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北京和利時系統工程有限公司王仁哲，武翔宇

1　目標和概述

截至2022年底，中國內陸城市中的大型機場已開通或規劃旅客捷運系統的線路共16條。當前，我國樞紐機場陸續實施改擴建工程，干線鐵路、城際鐵路和軌道交通也在加快建設，為樞紐機場立體化全方位綜合交通體系創造了機遇和條件。機場旅客捷運系統涉及專業眾多，需監控維護的設備種類復雜、數量繁多，且隨著機場客流的增加還會帶來運維檢修的壓力。現階段機場旅客捷運系統方案還是以各類弱電、機電系統獨立建設、接口互聯的方式實施，導致信息碎片化現象嚴重、數據一致性差、數據類型單一，無法支撐有效的數據分析手段，各專業信息形成孤島，共享困難，信息滯后，實時性和追蹤性差。除機場旅客捷運系統外，近些年在國內建設及運營里程逐年上升的其他軌道交通系統（如有軌電車、單軌、輕軌、地鐵等）同樣面臨上述問題和挑戰。

本解決方案的主要目標是采用邊緣計算與云邊協同技術，滿足機場旅客捷運系統中多個專業，如信號（ATS）、綜合監控（ISCS）、環境與設備監控（BAS）、電力監控（PSCADA）、通信（TX）、站臺門（PSD）、車輛、機電等的生產調度和智能運維，進而實現資源利用合理化、項目收益最大化，打造智慧、綠色、安全、舒適的行業亮點工程，同時推進旅客捷運系統和軌道交通行業的高質量、可持續發展。

2　方案介紹

該解決方案整體采用基于云平臺的架構部署方式，以統一平臺化建設、輕量化應用、節省資源為目的，核心圍繞“云、邊、端”三個層次，利用人工智能、云計算、大數據、BIM、工業互聯網等智能化技術，構建全息感知、泛在連接、云邊協同、開放式、易擴展的綜合管控平臺。云端在云基礎設施資源（IaaS層）的基礎上部署智能城軌綜合業務平臺TOS，打造通用PaaS、城軌PaaS和大數據平臺，支撐城軌智能應用高效實現。邊端部署邊緣智能控制器（EIC，Edge Intelligence Controller），實現站點現場級邊緣側被控設備和運維設備的接入，為上層應用系統提供數據支持。

該解決方案總體系統架構圖如圖1所示。

圖1 總體系統架構圖

云端基于工業互聯網的智能城軌綜合業務平臺TOS構建，平臺計算資源集中、規模龐大，具備高可用性和高擴展性的特點，能以虛擬化的方式共享資源。云端采用分布式部署架構，能提供各專業應用軟件所需的容器和微服務運行環境、軟件運行所需的通用功能服務機、共享數據服務等。智能城軌綜合業務平臺TOS邏輯架構圖如圖2所示。

圖2 智能城軌綜合業務平臺TOS邏輯架構圖

邊端基于EIC構建，EIC是和利時自主研發的邊緣計算平臺產品，該產品是以緊湊的工業尺寸，融合工業實時控制、邊緣計算、邊云協同、物聯網絡、信息安全等核心能力的邊緣智能控制設備。依托虛擬化技術，可將邊緣智能控制器劃分為工業控制、邊緣計算等不同業務系統，靈活劃分各業務系統的硬件資源、外設，使得各系統安全隔離、靈活擴展。其集成成熟的工業控制、邊緣計算、協議轉換等行業應用，與中心云平臺深度融合，實現云邊協同。邊緣智能控制器的實物圖及邏輯架構圖如圖3、圖4所示。

