基于云边端协同架构的多制式低运能智能综合调度系统

文：孙巍，徐晓龙，王晓磊｜北京城建智控科技股份有限公司

本文介绍了云边端协同架构在低运能系统中的应用探索与实践，利用云平台、一体机、工业互联网、微服务、边端融合的理念，通过数据协同、服务协同、应用管理协同、安全协同等技术，创建了云边端协同的应用集成架构。将架构应用于低运能生产调度系统，提高系统的实时性，有效控制中心和边端的建设规模，且便于系统后续的应用扩展。

近年来，我国的城市轨道交通已逐渐呈现多层次、多模式、多制式发展趋势。由城市轨道交通中、低运能系统构建公共交通系统的骨干体系日渐受到国内大中城市的重视和青睐，也成为超大和特大城市的轨道交通大运能系统和道路公交系统的有力补充，能够有效解决大运能系统覆盖不足的问题。

通过对比国内外的调度系统发展现状，综合分析后，目前低运量领域综合调度系统主要包含以下方面的问题或者短板：一是调度功能方面，只适用于单一制式。多数在地铁系统上做减法。在地面胶轮车辆运营线路中，不能与城市公交实现路权共享和融合调度，无法真正成为城市大运量制式的补充。二是平台建设方面，各子系统分立，缺少统一的数据采集、业务综合处理等平台化基础，系统功能和线路管理不易扩展。三是系统架构方面，底层设备与中心直接交互，关键数据有一定延时。当站台侧与中心失联后，站台侧设备不具备自动反馈和智能决策能力，多数业务功能受影响。四是运营维护方面，各子系统和设备众多，增加运营、运维的成本和压力。基于此，项目组统筹分析低运量各制式中（包括电子导向胶轮智轨、有轨电车等）的系统功能、站台规模、道路类型、供电方式等特性，基于云边端协同架构打造了一套全新智能综合调度系统。本文将着重对该系统采用的云边端协同架构的构成、关键技术及落地情况进行详细介绍。

一、系统架构

基于云边端一体化架构，打造智能高效、安全可靠的云边协同框架，使得每一个边缘侧设备都能站在全局视角独立运行和智能决策，支持边缘节故障节点的业务迁移，支持站台侧核心业务支持降级不降服务，通过综合提升系统的可靠性，实现中心化的架构。

（一）中心系统

中心系统以智能控制一体机为硬件载体，通过云平台实现系统部署。系统通过对功能的整合和划分，采用微服务架构方式，实现业务服务化，便于成果复用的同时，易于实现按需扩展。通过构建统一的数据及业务处理平台，深度集成信号系统、通信系统、自动售检票系统、综合监控、站台门等核心专业，实现数据的高效处理，对运营线路的扩展和功能升级提供强大平台基础。核心组件（如IIS、MySQL、Redis、Kafka 等）均采用高可用设计或者负载均衡设计，综合提升系统鲁棒性。

中心系统与每一台边缘硬件平台设备基于Kafka，构建统一、专属、共享、双向的消息通道，从而实现业务消息的传输。每一台边缘硬件平台设备可通过该消息通道向中心发送心跳状态、站台侧业务联动执行状态（如车辆进站开门、站台侧报站联动等）；中心通过该消息通道向每一台边缘硬件平台设备发送线路运营时刻表的变更消息、边缘侧报站联动消息、边缘侧系统平台软件服务升级消息、配置信息更新消息等。

（二）边缘侧系统

由于边缘侧异构资源较多，接口复杂，后期运维压力大，边缘侧系统架构采用集约化思路，采用轻量化超融合智能硬件平台，该智能硬件融合了网络交换、计算、存储、IO、工业通信总线等诸多功能于一身，形成了低成本、高可靠、功能多样、配置灵活的一体化设备。具备有线、无线、光纤通信等功能。基于超融合硬件平台，实现对站台侧核心专业设备软件功能和计算资源的统一整合。对于AFC、站台门等设备，按照业务逻辑处理（或数据存储）以及末端执行机构（或传感器）两个维度对设备子模块进行划分和分解，汇总各模块间的硬件接口形式及软件通讯协议。将业务逻辑处理模块集成至边缘一体机中，并重新整合、统一接口形式，将各专业终端设备与边缘一体机深度融合，同时综合考量各专业设备的供电需求，最终实现边缘侧泛专业设计。

