供專業(yè)用程序，以目前先進(jìn)的微服務(wù)和分布式的方式開發(fā)，在平臺能力層上運(yùn)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(hù)性。

例如根據(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(yùn)營管理人員投入，提升運(yùn)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上的應(yīng)用模塊提供部署、運(yùn)行、發(fā)布的基盤。配合邊緣側(cè)配置應(yīng)用進(jìn)行邊緣側(cè)網(wǎng)管的配置管理、數(shù)據(jù)點(diǎn)位模型的管理，以及配置運(yùn)行的計劃任務(wù)和策略。系統(tǒng)中的核心節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)收集上傳和下發(fā)都需要在此層進(jìn)行連接和調(diào)配。它可實現(xiàn)統(tǒng)一化運(yùn)營管理、一元化人員管理、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。一體實現(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。可利用成熟的阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺體系，包括  應(yīng)用托管（AH）、邊緣協(xié)同（LE）、物模型轉(zhuǎn)換（LH）、物聯(lián)網(wǎng)連接套件（LK），以及數(shù)據(jù)庫管理（DBM）和統(tǒng)計報表（RPT）等能力模塊，將邊緣計算層匯聚的數(shù)據(jù)進(jìn)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。同時搭建軌交行業(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。同時在未來項目中部署簡單站級工控軟件，可實現(xiàn)云平臺斷線后降級運(yùn)行的簡單操作與控制。

2.2 上海地鐵智慧運(yùn)控平臺系統(tǒng)組成及功能

上海地鐵智慧運(yùn)控平臺系統(tǒng)由1個能力平臺、7個子系統(tǒng)、17個應(yīng)用場景和一個邊緣體系組成。如圖2所示。

圖2 上海地鐵智慧運(yùn)控平臺系統(tǒng)

2.3 上海地鐵智慧運(yùn)控平臺系統(tǒng)軟件界面設(shè)計（如圖3所示）

圖3 上海地鐵智慧運(yùn)控平臺系統(tǒng)軟件界面設(shè)計

2.4 硬件部署

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(diǎn)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4所示：

圖4 硬件架構(gòu)

其中，中心服務(wù)器和站點(diǎn)服務(wù)器分別部署各自系統(tǒng)，相對獨(dú)立，互不影響；配置信息的數(shù)據(jù)在中心服務(wù)器和站點(diǎn)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(diǎn)服務(wù)器提供服務(wù)。

2.5 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（如圖5所示）

圖5 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.6　數(shù)據(jù)通訊 

通過能力平臺+邊緣計算+物聯(lián)網(wǎng)平臺模式實現(xiàn)全 域數(shù)據(jù)采集。如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)通訊

2.7 系統(tǒng)安全措施

提供多重防護(hù)保障設(shè)備和云端安全。

（1）設(shè)備認(rèn)證

提供一機(jī)一密的設(shè)備認(rèn)證機(jī)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(jī)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。

2.8 上實龍創(chuàng)邊緣網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品特點(diǎn)

上實龍創(chuàng)邊緣網(wǎng)關(guān)是一款功能強(qiáng)大的協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)系列產(chǎn)品，用戶可以根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的通信協(xié)議進(jìn)行配置，轉(zhuǎn)成標(biāo)準(zhǔn)的BACnetIP、BACnetMSTP、Modbus、KNX等工業(yè)和樓宇自控協(xié)議。目前已經(jīng)對接幾十種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和非標(biāo)準(zhǔn)私有協(xié)議，包括西門子物聯(lián)網(wǎng)平臺MindSphere對接，支持阿里云邊緣計算，華為云邊緣計算對接。上實龍創(chuàng)邊緣網(wǎng)關(guān)上行支持Wi-Fi、4G、網(wǎng)口方式接入互聯(lián)網(wǎng)，多網(wǎng)同時在線；下行預(yù)留可選多種無線通信，ZigBee、LoRa、藍(lán)牙等。

龍創(chuàng)邊緣網(wǎng)關(guān)軟件具備以下特性：

（1）支持跨平臺運(yùn)行，可在X86架構(gòu)Linux、Windows系統(tǒng)下運(yùn)行，同時也支持ARM嵌入式平臺;

（2）支持與龍創(chuàng)設(shè)備集成，方便實現(xiàn)數(shù)據(jù)規(guī)則； 預(yù)警、工業(yè)App、微信公眾號、小程序交互能力，通過授權(quán)用戶可以隨時查看設(shè)備狀態(tài)；

（3）可快速與各大物聯(lián)網(wǎng)平臺（阿里云、華為云、西門子MindSphere）對接；

（4）具備豐富的云端設(shè)備協(xié)議庫，可根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行同步；

（5）開發(fā)人員可以使用JavaScript構(gòu)建組件庫， 根據(jù)設(shè)備協(xié)議自行處理協(xié)議邏輯；

（6）輸入和輸出層通信協(xié)議默認(rèn)支持TCP、upd、Modbus TCP、Modbus RTU、SOAP server、WebSocket、MQTT、HTTP、serial（串口通信）；

（7）數(shù)據(jù)存儲支持實序數(shù)據(jù)庫、內(nèi)存數(shù)據(jù)庫、MYSQL、SQL SERVER、NOSQL連接，可根據(jù)數(shù)據(jù)特性自由選擇；

（8）可快速創(chuàng)建API服務(wù)，而無需重啟服務(wù)程序；

（9）默認(rèn)自帶數(shù)據(jù)可視化工具，可以將采集的數(shù)據(jù)以圖表或表格等方式展現(xiàn)出來；

（10）軟硬件解耦，支持容器部署，異構(gòu)集成。

3 代表性及推廣價值

本解決方案的系統(tǒng)建設(shè)通過能力平臺支撐“智慧車站”場景，在確保運(yùn)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(qiáng)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(hù)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(yùn)行策略，實現(xiàn)節(jié)能減排。

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(jī)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(yùn)行。

摘自《自動化博覽》2021年2月刊