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★北京和利時(shí)系統(tǒng)工程有限公司柴軍，祝德昱

1 項(xiàng)目背景

重慶江北國際機(jī)場旅客捷運(yùn)系統(tǒng)（以下簡稱：捷運(yùn)系統(tǒng)）承擔(dān)T3A航站樓至T3B航站樓之間的旅客和工作人員的運(yùn)送任務(wù)。全線均采用地下敷設(shè)方式，線路全長約2.353km（雙線），設(shè)置T3A航站樓站、T3B航站樓站、運(yùn)維中心各一座。列車為具備超級電容的跨座式單軌車體。全線采用GoA4級別的全自動(dòng)無人駕駛系統(tǒng)。

圖1重慶江北國際機(jī)場旅客捷運(yùn)系統(tǒng)線路示意圖

結(jié)合捷運(yùn)系統(tǒng)項(xiàng)目定位、航站樓車站無人值守功能、多專業(yè)綜合管控、多專業(yè)智慧運(yùn)維等功能需求，北京和利時(shí)系統(tǒng)工程有限公司（以下簡稱：和利時(shí)）為捷運(yùn)系統(tǒng)量身打造基于智能城軌綜合業(yè)務(wù)平臺(tái)的捷運(yùn)系統(tǒng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，在車站、運(yùn)維中心設(shè)置邊緣控制云節(jié)點(diǎn)（Edge Control Center，簡稱ECC），滿足ATS、ISCS、BAS、PSCADA等多專業(yè)運(yùn)營生產(chǎn)需求的中央調(diào)度系統(tǒng)與滿足ISCS、通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、車輛系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、綜合蓄電池系統(tǒng)、站臺(tái)門系統(tǒng)、道岔系統(tǒng)、綜合網(wǎng)管系統(tǒng)的多專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)相結(jié)合，進(jìn)而“云-邊-端”相依而生，協(xié)同運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)資源協(xié)同、管理協(xié)同、數(shù)據(jù)協(xié)同、服務(wù)協(xié)同的智慧交通一體化解決方案。

2 邊緣控制云節(jié)點(diǎn)（ECC）功能及應(yīng)用介紹

ECC是以緊湊的工業(yè)尺寸，融合工業(yè)控制、邊緣計(jì)算、邊云協(xié)同、物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、信息安全、本地顯示、信息安全等核心能力于一體的邊緣智能計(jì)算控制平臺(tái)。

圖2 ECC產(chǎn)品介紹

ECC通過工業(yè)級無風(fēng)扇設(shè)計(jì)搭載高性能多核CPU，支持USB2.0、USB3.0、DisplayPort++、以太網(wǎng)等多種外設(shè)接口，支持多種存儲(chǔ)介質(zhì)擴(kuò)容的工業(yè)級邊緣智能計(jì)算控制硬件設(shè)備。依托虛擬化技術(shù)，可將ECC劃分為工業(yè)控制、邊緣計(jì)算等不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)，靈活劃分各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的硬件資源、外設(shè)，使得各系統(tǒng)安全隔離、靈活擴(kuò)展。集成成熟的工業(yè)控制、邊緣計(jì)算、協(xié)議轉(zhuǎn)換等行業(yè)應(yīng)用，并與捷運(yùn)系統(tǒng)云平臺(tái)深度融合，實(shí)現(xiàn)云邊端協(xié)同。

圖3 云-邊-端協(xié)同架構(gòu)

協(xié)同內(nèi)容如下：

（1）資源協(xié)同

ECC提供計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、虛擬化等基礎(chǔ)設(shè)施資源，具有本地資源調(diào)度管理能力，也接收并執(zhí)行云端的資源調(diào)度管理策略；云端則提供資源調(diào)度管理策略，包括邊緣端的設(shè)備管理、資源管理以及網(wǎng)絡(luò)連接管理。

（2）管理協(xié)同

ECC提供應(yīng)用部署與運(yùn)行環(huán)境，并對本節(jié)點(diǎn)應(yīng)用的生命周期進(jìn)行管理；云端實(shí)現(xiàn)對全部邊緣節(jié)點(diǎn)應(yīng)用的全生命周期管理，包括應(yīng)用的推送、安裝、卸載、更新、監(jiān)控及日志等。

