城市轨道交通智能信息化集成系统

华为技术有限公司 沈光亮

城市轨道交通智能信息化集成系统

清华同方股份有限公司 魏晓东

华为技术有限公司 沈光亮

1 概述

城市轨道交通技术发展到今天，进入了以工业4.0为纲领的新工业革命时代。以智能制造、智能生产、智能工厂和智能产品为特征的工业4.0也将引领城市轨道交通建设与运营走向信息化与智能化。城市轨道交通的信息化与自动化必将深度融合并按照《中国制造2025》的总发展方针迈向新阶段。特别是“十三五”期间城市轨道交通建设总里程将增加3000公里，总投资将增加近2万亿，拥有全世界最大的轨道交通市场，无疑会使城市轨道交通的信息化与智能化发展到前所未有的水平。

信息化与工业化两化融合一直是我国新工业革命时代工业发展的既定方针，在工业企业构建信息化集成系统是实现两化融合的具体方式。城市轨道交通领域的两化融合就是要构建城市轨道交通信息化集成系统，在工业4.0时代就是要建设地铁智能信息化集成系统。建设智能地铁不能是空虚的概念，应该为地铁建设起一个信息化与底层自动化深度融合的系统、也就是智能信息化集成系统。为此，本文将清楚地阐述城市轨道交通智能信息化集成系统的系统架构以及城市轨道交通运营智能化技术内涵。

1.1 工业4.0及其核心系统与系统集成技术

现代工业进入工业4.0时代，最主要特征是工业+互联网和互联网+工业。此时的互联网包含了物联网（IoT：Internet of Things）和务联网（IoS：Internet of Service）。通过价值网络的横向集成；端到端工程数字集成和纵向集成和网络化制造三项系统集成，构建起一个核心系统—信息物理系统（CPS, Cyber Physical System），这一CPS也就是智能信息化集成系统。工业4.0的核心是通过IoT和IoS支持的CPS实现四个“智能”。通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统相结合的手段，促成信息物理系统的实现、将制造业向智能化转型。四个智能是：第一，通过价值网络的横向集成实现世界范围的智能制造。第二，实现IoT和IoS支持的智能工厂。第三，实现智能生产线。第四，生产出源源不断的智能工业产品。

图1 智能制造技术内涵框图

所以工业4.0的本质就是制造向智能化转型。对城市轨道交通领域而言，就是自动化、信息化向智能化转型，实现智能地铁或智慧地铁，就是构建地铁的智能信息化集成系统。

1.2 城市轨道交通智能信息化集成系统的构架和形态

何为工业企业信息化集成系统？国家标准GB/T 26335-2010《工业企业信息化集成系统规范（Standard of Industry Enterprise Information Integration System）》指出：工业企业信息化集成系统是基于计算机环境和技术，将工业企业生产自动化系统、生产管理系统与经营决策系统综合集成，提高企业经营效率、促进企业战略目标实现的大系统。显然，信息化集成系统将自动化技术、信息化技术渗透到工业生产过程的每一个层次，每一个环节；工业制造过程的各层次的信息又被集成起来为企业的根本目标服务；产品工厂的所有设备由工业企业的自动化系统和信息化系统监控管理；与制造相关的所有信息被遍布企业的工业网络连接、实现全企业的信息集成。最终实现企业高效运营，实现全企业智能化的战略目标。工业4.0背景下，实现工业信息化与智能化就是要在工业企业建设智能信息化集成系统，构建企业的CPS系统，在IoT&IoS支持下建成智能工厂，可在世界范围内实现智能生产。

GB/T 26335-2010《工业企业信息化集成系统规范（Standard of Industry Enterprise Information Integration System）》给出了一般工业企业信息化集成系统的层次模型，如图2所示，它是基于普渡模型的分层分级系统：

图 2 工业企业信息化集成系统的分层分级模型

工业企业信息化集成系统的典型架构由三级构成，它们是：H1：厂级系统（厂级包括，大、中、小型生产厂，生产基地等）；H2：公司级系统（公司级包括：跨厂级联合企业，大型联合生产基地等）；H3：集团公司级系统。

（1）H1：厂级系统：工业企业信息化集成系统厂级系统应包括如图2所示L1到L5五层，它们是：L1：现场设备层；L2：生产过程控制层；L3：生产执行层；L4：经营管理；L5：战略决策层。通过5层的纵向集成与横向集成实现从现场设备、生产过程控制、生产执行、指挥、经营管理及战略决策的应用集成一体化，构成完整的厂级系统。其中，L1与L2构成企业的生产自动化基础层，信息化集成系统核心业务的本源信息产生于此。

