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★ 上海艾文普信息技術有限公司 

★ 天津大學

1目標和概述

截至2021年6月30日，我國地鐵開通的城市累計有49個，262條線路，投運城軌交通線路8448.67公里。我國《十四五規劃和2035年遠景目標綱要草案》提出，“十四五”期間我國城市軌道交通運營里程數將新增3000公里。隨著城市軌道交通線路建設的快速發展，傳統機電專業系統建設模式的不足越來越顯現，無法應對地鐵經營成本效率方面的挑戰。

根據軌道交通機電設備業務管理和網絡化運營管理需求，迫切需要開展全新一代、面向整個軌道交通機電設備管理的綜合業務平臺研究。艾文普信息技術有限公司與天津大學電氣自動化與信息工程學院共同開發的CloudSCADA工業物聯網云平臺基于物聯網技術，結合云平臺架構體系，使用大數據、AI、3D、數字孿生等技術，通過構建一個基于物聯網云技術的軌道交通智慧運控平臺體系，實現軟硬件、應用/數據庫、系統/算法以及業務開發/系統開發解耦，降低運維成本，提高管理效率。

CloudSCADA工業物聯網云平臺提供物聯網各行業應用對接入層、通訊層以及行業應用基礎層的通用解決方案，基于CloudSCADA工業物聯網云平臺各行業應用實現自己的業務邏輯處理。CloudSCADA工業物聯網云平臺的功能如下：

（1）提供統一的終端接入平臺

通過CloudSCADA工業物聯網云平臺，為所有物聯網應用終端提供的統一的數據接入方案。數據接入支持多種通訊設備、通訊協議，對接收到的數據進行辨識、分發，以及報警分析等預處理。

（2）提供統一的應用基礎運行平臺

物聯網應用軟件與傳統的應用軟件相比，有底層終端數量多、上層行業應用復雜的特點，各種行業終端數量規模往往能達到百萬甚至更高級別，要求CloudSCADA工業物聯網云平臺能維護大量共享數據和控制數據，提供物聯網應用的統一運行環境，從概念、技術、方法與機制等多個方面無縫集成數據的實時處理與歷史記錄，實現數據的高時效調度與處理，并保證數據的一致性。

（3）提供統一的安全認證平臺

以用戶信息、系統權限為核心，集成各業務系統的認證信息，提供一個高度集成且統一的認證平臺。

（4）提供統一的數據交換平臺

CloudSCADA工業物聯網云平臺提供統一的“數據交換平臺”，通過中間件作為粘合劑連接各種業務相關的異構系統、應用以及數據源，滿足重要系統之間無縫共享和交換數據的需要。

（5）提供統一的門戶支撐平臺

提供一個靈活、規范的信息組織管理平臺和全網范圍的網絡協作環境，實現集成的信息采集、內容管理、信息搜索，能夠直接組織各類共享信息和內部業務基礎信息，面向不同使用對象，通過門戶技術實現個性化服務，實現信息整合應用。

（6）提供多種業務基礎構件

為各行業應用業務提供開發輔助工具、快速定制、2D/3D組態工具、BIM輕量化工具、地理信息服務、權限管理、數據展現及機器學習等多種平臺支撐服務。通過這些基礎構件，實現系統的松散耦合，提高系統的靈活性和可擴展性，保障快速開發、降低運營維護成本。

2方案詳細介紹

2.1系統架構

基于CloudSCADA工業物聯網云平臺的軌道交通綜合業務管理系統分為三層，如圖1所示。

圖1系統架構圖

（1）綜合應用層（SaaS層）

該層為面向用戶的各專業應用軟件，以目前先進的微服務和分布式的方式開發，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。

可根據現有的業務需求開發的軌道交通綜合業務管理系統，不僅包含傳統綜合監控的設備展示和簡單控制功能，還結合報警、工單、數據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）物聯網云平臺層（PaaS層）

該層主要的工作是對SaaS層的應用軟件模塊提供部署、運行、發布的基礎平臺。配合邊緣側配置應用，進行邊緣側網管的配置管理、數據點位模型的管理，以及配置運行的計劃任務和策略。該層是系統的核心節點，數據收集上傳和下發都需要在此層進行連接和調配。它可實現統一運營管理、統一人員管理、設備管理、組織結構管理、人員權限管理、職權管理、基礎數據的管理。實現UI界面統一，登錄登出管控，數據接口管控等一系列的通用功能服務。對上對下實現一體支撐、一體管理的能力。

利用CloudSCADA工業物聯網云平臺體系，包括應用軟件管理、組態工具、邊緣協同、物模型轉換、物聯網連接套件、實時數據庫、時空歷史數據庫、AI數據分析、及統計報表等能力模塊，將邊緣計算層匯聚的數據進行云端處理，轉發并形成數據模型和服務模型，供上層應用調用。同時搭建軌道交通行業能力平臺層，為上層應用搭建提供數據和開發工具。

