基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的城市軌道智能 綜合自動(dòng)化與運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)
企業(yè)概況：
和利時(shí)始創(chuàng)于1993年，前身是電子部六所自動(dòng)化事業(yè)部，現(xiàn)已成為中國(guó)領(lǐng)先的自動(dòng)化與信息技術(shù)解決方案提供商。公司以“用自動(dòng)化改進(jìn)人們的工作、生活和環(huán)境”為宗旨，致力于提升客戶的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)。
和利時(shí)業(yè)務(wù)集中在工業(yè)自動(dòng)化、軌道交通自動(dòng)化和醫(yī)療自動(dòng)化三個(gè)領(lǐng)域。其中工業(yè)自動(dòng)化包含過程自動(dòng)化、離散自動(dòng)化和礦山自動(dòng)化；軌道交通自動(dòng)化包含干線鐵路自動(dòng)化、城際鐵路自動(dòng)化和城市軌道交通自動(dòng)化。
項(xiàng)目建設(shè)的政策：
本項(xiàng)目研發(fā)與實(shí)施依托于實(shí)際工程項(xiàng)目，北京地鐵燕房線，北京地鐵燕房線是我國(guó)首條具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行線路，也是我國(guó)首個(gè)全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)國(guó)家級(jí)示范工程,已于2017年12月30日正式載客運(yùn)營(yíng)。全自動(dòng)運(yùn)行作為先進(jìn)的軌道交通運(yùn)行控制技術(shù)，在未來有廣泛的發(fā)展應(yīng)用空間。預(yù)計(jì)到2020年，國(guó)際上75%的新地鐵線路以及40%的改造后既有線路將全部采用完全自動(dòng)駕駛技術(shù)。2025年，我國(guó)采用全自動(dòng)運(yùn)行的線路將超過1500公里。
一、項(xiàng)目實(shí)施概況
1. 項(xiàng)目背景
城市軌道交通系統(tǒng)是現(xiàn)代化大都市最為重要的公共交通系統(tǒng)，具有運(yùn)量大、速度快、安全、準(zhǔn)點(diǎn)、環(huán)保、節(jié)能等特點(diǎn)，成為實(shí)現(xiàn)城市交通可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。根據(jù)中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，截止到2016年末，中國(guó)累計(jì)已開通地鐵運(yùn)營(yíng)里程3832公里, 獲批建設(shè)軌道交通的城市達(dá)43個(gè), 已投入運(yùn)營(yíng)、正在建設(shè)及待建的城市軌道交通總里程約8600公里, 預(yù)計(jì)未來5年內(nèi)，軌道交通新增運(yùn)營(yíng)里程還將加速，預(yù)計(jì)每年將新增約1200公里。預(yù)計(jì)到2023年，正式運(yùn)營(yíng)里程將超10000公里。
得益于通信、自動(dòng)控制、交通運(yùn)輸理論與技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，列車運(yùn)行的自動(dòng)控制技術(shù)已逐漸進(jìn)化到到全自動(dòng)無(wú)人駕駛模式。預(yù)計(jì)到2020年，國(guó)際上75%的新地鐵線路以及40%的改造后既有線路將全部采用完全自動(dòng)駕駛技術(shù)。預(yù)計(jì)到2025年，我國(guó)采用全自動(dòng)運(yùn)行的線路將超過1500公里。目前已經(jīng)確定全國(guó)有19條線路采用全自動(dòng)運(yùn)行控制技術(shù)，包括北京(3/12/17/19/新機(jī)場(chǎng)/燕房線)、武漢、成都、深圳、蘇州、鄭州、哈爾濱等相關(guān)線路。
用于支撐地鐵運(yùn)輸自動(dòng)化的系統(tǒng)主要包括車輛、信號(hào)、通信、綜合自動(dòng)化與運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)四大核心子系統(tǒng)。其中綜合自動(dòng)化與運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)涉及到對(duì)車輛、信號(hào)、通訊、供電、環(huán)控、消防火災(zāi)、視頻監(jiān)控、廣播、售檢票、站臺(tái)門、門禁等二十多個(gè)復(fù)雜專業(yè)子系統(tǒng)集中管控，管控的業(yè)務(wù)流程覆蓋了資產(chǎn)管理、計(jì)劃、運(yùn)營(yíng)調(diào)度、設(shè)備維修維護(hù)、乘客服務(wù)、應(yīng)急指揮、安全管理等眾多業(yè)務(wù)，其安全性、可靠性與智能化是支撐城市軌道交通快速發(fā)展重要因素。
2. 項(xiàng)目簡(jiǎn)介
北京和利時(shí)公司于2014年8月中標(biāo)北京地鐵燕房線“以行車指揮為核心的城市軌道交通綜合自動(dòng)化系統(tǒng)”，研發(fā)與工程實(shí)施周期三年，已與2017年12月底正式載客運(yùn)營(yíng)。
