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基于边缘计算的轨道交通智慧运控平台解决方案

1 目标和概述

截止2019年,上海地铁运营线路共16条,共设车站415座(含磁浮线2座),运营里程共705千米(含磁浮线29千米)。目前上海地铁日均客运量1065万人次,轨道交通已成为上海市民出行的首选交通工具。

随着城市轨道交通线路建设的快速发展,传统机电专业系统建设模式的不足越来越显现,无法应对地铁经营成本效率方面的挑战。

根据上海轨道交通机电设备业务管理和网络化运营管理需求,需要开展全新一代的、面向整个轨道交通机电设备管理的综合业务平台研究。上海上实龙创智能科技股份有限公司(以下简称:上实龙创)基于物联网技术,结合阿里云平台架构体系,通过轨道交通行业应用平台软件的定制开发,形成轨道交通综合业务一体化管理系统。

2 解决方案介绍

上海地铁18号线是条新建线路,也是建设两站一中心的物联网云平台应用与试点项目。两站即在线路中选择两个车站,一中心即控制中心。通过构建一个基于边缘计算物联网云技术的轨道交通智慧运控平台体系, 实现软硬件、应用/数据库、系统/算法以及业务开发/系统开发解耦,降低运维成本,提高管理效率。

2.1 系统架构

基于边缘计算物联网云平台的轨道交通综合业务管理系统分为三层,如图1所示。

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图1 系统架构图

(1)综合应用层(SaaS层)

该层为原来ISV伙伴提供专业用程序,以目前先进的微服务和分布式的方式开发,在平台能力层上运行, 打通“烟囱”式布局结构,更注重功能本身,按需分配,提高通用度和可维护性。

例如根据现有的业务需求开发的轨道交通综合业务管理系统,不仅包含传统综合监控的设备展示和简单控制功能,还结合报警、工单、数据分析等完成高效管理,从而降低运营管理人员投入,提升运营管理效率。

(2)物联网云平台层(PaaS层)

该层主要的工作是对上的应用模块提供部署、运行、发布的基盘。配合边缘侧配置应用进行边缘侧网管的配置管理、数据点位模型的管理,以及配置运行的计划任务和策略。系统中的核心节点数据收集上传和下发都需要在此层进行连接和调配。它可实现统一化运营管理、一元化人员管理、设备管理、组织结构管理、人员权限管理、职权管理、基础数据的管理。一体实现UI界面统一,登录登出管控,数据接口管控等一系列的通用功能服务。对上对下实现一体支撑、一体管理的能力。可利用成熟的阿里云物联网云平台体系,包括  应用托管(AH)、边缘协同(LE)、物模型转换(LH)、物联网连接套件(LK),以及数据库管理(DBM)和统计报表(RPT)等能力模块,将边缘计算层汇聚的数据进行云端处理,转发并形成数据模型和服务模型,供上层应用调用。同时搭建轨交行业能力平台层,为上层应用搭建提供数据和开发工具。

(3)边缘组件层

用于对下被监管设备的连接、监视、控制等工作。主要配合上位应用一体联动,并提供数据支撑和自动化任务的处理等功能。

可通过边缘服务器的协议转换、规则引擎、AI等能力,完成各系统、设备的接入和管理,数据清洗、数据联动和AI赋能等。同时在未来项目中部署简单站级工控软件,可实现云平台断线后降级运行的简单操作与控制。

2.2 上海地铁智慧运控平台系统组成及功能

上海地铁智慧运控平台系统由1个能力平台、7个子系统、17个应用场景和一个边缘体系组成。如图2所示。

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图2 上海地铁智慧运控平台系统

2.3 上海地铁智慧运控平台系统软件界面设计(如图3所示)

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图3 上海地铁智慧运控平台系统软件界面设计

2.4 硬件部署

系统部署的硬件平台主要包括分布式中心服务器、边缘服务器(即站点服务器),通过网关接入互联网互通,硬件架构如图4所示:

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图4 硬件架构

其中,中心服务器和站点服务器分别部署各自系统,相对独立,互不影响;配置信息的数据在中心服务器和站点服务器间双向同步;中心服务器如果出现问题,可以使用站点服务器提供服务。

2.5 网络架构(如图5所示)

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图5 网络架构

2.6 数据通讯 

通过能力平台+边缘计算+物联网平台模式实现全 域数据采集。如图6所示。

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图6 数据通讯

2.7 系统安全措施

提供多重防护保障设备和云端安全。

(1)设备认证

提供一机一密的设备认证机制,降低设备被攻破的安全风险;

(2)安全传输

提供TLS标准的数据传输通道,保证数据的机密性和完整性;

(3)权限管控

严格控制设备和用户的权限范围,任何操作都需要鉴权,防止越权访问的情况;

(4)数据隔离

实例间数据完全隔离,不会存在跨实例越权访问的问题。

2.8 上实龙创边缘网关产品特点

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上实龙创边缘网关是一款功能强大的协议转换网关系列产品,用户可以根据现场设备的通信协议进行配置,转成标准的BACnetIP、BACnetMSTP、Modbus、KNX等工业和楼宇自控协议。目前已经对接几十种行业标准协议和非标准私有协议,包括西门子物联网平台MindSphere对接,支持阿里云边缘计算,华为云边缘计算对接。上实龙创边缘网关上行支持Wi-Fi、4G、网口方式接入互联网,多网同时在线;下行预留可选多种无线通信,ZigBee、LoRa、蓝牙等。

龙创边缘网关软件具备以下特性:

(1)支持跨平台运行,可在X86架构Linux、Windows系统下运行,同时也支持ARM嵌入式平台;

(2)支持与龙创设备集成,方便实现数据规则; 预警、工业App、微信公众号、小程序交互能力,通过授权用户可以随时查看设备状态;

(3)可快速与各大物联网平台(阿里云、华为云、西门子MindSphere)对接;

(4)具备丰富的云端设备协议库,可根据业务需求进行同步;

(5)开发人员可以使用JavaScript构建组件库, 根据设备协议自行处理协议逻辑;

(6)输入和输出层通信协议默认支持TCP、upd、Modbus TCP、Modbus RTU、SOAP server、WebSocket、MQTT、HTTP、serial(串口通信);

(7)数据存储支持实序数据库、内存数据库、MYSQL、SQL SERVER、NOSQL连接,可根据数据特性自由选择;

(8)可快速创建API服务,而无需重启服务程序;

(9)默认自带数据可视化工具,可以将采集的数据以图表或表格等方式展现出来;

(10)软硬件解耦,支持容器部署,异构集成。

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3 代表性及推广价值

本解决方案的系统建设通过能力平台支撑“智慧车站”场景,在确保运营安全和保障乘客出行体验的前提下,降低站务人员的工作强度,减少现场人员的数量;通过对现场设备工作状态的采集,优化作业安排,降低人力和设备维修成本;工作人员凭借系统对设备数据采集和分析,采取预防性维护等措施,减少设备故障的风险;借助大数据分析、暖通设备能耗和环境等指标,优化控制相关设备的运行策略,实现节能减排。

解决方案的应用和推广有助于重构长期以来形成的轨交行业机电系统技术架构和体系,利用云和物联网技术构建开放的综合管理一体化平台,有效打破行业技术壁垒,形成竞争的市场格局,有助于降低轨交企业设备采购的成本,保障线路和车辆的安全无故障运行。

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