1 目標和概述

截止2019年，上海地鐵運營線路共16條，共設車站415座（含磁浮線2座），運營里程共705千米（含磁浮線29千米）。目前上海地鐵日均客運量1065萬人次，軌道交通已成為上海市民出行的首選交通工具。

隨著城市軌道交通線路建設的快速發展，傳統機電專業系統建設模式的不足越來越顯現，無法應對地鐵經營成本效率方面的挑戰。

根據上海軌道交通機電設備業務管理和網絡化運營管理需求，需要開展全新一代的、面向整個軌道交通機電設備管理的綜合業務平臺研究。上海上實龍創智能科技股份有限公司（以下簡稱：上實龍創）基于物聯網技術，結合阿里云平臺架構體系，通過軌道交通行業應用平臺軟件的定制開發，形成軌道交通綜合業務一體化管理系統。

2 解決方案介紹

上海地鐵18號線是條新建線路，也是建設兩站一中心的物聯網云平臺應用與試點項目。兩站即在線路中選擇兩個車站，一中心即控制中心。通過構建一個基于邊緣計算物聯網云技術的軌道交通智慧運控平臺體系， 實現軟硬件、應用/數據庫、系統/算法以及業務開發/系統開發解耦，降低運維成本，提高管理效率。

2.1 系統架構

基于邊緣計算物聯網云平臺的軌道交通綜合業務管理系統分為三層，如圖1所示。

圖1 系統架構圖

（1）綜合應用層（SaaS層）

該層為原來ISV伙伴提供專業用程序，以目前先進的微服務和分布式的方式開發，在平臺能力層上運行， 打通“煙囪”式布局結構，更注重功能本身，按需分配，提高通用度和可維護性。

例如根據現有的業務需求開發的軌道交通綜合業務管理系統，不僅包含傳統綜合監控的設備展示和簡單控制功能，還結合報警、工單、數據分析等完成高效管理，從而降低運營管理人員投入，提升運營管理效率。

（2）物聯網云平臺層（PaaS層）

該層主要的工作是對上的應用模塊提供部署、運行、發布的基盤。配合邊緣側配置應用進行邊緣側網管的配置管理、數據點位模型的管理，以及配置運行的計劃任務和策略。系統中的核心節點數據收集上傳和下發都需要在此層進行連接和調配。它可實現統一化運營管理、一元化人員管理、設備管理、組織結構管理、人員權限管理、職權管理、基礎數據的管理。一體實現UI界面統一，登錄登出管控，數據接口管控等一系列的通用功能服務。對上對下實現一體支撐、一體管理的能力。可利用成熟的阿里云物聯網云平臺體系，包括  應用托管（AH）、邊緣協同（LE）、物模型轉換（LH）、物聯網連接套件（LK），以及數據庫管理（DBM）和統計報表（RPT）等能力模塊，將邊緣計算層匯聚的數據進行云端處理，轉發并形成數據模型和服務模型，供上層應用調用。同時搭建軌交行業能力平臺層，為上層應用搭建提供數據和開發工具。

（3）邊緣組件層

用于對下被監管設備的連接、監視、控制等工作。主要配合上位應用一體聯動，并提供數據支撐和自動化任務的處理等功能。

可通過邊緣服務器的協議轉換、規則引擎、AI等能力，完成各系統、設備的接入和管理，數據清洗、數據聯動和AI賦能等。同時在未來項目中部署簡單站級工控軟件，可實現云平臺斷線后降級運行的簡單操作與控制。

