基于工業(yè)互聯(lián)網的城市軌道智能 綜合自動化與運營系統(tǒng)
企業(yè)概況：
和利時始創(chuàng)于1993年，前身是電子部六所自動化事業(yè)部，現(xiàn)已成為中國領先的自動化與信息技術解決方案提供商。公司以“用自動化改進人們的工作、生活和環(huán)境”為宗旨，致力于提升客戶的生產效率和產品品質。
和利時業(yè)務集中在工業(yè)自動化、軌道交通自動化和醫(yī)療自動化三個領域。其中工業(yè)自動化包含過程自動化、離散自動化和礦山自動化；軌道交通自動化包含干線鐵路自動化、城際鐵路自動化和城市軌道交通自動化。
項目建設的政策：
本項目研發(fā)與實施依托于實際工程項目，北京地鐵燕房線，北京地鐵燕房線是我國首條具有完全自主知識產權的軌道交通全自動運行線路，也是我國首個全自動運行系統(tǒng)國家級示范工程,已于2017年12月30日正式載客運營。全自動運行作為先進的軌道交通運行控制技術，在未來有廣泛的發(fā)展應用空間。預計到2020年，國際上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駕駛技術。2025年，我國采用全自動運行的線路將超過1500公里。
一、項目實施概況
1. 項目背景
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)，具有運量大、速度快、安全、準點、環(huán)保、節(jié)能等特點，成為實現(xiàn)城市交通可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會統(tǒng)計，截止到2016年末，中國累計已開通地鐵運營里程3832公里, 獲批建設軌道交通的城市達43個, 已投入運營、正在建設及待建的城市軌道交通總里程約8600公里, 預計未來5年內，軌道交通新增運營里程還將加速，預計每年將新增約1200公里。預計到2023年，正式運營里程將超10000公里。
得益于通信、自動控制、交通運輸理論與技術水平的不斷進步，列車運行的自動控制技術已逐漸進化到到全自動無人駕駛模式。預計到2020年，國際上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駕駛技術。預計到2025年，我國采用全自動運行的線路將超過1500公里。目前已經確定全國有19條線路采用全自動運行控制技術，包括北京(3/12/17/19/新機場/燕房線)、武漢、成都、深圳、蘇州、鄭州、哈爾濱等相關線路。
用于支撐地鐵運輸自動化的系統(tǒng)主要包括車輛、信號、通信、綜合自動化與運營調度系統(tǒng)四大核心子系統(tǒng)。其中綜合自動化與運營調度系統(tǒng)涉及到對車輛、信號、通訊、供電、環(huán)控、消防火災、視頻監(jiān)控、廣播、售檢票、站臺門、門禁等二十多個復雜專業(yè)子系統(tǒng)集中管控，管控的業(yè)務流程覆蓋了資產管理、計劃、運營調度、設備維修維護、乘客服務、應急指揮、安全管理等眾多業(yè)務，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. 項目簡介
北京和利時公司于2014年8月中標北京地鐵燕房線“以行車指揮為核心的城市軌道交通綜合自動化系統(tǒng)”，研發(fā)與工程實施周期三年，已與2017年12月底正式載客運營。
3. 項目目標
本項目目標主要為提供如下三大子系統(tǒng)，用于完成地鐵各設備的集中監(jiān)控與行車計劃與調度：
a) 基于工業(yè)軟總線的地鐵綜合調度指揮系統(tǒng)
b) 基于云計算的地鐵全線設備的設備狀態(tài)監(jiān)視與維護綜合維修系統(tǒng)
c) 各運營調度的仿真培訓系統(tǒng)
二、項目實施概況
1. 項目總體架構和主要內容
地鐵綜合自動化與運營調度系統(tǒng)，其職責類比到工廠自動化的普渡模型，相當于是普渡模型里的L2與L3層，用于實現(xiàn)對地鐵各自動化設備的集中監(jiān)控與行車計劃調度與執(zhí)行。