（2）H2公司级系统：此级系统应对分布的厂级系统进行系统集成、构建企业公司级的信息化集成系统。系统包括L3、L4、L5三层，但其结构与功能不同于H1的相应三层。通过纵向集成技术实现H2与H1的无缝接口，实现本级信息的贯通。

（3）H3集团公司级系统：集团公司级系统包括L3、L4、L5三层，但其结构与功能不同于H1和H2的相应三层。通过纵向集成技术实现级间、层间信息的贯通。

在城市轨道交通领域，智能信息化集成系统也采用类似的结构。线路级控制系统是城市轨道交通基础自动化系统，主要有信号系统、通信系统、综合监控系统、自动售检票系统、视频监控系统等等。其中综合监控系统是最为典型的线路级控制系统，它有典型的五层结构。有的城市建有区域级监控系统成为区域线网调度指挥系统，它采用典型的三层结构：区域线网调度指挥系统+区域线网经营管理系统+区域线网战略决策系统。全城市的线网监控系统，也采用典型的三层结构：城市轨道交通TCC+城市轨道交通经营管理系统+城市轨道交通决策系统。城市轨道交通信息化集成系统的级、层架构如图3所示。在新工业革命时代地铁智能化发展就是要在信息化集成系统级、层进行系统集成实现智能化。

图3 地铁智能信息化集成系统的分层分级结构

地铁业务的根本所在是安全高效运营，将乘客快速、平安、正点运送到目的地。当下就是要实现地铁运营智能化。在城市轨道交通走向智能化的过程中，线路级控制系统五层的功能是基础，城市轨道交通智能化功能则主要聚集在H3的三层：全线网TCC调度指挥层（相当于MES生产执行层），全线网经营管理层和全线网决策支持层。在实现智能地铁过程中，主要是地铁运营的各项功能智能化。

1.3 地铁运营需求分析及其智能化

（1）地铁传统运营管理可分三部分：①列车运行管理：主要是对列车的运行调度指挥，保证行车安全和准点的信号控制管理。列车运行管理主要由信号系统及行车调度系统支持实现；②车站站务管理、设备运转管理：主要是车站秩序管理、票务管理和安全管理，保障乘客上下车和列车到发的安全和准点，避免站内发生意外事故。③设备运转的管理：以机电设备管理为主，主要是供电系统和地下车站中的通风和空调系统。

车站站务管理、设备运转管理是在列车运行管理的基础上，综合机电设备监控系统等各专业子系统的信息来实现的。运营中，为保证旅客的安全、保证列车的有效运营、保证设备正常工作必须对地铁各个环节进行监控管理，主要靠构建地铁自动化系统和信息化系统来实现。

（2）地铁运营管理的基本目标有四个：列车安全稳定运行；地铁经营效率提高；机电设备良好运转；旅客服务完善。工业4.0时代则要求：列车无论在线路级或线网级都要实现运行计划与调整的智能化管理，实现安全高效运行。地铁经营要在大数据的支持下效率得到极大提高并保证节能与环保。机电设备运行状态最优化，即有效支持运营又保护生态环境。而人性化服务将会因为智能化达到更高水平与智慧城市的市民出行服务协调一致。运营的四个目标全部实现智能化将使地铁运行达到更高水平。

（3）如图3所示。地铁运营的基础是线路运营，地铁运营中心（OCC）是地铁线路运营管理的指挥部，地铁规范要求以行车指挥为中心设立行调、电调、环调、防灾调度、维调和总调，要求这些调度站信息沟通。要求在运营中心构建信息相通的行调、电调、环调、防灾调度、维调和总调工作站，以实现对全线的运营调度指挥，进而实现智能运营管理。

（4）当城市形成轨道交通的路网时，需要构建整个城市的轨道交通线网调度指挥系统，此线网调度指挥系统成为智能信息化集成系统的核心，系统各层次的智能化是智能地铁的主要内容。

（5）城市轨道交通运营过程可视作“制造过程”，它的产品是：不断地运送乘客，使他们安全、准时地到达目的地，在为乘客服务的同时也不断地生产出城市轨道交通唯一的产品——乘客人数/公里。

其中最关键的是保证地铁设施与设备的正常、协同、良好运行。大体上属于三个系统：①列车运行系统：隧道、站台、线路、车辆、牵引供电、信号、控制中心、车站行车等。②客运服务系统：车站及照明、售检票机计算中心、导向及预告措施、消防、环控、自动扶梯、电梯、车站服务等。③检修保障系统：为保障上述设备性能良好、能随时启动重新投入运行而具备的检修手段能力等。