3. 項(xiàng)目目標(biāo)
本項(xiàng)目目標(biāo)主要為提供如下三大子系統(tǒng)，用于完成地鐵各設(shè)備的集中監(jiān)控與行車計(jì)劃與調(diào)度：
a) 基于工業(yè)軟總線的地鐵綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)
b) 基于云計(jì)算的地鐵全線設(shè)備的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視與維護(hù)綜合維修系統(tǒng)
c) 各運(yùn)營(yíng)調(diào)度的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)
二、項(xiàng)目實(shí)施概況
1. 項(xiàng)目總體架構(gòu)和主要內(nèi)容
地鐵綜合自動(dòng)化與運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)，其職責(zé)類比到工廠自動(dòng)化的普渡模型，相當(dāng)于是普渡模型里的L2與L3層，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵各自動(dòng)化設(shè)備的集中監(jiān)控與行車計(jì)劃調(diào)度與執(zhí)行。
本系統(tǒng)采用統(tǒng)一的硬件平臺(tái)、統(tǒng)一的軟件平臺(tái)、統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵各專業(yè)子系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控與計(jì)劃調(diào)度。本系統(tǒng)的系統(tǒng)功能與在整個(gè)地鐵的自動(dòng)化與信息化系統(tǒng)的邊界為如下：
（1）系統(tǒng)功能與邊界概述
a) 本系統(tǒng)各專業(yè)自動(dòng)化設(shè)備數(shù)據(jù)采集與協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)：本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)供變電子系統(tǒng)/火宅自動(dòng)報(bào)警子系統(tǒng)/環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)/信號(hào)系統(tǒng)/售檢票系統(tǒng)/車輛自動(dòng)化系統(tǒng)/通信/門禁等專業(yè)自動(dòng)化設(shè)備層的工藝實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控，并完成各自動(dòng)化設(shè)備的協(xié)調(diào)控制
b) 本系統(tǒng)為地鐵各調(diào)度運(yùn)營(yíng)人員與設(shè)備維修人員的調(diào)度與協(xié)作系統(tǒng)：地鐵行調(diào)/電調(diào)/車輛調(diào)/乘客調(diào)/環(huán)調(diào)/維調(diào)/總調(diào)/車站值班員通過使用本系統(tǒng)完成日常的運(yùn)輸計(jì)劃調(diào)度與設(shè)備維修等。
c) 本系統(tǒng)同時(shí)也是生產(chǎn)自動(dòng)化與信息化的融合平臺(tái)，本系統(tǒng)統(tǒng)一與企業(yè)信息管理信息化系統(tǒng)的完成數(shù)據(jù)與信息的雙向聯(lián)通。
本系統(tǒng)在地鐵自動(dòng)化與信息化系統(tǒng)的邊界如下圖藍(lán)色底框所示：
圖1 全系統(tǒng)集成智慧軌道交通綜合自動(dòng)化系統(tǒng)
如上圖所示,本系統(tǒng)的系統(tǒng)邊界處于自動(dòng)化設(shè)備與信息化管理系統(tǒng)中間，功能上較之于目前的主流系統(tǒng) 進(jìn)一步集成列車監(jiān)督控制系統(tǒng)、車輛自動(dòng)化信息系統(tǒng)、綜合維修子系統(tǒng)，支持無(wú)人駕駛與智能化運(yùn)營(yíng)。
（2）系統(tǒng)構(gòu)成
控制中心系統(tǒng)構(gòu)成：
本系統(tǒng)控制中心系統(tǒng)構(gòu)成圖如下圖所示，包括列車運(yùn)行計(jì)劃編制工作站、行車調(diào)度、電力調(diào)度、環(huán)境調(diào)度、乘客調(diào)度、車輛調(diào)度、維修調(diào)度等工作站，在中心級(jí)用于實(shí)現(xiàn)地鐵運(yùn)輸?shù)募姓{(diào)度指揮：
圖2控制中心系統(tǒng)
備用中心系統(tǒng)構(gòu)成：
為提供系統(tǒng)的可靠性、可用性、安全性，系統(tǒng)在備用中心部署一套跟控制中心相同的系統(tǒng)，主備中心間實(shí)現(xiàn)冗余。
圖3備用中心
車站子系統(tǒng)構(gòu)成
本系統(tǒng)的車站子系統(tǒng)構(gòu)成如下圖所示，在中心出現(xiàn)故障宕機(jī)后，可以自動(dòng)降級(jí)到車站級(jí)完成監(jiān)控
圖4車站子系統(tǒng)