本系統(tǒng)采用統(tǒng)一的硬件平臺、統(tǒng)一的軟件平臺、統(tǒng)一的網絡架構，實現(xiàn)對地鐵各專業(yè)子系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控與計劃調度。本系統(tǒng)的系統(tǒng)功能與在整個地鐵的自動化與信息化系統(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)自動化設備數(shù)據(jù)采集與協(xié)調控制系統(tǒng)：本系統(tǒng)實現(xiàn)了對供變電子系統(tǒng)/火宅自動報警子系統(tǒng)/環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)/信號系統(tǒng)/售檢票系統(tǒng)/車輛自動化系統(tǒng)/通信/門禁等專業(yè)自動化設備層的工藝實時數(shù)據(jù)與設備狀態(tài)監(jiān)控，并完成各自動化設備的協(xié)調控制
b) 本系統(tǒng)為地鐵各調度運營人員與設備維修人員的調度與協(xié)作系統(tǒng)：地鐵行調/電調/車輛調/乘客調/環(huán)調/維調/總調/車站值班員通過使用本系統(tǒng)完成日常的運輸計劃調度與設備維修等。
c) 本系統(tǒng)同時也是生產自動化與信息化的融合平臺，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)在地鐵自動化與信息化系統(tǒng)的邊界如下圖藍色底框所示：
圖1 全系統(tǒng)集成智慧軌道交通綜合自動化系統(tǒng)
如上圖所示,本系統(tǒng)的系統(tǒng)邊界處于自動化設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) 進一步集成列車監(jiān)督控制系統(tǒng)、車輛自動化信息系統(tǒng)、綜合維修子系統(tǒng)，支持無人駕駛與智能化運營。
（2）系統(tǒng)構成
控制中心系統(tǒng)構成：
本系統(tǒng)控制中心系統(tǒng)構成圖如下圖所示，包括列車運行計劃編制工作站、行車調度、電力調度、環(huán)境調度、乘客調度、車輛調度、維修調度等工作站，在中心級用于實現(xiàn)地鐵運輸?shù)募姓{度指揮：
圖2控制中心系統(tǒng)
備用中心系統(tǒng)構成：
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)，主備中心間實現(xiàn)冗余。
圖3備用中心
車站子系統(tǒng)構成
本系統(tǒng)的車站子系統(tǒng)構成如下圖所示，在中心出現(xiàn)故障宕機后，可以自動降級到車站級完成監(jiān)控
圖4車站子系統(tǒng)
2. 網絡互聯(lián)架構
地鐵自動化是個非常龐大的系統(tǒng)，涉及到車輛、信號、電力、環(huán)境監(jiān)控、視頻監(jiān)控、廣播、站臺門、火災系統(tǒng)、門禁等二十多個大型專業(yè)子系統(tǒng)，同時物理位置分散。各子系統(tǒng)的網絡互連復雜多樣，主要主要體現(xiàn)在如下幾方面：
a) 系統(tǒng)網絡拓撲分散：物理位置分散，涉及到2個控制中心、1個停車場，數(shù)十個車站。中心與各車站骨干網通過雙環(huán)網構成，骨干網網絡切換時間在50ms以內，提高網絡的可靠性與可用性
b) 通訊鏈路復雜多樣：系統(tǒng)既有地面設備間的有線通訊，也有車載設備與地面設備間的無線通訊，在本系統(tǒng)中，車地無線支持4G LTE與WLAN兩種無線通訊都支持的模式。
c) 通訊協(xié)議多樣化：支持各行業(yè)的國際通訊標準規(guī)約，包括鐵路、電力、離散自動化、信息化系統(tǒng)等多種國際通訊規(guī)約
全線骨干網（雙環(huán)網）：
本系統(tǒng)骨干網網絡拓撲如下圖所示，采用雙環(huán)網構成
圖5全線骨干網
網絡互連架構：車地以及地面設備間通訊：
本系統(tǒng)為支持全自動無人駕駛，車上的信息都需要落地，一輛車上大約有1萬個物理點需要周期性發(fā)送實時與報警信息。為支持車地無線大數(shù)據(jù)量傳輸，本系統(tǒng)采用4G LTE制式
圖6車地以及地面設備間通訊
3. 數(shù)據(jù)架構和應用
1) 車輛、信號、電力、環(huán)控、火災、視頻監(jiān)控、廣播等二十多個專業(yè)子系統(tǒng)自動化設備采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫進行建模與監(jiān)控，打通各設備間數(shù)據(jù)與信息孤島，提高系統(tǒng)的自動化程度。
2) 采用統(tǒng)一的調度工作站進行調度，提高運維的智能化程度與運營效率除了上述平臺性亮點功能外，本系統(tǒng)在應用上有如下重大創(chuàng)新：
a) 支持無人駕駛：