（3）數(shù)據(jù)協(xié)同

ECC負(fù)責(zé)終端設(shè)備數(shù)據(jù)的收集，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理與分析，然后將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至云端；云端對海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析與價(jià)值挖掘。

（4）服務(wù)協(xié)同

云端進(jìn)行大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，利用大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)建立模型；云端將訓(xùn)練的模型通過云邊通道同步到邊緣側(cè)ECC，在ECC中進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制輸出；云端根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行情況，持續(xù)優(yōu)化模型。

ECC承載工業(yè)實(shí)時(shí)控制、智能診斷、數(shù)據(jù)分析等多類邊緣智能應(yīng)用，具備如下功能：

（1）工業(yè)控制

ECC除自身應(yīng)用程序軟件外，承載和利時(shí)自主的MACS-SCADA4.0工業(yè)控制程序，完全集成PLC功能。提供容量更大、速度更快的多種現(xiàn)場工業(yè)總線。實(shí)現(xiàn)對車站風(fēng)機(jī)、水泵、動(dòng)照、PSCADA等系統(tǒng)的工業(yè)控制功能，實(shí)現(xiàn)對各類溫濕度傳感器、氣體傳感器的信息采集功能。

（2）數(shù)據(jù)接入

ECC通過靈活的硬件配置的方式，完全集成前端處理器FEP（Front End Processor）。通過部署FEP服務(wù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)接入（FEP）服務(wù)采用跨平臺(tái)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)接入功能。結(jié)合數(shù)據(jù)交互、協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能，實(shí)現(xiàn)與車站能管表計(jì)、電氣火災(zāi)主機(jī)、感溫光纖主機(jī)、站臺(tái)門控制盤、站臺(tái)門運(yùn)維工作站、弱電綜合UPS、車載數(shù)據(jù)落地接收等設(shè)備和系統(tǒng)接口。

（3）邊緣計(jì)算

ECC搭載輕量級、低延時(shí)、高效的AI算法，并針對捷運(yùn)系統(tǒng)不同系統(tǒng)，不同應(yīng)用場景，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、泛在化的智能應(yīng)用服務(wù)，為邊緣側(cè)賦能。ECC除支撐常規(guī)數(shù)據(jù)采集功能外，可以通過高頻數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)毫秒級的對現(xiàn)場設(shè)備傳感器的高頻數(shù)據(jù)采樣，并擴(kuò)展APU模塊增強(qiáng)邊緣計(jì)算能力，支撐風(fēng)機(jī)、水泵、站臺(tái)門、蓄電池、車輛等設(shè)備的智能設(shè)備診斷、故障預(yù)測等各類應(yīng)用。

（4）物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

ECC通過基于工業(yè)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)多種開放協(xié)議，通過自研時(shí)隙分配和管理軟件，實(shí)現(xiàn)時(shí)隙的分配、節(jié)點(diǎn)的管理、數(shù)據(jù)的收發(fā)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取/交互、非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取/交互等功能，通過以上通信方式可實(shí)現(xiàn)ECC與現(xiàn)場設(shè)備、云端的無縫連接。完全滿足現(xiàn)場高實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)傳輸要求。

（5）本地顯示

ECC通過集成的本地顯示功能，就地搭建組態(tài)、調(diào)試環(huán)境，可在本地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控等功能，方便現(xiàn)場維護(hù)工作。

（6）信息安全

ECC提供車站級計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源，低延時(shí)傳輸，ECC采用和利時(shí)成熟的信息安全方案，將IT技術(shù)引入到工業(yè)生產(chǎn)層面，滿足捷運(yùn)系統(tǒng)在車站邊緣側(cè)可靠性、安全性的信息安全要求。

依托于云邊端協(xié)同架構(gòu)，捷運(yùn)系統(tǒng)首創(chuàng)運(yùn)營生產(chǎn)與運(yùn)維管理融合共建的集約化平臺(tái)建設(shè)方案，實(shí)現(xiàn)非安全網(wǎng)和安全網(wǎng)兩張感知網(wǎng)中設(shè)備數(shù)據(jù)的采集與融合。捷運(yùn)系統(tǒng)在T3A、T3B各部署4套邊緣智能控制器，在邊緣側(cè)實(shí)現(xiàn)BAS實(shí)時(shí)控制、高頻數(shù)據(jù)采集、外專業(yè)接口及站臺(tái)門、風(fēng)機(jī)、水泵等重點(diǎn)設(shè)備的智能診斷。捷運(yùn)系統(tǒng)架構(gòu)圖如下：

