城轨云在全自动运行系统中的应用研究

王军贤

(通号城市轨道交通技术有限公司，北京 100070)

1 概述

近年来，随着城市轨道交通技术装备与管理水平的提升，以云平台为代表的信息化、智能化新技术相继应用，大大提高了系统硬件资源的利用率，降低了工程总造价及运营成本。全自动运行系统是由车辆、通信、信号、综合监控及站台门等专业设备共同协作来实现列车全程自动化运行的系统，可在中心控制远程实现列车自动唤醒、自检、自动运行、到站停车、开关车门、清洗车辆、自动休眠等功能，不但节约了人力成本，还减少了人工操作失误而产生的安全风险，极大提升轨道交通控制系统的自动化水平、安全性、可靠性及总体效率。因此，基于城轨云技术的全自动运行系统是实现智慧城轨的必然发展方向。

2 城轨交通云平台发展现状

目前，城市轨道交通行业的智能化已逐步从探索进入应用阶段，大数据及云计算在城轨行业中逐渐得到应用，打破了传统服务器物理资源有限的瓶颈，将网络技术与虚拟化技术结合形成云平台，可以实现超大容量存储、资源动态分配和扩展功能、超强能力计算，因此，越来越多的城市正在积极推广云计算的应用。2017年4月武汉地铁率先在全国提出城轨线网云平台建设方案，该方案打破了此前“按线、分专业”的建设思路模式；2019年1月温州开通运营的S1线采用单线路、单专业的城轨系统云平台，将云计算应用到综合监控系统中，系统可靠性、效率及运维智能化水平得到了很大提高；2019年12月呼和浩特市地铁1, 2号线工程云平台系统投入运营，涵盖信号系统、AFC系统、综合监控系统。由此可见，城轨系统中将核心业务云化在技术上是可行的并且具有很大的优势。

3 云平台的优势

将云平台应用到轨道交通是实现城轨智能化的重要手段，云平台与既有传统轨道交通信息化建设相比，主要有如下几方面的优势。

3.1 建设成本节约化

云平台主要通过服务器集群及造价低的节点服务器构建而成，可以通过动态分配提高系统资源利用率，有效降低了设备冗余造成的大量硬件成本，节省了建设成本及运维成本，提高了资源利用效率。

3.2 资源管理集中化

云平台可以实现软硬件资源集中管理，灵活分配，实现系统资源的错峰配备，如在业务需求高峰期启用闲置资源提高云平台处理能力，在业务需求低时转入节能模式；同时云平台可以统一分配、调整、回收系统的硬件资源，统一部署、集中软件升级，统一管理用户的认证、授权等，从而实现对云上资源的集中管理。

3.3 运维成本最小化

当前轨道交通建设呈现井喷式的发展，随之面临缺乏既懂城轨业务，又懂计算机的复合型专业运维人才，通过云平台实现轨道交通信息化、自动化后，在中心便可以实现集中运维和管理，数据自动备份在云端，大大减少了运维人力成本，消除了因维护管理水平而造成影响的风险。

3.4 接口高度通用化

云平台架构采用开放的接口和标准化的硬件，实现了硬件、系统和应用软件之间的集成，云平台的设备采用成熟的商用设备，具有灵活的扩展性和系统兼容性，所以在云平台上可根据用户需求部署应用软件或开发。

3.5 数据处理海量化

随着数据分析和数据挖掘技术的发展，大数据在城市轨道交通领域的应用越来越广泛，城市轨道交通业务中产生海量数据，利用云平台进行集中计算，为大数据获取、管理、处理、整理提供稳定、高效的平台。如对客流趋势、设备状态进行预测、分析、进而指导决策运营及维护。

4 城轨交通云平台架构

4.1 城轨云平台底层架构

城轨云平台底层架构主要由5部分组成，即采集层、网络层、数据层、应用层和用户层。采集层是按照特定的周期和协议进行信息的收集，并采用一定的周期传送至数据层；网络层将采集的信息和控制指令进行传输；数据层将采集的各种海量信息进行存储、计算、查询、管理等；应用层以数据层的数据库及其计算为基础，通过数据整合、数据挖掘、数据分析等技术进行信息处理，进行调度决策、站场管理、运维管理等；用户层通过人机交互方式展现信息，为用户进行智能决策提供依据。

4.2 城轨云平台系统架构

城轨云平台的系统架构通常采用中心和车站两级模式，由云管理平台进行统一管理。同时按照冗余性原则设置灾备中心，在灾备中心根据需要和业务重要性选择灾备不同的业务系统,如信号、ISCS、AFC、ACC、CCTV等。城轨云平台系统架构如图1所示。

