★ 上海艾文普信息技术有限公司 

★ 天津大学

1目标和概述

截至2021年6月30日，我国地铁开通的城市累计有49个，262条线路，投运城轨交通线路8448.67公里。我国《十四五规划和2035年远景目标纲要草案》提出，“十四五”期间我国城市轨道交通运营里程数将新增3000公里。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。

根据轨道交通机电设备业务管理和网络化运营管理需求，迫切需要开展全新一代、面向整个轨道交通机电设备管理的综合业务平台研究。艾文普信息技术有限公司与天津大学电气自动化与信息工程学院共同开发的CloudSCADA工业物联网云平台基于物联网技术，结合云平台架构体系，使用大数据、AI、3D、数字孪生等技术，通过构建一个基于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。

CloudSCADA工业物联网云平台提供物联网各行业应用对接入层、通讯层以及行业应用基础层的通用解决方案，基于CloudSCADA工业物联网云平台各行业应用实现自己的业务逻辑处理。CloudSCADA工业物联网云平台的功能如下：

（1）提供统一的终端接入平台

通过CloudSCADA工业物联网云平台，为所有物联网应用终端提供的统一的数据接入方案。数据接入支持多种通讯设备、通讯协议，对接收到的数据进行辨识、分发，以及报警分析等预处理。

（2）提供统一的应用基础运行平台

物联网应用软件与传统的应用软件相比，有底层终端数量多、上层行业应用复杂的特点，各种行业终端数量规模往往能达到百万甚至更高级别，要求CloudSCADA工业物联网云平台能维护大量共享数据和控制数据，提供物联网应用的统一运行环境，从概念、技术、方法与机制等多个方面无缝集成数据的实时处理与历史记录，实现数据的高时效调度与处理，并保证数据的一致性。

（3）提供统一的安全认证平台

以用户信息、系统权限为核心，集成各业务系统的认证信息，提供一个高度集成且统一的认证平台。

（4）提供统一的数据交换平台

CloudSCADA工业物联网云平台提供统一的“数据交换平台”，通过中间件作为粘合剂连接各种业务相关的异构系统、应用以及数据源，满足重要系统之间无缝共享和交换数据的需要。

（5）提供统一的门户支撑平台

提供一个灵活、规范的信息组织管理平台和全网范围的网络协作环境，实现集成的信息采集、内容管理、信息搜索，能够直接组织各类共享信息和内部业务基础信息，面向不同使用对象，通过门户技术实现个性化服务，实现信息整合应用。

（6）提供多种业务基础构件

为各行业应用业务提供开发辅助工具、快速定制、2D/3D组态工具、BIM轻量化工具、地理信息服务、权限管理、数据展现及机器学习等多种平台支撑服务。通过这些基础构件，实现系统的松散耦合，提高系统的灵活性和可扩展性，保障快速开发、降低运营维护成本。

2方案详细介绍

2.1系统架构

基于CloudSCADA工业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。

图1系统架构图

（1）综合应用层（SaaS层）

该层为面向用户的各专业应用软件，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。

可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SaaS层的应用软件模块提供部署、运行、发布的基础平台。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。该层是系统的核心节点，数据收集上传和下发都需要在此层进行连接和调配。它可实现统一运营管理、统一人员管理、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。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。

利用CloudSCADA工业物联网云平台体系，包括应用软件管理、组态工具、边缘协同、物模型转换、物联网连接套件、实时数据库、时空历史数据库、AI数据分析、及统计报表等能力模块，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。同时搭建轨道交通行业能力平台层，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。同时支持简单站级工控软件，可实现云平台断线后降级运行的简单操作与控制。

2.2硬件平台

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2所示：

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。

2.3软件平台

地铁智慧运控平台系统由1个物联网云平台、1套边缘体系、和N个应用场景组成。如图3、图4所示。

图3地铁智慧运控平台系统

图4地铁智慧运控平台系统界面

2.4数据通信

通过智慧运维平台+边缘计算+工业物联网平台模式实现全域数据采集。如图5所示。

图5数据通讯

2.5安全措施

提供多重防护保障设备和云端安全。具体包括：

（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。

2.6技术特点

（1）云原生高性能实时数据库；

（2）云原生关系型数据库；

（3）云原生时序数据库，历史数据无限存储；

（4）数字孪生，采用BIM3D建模技术，VR智能眼镜技术；

（5）使用标准Web技术HTML+CSS+Javascript；

（6）无需浏览器插件，支持Android/iOS设备；

（7）支持各种工业协议，如OPCUA、Node-RED、ModbusTCP等；

（8）支持MQTT，可接入工业网关设备；

（9）采用IoT分布式架构，性能可弹性伸缩；

（10）支持本地部署和云端部署；

（11）支持Windows/Linux跨平台部署；

（12）支持容器化部署。

3代表性及推广价值

本解决方案的系统建设是在CloudSCADA工业物联网云平台的基础之上建设地铁智慧运控平台，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。

基于CloudSCADA工业物联网云平台建设的地铁信号设备智慧运维平台已在轨道交通领域得以应用实践。该平台于2019年建成投用，经过第一阶段线路改造及地铁运维基地信号设备智能运维中心建设，已完成ATC信号系统、道岔转辙机、通信信号电源、CBTC系统计轴系统、设备环境等关键系统接入，综合应用了多源融合感知、多引擎融合预警运维多专业融合协同、主动维修决策等关键技术。

该平台完成的系统功能为：状态监测（线网设备运行全景图、设备监测数据、实时历史告警预警、状态查询、触发工单），数据分析（ATC分析、MDS分析、DCS分析、端到端分析、RAMS分析、故障异常规律分析），设备管理（设备动态履历、巡检校核、作业管理、健康度评估、剩余寿命预测），故障管理（故障响应、过程回放、应急处理、备件管理、故障闭环），维修管理（维修计划、维修统计、设备轮换提示），专家系统（案例库、维修建议、AR远程协作）。

该平台获取初步成效如下：通过设备集成化监测、故障快速决策及故障预警分析，实现平均故障接手时间、维修响应时间故障修复时间等大幅减少，降低了劳动强度提升了维护效率;通过设备质量评价、设备健康度分析，进行维修策略调整，促进维护维修模式从故障修定时修向状态修转变，现已实现轨道交通线网级状态修试点，降低系统全寿命维护成本;通过智能诊断和大数据分析，指导现场排查原因及跨专业分析，实现应急能力和运行质量提升;通过设备资产及技术管理、设备全寿命周期管理等，实现综合性维护管理能力提升。

该平台在地铁公司上线以来，提升了以下指标：系统运营非计划延误降低了10%，设备管理运行维护成本降低了30%，技术人员生产效率提高了30%，设备检修时间降低了40%，综合运营管理成本下降了5%。它为城市轨道交通信号系统设备网络化运维提供了全面的数据支持、主动的防御手段，以及一体化的健康管理。

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。

随着中国城市轨道交通的快速发展，超大规模地铁网络带来了更大的机遇和挑战，传统的运维模式已无法适应超规模、超体量的发展趋势。智能运维是当今城市轨道交通行业提升运维效率、确保质量和安全的必由之路，助力中国城市轨道交通安全、高效、优质发展。

摘自《自动化博览》2022年8月刊