基于城轨云的沈阳地铁线网指挥中心系统方案设计

北京城建设计发展集团股份有限公司 何宇峰

沈阳地铁集团有限公司是承担沈阳市城市快速轨道交通建设和运营管理的大型国有独资公司。目前，沈阳地铁运营线路已进入网络化运营时代，共有4条地下线路，形成了“十+环”的格局，里程长度117.06km，共设车站92座；沈阳地铁在建线路共有3条，里程长度约92km，车站69座；拟建线路共有2条，里程长度约51km，车站40座。沈阳市远景年中心城区内轨道线网由“四横、五纵、两L、两弦线”组成，里程长度610km，线网呈L放射型，核心区线网密集，外围区轴向放射。本文结合全国其他城市建设现状、云技术发展趋势和沈阳地铁建设实际情况，在《智慧城市轨道交通信息技术架构及网络安全规范》架构指引下，基于城轨云，对沈阳地铁线网指挥中心系统方案设计进行研究。

线网指挥中心的总体研究

总体原则

沈阳市轨道交通线网指挥中心作为生产指挥中心，自成立以来，对沈阳市轨道交通系统运营实行集中指挥、协调管理，打造分散/区域控制、集中管理的综合性现代化指挥控制系统，开展网络化运营、现代化管理和精准化经营，系统具有三级管理、三级控制的能力。图1为沈阳市轨道交通系统体系结构图。

系统目标

建立标准化多专业共享信息化平台，云技术的应用将成为城市轨道交通自动化系统未来的发展方向[1]。采用云计算技术的线网指挥中心系统，可以充分提高系统硬件资源的利用率，节省耗电成本和空间成本，降低工程总体造价，实现各业务系统数据的智能联动，真正提升城市轨道行业的信息智能化，为构建沈阳智慧地铁奠定基础。沈阳地铁线网指挥系统采用分阶段、分址建设的方案：

（1）第一阶段

图1 沈阳市轨道交通系统体系结构图

图2 线网指挥中心系统构成框架图

在滂江街搭建沈阳市轨道交通线网指挥系统基础平台，完成轨道交通自动化系统基础设施虚拟化技术的应用，在云平台Iaas搭建计算资源池、存储资源池和网络资源池，并完成配套线网通信系统的建设，实现全线网自动化系统的应用；软件平台由各系统软件部署在基础平台之上，实现线网运营指挥功能（线网智能调度、线网应急指挥、线网智能运维、对外信息发布）和线网数据分析功能（线网客流分析、线网仿真预测），满足运营生产、管理信息、乘客服务等目的；建立一套标准数据协议接入层平台，完成线网数据治理（线网数据采集标准、元数据管理标准、线路接入标准）。

（2）第二阶段

在建设线网指挥中心（暂定浑南）时，增加站段云，搭建智慧车站信息管理，实现智慧车站数据监管分析；强化线网运营智慧分析功能（线网门禁授权、线网视频人脸分析），并建立应用级灾备中心。

线网指挥中心系统设计方案

线网指挥中心系统第一阶段仅建设安全生产网，预留与内部管理网及外部服务网的接口条件。线网指挥中心系统采用整合云方案，对系统进行模块级重新整合构建，采用大数据技术，合理利用算法并挖掘更深的数据资源。在云平台操作系统下，安全生产网可实现基于业务需求灵活分配计算、存储和网络资源。线网指挥中心系统通过线网信息服务应用系统的内外网门户功能，实现对运行信息的指定网络和人群权限的发布，并通过接口推送集团信息中心的外部网站和OA系统所需的信息。对于外部网络和与云平台资源池的内部网络，线网信息服务应用系统设置网闸、WEB防火墙等加强安全防护。

线网指挥中心系统架构包括系统安全、数据中心（接入层和数据层）、应用系统、展示系统及其他系统（图2）。

系统构成

数据中心

线网指挥中心系统的数据中心是整个系统的基础平台，通过数据采集平台可以实现对线路数据的统一采集，同时可以完成对各类多元异构数据以及ACC系统等不同平台数据源的抽取、转换和加载。数据采集平台负责对数据进行采集以及对数据进行预处理，设备由数据中心提供，主要包括接口交换机、防火墙、接口服务器等。接口服务器采用云架构虚拟化方案、部署在滂江街控制中心。数据采集平台按接入地点分为滂江街控制中心数据采集平台及张士控制中心数据采集平台两部分。

数据中心采用云平台架构，在滂江街控制中心提供的服务包含计算资源池、存储资源池、网络资源池、相关数据库及中间件等，并在张士控制中心提供数据远端备份存储服务。系统通过云管平台管理上述资源，为不同资源性能需求系统分配不同的资源池，各应用系统平台在所申请云资源之上部署应用[2]。

