北京和利时系统工程有限公司王仁哲，武翔宇

1　目标和概述

截至2022年底，中国内陆城市中的大型机场已开通或规划旅客捷运系统的线路共16条。当前，我国枢纽机场陆续实施改扩建工程，干线铁路、城际铁路和轨道交通也在加快建设，为枢纽机场立体化全方位综合交通体系创造了机遇和条件。机场旅客捷运系统涉及专业众多，需监控维护的设备种类复杂、数量繁多，且随着机场客流的增加还会带来运维检修的压力。现阶段机场旅客捷运系统方案还是以各类弱电、机电系统独立建设、接口互联的方式实施，导致信息碎片化现象严重、数据一致性差、数据类型单一，无法支撑有效的数据分析手段，各专业信息形成孤岛，共享困难，信息滞后，实时性和追踪性差。除机场旅客捷运系统外，近些年在国内建设及运营里程逐年上升的其他轨道交通系统（如有轨电车、单轨、轻轨、地铁等）同样面临上述问题和挑战。

本解决方案的主要目标是采用边缘计算与云边协同技术，满足机场旅客捷运系统中多个专业，如信号（ATS）、综合监控（ISCS）、环境与设备监控（BAS）、电力监控（PSCADA）、通信（TX）、站台门（PSD）、车辆、机电等的生产调度和智能运维，进而实现资源利用合理化、项目收益最大化，打造智慧、绿色、安全、舒适的行业亮点工程，同时推进旅客捷运系统和轨道交通行业的高质量、可持续发展。

2　方案介绍

该解决方案整体采用基于云平台的架构部署方式，以统一平台化建设、轻量化应用、节省资源为目的，核心围绕“云、边、端”三个层次，利用人工智能、云计算、大数据、BIM、工业互联网等智能化技术，构建全息感知、泛在连接、云边协同、开放式、易扩展的综合管控平台。云端在云基础设施资源（IaaS层）的基础上部署智能城轨综合业务平台TOS，打造通用PaaS、城轨PaaS和大数据平台，支撑城轨智能应用高效实现。边端部署边缘智能控制器（EIC，Edge Intelligence Controller），实现站点现场级边缘侧被控设备和运维设备的接入，为上层应用系统提供数据支持。

该解决方案总体系统架构图如图1所示。

图1 总体系统架构图

云端基于工业互联网的智能城轨综合业务平台TOS构建，平台计算资源集中、规模庞大，具备高可用性和高扩展性的特点，能以虚拟化的方式共享资源。云端采用分布式部署架构，能提供各专业应用软件所需的容器和微服务运行环境、软件运行所需的通用功能服务机、共享数据服务等。智能城轨综合业务平台TOS逻辑架构图如图2所示。

图2 智能城轨综合业务平台TOS逻辑架构图

边端基于EIC构建，EIC是和利时自主研发的边缘计算平台产品，该产品是以紧凑的工业尺寸，融合工业实时控制、边缘计算、边云协同、物联网络、信息安全等核心能力的边缘智能控制设备。依托虚拟化技术，可将边缘智能控制器划分为工业控制、边缘计算等不同业务系统，灵活划分各业务系统的硬件资源、外设，使得各系统安全隔离、灵活扩展。其集成成熟的工业控制、边缘计算、协议转换等行业应用，与中心云平台深度融合，实现云边协同。边缘智能控制器的实物图及逻辑架构图如图3、图4所示。

