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轨道交通智慧车站边缘数据底座建设

· 施德朗（广州）电气科技有限公司

1　目标和概述 

1.1　行业挑战 

历经近20年的高速发展，我国城市轨道交通取得了举世瞩目的成就：线网规模和运营线路数量双双位居 世界首位。城市轨道交通是现代经济的重要支撑和先行 领域，也是交通强国和智慧城市的重要组成部分。但 是，随着线网规模和客流量的增加，以及乘客对便捷、 舒适、多样化、个性化、精准化等服务层面的需求越来 越高，城轨行业在安防、服务、建设以及运营效率等方 面均面临着不小的挑战。5G、云计算、大数据、物联 网、人工智能等数字技术飞速发展，并与传统实体产业 深度融合，为城轨行业的破局提供了可能。 

1.2　总体概述

 施德朗智慧车站边缘数据底座，聚焦于消除信息孤岛，推动无边界信息流，支撑开放、动态、多变的物联 网环境中的复杂应用系统，实现对分布于物联网之上的 各种独立信息资源（计算资源、数据资源、服务资源、 软件资源）的简单、标准、快速、灵活、可信、高效能 及低成本的集成、协同和综合利用，有组织地提高物联 网基础设施的业务敏捷性，降低总体运维成本，促进物 联网与业务之间的融合。 

1.3　功能展示 

 施德朗边缘数据底座在物联网平台架构功能展示 如图1所示。 

图1 施德朗边缘数据底座在物联网平台架构功能展示图

（1）IaaS感知层：包括所有主动或被动提供基础 数据的模块和设备。终端设备所有数据（业务数据、设 备状态、故障告警、运行日志等）上报至物联网支撑平 台，以满足系统的需要，实现与其他设备或系统的互联 互通。 

 （2）边缘层：边缘数据管理平台、边缘网关对接 基础设施层，并提供了丰富接口，常用如：RS485、 RS232、RS422、Modbus-TCP、Modbus-Rtu、 BACnet、UDP、API等。 

（3）PaaS/SaaS平台层：云平台，通过信息与通 信技术的运用，夯实了平台核心服务能力。该平台主要 包括云资源、云平台，起到了承上启下的作用，对下连 接物联设备及屏蔽设备感知层的设备差异，对上支撑上 层软件应用和水平业务扩展能力，并提供了高可靠的 IaaS、PaaS层服务能力，用于统一开发、承载和运行 应用系统。云端物联平台数据集成、应用集成能力将上 层应用需要的共性基础服务沉淀在平台层，避免了烟囱 式建设，为前台业务系统开发提供了底层统一的技术、 数据和服务支撑。 

 1.4　创新点 

 施德朗边缘数据底座的创新点如图2所示。

 图2 施德朗边缘数据底座的创新点 

（1）0代码图形化配置接入 

施德朗XEndue物联框架核心组态工具Marswindow 操作系统，自主知识产权，0代码、填表单、图形化、拖 拉拽方式，适配所有通讯协议（含API），可实现物联网 设备标准化地、快速地接入。 

（2）反向集成平台能力

 应用XEndue框架自身的可编程操作系统 （Marswindow）可以做各种增删改查的配置，整个 过程不需要研发人员干预，现场运维人员只需要通过 10天培训就可以自行维护，大大降低了运维难度和依 赖性。

 （3）多逻辑关联协同能力 

应用XEndue框架自身的可编程操作系统 （Marswindow）的逻辑编辑器内添加逻辑关系，可 将不同系统之间联动起来，让系统之间不再孤立，可以 互通起来。这里的逻辑编辑器，主要作用是做一些本地 化的逻辑，即使物联系统与云端断开连接，也同样可以 执行的一些非策略型的逻辑。 

（4）库文件存储和图形化调用能力

 XEndue框架库文件是随着接入的新设备增加不断 累积的，每个接入过的设备都会形成“库文件”保留下 来，以后其他项目遇到相同设备，无需做二次对接工 作，可直接在Marswindow的设备编辑器内以图形化 拖拉拽方式进行调用，接入一个已有库文件的系统，耗 时约为5分钟。