圖4 ECC捷運(yùn)系統(tǒng)架構(gòu)圖（單車站示例）

邊緣智能控制器通過虛機(jī)、容器兩級虛擬化承載多種實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)的業(yè)務(wù)應(yīng)用。其中，開放側(cè)系統(tǒng)部署的容器應(yīng)用由中心云平臺(tái)統(tǒng)一進(jìn)行配置管理。T3A/T3B虛擬化配置見表1。

表1 T3A/T3B虛擬化配置表

3 項(xiàng)目創(chuàng)新

從民航捷運(yùn)系統(tǒng)發(fā)展至今來看，捷運(yùn)系統(tǒng)相比城市軌道交通系統(tǒng)具備如下特點(diǎn)：

（1）站點(diǎn)規(guī)模少、終端設(shè)備多、存在與航站樓共用的多類設(shè)備；

（2）捷運(yùn)系統(tǒng)接口多，特別是對民航各個(gè)部門，捷運(yùn)系統(tǒng)的需要與多個(gè)民航管理部門、運(yùn)營部門存在接口，并且需為各個(gè)部門提供不同的數(shù)據(jù)結(jié)果使用；

（3）7×24小時(shí)不間斷運(yùn)行；

（4）運(yùn)營生產(chǎn)與運(yùn)營維護(hù)相對獨(dú)立，并沒有相互融合。

結(jié)合捷運(yùn)系統(tǒng)建設(shè)要求、運(yùn)營運(yùn)維特點(diǎn)與管理需求，充分將ECC的產(chǎn)品特性最大化，捷運(yùn)系統(tǒng)采用如下創(chuàng)新點(diǎn)以及解決思路：

（1）將運(yùn)營生產(chǎn)與運(yùn)營維護(hù)通過ECC提供的多協(xié)議接口模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，打通數(shù)據(jù)壁壘，滿足各類設(shè)備接入。

（2）通過ECC的強(qiáng)大的PLC、FEP等功能，做到硬件資源節(jié)約，投資優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)高可靠性、高實(shí)時(shí)性、高安全性的嵌入式虛擬化技術(shù)。通過自研的虛擬化平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)毫秒級調(diào)度控制，并虛擬化為多個(gè)大型PLC或多個(gè)智能診斷器；多種異構(gòu)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的接入，高頻數(shù)據(jù)、TSN網(wǎng)絡(luò)接入；開放的符合工業(yè)級低代碼二次開發(fā)環(huán)境；內(nèi)置的智能診斷算法；內(nèi)置安全芯片，搭載全方位的信息安全防御技術(shù)，使得整個(gè)邊緣智能控制平臺(tái)可信啟動(dòng)、可信計(jì)算。

（3）工業(yè)級實(shí)時(shí)、時(shí)序大數(shù)據(jù)分析和共享，低代碼開發(fā)工具共享。研究工業(yè)設(shè)備實(shí)時(shí)、時(shí)序數(shù)據(jù)融合與數(shù)據(jù)治理及提供工業(yè)級PaaS開發(fā)環(huán)境。

（4）基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、邊緣控制云節(jié)點(diǎn)，為各專業(yè)設(shè)備提供邊緣層的通用智能控制與診斷平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)邊緣層泛在化接入，智能化計(jì)算，預(yù)測性診斷，真正實(shí)現(xiàn)診斷模型云層訓(xùn)練、邊層執(zhí)行、端層賦能的云邊端協(xié)同。

（5）結(jié)合ECC具備的虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的邊端部署和降級應(yīng)用，既滿足就地運(yùn)維需要，同時(shí)可通網(wǎng)絡(luò)，為多部門、多業(yè)務(wù)提供滿足需求的運(yùn)維數(shù)據(jù)。