2. 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)架構(gòu)
地鐵自動(dòng)化是個(gè)非常龐大的系統(tǒng)，涉及到車輛、信號(hào)、電力、環(huán)境監(jiān)控、視頻監(jiān)控、廣播、站臺(tái)門、火災(zāi)系統(tǒng)、門禁等二十多個(gè)大型專業(yè)子系統(tǒng)，同時(shí)物理位置分散。各子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)互連復(fù)雜多樣，主要主要體現(xiàn)在如下幾方面：
a) 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞稚ⅲ何锢砦恢梅稚?，涉及?個(gè)控制中心、1個(gè)停車場(chǎng)，數(shù)十個(gè)車站。中心與各車站骨干網(wǎng)通過雙環(huán)網(wǎng)構(gòu)成，骨干網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)間在50ms以內(nèi)，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性與可用性
b) 通訊鏈路復(fù)雜多樣：系統(tǒng)既有地面設(shè)備間的有線通訊，也有車載設(shè)備與地面設(shè)備間的無(wú)線通訊，在本系統(tǒng)中，車地?zé)o線支持4G LTE與WLAN兩種無(wú)線通訊都支持的模式。
c) 通訊協(xié)議多樣化：支持各行業(yè)的國(guó)際通訊標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約，包括鐵路、電力、離散自動(dòng)化、信息化系統(tǒng)等多種國(guó)際通訊規(guī)約
全線骨干網(wǎng)（雙環(huán)網(wǎng)）：
本系統(tǒng)骨干網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙缦聢D所示，采用雙環(huán)網(wǎng)構(gòu)成
圖5全線骨干網(wǎng)
網(wǎng)絡(luò)互連架構(gòu)：車地以及地面設(shè)備間通訊：
本系統(tǒng)為支持全自動(dòng)無(wú)人駕駛，車上的信息都需要落地，一輛車上大約有1萬(wàn)個(gè)物理點(diǎn)需要周期性發(fā)送實(shí)時(shí)與報(bào)警信息。為支持車地?zé)o線大數(shù)據(jù)量傳輸，本系統(tǒng)采用4G LTE制式
圖6車地以及地面設(shè)備間通訊
3. 數(shù)據(jù)架構(gòu)和應(yīng)用
1) 車輛、信號(hào)、電力、環(huán)控、火災(zāi)、視頻監(jiān)控、廣播等二十多個(gè)專業(yè)子系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行建模與監(jiān)控，打通各設(shè)備間數(shù)據(jù)與信息孤島，提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。
2) 采用統(tǒng)一的調(diào)度工作站進(jìn)行調(diào)度，提高運(yùn)維的智能化程度與運(yùn)營(yíng)效率除了上述平臺(tái)性亮點(diǎn)功能外，本系統(tǒng)在應(yīng)用上有如下重大創(chuàng)新：
a) 支持無(wú)人駕駛：
系統(tǒng)支持全自動(dòng)無(wú)人駕駛，系統(tǒng)梳理運(yùn)營(yíng)章程，新增41個(gè)運(yùn)營(yíng)調(diào)度場(chǎng)景，增加了車輛調(diào)度與乘客調(diào)度系統(tǒng)，同時(shí)，平臺(tái)的可靠性、安全性、性能也大幅提高
圖7無(wú)人駕駛
b) 智能聯(lián)動(dòng)：
由于各專業(yè)子系統(tǒng)間采用了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)與調(diào)度工作站，打通了各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)與信息孤島，提高了各子系統(tǒng)在正常運(yùn)營(yíng)與異常工況下的各設(shè)備的自動(dòng)化處理能力。
圖8智能聯(lián)動(dòng)
c) 行車調(diào)度
本系統(tǒng)通過提供統(tǒng)一的調(diào)度工作站軟件用于實(shí)現(xiàn)所有自動(dòng)化設(shè)備的監(jiān)控與維修，運(yùn)輸計(jì)劃的編制、調(diào)度。大大提高了運(yùn)營(yíng)調(diào)度人員的運(yùn)維效率。如下各圖為各專業(yè)調(diào)度的界面示例：
圖9行車調(diào)度
4. 安全及可靠性
在功能安全上，本系統(tǒng)通過勞氏國(guó)際SIL2 安全認(rèn)證，系統(tǒng)的可靠性、安全性、可用性、可維護(hù)性（RAMS）指標(biāo)達(dá)到國(guó)際安全認(rèn)證SIL2安全，滿足對(duì)車輛、信號(hào)設(shè)備的控制要求
圖14國(guó)際SIL2 安全認(rèn)證
信息安全：基本已按照信息安全等保三級(jí)要求實(shí)施，分別從網(wǎng)絡(luò)安全、主機(jī)安全、應(yīng)用安全、數(shù)據(jù)安全、病毒防護(hù)等多方面進(jìn)行加固，具體如下：