 2　方案介绍 

2.1　系统组成 

XEndue物联框架（边缘数据底座）由3个部分组 成，如图3所示，分别是边缘软中控、可编程操作系统 Marswindow、边缘数据中台（DMS）。XEndue框 架从根本上改变了连接控制设备和系统通信的方式，让 设备与设备之间、平台与平台之间、平台与设备之间完 美互联。

 XEndue物联框架南向部分为边缘软中控+可编 程操作系统Marswindow，其中边缘软中控作为与 各个物联网子系统物理连接的硬件设备，它可以根据 现场实际环境情况选择施德朗边缘控制主机、第三方 边缘网关、服务器、工控机等，配合可编程操作系统 Marswindow一起使用。各类物联网硬件接入接口包 含但不限于RS485、RS232、IO、IR、LAN接口，接入 对象包含但不限于空调系统、电气设备系统、给排水设 备系统等，各类软件应用系统（API）接入对象包含但 不限于停车场系统、门禁系统、访客预约系统。

 XEndue物联框架北向部分为边缘数据中台（DMS）。 基于云原生技术和边原生技术的高速发展，云平台应用 对数据要求的维度也越来越高，为了让数据质量、数据 融合、数据安全、数据汇聚和数据处理等边缘能力深度 适配各类云计算的数据应用需求，边缘端的中间件架构 不仅提升了数据中台的能力，还强化了边缘端的数据处 理能力，极大减轻了云端的数据负担，赋能更多云平台 走向标准化，并在强而有力的数据底座支持下，放大了 云平台应用的发展商机。

 图3 XEndue物联框架系统组成图 

2.2　系统架构 

施德朗的XEndue物联接入框架轻松解决了边缘数 据接入这一难题。智慧车站作为轨道交通生产管理系统 的重要组成部分，在数据接入复杂性、数据传输时序 性、指令下发执行的实时性、数据处理的有效性上比一 般应用场景的等级要求高出很多。XEndue物联框架的 智慧车站数据接入架构如图4所示。 

图4 XEndue 物联框架的智慧车站数据接入架构图 

2.3　边缘数据中台（DMS） 

2.3.1　DMS内核 

边缘数据中台连接操作系统层和应用程序层，将不 同操作系统提供应用的接口标准化、协议统一化。数据 中台的内核如图5所示。

 图5 DMS内核展示图 

2.3.2　DMS北向通讯

 北向支持MQTT订阅、HTTP、WebSocket通讯， 支持各类本地/云平台、BIM、运营应用等。 

2.3.3　DMS南向通讯 

南向支持接入边缘操作系统、API、SDK、数据库 等，支持接入边缘中控主机及其所接入的TCP/UDP、 RS232、RS485、BACnet、OPC等各类设备系统。

 2.3.4　DMS安全措施 

（1）数据加密：网关保证第一公里的安全，网关 在数据传输的时候采用SSL+国密3、国密4加密机制的 MQTT（或其他同等功能的消息队列）传输，避免了通 信被破解以后获取到相应的数据内容。

 （2）认证：网关与平台通信采用序列号和密码认 证授权的方案，每个盒子由平台生成唯一序列号和密 码，避免了第三方模仿网关通信攻击平台。 

（3）网关支持以透传或VPN的方式实现程序远程 下载大点数接入。

 2.3.5　DMS的运维界面 

智慧运维：以图形化的方式，在专业系统层级， DMS能够简洁直观地呈现各个子专业系统的在离线状 态、主备双机状态和数据流量趋势（QRS）。在专业 系统下的子设备层级，DMS能够分类直观地呈现子设 备数量、连接状态和属性状态与趋势，同时也使子设 备更有可操作性与可见性。DMS的运维界面如图6所 示。

 图6 DMS智慧运维展示图 

2.4　边缘软中控与可编程操作平台-数据接入类操作系统 

2.4.1　数据接入类操作系统

 边缘中控主机可通过协议或其他方式对接硬件不 同的子设备。上行：子设备实时反馈设备状态，并通过 WebSocket反馈到数据中台，数据中台通过MQTT将 设备状态上报到云平台。下行：云平台通过MQTT下发 控制指令到数据中台，数据中台解析控制指令后转换为 接入系统标准控制协议，再使用WebSocket发送控制 协议到边缘中控主机实现设备控制。边缘中控主机可通过硬件接口接入设备数据，它与可编程平台搭配使用， 具备如下能力： 

