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智能通号技术在城市轨道交通中的应用

2019-11-18

作者:钟章队,黄靖茹,李斌,陈姝,李明春(北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室,北京 100044佳讯飞鸿(北京)智能科技研究院有限公司,北京 100044)
       关键词:智能通号,人工智能,大数据,云计算,移动互联网,物联网

引言
  随着ICT技术的蓬勃发展,其研究应用深入每一个领域,而在城市轨道交通通信信号系统中的应用也得到越来越多的重视。城轨通号系统是地铁等交通方式的行车运输的大脑和神经中枢,以通信系统和信号系统两大系统为主,是保证运输的正常进行、提高行车效率,确保行车的安全必要体系。为构建智能化通号系统,解决既有问题,并满足日益增长的需求,为促进其在新时代的转型升级,结合人工智能,大数据,云计算,物联网,移动互联网等新ICT技术是大势所趋,也是构建绿色、智能、安全、可靠、高效的现代化城市轨道交通通信信号系统的重要基础。
   1、发展现状及问题
   1.1发展现状

    得益于智能制造及日益增长的需求,目前我国城市轨道交通发展规模快速扩大(包括地铁、轻轨、单轨、有轨电车、自动导向轨道系统APM(Automated people mover)、磁浮系统、市域快轨等),根据交通运输部《2017年交通运输行业发展统计公报》,截止2017年底,中国大陆包括北京、上海、广州等32座城市开通运营轨道交通线路,共149条线路,总里程高达4484.2公里,车站3040座,日均客流量超过5000万。经合理预测,未来我国开通城轨交通的城市将在2020年达到50+,城轨的运营线路将在2020年达到190条+,在2022年达到230条+,城轨的运营里程在2020年将达到6000公里+,在2022年达到7000公里+,而城轨的车站数量在2020年将达到3800座+,在2022年有望达到4500座+,全国的日均客流在2020年可能达到6500万+,在2022年可能达到7600万+。未来5-10年,我国城市轨道交通将引来迅猛发展。
  目前地铁信号系统的整体架构如下图图1所示,可分为ATP/ATO(Automatic Train Protection/Automatic Train Operation列车自动运行系统)子系统,包括车载ATP/ATO系统及其设备和车站区域控制器ZC(Zone Controller)设备,车站的计算机联锁CI(Computer Interlocking)子系统,与计算机联锁CI系统相连的轨旁设备,车站与控制中心的自动监控子系统ATS(Automatic Train Supervision),维护支持子系统MSS(Maintenance and Support System),DCS(Data Communication System数据通信系统)子系统,及包含时钟系统等的控制中心外围系统。各系统各司其职为地铁信号系统的准确性和稳定性提供保障[1] [2]。

 
图1地铁信号系统架构

    在地铁通号架构的基础之上可构建其业务系统,如下图图2所示。主要分为地铁运营的三大通信系统,即公安通信系统,通过专用通信为日常监控及应急提供通信保障;地铁专用通信系统,满足地铁正常运营所有基本通信需求;民用通信引入系统,为用户提供公网通信运营商的服务接入。除此之外,还有包含控制中心,车站及轨旁一体的运营指挥控制系统,基于有线或无线通信LTE-M(Long Term Evolution-Metro 地铁长期演进系统)系统提供综合监控,时间同步,运营维护,冗余备份及其他通号、工务等专业的保障。最后企业管理信息系统和乘客服务信息系统针对业务信息的后台管理给出了支撑和完善[3] [4]。

 

