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1 目標和概述

截止2019年，上海地鐵運營線路共16條，共設車站415座（含磁浮線2座），運營里程共705千米（含磁浮線29千米）。目前上海地鐵日均客運量1065萬人次，軌道交通已成為上海市民出行的首選交通工具。

隨著城市軌道交通線路建設的快速發(fā)展，傳統(tǒng)機電專業(yè)系統(tǒng)建設模式的不足越來越顯現(xiàn)，無法應對地鐵經營成本效率方面的挑戰(zhàn)。

根據(jù)上海軌道交通機電設備業(yè)務管理和網絡化運營管理需求，需要開展全新一代的、面向整個軌道交通機電設備管理的綜合業(yè)務平臺研究。上海上實龍創(chuàng)智能科技股份有限公司（以下簡稱：上實龍創(chuàng)）基于物聯(lián)網技術，結合阿里云平臺架構體系，通過軌道交通行業(yè)應用平臺軟件的定制開發(fā)，形成軌道交通綜合業(yè)務一體化管理系統(tǒng)。

2 解決方案介紹

上海地鐵18號線是條新建線路，也是建設兩站一中心的物聯(lián)網云平臺應用與試點項目。兩站即在線路中選擇兩個車站，一中心即控制中心。通過構建一個基于邊緣計算物聯(lián)網云技術的軌道交通智慧運控平臺體系， 實現(xiàn)軟硬件、應用/數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)/算法以及業(yè)務開發(fā)/系統(tǒng)開發(fā)解耦，降低運維成本，提高管理效率。

2.1 系統(tǒng)架構

基于邊緣計算物聯(lián)網云平臺的軌道交通綜合業(yè)務管理系統(tǒng)分為三層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構圖

（1）綜合應用層（SaaS層）

該層為原來ISV伙伴提供專業(yè)用程序，以目前先進的微服務和分布式的方式開發(fā)，在平臺能力層上運行， 打通“煙囪”式布局結構，更注重功能本身，按需分配，提高通用度和可維護性。

例如根據(jù)現(xiàn)有的業(yè)務需求開發(fā)的軌道交通綜合業(yè)務管理系統(tǒng)，不僅包含傳統(tǒng)綜合監(jiān)控的設備展示和簡單控制功能，還結合報警、工單、數(shù)據(jù)分析等完成高效管理，從而降低運營管理人員投入，提升運營管理效率。

（2）物聯(lián)網云平臺層（PaaS層）

該層主要的工作是對上的應用模塊提供部署、運行、發(fā)布的基盤。配合邊緣側配置應用進行邊緣側網管的配置管理、數(shù)據(jù)點位模型的管理，以及配置運行的計劃任務和策略。系統(tǒng)中的核心節(jié)點數(shù)據(jù)收集上傳和下發(fā)都需要在此層進行連接和調配。它可實現(xiàn)統(tǒng)一化運營管理、一元化人員管理、設備管理、組織結構管理、人員權限管理、職權管理、基礎數(shù)據(jù)的管理。一體實現(xiàn)UI界面統(tǒng)一，登錄登出管控，數(shù)據(jù)接口管控等一系列的通用功能服務。對上對下實現(xiàn)一體支撐、一體管理的能力。可利用成熟的阿里云物聯(lián)網云平臺體系，包括  應用托管（AH）、邊緣協(xié)同（LE）、物模型轉換（LH）、物聯(lián)網連接套件（LK），以及數(shù)據(jù)庫管理（DBM）和統(tǒng)計報表（RPT）等能力模塊，將邊緣計算層匯聚的數(shù)據(jù)進行云端處理，轉發(fā)并形成數(shù)據(jù)模型和服務模型，供上層應用調用。同時搭建軌交行業(yè)能力平臺層，為上層應用搭建提供數(shù)據(jù)和開發(fā)工具。

（3）邊緣組件層

用于對下被監(jiān)管設備的連接、監(jiān)視、控制等工作。主要配合上位應用一體聯(lián)動，并提供數(shù)據(jù)支撐和自動化任務的處理等功能。

可通過邊緣服務器的協(xié)議轉換、規(guī)則引擎、AI等能力，完成各系統(tǒng)、設備的接入和管理，數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)聯(lián)動和AI賦能等。同時在未來項目中部署簡單站級工控軟件，可實現(xiàn)云平臺斷線后降級運行的簡單操作與控制。

2.2 上海地鐵智慧運控平臺系統(tǒng)組成及功能

上海地鐵智慧運控平臺系統(tǒng)由1個能力平臺、7個子系統(tǒng)、17個應用場景和一個邊緣體系組成。如圖2所示。

圖2 上海地鐵智慧運控平臺系統(tǒng)