如何保证城市轨道交通三大系统、几十项不同的专业设施正常而协调地运行是摆在运营组织者面前的课题，要求运行管理能够实现系统的联动、实现统一指挥和高效管理，实现对乘客的优良服务。而今对三大系统运行的智能化要求成为地铁智能化的基本任务。

显然，在讨论地铁智能化发展时，必须以运营智能化要求为基础，以当下地铁技术发展水平为基础，IoT和IoS必须加在这些基础之上。是从基础上实现智能化，并不是天上掉下一片“云”，天上掉下一个智能化。

地铁的基本运营状态包括正常运营状态、非正常运营状态和紧急运营状态。地铁运营就是要在这三种状态下，保证人和设备的安全，提高人性化服务水平，提高地铁经营效率。这就要求智能信息化集成系统能在上述三种运营状态下，协调各专业达到目标，实现智能化运营。

智能信息化集成系统的基础在线路级，在OCC实现线路运营管理智能化；智能信息化集成系统的核心是全线网调度指挥系统，对整个城市实现全线网智能调度管理；整个城市地铁的管理智能化则由全线网经营管理和决策支持系统实现。

2 智能信息化集成系统的基础——线路综合监控系统

线路运营管理智能化的基础是线路级线控系统（五层）的智能化，其中监控系统（线路MES）是核心。线路级监控系统主要有对移动设备—车辆的监控系统即信号系统和对固定设备监控的综合监控系统。随着技术的进步，地铁综合监控系统已在监控层集成了信号系统的监控功能（ATS）发展成为线路信息共享平台，线路信息共享平台是地铁智能信息化集成系统的基础信息集成平台。

图4 地铁线路信息共享平台

2.1 线路信息共享平台（ISCS）的构建方式

如图4所示，为地铁构建线路的信息共享平台或者说构建地铁综合监控系统，是一个宏大工程的总设计，不可以简单地运用一种接入方法对待地铁情况各异的子系统，而应按照实际情况采用经过实践实证的不同接入方法进行设计。在工程实际中形成较为有效的信息共享平台构建方法，包括四个基本点：①以开放系统作为平台的基础。②无缝地接入各个需要接入的子系统构成综合监控系统。③综合监控系统与其他自动化专业系统进行必要的信息交互。④信息共享平台由成熟的大型SCADA软件体系支持。

（1）开放系统

开放系统应满足以下条件：①工业PC加HMI加PLC构成它的主要结构。②可以接入多厂家设备。③必须容纳用户的高层需求及需求的扩展。④系统是由COTS（Commercial -Off-The-Shelf，商用现货）的硬件和软件组成，而不采用专利产品。⑤系统组件和通信协议遵从国际标准。⑥系统具有安全性（more Security）。⑦系统具有较高性价比(Price/Performance)。⑧系统具有较好的柔性(Flexibility)。⑨系统具有可扩展性(Extendibility)。⑩系统具有可伸缩性（Scalability）。地铁ISCS软件平台采用典型的SCADA系统。

开放系统的一般构成如图5所示。

图5 典型控制系统构成图

（2）对各专业系统的无缝接入—集成与互联

地铁综合监控系统的主要特点是对地铁各专业系统的“综合”，即将各系统信息按照需求接入到综合监控系统中来。接入分为二大类型：一类称为对子系统的集成。所谓对子系统集成，是将被集成的子系统完全融入综合监控系统中。被集成的子系统成为综合监控系统的一部分。其中央功能和车站功能都由综合监控系统实现。综合监控系统的硬件网络取代了被集成子系统的网络，综合监控系统的软件取代了被集成系统的软件；另一类称为对专业系统的互联。所谓互联，是与完全独立的系统建立接口，实现综合监控系统与互联系统间的信息交互。被互联系统是完全独立的系统，与综合监控系统在中央或在车站有接口，实现与运营相关信息的交互。综合监控系统可向被互联系统提供共享信息、可实现全新的功能。

（3）大型SCADA软件体系

构建地铁信息共享平台的关键之一是选用软件平台。城市轨道交通综合监控软件是一个以地理分散的大型SCADA软件为基础的软件体系。它必须具备SCADA软件的远动特性，同时又是大型的分层分布式工业自动化软件。它必须能实现被集成子专业的一些特定的需求，又必须具有工业自动化系统的通用功能。城市轨道交通综合监控软件除了具有一般通用工业自动化软件所要求的稳定的通用平台，更为重要的是此软件包含了定制开发适于具体工程的应用软件，内涵了为满足用户需求的实施经验的映射。城市轨道交通综合监控软件既考虑平台应用的成熟性，还要求平台对具体工程的适应性，以必须满足最终用户需求为第一原则。