                                                                           图2基于通信的业务系统
    1.2问题分析
    根据对发展现状的分析,可认为目前地铁通号面临以下的困难和挑战。第一是标准化挑战:地铁车载设备种类多,信号制式复杂多样,通信系统庞杂,各信息系统建设标准不统一,软硬件、操作系统、数据库种类繁多,重复投资问题突出;第二是多样性问题:各线路,各专业,各系统均存在新老技术,新老设备混用衔接问题,从而造成检修运维模式的多样化和差异化,制约了资源的共享和专业联动;第三是开放性挑战:各系统垂直管理情况突出,存在大量信息孤岛,各系统间开放性差,系统间互联互通困难;第四是智能化挑战:数字化、智能化程度低,智能感知水平有限,覆盖范围不全面,制约智能化应用和智能辅助决策[5] [6]。
  面对以上困难和挑战,尽管我国地铁通号系统的设备及技术具有一定优势,随着需求和要求的不断增长,可总结出存在以下不同程度的问题亟待解决。首先应建立统一的设备管理体系标准,统一的设备技术标准和统一的设备评价标准,同时应解决各专业、各系统、各工种联动性不足的问题,设备、人员、环境要素管理信息化能力不足的问题,以及行业应用创新性不足的问题。发展基于IP的宽带无线通信系统,重点解决实现地铁调度业务、列控业务等技术问题,积极开展自主化列控系统技术、全电子安全设备技术、列控联锁一体化技术的研究,提高设备集成度,减少系统接口,降低制造和维护成本, 同时开展新型运维模式的研究,利用大数据、云计算、物联网、人工智能对分散的地铁信号系统运维数据进行集中、关联分析,满足其智能预警和辅助决策需求,设置边缘云可信云系统,针对信号系统车载及地面设备的安全数据进行有效存储和可信传递。为了与原有通信信号系统的设备进行衔接,均以IP网络的方式对各通信信号设备设施进行直接监控,开展轨旁设备的智能无线连接技术研究以及光纤接入技术的研究与应用,建立智能感知网络。
因此,采用新架构和新技术促进地铁通号系统的标准化,智能化,是构建安全高效智能环保及高维护性的现代化地铁智能通号系统的前提,为实现此目标,应先依据相关顶层架构设计要求分析其发展趋势及机遇。
     2、发展机遇及趋势
    国家和行业的顶层设计是科技发展的驱动力。
    在国务院发布的《中国制造2025》,《国家中长期科学与技术发展规划纲要(2006-2020)》,工信部发布的《关于印发智能制造发展规划(2016-2020)的通知》,《国家智能制造标准体系建设指南(2018年版)》(征求意见稿)中都对城市轨道交通做出了重要指示。具体发展趋势和机遇可参考《(国科发资【2017】294号)“先进轨道交通”重点专项(2018)》,提出多个重点,比如进行基于统一数据模型的全寿命周期大数据实时处理技术研究,构建城市轨道交通关键设施设备健康监测和智能诊断系统,采用以预防性维护为主的定期维修机制向基于可靠性的状态维修机制转变,构建基于物联网的城市轨道交通关键设施设备故障预警系统等[7]。
     3、系统研究
     3.1 系统定义

    综合以上发展机遇,可以归纳提出智能通号这一新概念,其定义如下:在保障地铁运输安全的前提下,广泛采用人工智能、大数据、云计算和物联网等先进技术,通过对通号系统数据的全面采集、设备状态的全面感知,经过智能分析处理,以实现人员、设备、环境的协同,从而引领地铁通号工作模式的深刻变革,实现通号装备制造、工程建造、运营维护等智能化,使通号系统具备更全面的感知、更广泛的互联互通、更准确的预警分析,更深入的智能化处理能力,达到绿色、智能、安全、可靠、高效、维护方便的要求,满足智能地铁的发展需要。
     3.2 系统设计目标
    在对地铁智能通号系统整体架构进行设计之初,将从以下目标出发并论证发展智能通号的意义是充分而必要的。第一是为了建立通号大安全,实现通号设备从设计、生产、建设、试验、验收、运营、维护全生命周期安全,通过通号运维全系统集中检测和全过程管控相结合实现全系统、全过程安全,以及实现通号系统的人员、设备、环境全要素管理安全。二是为了构建通号大智慧,实现通号信息智能互动共享,促进智能装备生产制造、建造集成与基于智能运营生产指挥调度和智能集中检测的智能运维管控相互辅助,及时反馈,实现联动一体的生态。三是为了创建通号新业态,实现“通号+”服务,使得移动通信运营、应急通信保障和应急处置等多单位联动服务;实现“共享电务”,共享地铁沿线“固定”基础设施,多种轨道交通方式“共享运维”;实现服务“新面孔”,采用巡检作业或应急处置机器人,智能安防电子锁以及通号生产作业智能运维APP等[8]。
     3.3 系统架构