2.3 上海地鐵智慧運控平臺系統(tǒng)軟件界面設計（如圖3所示）

圖3 上海地鐵智慧運控平臺系統(tǒng)軟件界面設計

2.4 硬件部署

系統(tǒng)部署的硬件平臺主要包括分布式中心服務器、邊緣服務器（即站點服務器），通過網關接入互聯(lián)網互通，硬件架構如圖4所示：

圖4 硬件架構

其中，中心服務器和站點服務器分別部署各自系統(tǒng)，相對獨立，互不影響；配置信息的數(shù)據(jù)在中心服務器和站點服務器間雙向同步；中心服務器如果出現(xiàn)問題，可以使用站點服務器提供服務。

2.5 網絡架構（如圖5所示）

圖5 網絡架構

2.6　數(shù)據(jù)通訊 

通過能力平臺+邊緣計算+物聯(lián)網平臺模式實現(xiàn)全 域數(shù)據(jù)采集。如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)通訊

2.7 系統(tǒng)安全措施

提供多重防護保障設備和云端安全。

（1）設備認證

提供一機一密的設備認證機制，降低設備被攻破的安全風險；

（2）安全傳輸

提供TLS標準的數(shù)據(jù)傳輸通道，保證數(shù)據(jù)的機密性和完整性；

（3）權限管控

嚴格控制設備和用戶的權限范圍，任何操作都需要鑒權，防止越權訪問的情況；

（4）數(shù)據(jù)隔離

實例間數(shù)據(jù)完全隔離，不會存在跨實例越權訪問的問題。

2.8 上實龍創(chuàng)邊緣網關產品特點

上實龍創(chuàng)邊緣網關是一款功能強大的協(xié)議轉換網關系列產品，用戶可以根據(jù)現(xiàn)場設備的通信協(xié)議進行配置，轉成標準的BACnetIP、BACnetMSTP、Modbus、KNX等工業(yè)和樓宇自控協(xié)議。目前已經對接幾十種行業(yè)標準協(xié)議和非標準私有協(xié)議，包括西門子物聯(lián)網平臺MindSphere對接，支持阿里云邊緣計算，華為云邊緣計算對接。上實龍創(chuàng)邊緣網關上行支持Wi-Fi、4G、網口方式接入互聯(lián)網，多網同時在線；下行預留可選多種無線通信，ZigBee、LoRa、藍牙等。

龍創(chuàng)邊緣網關軟件具備以下特性：

（1）支持跨平臺運行，可在X86架構Linux、Windows系統(tǒng)下運行，同時也支持ARM嵌入式平臺;

（2）支持與龍創(chuàng)設備集成，方便實現(xiàn)數(shù)據(jù)規(guī)則； 預警、工業(yè)App、微信公眾號、小程序交互能力，通過授權用戶可以隨時查看設備狀態(tài)；

（3）可快速與各大物聯(lián)網平臺（阿里云、華為云、西門子MindSphere）對接；

（4）具備豐富的云端設備協(xié)議庫，可根據(jù)業(yè)務需求進行同步；

（5）開發(fā)人員可以使用JavaScript構建組件庫， 根據(jù)設備協(xié)議自行處理協(xié)議邏輯；

（6）輸入和輸出層通信協(xié)議默認支持TCP、upd、Modbus TCP、Modbus RTU、SOAP server、WebSocket、MQTT、HTTP、serial（串口通信）；

（7）數(shù)據(jù)存儲支持實序數(shù)據(jù)庫、內存數(shù)據(jù)庫、MYSQL、SQL SERVER、NOSQL連接，可根據(jù)數(shù)據(jù)特性自由選擇；

（8）可快速創(chuàng)建API服務，而無需重啟服務程序；

（9）默認自帶數(shù)據(jù)可視化工具，可以將采集的數(shù)據(jù)以圖表或表格等方式展現(xiàn)出來；

（10）軟硬件解耦，支持容器部署，異構集成。

3 代表性及推廣價值

本解決方案的系統(tǒng)建設通過能力平臺支撐“智慧車站”場景，在確保運營安全和保障乘客出行體驗的前提下，降低站務人員的工作強度，減少現(xiàn)場人員的數(shù)量；通過對現(xiàn)場設備工作狀態(tài)的采集，優(yōu)化作業(yè)安排，降低人力和設備維修成本；工作人員憑借系統(tǒng)對設備數(shù)據(jù)采集和分析，采取預防性維護等措施，減少設備故障的風險；借助大數(shù)據(jù)分析、暖通設備能耗和環(huán)境等指標，優(yōu)化控制相關設備的運行策略，實現(xiàn)節(jié)能減排。

解決方案的應用和推廣有助于重構長期以來形成的軌交行業(yè)機電系統(tǒng)技術架構和體系，利用云和物聯(lián)網技術構建開放的綜合管理一體化平臺，有效打破行業(yè)技術壁壘，形成競爭的市場格局，有助于降低軌交企業(yè)設備采購的成本，保障線路和車輛的安全無故障運行。

摘自《自動化博覽》2021年2月刊