（1）超强的各种标准协议的整合能力：基于CS架 构的可编程平台具备离线可编程能力，可以高效地完成 不同协议的整合。 

（2）多种设备数据逻辑的关联和执行能力：各种 不同协议的系统实现逻辑联动，达到自动化运行条件。 

（3）设备数据与本地平台的长连接能力：设备数 据可以在局域网后台可视化软件监视和控制，同时也可 以在允许的情况下数据上传云端实现远程监控。 

（4）分布式控制和对接部署能力：5万小时以上 平均无故障的系统稳定性，边缘中控主机分布式联网架 构，同时分布式对接整合第三方设备。 

（5）本地接入与平台联动的模型映射能力：自定 义设备物模型与应用物模型。

 图7 Marswindow设备编辑器操作界面 

施德朗接入类操作系统Marswindow可搭载在第 三方边缘网关、工控机和服务器上，具体适配的边缘 网关设备与Marswindow应用环境和接入的系统点位 数量有关。Marswindow设备编辑器操作界面如图7所 示。 

2.4.2　边缘数据处理能力 

（1）通过边缘中控主机实现本地采集，支持过滤 重复数据； 

（2）支持物理隔离的双网口，支持2个隔离网络 边缘计算将结果网络传输，实现安全的局域网与广域网 的设备进行边缘计算处理； 

（3）设备管理能够配置数据转换规则，可将采集 到的各种不同格式的数据转换成统一的格式；

（4）边缘中控主机支持本地缓存，若与服务器断 开重新连接后，能够将缓存的数据上传到平台，其性能 指标为500M环型数据缓存； 

（5）边缘中控主机的端口接入形式至少包含双 RJ45、RS-485串口、RS-422串口和RS-232串口； 

（6）边缘中控主机协议支持通用TCP/IP Server、 TCP/IP Client、UDP/IP Server、UDP/IP Client、 UDP组播协议、Modbus、BACnet/IP、OPC DA/OPC UA； 

（7）支持私有化第三方开放协议转化为标准库文 件，实现第三方协议标准化接入； 

（8）支持MQTT、WebSocket、HTTP、SNMP 等主流物联网协议接口，实现智能产品设备数据和业务 数据的采集； 

（9）网关支持通过自动化协议和物联网协议传输 到第三方的平台或上位机； 

（10）网关支持类似订阅数据功能，并可进行元 数据比对，只有元数据状态发送改变将自动通过自动化 协议和物联网协议传输到第三方的平台或上位机，可减 少网络带宽，保证数据传输的可靠性； 

（11）支持双机热备份功能。

 2.4.3　边缘中控主机安全措施 

（1）数据加密：网关保证第一公里的安全，网关 在数据传输的时候采用SSL+国密3、国密4加密机制的 MQTT（或其他同等功能的消息队列）传输，避免了通 信被破解以后获取到相应的数据内容。 

（2）认证：网关与平台通信采用序列号和密码认 证授权的方案，每个盒子由平台生成唯一序列号和密 码，避免了第三方模仿网关通信攻击平台。 

（3）网关支持以透传或VPN的方式实现程序远程 下载大点数接入。

 3 代表性及推广价值 

自2019年，施德朗电气配合穗腾联合实验室，先 后在广州地铁3号线、APM线、广州塔站和21号线天河 智慧城站实施穗腾OS 1.0示范站建设，2020年在广州 地铁18号线横沥站与22号线市广路站进行全国性的穗 腾OS 2.0数字化示范站建设。以上示范站创新应用均已 通过验收，安全性也通过了等保3级和SIL2认证，并且 通过了行业权威专家评审。权威专家一致认为：“穗腾OS在国内轨道交通行业具有首创意义，并且达到了国 内领先水平。”