图3 边缘智能控制器实物图

图4 边缘智能控制器逻辑架构图

EIC主要有以下功能：

（1）现场监控：具备大型PLC功能，支持双机架冗余，系统单站最大容量支持100000物理点，系统最小控制周期10ms，具备智能网关功能，支持多种主流总线协议。

（2）智能控制：具备边缘计算能力，可承载行业工艺算法、专家系统等，实现智能控制与传统逻辑控制的融合，适用于故障诊断、预测分析、节能优化等多种复杂场景。

（3）物联网关：具备跨专业跨类型的现场数据汇聚能力，支持多种有线、无线接入及TSN时序控制网络，可满足各类协议转换及设备互操作，并实现数据融合与共享。

（4）智慧赋能：具备算力计算资源并支持扩展，提供可靠的智能算法运行环境，适用于视频、图像、语音等场景，为整个工业现场提供基于人工智能的辅助决策。

EIC在该解决方案中被部署于边端，结合整体项目需求，其主要实现以下应用功能：

（1）环境与设备监控功能：利用EIC的大型PLC功能实现对现场所有机电设备的自动化监控和管理，包括各种单点控制、顺序控制、模式控制及与其他系统的联动控制。

（2）前端处理器（FEP）功能：利用EIC的边缘计算能力实现前端处理器功能，在站点边端接入各类与生产调度相关的互联集成子系统，进行数据格式、协议的转换，减轻云端服务器与网络传输的压力，并有效地将智能城轨综合业务平台与互联集成子系统的数据进行隔离。

（3）机电智能运维功能：利用EIC的边缘计算和数据采集能力，通过数据挖掘分析，部署智能诊断算法实现重点设备的健康状况评估和全寿命周期管理。

（4）车辆智能运维功能：利用EIC的边缘计算能力，完成所在列车数据的收集和转发，为车载运维软件提供计算平台。车站运维软件可实现对列车各类设备数据的清洗、存储、分析、治理，并将计算结果传送至智能运维平台。

该解决方案EIC在边端的系统架构及数据流向图如图5所示。

3　代表性及推广价值

该方案是完全落地的边缘计算与云边协同的典型场景案例，除机场旅客捷运系统外，同样适用于其他交通业务场景（如轨道交通、公路、机场等）。整体技术成果处于国内外领先地位，同时充分考虑交通行业设备监控及运维的实际需求，方案具备良好的可复制性和扩展性，能满足交通行业对设备监控及运维的高标准要求。该方案采用一套软硬件系统即可实现对整个自动化业务的多维度管理，实现了智能监控和智能运维的统一结合。

该方案在先进技术上有以下代表性：

（1）实时控制：基于EIC的边缘控制平台，设计多核CPU+FPGA+GPU混合异构架构，支撑逻辑控制、过程控制、运动控制等实时任务处理，控制任务调度周期最小10ms，系统单站容量最大100000物理点，支持双机架冗余，自研组态软件，遵循IEC61131-3标准，支持多种语言编程。

（2）边缘计算：基于EIC的边缘控制平台，采用高性能处理器及灵活的模块化设计，实现算力、网络、存储资源的扩展，提高了边端的响应速度，降低了对云端资源的需求，并能将实时控制和边缘计算有机结合，简化了系统硬件架构，降低了设备和工程部署成本。

（3）智能运维：基于EIC整合的多维度大数据和所提供的算力资源，部署人工智能算法，实现被控设备的在线故障诊断报警、健康监测、故障趋势预测、维修预测、故障原因分析等功能，提升了运维智能化水平。

（4）云边协同：基于云端TOS与边端EIC架构，通过提供容器化的部署平台，云端TOS进行大数据分析和机器学习建立模型，边端EIC根据模型实时计算和控制输出，并能持续优化更新模型，实现应用业务的全过程协同同步。

该方案已应用于重庆机场T3航站楼机场旅客捷运系统，在该线路上其采用TOS+EIC的云边结合方案，实现集成互联子系统接入、机电设备实时监控、机电设备故障诊断、车辆运维故障诊断等功能。该方案带来的价值成效如下：

（1）降低工程造价：上层TOS云平台实现软硬件资源共享，使得一体化软硬件资源利用率高；现场层EIC的实时监控和边缘计算功能，实现了传统PLC、前端处理器、工控机三类设备功能，减少了重复性工程投资。

（2）保障运营安全：工业级产品及完善的冗余设计机制，保证了各层级系统稳定运行；边缘计算能力提供了设备实时故障诊断预测功能，将事后故障处置转变为事前预警处置，提前预知潜在隐患，提升了安全运营能力。

（3）提升运维效率：云边端各层级自下而上整合原孤立系统，实现了全专业系统的统一终端运维，并为运维工作提供了实时数据支撑、辅助决策建议、故障处置建议等，提升了运维人员办公效率。

（4）降低运维成本：大数据平台针对运维数据的积累和机理模型的深入研究，将传统的计划修、故障修运维模式转变为状态修，达到了最合理的维检修周期，避免了过度修、欠修带来的经济损失，减少了运维人员投入。

摘自《自动化博览》2024年第二期暨《边缘计算2024专辑》