（4）地铁综合监控系统的通用结构

图6是地铁综合监控系统一个典型结构图。在综合监控系统软件平台的支持下实现对电力、环控与火灾报警系统的集成。并与其他独立的系统：信号系统、自动售检票系统、视频监视系统、广播系统及乘客信息系统等互联。

图6 地铁综合监控系统典型结构图

2.2 线路综合监控系统的功能及智能化

城市轨道交通线路综合监控系统实现了全线路的资源共享，信息互通可为线路运营提供强大的功能，特别是智能信息化集成系统的线路级综合监控系统将实现新的智能化功能。

（1）综合监控系统功能

国家标准城市轨道交通综合监控系统工程设计规范（GB 50636-2010）中对线路级综合监控系统的功能进行了详细的规范。规定了：①综合监控系统基本功能要求。②综合监控系统中央级功能。③综合监控系统车站级功能。④互联系统功能。在每项功能要求中都包含了综合功能与系统功能。

综合监控系统功能特别强调联动功能。构筑地铁线路信息共享平台建起了综合监控系统，更重要的在于实现较强的联动功能。综合监控功能主要表现为各种运营状态下的各子系统的联动，它们是：①火灾模式下的联动。②阻塞模式下的联动。③对客流信息的自动响应。④对电力重要故障信息的自动响应。⑤运营方式启动后的子系统联动：早间启运，车站紧急疏散，车站恢复运营（疏散后），AFC恢复服务，全线停止运营等。

当一个城市构建起地铁智能信息化集成系统时，综合监控系统的上述功能会在新的平台支持下智能化，详细研究上述功能实现其智能化是智能地铁建设的重要任务。

（2）综合监控系统的智能功能

综合监控系统为地铁构建了信息共享平台，构建了地铁线路的综合数据库为开发运营智能功能奠定了基础。综合监控系统的智能功能会随着我国地铁大发展逐步进步，在实践中积累，大致在以下几方面：

①在地铁长期运营过程中，积累了较丰富的经验，这些运营经验是一般的自动化系统难于实现的，因为一般的自动化系统信息不全难于仿真。而综合监控系统则可在中央实时数据库和历史数据库的支持下，利用人工智能技术，通过开发地铁运营专家系统的途径，为地铁开发出运营决策支持系统，实现一些高级运营功能，如自适应调度、调度决策分析建议、综合节能、安防体系、综合维修与状态维修等。

②综合监控系统软件平台作为线路信息共享平台支持地铁线路实现全自动运行模式（俗称无人驾驶模式）已在一些地铁实施，此中综合监控系统具有许多智能功能。全自动运行模式的普及将地铁进一步推向智能地铁。

③综合监控系统是智能地铁的底层信息共享平台，它为地铁智能信息化集成系统提供最广泛的底层本源信息。智能地铁建设须以此为基础，智能化功能也是对这些信息集成后产生的。

3 智能信息化集成系统的核心——线网调度指挥系统

智能信息化集成系统的核心在线网调度指挥中心，中心又是以调度指挥层为核心，也就是智能信息化集成系统的MES层。线网调度指挥系统的结构如图7所示，它下联线路综合监控系统、视频监控系统、信号系统及线路信息管理系统，上联线网信息管理系统。

图7 地铁线网调度指挥中心系统图

3.1 线网调度指挥系统（TCC）结构

城市轨道交通的线网调度指挥系统严格来讲是信息化集成系统的MES层和部分经营管理层的结合。信息集成是TCC的主要目标。其结构如图5所示。

系统在结构在上分为两层：MES层与信息管理层。MES层由双冗余的工业以太网支撑；信息管理层由线网的管理网支撑。

一般来讲，MES层建有行车调度指挥中心，应急指挥中心，电力调度指挥中心，总调度长席位，机电轮值工程师席位。建有线网综合维修中心，线网网络管理中心，通过线路网关，MES层与各条线的信号ATS监控系统，CCTV和各条线信息管理系统相连。

信息管理层建有信息管理网，其上建有信息化中心设备，节能中心，信息发布中心，信息报送中心和线网门户网站。线网信息管理系统对全市轨道交通线网的各类信息协同管理实现线网轨道交通的各种功能需求。

线网调度指挥的MES层主要是生产执行。实现线网运营的调度指挥管理。当进入n条线组网建设之时应根据当时的实际情况做出具体项目的设计以及工程的初步设计。

3.2 线网调度指挥系统的功能

线网调度指挥系统的两层结构上建有MES数据库以及全线网管理信息中心数据库。线网调度指挥系统实现的主要功能如下：

（1）线网行车调度功能：以所有的线路运营系统为监控目标，以行车指挥为核心，充分协调各线路上在线列车的运行，促成线网上列车的统一指挥，最大限度地提高地铁网络上列车运行的协同性，可根据实际情况，分期分步实现ATS 的线网级功能集成；经过实践考证实现线网运行总计划及总运行图编制及总运行计划调整。