 3.1　施德朗边缘数据底座核心业务价值 

（1）轻量化数据运营能力 

通过边缘数据底座图形化拖拉拽的方式让运维团队 可快速配置各种运营的增删改查。

（2）北向接口所属权建立 

通过边缘数据底座将各系统数据连接，并建立自身 的物联数据库，可把控北向的数据接口归属，使运维团 队不受到应用或平台端的绑架。 

（3）资产数据库的建立 

通过边缘数据底座的边缘数据中台汇聚所有设备系 统的数据，可确保全量数据安全留在本地，只有变量数 据给到应用，提高了数据资产归属的把控权。 

（4）数据标准化 

边缘数据底座的Marswindow操作系统标准化了 物联系统的数据接入，包容地适配各种不同协议，形成 了轨道交通的物联生态。 

3.2　方案成熟性 

3.2.1　项目落地 

施德朗边缘数据底座是一种数据接入标准化工具， 不仅在轨道交通智慧车站中得以充分地使用论证，而且 在智慧园区、智慧水务、智慧教育、智慧校园同样也大 放异彩。施德朗数据接入方案得到腾讯云微瓴平台的高 度认可。从2019年成为微瓴平台智慧建筑产业合伙人以 来，近百个云边协同合作项目覆盖了轨道交通、智慧园 区、智能楼宇、智慧教育、智慧水务、工业互联网等行 业领域。 

3.2.2　商业价值 

穗腾OS新一代轨道交通操作系统，首次以物联网 “云边端”系统架构在广州地铁智慧车站建设使用。它 重构了传统轨道交通综合监控系统“单一功能定制”的 设计理念，可以灵活响应、不断生长，真正实现了轨道 交通设备和系统的互联互通，支撑了轨道交通全生命周 期的一体化管理运营，对轨道交通行业乃至更多复杂工 业场景都具有开创性、示范性意义。

 在边缘数据接入方面，通过与穗腾OS的合作，施 德朗有效解决了智慧车站云边协同的各种痛点，填补了 轨道交通生产运营管理IOT架构应用系统的技术空白， 为轨交车站的智慧化升级提供了有价值的示范作用。 

3.2.3　社会价值 

（1）技术领先 施德朗边缘数据底座核心可编程操作系统，用C++ 语言历时8年最终研发形成物联网数据接入标准化工 具，使得物联接入标准化。边缘原生（Edge Native） 技术概念加速孕育，极大拓展了边缘计算创新空间。 XEndue物联框架就是基于边缘智能、边缘协同、边缘 可信、边云协同、算网融合等核心技术满足了各类端点 系统敏捷连接、实时可靠、数据优化、应用智能等方面 的关键需求。边缘数据底座成为了数实融合非常重要和 关键的数据基建，保障数据的质量对城市数字化、产业 物联网、新基建等发展的影响极其深远。XEndue物联 框架的诞生，通过边缘原生技术打造物联网链接的操作 系统，极大地降低了链接难度，用户可轻易自主地建立 各自的物联生态，并且与之共享，并可在足够开放的框 架内营造物联链接标准化的互助生态圈。

 （2）降本增效 施德朗边缘数据底座，作为标准化的接入工具，不 再依赖研发人员对具体项目写固件，也不需考虑从事具 体项目的技术人员技术水平高低，甚至连研发人员都无 须参与，一般调试工程师即可，无疑将人力成本大大下 降。按照施德朗项目实施过程中统计测算，施德朗已有 协议库文件的同样设备，5分钟即可完成数据接入；未 在施德朗协议库的新设备，接入耗时也仅为2小时。 

（3）数据安全 传统的一体化IBMS/SCADA/综合监控类产品，以 及通过边缘网关做全量数据透传上云的接入方式，所有 上云的数据必须考虑安全问题。施德朗边缘数据底座通 过本地化部署，实现全量数据存储在本地、变量数据上 传至第三方云平台。网关与平台通信采用序列号和密码 认证授权的方案，每个盒子由平台生成唯一序列号和密 码，避免了第三方模仿网关通信攻击平台。除此以外， 网关保证第一公里的安全，网关在数据传输的时候采用 SSL+国密3、国密4加密机制的MQTT（或其他同等功 能的消息队列）传输，避免了通信被破解以后获取到相 应的数据内容。

来源 | 《自动化博览》2023年第2期暨《边缘计算2023专辑》