二、云边端协同关键技术

将中心与各车站边缘硬件平台设备组成环形网络，基于Kafka 搭建分布式发布订阅消息系统，构建起中心与各边缘节点、以及各边缘节点之间的协同框架。在此框架下，每一个边缘硬件平台设备都能站在全局视角独立运行和智能决策，确保从运营调度角度出发，核心业务功能实现云边两级管理，做到了降级不降服务。中心云与边缘侧根据自身特性承担不同的服务能力，统筹云边两级的算力、存储资源需求，两者协同才能最大化体现本架构的优势和特点，关键技术具体包括：数据协同、服务协同、应用管理协同、安全协同。

一是数据协同。目前多数系统采用底层设备与中心直接交互，站台侧无法对数据进行实时或近实时分析与处理。将数据传回中心处理的过程中，敏感数据传输延时较高；同时，很多数据为原始无用数据，无法做适当处理，对带宽造成不必要浪费，也加大了对中心资源的需求。因此，可以将各类异构设备进行统一数据采集和业务联动，在边缘侧精简整合后，上传至中心，统一云边接口标准的同时，实现云边数据协同。

二是服务协同。当某台智轨车辆通讯异常时，系统会将站台侧业务联动触发权降级至边缘侧，最大程度保留站台侧核心业务正常运行；当车辆通讯恢复后，站台侧业务联动触发权恢复至中心。对于某一车辆，分为班次运营状态和非班次运营状态。当车辆处于非班次运营状态时，站台侧无需对该车进行预报站、报站联动，但保留站台门联动功能。运营班次根据其通信是否正常，又分为中心控制和边缘控制。中心控制的班次，其预报站和报站功能完全由中心通知，边缘侧不做逻辑处理。边缘控制的班次，其预报站和报站功能由边缘侧根据发车时间推算。

三是应用管理协同。中心与每台边缘侧设备进行实时通讯检测机制，当中心识别到某台边缘侧设备通讯异常时，系统会将失联边缘侧业务交由与之互为冗余的边缘侧设备接管。当互为冗余关系的边缘侧设备均失联时，可由中心接管两台边缘侧设备负责的站台业务。当出现故障的边缘硬件平台设备与中心的通讯状态恢复后，中心根据边缘节点冗余配置关系，向暂时接管故障节点的边缘硬件平台设备下发消息指令，边缘硬件平台设备停止对边缘硬件平台设备终端设备及业务的机关，同时，边缘硬件平台设备将恢复对设备及站台侧业务的接管。

四是安全协同。整套设计采用三级等保要求设计与建设，云边动态消息的交互采用国密SM4 对称加密算法。业务交互方面，边缘侧通过SFTP 协议向中心获取相关配置信息，完成边缘侧配置信息的更新；在获取基础信息方面，如点表信息、设备信息等，边缘侧通过HTTPS 协议向中心获取相关基础信息。

三、系统落地及应用效果

本系统在株洲市智能轨道交通系统项目和宜宾市智能轨道快运系统T2、T4 线工程项目实现落地。

2021 年3 月，株洲市智能轨道交通系统一期工程竣工验收。2021 年8 月，项目法人湖南京建投资建设有限公司提供用户使用情况反馈，基于云边端协同的智轨综合调度系统在株洲智轨项目运行以来，满足系统设计要求，运行良好，实现调度的自动化和智能化。在株洲智轨项目实施中，大胆使用云边端协同架构的设计思路，超融合智能硬件等关键技术在建设过程节约成本1000 多万元，全线车站节省用房800多平米，缩短建设工期4 个月；基于分布式微服务架构下多制式融合的智能轨道快运系统，运营初期每站台减少2 人，每年节省人工成本326 万元。

本系统还应用于宜宾市智能轨道快运系统T2、T4 线工程项目，其中T4 线已经开始运营，预计T2 线年底也将开始进入调试阶段。适用于低运能制式的超融合系统架构平台，可显著提高系统资源利用效率，大量减少硬件配置容量并节约机房面积。经测算，预计节省土建费用约1000 万元，运营期每年可节约人工成本及降低能耗约500 万元，经济效益显著。

云边端协同的平台架构相对于传统架构，更有利于调度生产系统的实时性要求，适配工业互联网的特征，能有效控制线网中心、线路中心和车站机房的占地面积及其他损耗。此外，在中心云平台、边缘云节点中，均可同时具备基础资源和平台资源，各生产系统可根据其数据和业务特征选择部署在中心侧或边缘侧，并能进一步通过模块化和微服务化的软件架构放大融合平台的使用价值。