（2）线网电力监控功能：建立线网电力调度与能耗管理中心；实现供电主所的资源共享，可通过制定线网电力支援预案，实现轨道交通网络的统一电力调度及主变电所资源共享。监视全线网电网主所与变电所的运行状态并进行运行管理及应急处置。将城市轨道交通整个供电网看作区域电网，线网电力监控是实现对区域电网的网调功能。

（3）线网关键机电设备监控管理：监控线网内各站、区间的关键机电设备运行状态和系统运行工况。分析各线大功率设备能耗，协调换乘车站运行模式；分析服务类设施运行情况，如自动扶梯、电梯的运行情况。操作员可以监视各线车站及区间机电设备状态、各线车站站台/站厅平均温度/湿度等，监视水泵、电扶梯、配电照明等运行情况。

（4）建立线网应急指挥系统：TCC设置应急指挥中心并有会议系统支持，设置防灾专家席位。各线OCC设有应急指挥分中心，现场有应急处置分队。软件平台设有成熟的应急指挥子系统。

（5）线网安防系统：建立全线网的安全管理与防灾体系（全线安防平台）。协调指挥各线路安防系统。

（6）建立客流分析中心：全线客流分析及PIS，对全线客流进行统计分析，实现全市城市轨道交通客流大数据分析及成果应用。

（7）全线视频监控系统：在TCC建立线网视频信息中心实现视频信息大数据分析的分享，实现智能视频监控功能。

（8）建立全线运营评估系统，对整个城市轨道交通运营状况进行科学评估。

3.3 线网调度指挥系统功能智能化

目前，已建或在建的线网调度指挥中心实现上述线网调度指挥功能的水平不尽相同，智能化水平更加差异。地铁智能信息化集成系统对线网调度指挥系统的智能功能要求是：

（1）实现上述TCC八大功能和信息化中心设备，节能中心，信息发布中心，信息报送中心和线网门户网站等功能的智能化。要求线网调度指挥中心MES数据库和管理信息中心数据库在智能化要求下优化、升级，互相融合，成为融合海量数据库（大数据数据库）支持云计算与大数据的发展要求。

（2）TCC八大功能向智能化发展，提出新的智能化要求：①编制线网行车总计划的算法中引入人工智能，将富有实践成功编图经验的专家的经验吸收进来。实现线网总运行计划的智能编制和智能调整。②全线网智能电力调度，应用智能电网的技术成果，实现城市轨道交通电网智能管理。③线网关键机电设备智能化管理：在对线网内各站、区间的关键机电设备运行状态和系统运行工况监控基础上，实现智能管理，实现设备的状态修。④线网应急指挥系统功能智能化，做到预测、实时、预案智能调度及应急指挥的智能管理。⑤建立城市轨道交通大安防系统智能调度管理。⑥在全市客流分析中心，建立大数据平台，应用大数据分析支持行车调度与客流疏导。⑦建立全线智能视频监控中心，引入智能视频监控系统：自动判别异常状况、识别危险源、防恐。识别拥堵、人流异动、客流估算；防恐、常客户统计、社会服务；自动判别行车障碍、异常状况；自动识别危及行车非法行为的“钻探”、挖掘；自动判别异常运动、异物。应用人脸识别技术、异常行为跟踪等智能技术，提高监控水平。⑧对整个城市轨道交通运营状况在大数据支持下，引入人工智能进行科学评估，使城市轨道交通运行智能化。

（3）城市轨道交通信息化中心设备，节能中心，信息发布中心，信息报送中心和线网门户网站等传统功能在云计算中心与大数据支持下实现智能化升级，全线网信息实现智能调度管理和人性化服务。

线网调度指挥中心全面智能化将使城市轨道交通指南信息化系统融入智慧城市的信息化集成大系统。

4 地铁智能信息化集成系统的云计算架构

城市智能地铁发展的一个里程碑标志是采用云计算技术，地铁智能信息化集成系统结构向云计算结构进步。其间，智能信息化集成系统发生了一个巨大的变化——智能信息化集成系统层次结构与功能结构的分离。智能信息化集成系统结构可通过虚拟化技术聚集成为云计算结构，云计算中心代替了原三层结构；而原来在各层所要求的功能依旧分层实现。