中心级云平台包括生产中心、灾备中心两部分，当中心级云平台同时故障或车站至中心间网络故障，将切换到车站后备级应用服务，城市轨道交通一般将生产中心设置在控制中心，将灾备中心设置在车辆段，云节点设置在沿线各车站，车站、车辆段与中心云平台之间通过骨干环网及接入交换机连接进行数据通信。

图1 城轨云平台系统架构Fig.1 System architecture of an urban rail cloud platform

4.3 城轨云业务分配

对于城轨云系统架构，在云平台上统一部署多条地铁线路的系统软件，再根据不同的专业和业务划分不同的虚拟数据中心(Virtual Data Center,VDC)，不同线路的同一专业或同一业务应用软件可以部署在一个VDC内，VDC内部可以根据线路按照需求进行再次划分并设置一定的边界安全隔离策略，从而形成不同的虚拟专有云(Virtual Private Cloud，VPC)；当出现业务容量不足时可以对VDC内的计算、存储及网络资源池中的任何一部分进行扩容或迁移 ,城轨云业务划分如图2所示。

5 城轨云在全自动运行系统中的应用发展

5.1 单线单系统在城轨云上的应用

城轨云平台第一阶段主要应用在单线路单系统上，对于单系统云技术的实践，已经成功应用于多个城市,如北京市轨道交通指挥中心(TCC)二期工程、天津地铁TCC系统、温州地铁S1线综合监控系统，呼和浩特地铁1号线ATS信号系统，均采用搭建的云平台安全生产网部署一条线的单个系统应用业务，以信号系统ATS子系统为例，借助城轨云将ATS系统虚拟化到云平台上并网络化，在车站部署终端节点与客户实现交互，顺利实现信号系统的数据采集和信息整合，极大优化ATS系统的整体性能，最终为全自动运行系统提供相应的支持和服务。

5.2 单线多系统在城轨云上的应用

城轨云应用的第二阶段主要是将各系统整合上云，单线多系统云平台采用集中式部署，将一套云平台服务器部署在控制中心，虚拟化出车站及跨站中心业务所用工作站及服务器，在虚拟服务器和工作站上部署系统软件和应用软件，同时在车站和中心根据用户需求配置终端通过云桌面实现人机交互。如北京地铁12号线将综合监控与ATS系统整合，武汉地铁16号线计划将各子系统接入云平台实现各系统间信息互联互通，数据共享，提高了各系统的协调联动能力，有效地提高了轨道交通自动化水平和运营管理能力。

图2 城轨云业务划分Fig.2 The division of services of urban rail cloud

多系统上云平台的前提是实现多系统融合，把各子系统整合形成一个大系统并部署在一个平台上，第一步要实现车站级各子系统整合，即整合车站联锁、区域控制器、ATS、监测及运维等所有功能，取消其物理接口，在系统内部完成信息传递，将大大降低建设成本，缩短现场调试时间，同时降低了系统间通信故障的概率，提升了系统的性能和稳定性；在此基础上通过车站与中心之间的网络形成强大的云平台整体，所有车站所有系统所有设备均在同一个广域网络上，从而实现远程操作、远程诊断与分析等。

5.3 多线多系统在城轨云上的应用

随着城市的发展，轨道交通高负荷运行对运营提出了严峻的考验，城轨行业的信息化和智慧化趋势也正逐渐由线路运营向线网运营发展，前面两个阶段都是基于单条线路建立的云平台，对于一个城市多条线路多个系统的设备，通过整合融合，运算中心化，构建线网级云平台是终极目标，因此基于全城全网一个云平台并搭载全自动运行系统的城轨云架构呼之欲出，涉及电力、车辆、通信、信号、综合监控、异物检测等多个专业，并建立一个以行车指挥为中心的综合信息云平台，承载线网统一服务、集中运维。

基于城轨云发展轨道交通全自动运行系统仍有一段路要走，车辆运行需要依靠车载信号控制，而做好车载网络与城轨云兼容是构建城轨智能化控制系统的关键；同时在全自动运行系统中，车上无司机，在此情况下保障列车安全运行显得尤为重要，因此基于云架构及大数据的车辆智能运维研究需要不断地实践并改进，进而全面实现智慧城轨从顶层设计到规划再到可持续发展的模式。

6 结束语

城轨云在轨道交通领域的应用时机已经成熟，必将为实现交通强国智能交通建设起到推波助澜的作用，对城轨行业安全、高效的生产运营起到巨大的促进作用，但是相对于国外发达国家，国内城轨云在轨道交通领域的应用尚处于起步阶段，需要在建设中总结经验尽快形成统一的技术标准，并与城市轨道交通相关的技术规范相结合以获得更好的应用效果。