以信息化助推城市轨道交通快速发展的思考

李中浩 朱东飞 邢智明

(1.中国城市轨道交通协会专家和学术委员会,100038,北京;2.武汉地铁集团有限公司,430017,武汉;3.原铁道部信息技术中心,100844,北京∥第一作者,教授级高级工程师)



以信息化助推城市轨道交通快速发展的思考

李中浩1朱东飞2邢智明3

(1.中国城市轨道交通协会专家和学术委员会,100038,北京;2.武汉地铁集团有限公司,430017,武汉;3.原铁道部信息技术中心,100844,北京∥第一作者,教授级高级工程师)

揭示了我国城市轨道交通运营管理信息化方面存在的问题：总体架构陈旧,应用水平不高,信息孤岛严重,基础设施分散,网络资源浪费,安全管控偏弱,运维体系失衡,标准规范缺失,建管统筹乏力,等等。针对这些问题,提出了我国城市轨道交通信息化建设的指导原则和总体目标,城市轨道交通信息系统的总体构架,以及解决问题的思路、对策和建议。

城市轨道交通; 运营管理; 信息化建设; 对策

First-author′s address Expert and Academic Committee of China Urban Transportation Association,100038,Beijing,China

0 概述

城市轨道交通以其速度快、运量大、安全好、正点率高、服务优、污染少等优势得以迅猛发展。自1863 年英国伦敦建成世界上第一条地铁以来,全球已有 200多个城市开通了地铁线路,线路总长度超过 1.3 万km。截至2016年末,我国30个城市建成投运的城市轨道交通线路有130多条,运营线路长度超过4 100 km。据我国已获批准的43个城市的轨道交通建设规划,其线路长度将超过8 600 km。随着我国国民经济的发展,以及城镇化战略的实施,城市轨道交通建设如火如荼的态势还将持续发展,城市轨道交通将以其无可比拟的优势,在城市公共交通中发挥越来越大的作用。

目前,我国开通运营的城市轨道交通制式有地铁、轻轨、单轨、有轨电车、磁浮以及市域快轨等。城市轨道交通是一个庞大的系统工程,在设计、施工、运营,以及行车安全、客运服务、通信信号、工务、供电、车辆设备、防灾应急和企业管理等方面均有很高的技术含量。多年来,我国城市轨道交通行业的科技人员紧紧跟踪世界轨道交通技术和信息化的发展方向,在工程质量、行车安全、服务水平等方面大力推进技术创新和信息化建设,为城市轨道交通的建设、安全运营和服务做出了不可磨灭的突出贡献。

与此同时,也应清醒地认识到,由于我国城市轨道交通行业受投融资体制、“建管运”体制以及信息化水平等因素的制约和影响,在城市轨道交通运营管理方面存在服务手段落后、运输效率不高、企业管理粗放等现象，在信息化建设方面存在总体架构陈旧、应用水平不高、信息孤岛严重、基础设施分散、网络资源浪费、安全管控偏弱、运维体系失衡、标准规范缺失、建管统筹乏力等弊端。在互联网和信息技术快速发展的今天,信息化已成为业务发展的重要基石。因此,应顺应时代发展和技术进步的现状,深入研讨城市轨道交通信息化建设中的问题,兴利除弊;并实施“互联网+”战略,以信息化带动城市轨道交通智能化,以城市轨道交通智能化促进信息化,强力推进“两化”(信息化和工业化)深度融合,为城市轨道交通行业的可持续、快速发展提供强有力的信息技术支撑。

1 科学合理地制定城市轨道交通信息化建设指导原则和总体目标

城市轨道交通信息化建设要实现城市轨道交通制式和城市轨道交通业务两个全覆盖。根据城市轨道交通专业和信息化的特点,针对当前信息化建设中存在的弊端,提出了9个指导原则:创新，提升，集中，整合，共享，强化，完善，健全，加强。具体是指:创新总体架构,提升应用水平,共享信息资源,集中基础设施,整合通信网络,强化安全管控,完善运维体系,健全标准规范,加强“建管”统筹。

顺应当前城市轨道交通快速发展的形势,审时度势,科学合理地制定城市轨道交通信息化的总体目标:适应我国城市轨道交通快速发展和“智慧城市、智慧地铁建设”的总体要求,在城市轨道交通行业广泛采用物联网、云计算、大数据、互联网(移动互联网)、地理信息(北斗卫星)等信息技术,实施业务驱动和创新驱动策略,推进信息技术与城市轨道交通业务深度融合,为实现乘客便捷出行、运输效率提高、服务质量改善、运营安全可控、企业高效运营提供强有力的信息技术支撑,进而实现城市轨道交通的现代化和智能化。

2 以创新的思维编制城市轨道交通信息化总体架构

按照“统筹规划、业务引领、技术支撑”的策略,结合城市轨道交通建设、运营和发展的趋势,制定了城市轨道交通信息化的“13531”总体应用功能架构(见图1):打造1个门户,即智慧地铁的门户网站;构建3个中心,即生产(应急)指挥中心、乘客服务中心和企业管理中心;拓展5大领域,即乘客服务、运输指挥、安全保障、企业管理和建设管理;依托3张网络,即安全生产网、内部服务网和外部服务网;搭建1个平台,即由云计算、大数据等组成的基础设施平台。