4.1 地铁智能信息化集成系统线路级云计算方案

地铁智能信息化集成系统具有如图5的层级结构。但云计算技术的兴起使它的线路级与线网级系统结构发生突变。这两级系统通过云计算虚拟化技术进化为云计算中心的结构。实践中出现了各种云计算的解决方案。

最早的线路级综合监控系统云计算方案是深圳地铁公司在2012年广州地铁主办的地铁综合监控系统技术研讨会上提出的。2015年，以住建部为主编单位的《城市轨道交通综合监控系统工程技术规范》编委会责成深圳地铁、华为和广州佳都科技公司联合提供地铁综合监控系统云计算方案并在佳都科技综合监控系统仿真平台上实施，由编委会主持、对云计算方案进行测试。最终，地铁线路综合监控系统云计算实施成功，通过测试，写进了国家标准。

图8 华为与佳都科技地铁线路及综合监控系统云计算方案

图8 是华为与佳都科技线路及综合监控系统云计算方案。其设计要点如下：

（1）云计算方案包含“综合监控系统OCC云计算中心”和“综合监控系统车站云计算工作站”两大部分。

（2）综合监控系统OCC云计算中心的设计，采用轻型简约化设计。采用华为E6000一体机，20个车站的40台车站服务器虚拟化到一体机的刀片服务器中。同时，一体机的部分刀片服务器虚拟车站的桌面云，实现三屏配置的车站操作员站。

（3）综合监控系统车站云计算工作站的设计，包括了两部分：第一，须设计一个本地工作站作为综合监控系统车站本地云计算控制站。第二，在车站车控室设置云终端（桌面云），它可支持三屏显示。车站综合监控系统的工作机制是，当骨干网故障，云终端失效，但本地工作站继续工作。骨干网故障同时本地工作站故障，IBP盘实现紧急操作。综合监控系统车站云计算工作站设计采用了本地云终端与中央云桌面互为冗余方案。本地工作站的另一功能是工程实施时刻支持每一站的安装、调试。

（4）云计算方案按照城市轨道交通综合监控系统设计规范国家标准附录中的结构图方式绘制地铁综合监控系统云计算结构图。

（5）云计算的硬件与综合监控系统软件平台相适应。云计算中心的软件要与综合监控系统软件平台相兼容，但云计算中心软件的成本应严格控制。

此后华为又在其苏州的开放实验室与浙大中控合作构建了一个升级版的地铁线路级综合监控系统云计算中心，证明了云计算可行。

华为城轨综合监控云解决方案在控制中心部署虚拟化平台，采用FusionCube融合一体机架构，为各个不同业务分配不同的虚拟机资源，实现资源高效利用，简化运维。FusionCube高度融合计算、网络、存储资源，并分别通过FusionCompute、FusionNetwork、FusionStorage实现计算、网络、存储资源池化，为综合监控系统各专业高效利用提供基础。同时，为了缩短业务部署周期，方案还预安装好云平台软件FusionSphere以及云平台管理软件FuionManager，设备到货上电即可进行业务安装调试。总体来说，综合监控云方案具备以下特点：

（1）高度集成，简化运维：融合架构，硬件一体化，软件预集成，业务灵活扩展；系统升级、维护、故障处理等集中在控制中心。

（2）设备精简，弹性优化：仅控制中心部署虚拟化资源，将设备降到最少，成本可控；服务器、存储资源池化，按需弹性分配提高资源利用率。

（3）安全、稳定、可靠：全方位多重可靠性保障；全面灵活的E2E安全防护；多级冗余设计。

（4）硬件资源的统一管理和维护，降低工程实施、调试和更新的工作量和风险度。提高服务器硬件资源的利用率。在进行分段开通、延伸线接入等节点工程时，减少对已开通运营线路的影响。

（5）促使服务器硬件由双机冗余模式向并行分布式集群模式转变，提升系统的高可用度。便于系统新功能、新应用的扩展。

（6）大数据云存储平台，在同等造价下，数据可以存储3 ～5年。云存储平台基于分布式存储，规模可以横向扩展，未来可以扩展为线网级大数据平台。为将来大数据分析提供了有效的数据支撑。

4.2 地铁智能信息化集成系统云计算方案

在线路级综合监控系统云计算基础上全线网调度指挥中心的MES和信息管理层也可虚拟化为全线网云计算中心。其结构如图10所示。

图10 地铁云计算结构图

地铁智能信息化集成系统的线网级虚拟化部署在线网中心云计算一体机中，如图10所示线网调度指挥中心的MES层与管理层的各类服务器虚拟化到FusionCube一体机集群中，构成整个地铁网的云计算中心，各线路的云计算中心的信息汇聚到线网云计算中心。