1) 網(wǎng)絡(luò)安全：在系統(tǒng)邊界增加防火墻，同時(shí)有一套獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，用于檢測(cè)與審計(jì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)情況。核心數(shù)據(jù)采用加密傳輸
2) 病毒防護(hù): 全系統(tǒng)部署了統(tǒng)一的防病毒軟件
3) 應(yīng)用安全:分權(quán)限控制、用戶名、密碼都采用加密存儲(chǔ)，操作日志與審
4) 主機(jī)安全：已關(guān)閉無(wú)用的后臺(tái)服務(wù)
三、下一步實(shí)施計(jì)劃
1. 計(jì)劃1
采用云計(jì)算架構(gòu)改造系統(tǒng)：
為提高設(shè)備的利用率、減少設(shè)備投資、提高設(shè)備維護(hù)人員的效率、降低能耗、提高系統(tǒng)的可用性。系統(tǒng)將適配到基于私有云計(jì)算的IT架構(gòu)里。
2. 計(jì)劃2
利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更多的智能運(yùn)維：
目前車輛、信號(hào)、電力、環(huán)控、售檢票等地鐵線路幾乎所有設(shè)備的工藝與設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)都已統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)了采集與監(jiān)控， 后續(xù)將在挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值上加大力度。實(shí)現(xiàn)在預(yù)測(cè)性維護(hù)與節(jié)能減排上的應(yīng)用
四、項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)和實(shí)施效果
1. 項(xiàng)目先進(jìn)性及創(chuàng)新點(diǎn)
1) 實(shí)現(xiàn)了地鐵設(shè)備的全系統(tǒng)集成
系統(tǒng)采用統(tǒng)一的軟硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的全集成，包括車輛、信號(hào)、電力、環(huán)控、售檢票、視頻監(jiān)控、廣播等二十多個(gè)專業(yè)自動(dòng)化設(shè)備，其中對(duì)于車輛與信號(hào)自動(dòng)化設(shè)備的集成為國(guó)內(nèi)首例
2) 實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一的運(yùn)維調(diào)度
提供一套調(diào)度軟件，實(shí)現(xiàn)了計(jì)劃、調(diào)度、監(jiān)控、維修、培訓(xùn)等多業(yè)務(wù)功能的統(tǒng)一運(yùn)維調(diào)度，行車、車輛、乘客、電力、環(huán)控、維修等中心與車輛調(diào)度人員采用一套軟件，大大提高了運(yùn)維效率。其中乘客、車輛調(diào)度為國(guó)內(nèi)首例
3) 支持全自動(dòng)無(wú)人駕駛
系統(tǒng)地梳理全自動(dòng)無(wú)人駕駛的運(yùn)營(yíng)流程變化與自動(dòng)化設(shè)備功能的聯(lián)動(dòng)，系統(tǒng)新增了41個(gè)全自動(dòng)無(wú)人駕駛運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景功能，支持全自動(dòng)無(wú)人駕駛，國(guó)內(nèi)首例
4) 高可靠與高安全性
為滿足全自動(dòng)無(wú)人駕駛安全性安全，系統(tǒng)通過了國(guó)際SIL2認(rèn)證，國(guó)內(nèi)首列大型綜合監(jiān)控類軟件通過SIL2認(rèn)證
5) 大容量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與人機(jī)調(diào)度工作站軟件
大容量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，由于增加了車輛與信號(hào)兩大專業(yè)，其中單輛車輛監(jiān)控物理點(diǎn)規(guī)模在1萬(wàn)點(diǎn)左右，系統(tǒng)實(shí)際支持200萬(wàn)物理點(diǎn)以上的并發(fā)采集與訪問。
2. 實(shí)施效果
本系統(tǒng)在北京地鐵燕房線上使用，已通過3個(gè)月試運(yùn)行考核，目前已進(jìn)入到正式載客運(yùn)營(yíng)階段。系統(tǒng)的可靠性、安全性已得到充分的驗(yàn)證，系統(tǒng)的功能經(jīng)過多輪專家與運(yùn)營(yíng)人員的使用已趨完善，滿足了全自動(dòng)無(wú)人駕駛的要求。
同時(shí)，本系統(tǒng)也已應(yīng)用到海外，已使用到新加坡地鐵湯申線全自動(dòng)無(wú)人駕駛項(xiàng)目上。
聲明
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