（3）邊緣組件層

用于對下被監管設備的連接、監視、控制等工作。主要配合上位應用一體聯動，并提供數據支撐和自動化任務的處理等功能。

可通過邊緣服務器的協議轉換、規則引擎、AI等能力，完成各系統、設備的接入和管理，數據清洗、數據聯動和AI賦能等。同時支持簡單站級工控軟件，可實現云平臺斷線后降級運行的簡單操作與控制。

2.2硬件平臺

系統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），通過網關接入互聯網互通，硬件架構如圖2所示：

其中，中心服務器和站點服務器分別部署各自系統，相對獨立，互不影響；配置信息的數據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問題，可以使用站點服務器提供服務。

2.3軟件平臺

地鐵智慧運控平臺系統由1個物聯網云平臺、1套邊緣體系、和N個應用場景組成。如圖3、圖4所示。

圖3地鐵智慧運控平臺系統

圖4地鐵智慧運控平臺系統界面

2.4數據通信

通過智慧運維平臺+邊緣計算+工業物聯網平臺模式實現全域數據采集。如圖5所示。

圖5數據通訊

2.5安全措施

提供多重防護保障設備和云端安全。具體包括：

（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標準的數據傳輸通道，保證數據的機密性和完整性。

（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）數據隔離

實例間數據完全隔離，不會存在跨實例越權訪問的問題。

2.6技術特點

（1）云原生高性能實時數據庫；

（2）云原生關系型數據庫；

（3）云原生時序數據庫，歷史數據無限存儲；

（4）數字孿生，采用BIM3D建模技術，VR智能眼鏡技術；

（5）使用標準Web技術HTML+CSS+Javascript；

（6）無需瀏覽器插件，支持Android/iOS設備；

（7）支持各種工業協議，如OPCUA、Node-RED、ModbusTCP等；

（8）支持MQTT，可接入工業網關設備；

（9）采用IoT分布式架構，性能可彈性伸縮；

（10）支持本地部署和云端部署；

（11）支持Windows/Linux跨平臺部署；

（12）支持容器化部署。

3代表性及推廣價值

本解決方案的系統建設是在CloudSCADA工業物聯網云平臺的基礎之上建設地鐵智慧運控平臺，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，減少現場人員的數量；通過對現場設備工作狀態的采集，優化作業安排，降低人力和設備維修成本；工作人員憑借系統對設備數據采集和分析，采取預防性維護等措施，減少設備故障的風險；借助大數據分析、暖通設備能耗和環境等指標，優化控制相關設備的運行策略，實現節能減排。

基于CloudSCADA工業物聯網云平臺建設的地鐵信號設備智慧運維平臺已在軌道交通領域得以應用實踐。該平臺于2019年建成投用，經過第一階段線路改造及地鐵運維基地信號設備智能運維中心建設，已完成ATC信號系統、道岔轉轍機、通信信號電源、CBTC系統計軸系統、設備環境等關鍵系統接入，綜合應用了多源融合感知、多引擎融合預警運維多專業融合協同、主動維修決策等關鍵技術。

該平臺完成的系統功能為：狀態監測（線網設備運行全景圖、設備監測數據、實時歷史告警預警、狀態查詢、觸發工單），數據分析（ATC分析、MDS分析、DCS分析、端到端分析、RAMS分析、故障異常規律分析），設備管理（設備動態履歷、巡檢校核、作業管理、健康度評估、剩余壽命預測），故障管理（故障響應、過程回放、應急處理、備件管理、故障閉環），維修管理（維修計劃、維修統計、設備輪換提示），專家系統（案例庫、維修建議、AR遠程協作）。

該平臺獲取初步成效如下：通過設備集成化監測、故障快速決策及故障預警分析，實現平均故障接手時間、維修響應時間故障修復時間等大幅減少，降低了勞動強度提升了維護效率;通過設備質量評價、設備健康度分析，進行維修策略調整，促進維護維修模式從故障修定時修向狀態修轉變，現已實現軌道交通線網級狀態修試點，降低系統全壽命維護成本;通過智能診斷和大數據分析，指導現場排查原因及跨專業分析，實現應急能力和運行質量提升;通過設備資產及技術管理、設備全壽命周期管理等，實現綜合性維護管理能力提升。

該平臺在地鐵公司上線以來，提升了以下指標：系統運營非計劃延誤降低了10%，設備管理運行維護成本降低了30%，技術人員生產效率提高了30%，設備檢修時間降低了40%，綜合運營管理成本下降了5%。它為城市軌道交通信號系統設備網絡化運維提供了全面的數據支持、主動的防御手段，以及一體化的健康管理。

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機電系統技術架構和體系，利用云和物聯網技術構建開放的綜合管理一體化平臺，有效打破行業技術壁壘，形成競爭的市場格局，有助于降低軌交企業設備采購的成本，保障線路和車輛的安全無故障運行。

隨著中國城市軌道交通的快速發展，超大規模地鐵網絡帶來了更大的機遇和挑戰，傳統的運維模式已無法適應超規模、超體量的發展趨勢。智能運維是當今城市軌道交通行業提升運維效率、確保質量和安全的必由之路，助力中國城市軌道交通安全、高效、優質發展。

摘自《自動化博覽》2022年8月刊