2.2 上海地鐵智慧運控平臺系統組成及功能

上海地鐵智慧運控平臺系統由1個能力平臺、7個子系統、17個應用場景和一個邊緣體系組成。如圖2所示。

圖2 上海地鐵智慧運控平臺系統

2.3 上海地鐵智慧運控平臺系統軟件界面設計（如圖3所示）

圖3 上海地鐵智慧運控平臺系統軟件界面設計

2.4 硬件部署

系統部署的硬件平臺主要包括分布式中心服務器、邊緣服務器（即站點服務器），通過網關接入互聯網互通，硬件架構如圖4所示：

圖4 硬件架構

其中，中心服務器和站點服務器分別部署各自系統，相對獨立，互不影響；配置信息的數據在中心服務器和站點服務器間雙向同步；中心服務器如果出現問題，可以使用站點服務器提供服務。

2.5 網絡架構（如圖5所示）

圖5 網絡架構

2.6　數據通訊 

通過能力平臺+邊緣計算+物聯網平臺模式實現全 域數據采集。如圖6所示。

圖6 數據通訊

2.7 系統安全措施

提供多重防護保障設備和云端安全。

（1）設備認證

提供一機一密的設備認證機制，降低設備被攻破的安全風險；

（2）安全傳輸

提供TLS標準的數據傳輸通道，保證數據的機密性和完整性；

（3）權限管控

嚴格控制設備和用戶的權限范圍，任何操作都需要鑒權，防止越權訪問的情況；

（4）數據隔離

實例間數據完全隔離，不會存在跨實例越權訪問的問題。

2.8 上實龍創邊緣網關產品特點

上實龍創邊緣網關是一款功能強大的協議轉換網關系列產品，用戶可以根據現場設備的通信協議進行配置，轉成標準的BACnetIP、BACnetMSTP、Modbus、KNX等工業和樓宇自控協議。目前已經對接幾十種行業標準協議和非標準私有協議，包括西門子物聯網平臺MindSphere對接，支持阿里云邊緣計算，華為云邊緣計算對接。上實龍創邊緣網關上行支持Wi-Fi、4G、網口方式接入互聯網，多網同時在線；下行預留可選多種無線通信，ZigBee、LoRa、藍牙等。

龍創邊緣網關軟件具備以下特性：

（1）支持跨平臺運行，可在X86架構Linux、Windows系統下運行，同時也支持ARM嵌入式平臺;

（2）支持與龍創設備集成，方便實現數據規則； 預警、工業App、微信公眾號、小程序交互能力，通過授權用戶可以隨時查看設備狀態；

（3）可快速與各大物聯網平臺（阿里云、華為云、西門子MindSphere）對接；

（4）具備豐富的云端設備協議庫，可根據業務需求進行同步；

（5）開發人員可以使用JavaScript構建組件庫， 根據設備協議自行處理協議邏輯；

（6）輸入和輸出層通信協議默認支持TCP、upd、Modbus TCP、Modbus RTU、SOAP server、WebSocket、MQTT、HTTP、serial（串口通信）；

（7）數據存儲支持實序數據庫、內存數據庫、MYSQL、SQL SERVER、NOSQL連接，可根據數據特性自由選擇；

（8）可快速創建API服務，而無需重啟服務程序；

（9）默認自帶數據可視化工具，可以將采集的數據以圖表或表格等方式展現出來；

（10）軟硬件解耦，支持容器部署，異構集成。

3 代表性及推廣價值

本解決方案的系統建設通過能力平臺支撐“智慧車站”場景，在確保運營安全和保障乘客出行體驗的前提下，降低站務人員的工作強度，減少現場人員的數量；通過對現場設備工作狀態的采集，優化作業安排，降低人力和設備維修成本；工作人員憑借系統對設備數據采集和分析，采取預防性維護等措施，減少設備故障的風險；借助大數據分析、暖通設備能耗和環境等指標，優化控制相關設備的運行策略，實現節能減排。

解決方案的應用和推廣有助于重構長期以來形成的軌交行業機電系統技術架構和體系，利用云和物聯網技術構建開放的綜合管理一體化平臺，有效打破行業技術壁壘，形成競爭的市場格局，有助于降低軌交企業設備采購的成本，保障線路和車輛的安全無故障運行。

摘自《自動化博覽》2021年2月刊