4 項(xiàng)目效益分析

捷運(yùn)系統(tǒng)ECC基于智能城軌綜合業(yè)務(wù)平臺(tái)綜合承載中央調(diào)度系統(tǒng)、智能運(yùn)維系統(tǒng)兩大核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)，將滿足ATS、ISCS、BAS、PSCADA等多專業(yè)運(yùn)營生產(chǎn)需求的中央調(diào)度系統(tǒng)與滿足ISCS、通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、車輛系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、綜合蓄電池系統(tǒng)、站臺(tái)門系統(tǒng)、道岔系統(tǒng)、綜合網(wǎng)管系統(tǒng)的多系統(tǒng)智能運(yùn)維需求的智能運(yùn)維系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)集中管理、集約監(jiān)控，智能運(yùn)維、智能診斷運(yùn)維等特點(diǎn)，從而節(jié)省機(jī)房空間，減少接口數(shù)量和調(diào)試工作量，降低建設(shè)運(yùn)維成本。

（1）減少投資成本：創(chuàng)新性地提出運(yùn)營生產(chǎn)與運(yùn)維管理“云-邊-端”三層全覆蓋的融合共建模式，中心基于城軌云與大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)，邊緣通過邊緣控制云節(jié)點(diǎn)整合各專業(yè)服務(wù)器、控制器、診斷器及接入網(wǎng)絡(luò)。這種多專業(yè)融合的集約化建設(shè)模式，相較以往運(yùn)營系統(tǒng)與運(yùn)維系統(tǒng)孤立建設(shè)、各系統(tǒng)運(yùn)維設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)孤立搭建的傳統(tǒng)建設(shè)模式，可整體降低投資建設(shè)成本約20%。

（2）節(jié)省機(jī)房空間：由于整合了多專業(yè)的硬件設(shè)施，可減少車站有限的機(jī)房空間的占用。單機(jī)電專業(yè)，通過邊緣控制云節(jié)點(diǎn)、邊緣云節(jié)點(diǎn)集成站臺(tái)門、風(fēng)機(jī)、水泵、蓄電池等子專業(yè)的診斷器、服務(wù)器，單站可至少減少5面機(jī)柜的物理空間。故可整體節(jié)省機(jī)房空間占用約15%。

（3）提升運(yùn)維效率：通過ECC，實(shí)現(xiàn)在云邊端各層整合了原先各專業(yè)孤立的運(yùn)維系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)統(tǒng)一終端運(yùn)維。同時(shí)，通過設(shè)備故障預(yù)測與健康管理研究的深入，將相關(guān)診斷模型部署在ECC上，可從傳統(tǒng)設(shè)備計(jì)劃修、故障修運(yùn)維模式轉(zhuǎn)向更精準(zhǔn)有效的設(shè)備狀態(tài)修模型，進(jìn)而減少不必要的運(yùn)維人員投入。故可提升運(yùn)維整體效率25%以上。

（4）提升開發(fā)效率：根據(jù)本項(xiàng)目各專業(yè)特點(diǎn)，ECC通過除滿足和利時(shí)自身業(yè)務(wù)需求外，還可以為業(yè)務(wù)廠家和業(yè)務(wù)專家快速實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維應(yīng)用的部署，可將新型應(yīng)用的開發(fā)效率提升25%以上。

5 項(xiàng)目意義

ECC在重慶江北國際機(jī)場旅客捷運(yùn)系統(tǒng)的成功應(yīng)用，叩開了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在民航捷運(yùn)系統(tǒng)以及城軌行業(yè)應(yīng)用的大門，促進(jìn)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、城軌云平臺(tái)、邊緣云平臺(tái)、四型機(jī)場的融合發(fā)展，為后續(xù)民航捷運(yùn)工程、城市軌道交通工程的建設(shè)提供了借鑒參考。

“十四五”時(shí)期是民航機(jī)場科技創(chuàng)新、以技術(shù)引領(lǐng)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期。和利時(shí)緊密圍繞“四型機(jī)場”建設(shè)主旨，充分融入重慶機(jī)場五期擴(kuò)建工程，實(shí)現(xiàn)以捷運(yùn)建設(shè)助推重慶機(jī)場建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展。即將捷運(yùn)系統(tǒng)項(xiàng)目打造成智慧、綠色、安全、舒適的行業(yè)亮點(diǎn)工程，同時(shí)推進(jìn)智慧交通行業(yè)高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展！

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年12月刊