 

                                                                图3 智能通号总体架构
     智能通号的总体架构如图3所示。总体架构可垂直划分为智能感知网络,宽带与泛在连接网络,云计算平台,大数据平台及智能分析与辅助决策。
  智能感知网络由点到线到面可分为车辆、线路(隧道、高架等)、车站、停车场、车辆基地感知网络,某线路控制中心感知网络,线网控制中心感知网络,实现全覆盖。在各个节点无缝覆盖多种前端传感器,对信号设备设施、通信设备设施及网络实时工作状态进行立体复合感知。感知的业务类型及具体的终端类型如图3中所示,实现多种信息类型结合分析,全面管控和运维。
     作为连接底层的宽带与泛在连接网络,如下图图4所示,目的是为建设高速泛在、宽窄适配、公专结合的融合通信,并为支撑智能通号全面数据感知提供综合高效的传输手段。包括主要连接在智能线网、线路控制中心上部署的融合调度通信平台、大数据平台以及云计算平台的OTN(Optical Transport Network)大容量光传输网,以安全生产网和内部局域网为主;高宽带车地数字通信网LTE-M;由通信运营商提供的4G/5G公网网络资源,以非安全检测信息为主;DCS车地无线网络及地地之间DCS有线网络。多种网络覆盖下实现轨旁窄带物联网,提供车站、车厢、车辆段WiFi,实现轨旁装备状态实时感知。在此基础上对IPV6全面部署、SDN/NFV(Software Defined Network软件定义网络/Network Function Virtualization网络功能虚拟化)等下一代网络技术的采用先行先试。

 
图4 宽带与泛在连接示意图

     智能通号的云计算平台,如下图图5所示,以资源共享、运维一体、安全可信、自主可控为根本准则,为上层大数据平台和应用系统提供统一基础设施服务,推动智能通号运维应用的快速创新。主要包括以物理资源池、虚拟化计算、存储和网络资源层,资源管理层为主的基础设施层,以及提供云主机、云存储、云桌面、容器服务和大数据平台的服务层,以及对用户类型进行统一管控的云管平台和对设备与服务进行统一监控的平台,总体上分而治之,促进电务基础设施的综合运维以及电务安全生产调度指挥中心的全面工作[9]。设立三级云平台架构,进行站段级的数据采集和边缘缓存,路局级的数据汇集和边缘存储,铁总级的数据汇总和结果存储。

 
                         图5 云计算平台参考架构图

     电务大数据平台是为实现通号数据的规范化、集中管理、持续积累以及跨专业数据共享,从而提供大数据智能分析的基础能力集,如下图图6所示。包括业务数据、设备数据以及外部数据为基础的数据采集,进行结构化或非结构化的数据存储,流程化的海量数据清洗,最后通过机器学习和深度学习技术进行智能分析和挖掘,得出相应业务类型的分析模型并进行数据的报表,查询,多维分析等数据可视化操作来促进上次辅助智能决策和业务应用开发。大数据平台是建设智能通号应用创新的源泉。

 
图6 大数据平台参考架构图

     由大数据与云计算平台驱动的智能分析和辅助决策层,通过构建融合调度通信平台,统筹数据、分析和决策三大方面,实现多维可视化,智能管理,移动应用,监控报警和智能报表等应用层业务的开发落地。其特点在于统一采集、统一规范的融合数据处理,形成跨专业数据湖,使用高维度、多特征并具有关联能力和算法主动学习能力的智能分析,促进从全局视角进行过程可预测、结果可视化以及细节全程可追溯的智能决策。
     4、系统典型应用
     4.1 智能融合调度通信系统