线网指挥中心系统通过设置多种不同类型数据库，为不同类型业务提供支撑。系统需支持OLAP（联机分析处理）分析、海量数据运算与分析、数据挖掘分析等多种分析功能，满足数据分析、报表与展示、GIS等基础软件以及应急处置及协调、统计分析、运营评估等应用软件的使用功能。

（1）网络单元

数据中心云系统的网络架构采用分层设计方案，分为接入层、汇聚层、核心层。网络设备至少包括路由器、交换机等，能够对网络路由告警等相关信息进行采集和分析。

核心层由冗余核心层以太网交换机组成双核心结构，负责数据中心内部的核心业务数据交换，以及数据中心内各业务分区之间的数据交换。数据中心内部的云服务器通过10GE光接口连接至汇聚层以太网交换机，其他金属裸机通过10GE光接口连接至汇聚层以太网交换机。核心层以太网交换机与汇聚层以太网交换机采用40GE接口连接，汇聚层以太网交换机与各功能分区的接入层交换机之间的接口采用10GE接口。接入层以太网交换机用于对各功能系统的业务终端接入，包括开发测试区、系统管理区、信息发布区等，通过10GE接口连接至核心层以太网交换机。

（2）计算单元

线网指挥中心系统（COCC系统）计算资源池规划为云计算虚拟服务器资源池、云计算裸金属服务器资源池、大数据平台裸金属服务器资源池，其中，云计算虚拟服务器资源池、云计算裸金属服务器资源池由云计算服务器资源池管理（控制）节点进行管理，大数据平台虚拟服务器资源池由大数据平台管理（控制）节点进行管理。

（3）存储单元

数据中心系统存储规划，采用集中式与分布式相结合的方式，其要求如下：

一是集中式存储。应用于数据中心各应用系统虚拟机硬盘存储及关系型数据库存储，设置冗余FC SAN存储设备，部署在滂江街控制中心。

二是分布式存储。应用于大数据平台，用于存储结构化及非结构化数据，采用多副本形式。

三是视频图像中心备份存储。视频存储采用集中存储模式，存储服务器采用虚拟化方式实现，磁盘阵列采用IP SAN设备规划。

四是数据备份系统存储。数据备份系统存储设备采用集中存储模式，部署在张士控制中心。

应用系统

各应用系统设置服务器、各类工作站、打印机、网络设备等，系统采用B/S结构、TCP/IP协议、热备、冗余、开放、可靠、易扩展的计算机系统。

各应用系统局域网配置冗余的三层级的光纤以太网交换机，通过光接口连接汇聚层网络、核心层网络与云计算虚拟服务器资源池互通，通过千兆以太网电口连接工作站、打印机等计算机设备。

展示系统

展示系统通过图形化界面向用户，展示各系统监视数据信息和实现各类应用功能的可视化显示。展示系统设备主要由应用系统的各类操作员工作站、打印机以及人机交互系统和大屏幕显示系统等构成。

系统安全

线网指挥中心系统安全可按安全区域划分为核心生产区、内网接口区、安全管理区以及信息发布区等。

系统软件

软件架构

系统软件架构符合开放的原则，可与外部系统进行通讯并提供标准的接口和功能服务，并可将功能封装为对外的服务，通过服务总线或微服务发布形式供第三方应用调用。软件系结构采用分层结构方式设计和开发，分别为数据层、应用支撑/中间层和应用/展示层。

数据层

数据层软件包括数据接入、数据存储与计算、数据治理、数据服务软件、数据安全管理等部分。

（1）数据接入

数据接入功能包含数据采集和数据同步等功能。数据采集软件负责内部业务系统、外部数据源以及外网等获取所需的结构化、半结构化与非结构化数据的自动化采集，完成数据采集相关工具、组件的安装、部署和集成，利用数据调度和采集工具，将数据源导入大数据平台。

数据同步软件具有数据共享交换、数据任务调度ETL等功能。支持混搭架构下的统一数据交换，具备多种数据采集、分发模式，提供数据校验、筛选和清洗等处理功能，具备对作业的调度管理能力、监控能力及完善的数据配置能力。

（2）数据存储与计算

数据存储与计算主要包括大数据平台软件、MPP海量并行数据库和关系数据库等。大数据平台建设包含搭建大数据基础平台、大数据开发分析平台，制定开发规范，构建大数据平台安全体系，同时建立大数据平台运维体系，为大数据资源中心建设及应用平台的建设奠定坚实的基础。

大数据基础平台可采用Hadoop，完成数据汇聚和开放工作以及对接海量数据源，完成自数据汇聚至数据能力的全流程加工过程，同时还为数据分析、数据挖掘工作提供必要的生产环境。