以华为公司的一个典型方案为例阐述智能地铁信息化集成系统云计算基础的智能地铁解决方案，如图11所示。

图11 华为云计算解决方案

华为智能地铁解决方案主要分为三个层级，分别是面向数据采集的终端层、面向数据传输的网络层、面向数据管理及展示的的云计算中心：包括平台层以及面向业务展示的应用层。终端层主要解决终端层设备运行状态数据的实时采集及上传问题，确保中心能及时获取各设备运行状态，为地铁安全、高效运行提供更可靠保障。方案可以配合各设备厂商提供模组芯片（内置多种传感器），以便设备信息通过功耗更低、覆盖更广的NB-IOT回传到控制中心。网络层主要解决各类数据安全、可靠传输问题。针对地铁不同业务场景，方案提供各种网络传输方案：比如针对车载业务，方案提供LTE稳定、可靠回传方案；针对综合监控业务，方案提供接口种类多，工业属性强的物联网回传方案；针对站厅、展台的无线覆盖业务，方案提供大带宽、高并发的WLAN方案。而在各车站与中心间，则采用软硬管道一体化、TDM/分组业务统一承载的增强型MSTP方案，既满足不同制式业务统一传输，又能保证不同安全等级业务的可靠传输。

云计算中心包括了平台层和应用层，主要解决设备数据的高效管理以及数据价值挖掘问题。数据的管理不仅是把数据存储下来，而且也必须解决海量数据分类管理、高效检索难题。方案采用模块化、流程化设计，为上层应用提供安全、高效、可靠的数据、管理平台支撑。同时利用平台层分析的数据，提供线网行车运营调度、客流分析监控、线网应急指挥、线网运营评估、城市交通信息共享及信息服务等业务服务，实现地铁业务的智能化管理。

4.3 智能信息化集成系统云计算架构上的大数据

在地铁行业，每天产生大量的运营数据，包括视频数据、票务数据、设备状态监测数据等。然而，当前的系统建设只是把数据存储下来，并没有对数据进行有效分析和处理来促进业务发展。在云计算中心，采用大数据平台，应用大数据分析方法。

数据是智慧之源，但作为智慧之源的数据是指从海量低价值数据中挖掘出来的高价值数据，并非原生态、无规则的低价值甚至无价值数据。在智慧地铁方案的平台层引入了大数据引擎，对元数据进行分析、处理，挖掘数据价值，服务上层业务应用。数据详细分析、处理流程如图12所示。

图12 智慧地铁大数据分析平台

平台首先对数据进行分类存储：票务数据、设备状态监测数据之类的结构化数据存储在Hbase（一种构建在HDFS之上的分布式、面向列的存储系统）上；视频数据之类的非结构化数据存储在Hive（建立在Hadoop基础上的开源的数据仓库，提供类似SQL的Hive QL语言操作结构化数据存储服务和基本的数据分析服务）上。

针对业务数据的特性，不同业务数据采用不同分析模型：设备状态监测数据需要实时分析，则采用基于内存进行计算的分布式计算框架Spark进行分析；视频数据则可以采用实时流式数据处理Storm进行分析处理；而对于票务数据建议周期性分析处理，则可以采用能提供快速并行处理大量数据能力的Mapreduce处理分析。

数据处理完成后，可以根据不同维度对数据进行整合，比如：通过设备状态信息，整合综合监控数据，分析出在什么状态时出现设备故障的概率更大，为状态维修提供数据支撑；通过售检票数据信息，挖掘乘客的行为习惯，为提升乘车体验及应急指挥提供数据支撑。

数据分析完成后，也可根据不同业务应用，如运营调度、应急指挥、运营评估等，采用多维度数据分析结果构建抽象模型，并通过迭代方式不断完善抽象模型。把分析完成的数据导入抽象模型中，获得支撑业务决策的有价值数据；

此外，可通过开放的eSDK平台，把数据共享给上层应用；经过大数据引擎的分析处理，元数据已经转化成各种业务模型数据。上层应用通过开放的API接口调用这些数据，让业务服务更加智能。可以说，实现了城市轨道交通智能信息化集成系统的纵向集成，实现了云端到底层的数据打通。

5 地铁智能信息化集成系统内涵

地铁智能信息化集成系统由于云计算结构与大数据技术支撑真正开启了智慧地铁之门。总结起来它包括了以下几个方面的发展：

（1）地铁智能化的实现落实到地铁信息化集成系统基础之上，也就是地铁智能化在地铁两化融合的基础上实现，脚踏实地，以自动化与信息化系统为基础。

（2）由于智能信息化集成系统采用了新工业革命时代的新技术：物联网技术、云计算技术和大数据技术。设备终端接入方式灵活多样：支持WiFi、LTE、NB-IoT等无线接入以及串口、以太网等有线接入。