    智能通号的典型应用之一为智能融合调度通信系统,系统架构如下图7所示,基于智能通号的整体架构并具体化为:包含各种智能终端设备的感知层,基于IPv4/IPv6的私网LTE-M和公网接入的承载层,基于云计算大数据平台提供多种服务的平台层,针对不同服务进行封装的应用层及最后终端服务呈现层。该系统的主要功能有视频指挥,包括(紧急)单呼、组呼,自动强拆,用户优先级设置等,视频会商,包括召开和建立会议,会议成员音视频控制等,视频调看,包括一键调看,现场视频浏览等,数据协同,包括录音录像及调阅,短信微信等,系统融合,包括IP电话系统互联,车载系统接入,无线集群接入等。


图7 智能融合调度通信系统架构示意图

    基于以上逻辑架构,详细的组网方案如下图8所示。从下至上以车站,车辆基地,车载,线路控制中心和线网控制中心等场景的多种融合调度终端部署为基础,通过专用IP数据网形成大容量、高带宽、全IP、延伸覆盖的数字通信网络,具有多媒体、低时延的综合业务承载能力。总体而言智能融合调度通信系统具有集约弹性、绿色高效、智能敏捷、易集成、易维护、自主可控等特点。


图8 智能融合调度通信系统组网架构示意图

    结合自主研发的私有云平台,以“大、智、移、云、物”,即大数据,人工智能,移动互联网,云计算和物联网五大技术为基础,结合多种融合通信终端,还可实现一系列可落地的智能化实践应用,如下图图9所示。譬如针对工作人员交接班的智能化,设计智能值班管理系统,通过云端语音识别技术,进行便捷准确的语音录入/录音转文字;针对轨旁巡检及施工作业等场景,设计智能施工作业管理,通过云端图像处理技术,使用人脸识别提高安全性,并可远程进行视频专业诊断分析,提高工程质量等[10]。

 
图9 智能化实践架构示意图

    5、结束语
    智能通号系统定义以及架构的提出,充分利用垂直架构优势,集成底层多种技术优势,支撑智能协同、智能运维、智能装备、智能建造等框架,促进智能指挥调度、集中监控安全预警,设备设施全生命周期管理和跨专业、跨行业、跨工种、跨系统联动等智能应用的落地,全面把控智能通号的分析和决策。智能通号系统为城市轨道交通通号系统的发展提供系统性的智能化、现代化解决方案,增强我国城轨通号系统的设备及技术在国际上的领先优势。
     参考文献
     [1] 铁路标准化“十三五”发展规划:国铁科法 [2017] 15号[S] . 北京:中国铁路总公司. 2017
     [2] 中长期铁路网规划 : 发改基础 [2016] 1536号[S] . 北京:国家发展改革委员会. 2016
     [3] 城市轨道交通技术规范 : GB 50490-2009 [S] . 北京:住房与城乡建设部. 2009
     [4] 中低速磁浮交通运行控制技术规范:CJJT 255-2017[S] . 北京:住房与城乡建设部. 2017
     [5] 城市轨道交通工程远程监控系统技术标准:CJJT 278-2017 [S] . 北京:住房与城乡建设部. 2017
     [6] 城市轨道交通信号系统通用技术条件:GB 12758-2004 [S] . 北京:住房与城乡建设部. 2014
     [7] 地铁设计规范:GB 50157-2013 [S] . 北京:中国建筑工业出版社. 2013
     [8] 朱民,冯爱军,邓志高,等.城市轨道交通项目前期风险[J].都市快轨交通,2004,17(6):8-11.
     [9] 朱军, 宋健. 城市轨道交通资源共享探讨[C]// 城市轨道交通首届中青年专家论坛文集.北京: 兵器工业出版社, 2002: 5-53.
    [10] 东南大学交通学院. 南京地铁1号线运营管理维保模式综合评价报告[R] .南京,2003.

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