（3）数据治理

数据治理包含元数据管理、数据质量管理、数据标准管理、数据生命周期管理等。元数据管理负责管理大数据平台的元数据，贯穿大数据平台各个环节，驱动系统的各个处理单元。其他软件依赖于元数据管理系统中存储的元数据信息，包括工程使用的物理数据、技术和业务流程、数据规则和约束、数据结构、安全等方面的信息。

数据质量管理需通过数据质量检查规则实现线网指挥中心系统全局数据的质量把控，需通过部署、执行、分析数据质量检查规则等完成数据质量管理。

数据标准管理旨在确保数据的一致性，数据生命周期管理负责数据存储周期制度和流程的制定，完成数据治理平台数据生命周期管理。

（4）数据服务软件

数据服务软件采用数据服务总线系统或数据微服务网关系统，可实现各种不同应用程序之间的通信。数据服务总线系统允许软件设计人员便捷地配置消息路由、虚拟化、中介、转换、日志记录、任务调度、负载均衡、失败路由、事件中介等。运行时，软件设计为完全异步、非阻塞、连续的中介引擎。数据微服务网关系统是一个完整的API发布解决方案，从创建和管理API到监控API，需要提供API整个生命周期所需要的各种控制，包含控制访问权限、访问流量、监控API的调用等。

此外，通过设计转向连杆机构(如图5所示)，可使割草装置在50°范围内的转动，满足了割草装置的转向需要。

（5）数据安全管理

数据安全管理提供数据安全策略管理、数据权限管理、敏感数据管理、密钥管理、数据审计等。

应用支撑/中间件

集成中间件采用专业的消息中间件产品进行数据传输，通过把消息保存在可靠队列中来保障“可靠传输”，并在传输中具备断点续传功能，能够应对网络故障、机器故障，保障消息一次传输、可靠到达，并支持大型消息和大文件的传输。

应用/展示层

应用/展示层提供指挥中心、地理分析、实时监控、汇报展示等多种场景模板，便于用户进行自助式可视化分析设计及设计作品的高标准展示。支持将各类地理坐标用可视化方式在地图上展示，如设备位置、人员位置和建筑位置等。

系统主要功能

线网运营调度系统

线网指挥中心通过线网运营智能调度系统行使中央协调角色，协调各线路控制中心的调度人员，具有运营主体综合监视、运营协调、应急指挥、信息共享等职能，在全市轨道交通线网中具有唯一性。线网运营智能调度系统主要功能包括：线网智能行车监察、线网智能客流监察、线网设备监察、线网供电监察、线网CCTV监察、报警管理、运营报送功能、调度值班管理等。

线网应急事件处置及协调系统

线网应急事件处置及协调系统对内负责协调各线路的行车调度方案，指挥重点站的客流疏导工作，对外负责将事故情况上报至上级领导，并在需要时报请其他交通部门配合完成客流输送工作等。线网指挥中心与各线路调度指挥中心（OCC)、事故现场临时指挥部一起，构成了城市轨道交通的应急指挥体系结构。

线网运营评估系统

线网运营评估系统平台根据日常运营管理需要，分为运营评估管理、线网运营仿真、运输计划编制评估、列车衔接评估模型四个系统。

线网运维管理系统

线网运维管理系统主要用于运维基础管理、知识库管理、委外单位管理和其他管理等。运维基础管理包含维修管理、物资消耗量管理、物料管理；知识库管理在工单在维修完成后，自动将工单转换为一条维修知识库。每条知识与故障树进行匹配，后续可以进一步编辑完善，通过关键词或设备快速检索出来，并且在发生同类故障时提供参考。系统具备委外单位管理功能，委外人员根据各专业工程师制定的维保计划进行作业，作业时间、作业结果及用料信息等均可上传至系统，并保留图片、视频等材料，作为后期维保质量检查、维保费用支付的依据。

线网运营指标管理系统

线网运营指标管理系统作为运营单位的全面指标管理平台，包括指标录入、指标生成、指标管理、指标查询、OD分析等功能模块。

线网信息服务系统

线网信息服务系统汇总了沈阳轨道交通业务系统中的所有日常运营数据，经过存储和加工处理后，通过信息服务系统可为运营管理人员提供信息统计、分析、评估和辅助决策服务，为上级单位等政府部门提供信息查询、数据交互服务。

结语

云计算在轨道交通的应用实施正处于快速发展阶段，需要在工程中不断摸索，总结经验。城轨云平台是以构建基础设施资源池（Iaas）为核心，搭建企业级应用、开发、数据平台（Paas），预留未来以软件为交付单元（Saas）的拓展能力。本文结合全国其他城市建设现状、云技术发展趋势和沈阳地铁建设实际情况，在《智慧城市轨道交通信息技术架构及网络安全规范》架构下，对沈阳地铁线网指挥中心系统的建设方案展开了深入研究。研究结果表明，采用分阶段、分址建设的设计方案是合理可行的。