系統(tǒng)支持全自動無人駕駛，系統(tǒng)梳理運營章程，新增41個運營調度場景，增加了車輛調度與乘客調度系統(tǒng)，同時，平臺的可靠性、安全性、性能也大幅提高
圖7無人駕駛
b) 智能聯(lián)動：
由于各專業(yè)子系統(tǒng)間采用了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫與調度工作站，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)在正常運營與異常工況下的各設備的自動化處理能力。
圖8智能聯(lián)動
c) 行車調度
本系統(tǒng)通過提供統(tǒng)一的調度工作站軟件用于實現(xiàn)所有自動化設備的監(jiān)控與維修，運輸計劃的編制、調度。大大提高了運營調度人員的運維效率。如下各圖為各專業(yè)調度的界面示例：
圖9行車調度
4. 安全及可靠性
在功能安全上，本系統(tǒng)通過勞氏國際SIL2 安全認證，系統(tǒng)的可靠性、安全性、可用性、可維護性（RAMS）指標達到國際安全認證SIL2安全，滿足對車輛、信號設備的控制要求
圖14國際SIL2 安全認證
信息安全：基本已按照信息安全等保三級要求實施，分別從網絡安全、主機安全、應用安全、數(shù)據(jù)安全、病毒防護等多方面進行加固，具體如下：
1) 網絡安全：在系統(tǒng)邊界增加防火墻，同時有一套獨立的網絡管理系統(tǒng)，用于檢測與審計系統(tǒng)網絡情況。核心數(shù)據(jù)采用加密傳輸
2) 病毒防護: 全系統(tǒng)部署了統(tǒng)一的防病毒軟件
3) 應用安全:分權限控制、用戶名、密碼都采用加密存儲，操作日志與審
4) 主機安全：已關閉無用的后臺服務
三、下一步實施計劃
1. 計劃1
采用云計算架構改造系統(tǒng)：
為提高設備的利用率、減少設備投資、提高設備維護人員的效率、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算的IT架構里。
2. 計劃2
利用大數(shù)據(jù)技術，實現(xiàn)更多的智能運維：
目前車輛、信號、電力、環(huán)控、售檢票等地鐵線路幾乎所有設備的工藝與設備狀態(tài)數(shù)據(jù)都已統(tǒng)一實現(xiàn)了采集與監(jiān)控， 后續(xù)將在挖掘數(shù)據(jù)價值上加大力度。實現(xiàn)在預測性維護與節(jié)能減排上的應用
四、項目創(chuàng)新點和實施效果
1. 項目先進性及創(chuàng)新點
1) 實現(xiàn)了地鐵設備的全系統(tǒng)集成
系統(tǒng)采用統(tǒng)一的軟硬件平臺實現(xiàn)了對自動化設備的全集成，包括車輛、信號、電力、環(huán)控、售檢票、視頻監(jiān)控、廣播等二十多個專業(yè)自動化設備，其中對于車輛與信號自動化設備的集成為國內首例
2) 實現(xiàn)了統(tǒng)一的運維調度
提供一套調度軟件，實現(xiàn)了計劃、調度、監(jiān)控、維修、培訓等多業(yè)務功能的統(tǒng)一運維調度，行車、車輛、乘客、電力、環(huán)控、維修等中心與車輛調度人員采用一套軟件，大大提高了運維效率。其中乘客、車輛調度為國內首例
3) 支持全自動無人駕駛
系統(tǒng)地梳理全自動無人駕駛的運營流程變化與自動化設備功能的聯(lián)動，系統(tǒng)新增了41個全自動無人駕駛運營場景功能，支持全自動無人駕駛，國內首例
4) 高可靠與高安全性
為滿足全自動無人駕駛安全性安全，系統(tǒng)通過了國際SIL2認證，國內首列大型綜合監(jiān)控類軟件通過SIL2認證
5) 大容量實時數(shù)據(jù)庫與人機調度工作站軟件
大容量實時數(shù)據(jù)庫，由于增加了車輛與信號兩大專業(yè)，其中單輛車輛監(jiān)控物理點規(guī)模在1萬點左右，系統(tǒng)實際支持200萬物理點以上的并發(fā)采集與訪問。
2. 實施效果
本系統(tǒng)在北京地鐵燕房線上使用，已通過3個月試運行考核，目前已進入到正式載客運營階段。系統(tǒng)的可靠性、安全性已得到充分的驗證，系統(tǒng)的功能經過多輪專家與運營人員的使用已趨完善，滿足了全自動無人駕駛的要求。
同時，本系統(tǒng)也已應用到海外，已使用到新加坡地鐵湯申線全自動無人駕駛項目上。
聲明
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