（3）由于云计算中心的集中管理，智能信息化集成系统的安全管理特别是信息安全管理至关重要。安全管理分为设备安全、接入安全、平台安全、应用安全以及数据安全的全方位安全架构，必须能为地铁安全、可靠运营保驾护航。

（4）在云计算与大数据支持下，智能信息化集成系统更容易应用人工智能成果，支持地铁智能运营，更好地为乘客人性化服务。

（5）可视调度，智慧协同。线网中心集中监视，实现线网所有线路可视化管理，为各线路间协调运营提供统一平台。单线路故障时，能及时、动态调整全网运行图，避免乘客大量滞留情况，实现公众便捷、舒适出行。

（6）多维分析，智慧决策。客票数据分析，为制定合理运行图以及有效发车间隔提供决策依据；运维数据分析，为运维管理由故障运维到计划运维再到状态运维提供平台支撑；视频数据智能分析，大大提升地铁运营的安全性。

（7）通过地铁智能信息化集成系统，即地铁CPS系统的横向集成技术，实现与智慧城市的功能协同，使智能地铁成为智慧城市最有效、最智慧的一个组成部分。

魏晓东，1967年毕业于天津大学精仪系。1984～1991任安徽工业大学自动化系副教授。1991出版《分散型控制系统》（上海科技文献出版社）。2000-2012任北京和利时系统工程公司副总工、事业部总设计师，北京地铁13号线、深圳地铁一期工程、广州地铁3号线综合监控系统工程技术总负责人。2006、2010年出版《城市轨道交通自动化系统与技术》初版与第二版（电自工业出版社）；2010年主编国家标准《城市轨道交通综合监控系统工程设计规范》（GB50636-2010）《城市轨道交通综合监控系统施工与质量验收规范》（GB/T50732-2011）；2010年主编关于两化融合的国家标准《工业企业信息化集成系统规范》（GB/T26335-2010）。2013至今任清华同方数字城市工程中心技术专家，住建部城市轨道交通标注技术网Eu委员会委员，全国自动化系统与集成标准技术委员会委员。

CLPA与OPC Foundation签署合作备忘录

2016年4月，CC-Link协会（CLPA）与OPC Foundation在对工厂和ICT间的连接提供支持上达成协议。当前，将工厂自动化（FA）与管理层的ICT相结合，通过分析制造现场发生的数据以提高生产效率的需求日渐高涨。在这一背景下，CLPA与OPC Foundation确立了通过统一FA与ICT间的接口，实现以高端制造为目标的智能工厂的方针。

2015年底，CLPA与PROFIBUS& PROFINET International（PI）就实现网络的互联性达成协议。通过制定连接CC-Link IE与PROFINET的通用规格，使现场层不同的网络间的通信变得更加简单。

如果将CC-Link IE与PROFINET的合作视为横向层的连接强化，此次备忘录的达成则可以说是对纵向连接的加强。OPC Foundation提供将基于FA的生产现场控制系统与基于ICT的经营部门信息系统相连接的“OPC UA”接口解决方案，在工业4.0中被定义为FA与ICT间的标准接口。此次协议的目的是实现CC-Link IE与OPC UA的连接，以满足需连接工厂所有相关信息的工业4.0及 Industrial IoT时代的要求。

具体来说，CLPA对设备描述文件“CSP+”加以扩展，使装置所持的各种信息可统一进行处理，并与OPC Foundation共同定义了与OPC UA模式间的映射规范。由此，制造工厂的装置与ICT间的接口得到统一，以前两者之间繁琐的连接变得非常简单。

具有1Gbps高速通信的CC-Link IE可满足信息量急剧增长的工业4.0时代的要求，而OPC UA则具备对应工业4.0的标准接口，这两大网络的推广团体CLPA与OPC Foundation的合作具有重大意义。CLPA中村直美事务局长指出，通过扩展CSP+实现与OPC UA的连接，可以将各种装置作为单个设备进行操作，使生产现场的信息能够更容易地为整个企业共享。OPC Foundation的Thomas J.Burke社长也强调了双方合作的意义，他认为，通过与CLPA的合作，实现CC-Link支持设备与云端连接的高效解决方案，可以跨越供应商界限，向CLPA与OPC的会员提供整合了所有信息的系统环境。

以下一代产品制造为目标的“智能工厂”正在通过IoT和工业4.0将制造与管理融为一体。在这一发展潮流中，拘泥于细微的规范差异已经不存在意义。CLPA先后推进与PI、OPC等其他网络的合作，正是顺应这一潮流的举措。