圖3 邊緣智能控制器實物圖

圖4 邊緣智能控制器邏輯架構圖

EIC主要有以下功能：

（1）現場監控：具備大型PLC功能，支持雙機架冗余，系統單站最大容量支持100000物理點，系統最小控制周期10ms，具備智能網關功能，支持多種主流總線協議。

（2）智能控制：具備邊緣計算能力，可承載行業工藝算法、專家系統等，實現智能控制與傳統邏輯控制的融合，適用于故障診斷、預測分析、節能優化等多種復雜場景。

（3）物聯網關：具備跨專業跨類型的現場數據匯聚能力，支持多種有線、無線接入及TSN時序控制網絡，可滿足各類協議轉換及設備互操作，并實現數據融合與共享。

（4）智慧賦能：具備算力計算資源并支持擴展，提供可靠的智能算法運行環境，適用于視頻、圖像、語音等場景，為整個工業現場提供基于人工智能的輔助決策。

EIC在該解決方案中被部署于邊端，結合整體項目需求，其主要實現以下應用功能：

（1）環境與設備監控功能：利用EIC的大型PLC功能實現對現場所有機電設備的自動化監控和管理，包括各種單點控制、順序控制、模式控制及與其他系統的聯動控制。

（2）前端處理器（FEP）功能：利用EIC的邊緣計算能力實現前端處理器功能，在站點邊端接入各類與生產調度相關的互聯集成子系統，進行數據格式、協議的轉換，減輕云端服務器與網絡傳輸的壓力，并有效地將智能城軌綜合業務平臺與互聯集成子系統的數據進行隔離。

（3）機電智能運維功能：利用EIC的邊緣計算和數據采集能力，通過數據挖掘分析，部署智能診斷算法實現重點設備的健康狀況評估和全壽命周期管理。

（4）車輛智能運維功能：利用EIC的邊緣計算能力，完成所在列車數據的收集和轉發，為車載運維軟件提供計算平臺。車站運維軟件可實現對列車各類設備數據的清洗、存儲、分析、治理，并將計算結果傳送至智能運維平臺。

該解決方案EIC在邊端的系統架構及數據流向圖如圖5所示。

3　代表性及推廣價值

該方案是完全落地的邊緣計算與云邊協同的典型場景案例，除機場旅客捷運系統外，同樣適用于其他交通業務場景（如軌道交通、公路、機場等）。整體技術成果處于國內外領先地位，同時充分考慮交通行業設備監控及運維的實際需求，方案具備良好的可復制性和擴展性，能滿足交通行業對設備監控及運維的高標準要求。該方案采用一套軟硬件系統即可實現對整個自動化業務的多維度管理，實現了智能監控和智能運維的統一結合。

該方案在先進技術上有以下代表性：

（1）實時控制：基于EIC的邊緣控制平臺，設計多核CPU+FPGA+GPU混合異構架構，支撐邏輯控制、過程控制、運動控制等實時任務處理，控制任務調度周期最小10ms，系統單站容量最大100000物理點，支持雙機架冗余，自研組態軟件，遵循IEC61131-3標準，支持多種語言編程。

（2）邊緣計算：基于EIC的邊緣控制平臺，采用高性能處理器及靈活的模塊化設計，實現算力、網絡、存儲資源的擴展，提高了邊端的響應速度，降低了對云端資源的需求，并能將實時控制和邊緣計算有機結合，簡化了系統硬件架構，降低了設備和工程部署成本。

（3）智能運維：基于EIC整合的多維度大數據和所提供的算力資源，部署人工智能算法，實現被控設備的在線故障診斷報警、健康監測、故障趨勢預測、維修預測、故障原因分析等功能，提升了運維智能化水平。

（4）云邊協同：基于云端TOS與邊端EIC架構，通過提供容器化的部署平臺，云端TOS進行大數據分析和機器學習建立模型，邊端EIC根據模型實時計算和控制輸出，并能持續優化更新模型，實現應用業務的全過程協同同步。

該方案已應用于重慶機場T3航站樓機場旅客捷運系統，在該線路上其采用TOS+EIC的云邊結合方案，實現集成互聯子系統接入、機電設備實時監控、機電設備故障診斷、車輛運維故障診斷等功能。該方案帶來的價值成效如下：

（1）降低工程造價：上層TOS云平臺實現軟硬件資源共享，使得一體化軟硬件資源利用率高；現場層EIC的實時監控和邊緣計算功能，實現了傳統PLC、前端處理器、工控機三類設備功能，減少了重復性工程投資。

（2）保障運營安全：工業級產品及完善的冗余設計機制，保證了各層級系統穩定運行；邊緣計算能力提供了設備實時故障診斷預測功能，將事后故障處置轉變為事前預警處置，提前預知潛在隱患，提升了安全運營能力。

（3）提升運維效率：云邊端各層級自下而上整合原孤立系統，實現了全專業系統的統一終端運維，并為運維工作提供了實時數據支撐、輔助決策建議、故障處置建議等，提升了運維人員辦公效率。

（4）降低運維成本：大數據平臺針對運維數據的積累和機理模型的深入研究，將傳統的計劃修、故障修運維模式轉變為狀態修，達到了最合理的維檢修周期，避免了過度修、欠修帶來的經濟損失，減少了運維人員投入。

摘自《自動化博覽》2024年第二期暨《邊緣計算2024專輯》