在城市轨道交通信息化总体应用功能的基础上,设计出了城市轨道交通信息化总体架构，如图2所示：信息化总体架构由“6个层面”和“2大体系”构成。以感知网、车载网、车地通信网,以及地面网络、数据采集平台、云计算平台、大数据平台和存储资源池等为基础,围绕乘客服务、运输指挥、安全管控、企业管理和建设管理5大业务领域,建设生产指挥中心、乘客服务中心、企业管理中心和城市轨道交通的门户网站。“2大体系”作为需要执行的行业标准规范和信息安全工作要求,贯穿于城市轨道交通信息化的建设、运营、管理、维护、服务等各阶段。

图1 城市轨道交通信息化总体应用功能架构图

注：RFID——射频识别图2 城市轨道交通信息化总体架构

3 满足城市轨道交通智能化需要,提升应用系统的整体水平

在完善既有信息系统功能的基础上,利用大数据技术和人工智能,研发具有大数据时代特色的应用功能,以提升城市轨道交通行业的信息化水平。

按照“业务引领、完善功能、创新发展”的理念,对城市轨道交通信息化建设中的诸多应用系统进行规范建设和统筹管理,将过去各专业独立设计、独立开发的应用系统根据城市轨道交通的业务进行分类管理,整合归纳为乘客服务、运输指挥、安全管控、企业管理和建设管理5大应用领域(如表1所示)。

表1 城市轨道交通既有信息系统分类归纳表

在乘客服务方面:完善售检票系统功能,研发网络售检票系统;创新票制体系,探索年、季、月、周,以及老年、学生等票种;推行智能手机支付,直接刷手机进出站;推进信用消费,基于乘客的真实身份,实现先消费(乘车)后结算;采用生物识别和行为识别技术,如刷声音、刷脸、刷指纹、刷手形、刷脉搏、刷虹膜等,提供更便捷的乘车服务;完善自动售检票系统;建立乘客服务中心，统筹有关乘客服务信息、资讯等的发布。

在运输组织方面:完善优化运行图编制功能,研发智能运行图编制系统;适应网络化运营的模式,利用客流监测信息实时(智能)调整列车运行图,实现运能利用最大化;完善行调、电调、施工调和环设调的应用功能;实现ATC、CBTC模式下列车运行信息和乘客服务系统的信息共享;建立调度指挥和应急处置合一的线网综合指挥中心;探索列车全自动运行、车站无人值守或少人化值守及全天候24 h运营模式,以信息化和智能化提高城市轨道交通的运营效率和效益。

在安全管控方面:进一步提高闭路电视监控系统、综合监控系统和线网应急指挥系统的智能化水平,确保日常运营和突发情况下乘客安全;为行车安全提供信息技术支撑;强化工务(线、桥、隧)、电务(通信、信号)、车辆、供电、设备等专业系统的安全;建立网络安全框架,健全网络安全的技术、管理和运维3个体系。

在企业管理方面:完善优化清分系统功能;提升办公自动化系统的技术和应用水平;实现人、财、物一体化管理和设备设施全生命周期管理,实现资源优化配置;推荐实施ERP(企业资源计划)系统;建立企业管理中心。

在建设管理方面:对工程立项、设计、施工、验收、评估和运营进行全生命周期管理；研发基于 BIM(建筑信息模型)的建设项目管理系统和基于GIS(地理信息系统)的管理信息系统；强化工程质量安全监控、现场管理和风险管理,加强工程建设调度指挥和应急管理提供技术手段。

另外，从立法模式上讲，“我国关于偷税罪的规定实际上采取的是一种混合式立法模式，即在税法如《税收征管法》里规定涉及偷税罪的有关行为和表现，但真正明确罪刑关系是在刑法典中。因此，我国偷税罪立法的改革完善还要取决于立法模式的改变。从世界发展趋势来看，随着各国经济的发展、税制得复杂化、税种的不断增加，把税收犯罪规定于各种税收管理法规之下是一种理想选择。”或许，该选择是目前一些经济文化发达国家税法发展的主要方向，但是对于我国现今经济文化与水平来说，或许不是最佳选择，我国仍需如当年一样“摸着石头过河”来探索最适合国情的立法方向。

信息系统的部署是信息安全的基础,在搭建应用架构时,应同步考虑信息安全。遵照国家信息安全等级保护条例的要求,综合分析应用系统和数据重要性、实时性等因素,将应用系统分别部署在安全生产网、内部服务网和外部服务网,如图3所示。

图3 城市轨道交通应用信息系统部署图

4 利用大数据技术,实现信息资源共享

信息是企业信息化的灵魂。信息共享是提高信息资源利用率、充分发挥其效益的重要手段。信息共享的基础是信息标准化和规范化。信息效益的取得依赖信息系统的技术发展,必须严格在信息安全和保密的条件下实现。大数据潜在价值的挖掘和利用,是当前世界发展的强劲动力。为此，要统筹各专业信息系统,以支撑城市轨道交通运营现实和发展的新需求;要深入分析既有应用系统和新需求的共享数据,制定基础数据、主数据和元数据规范,建立以大数据技术为支撑的信息共享平台,使各信息系统既是共享信息的贡献者,又是共享信息的受益者,最大限度地实现信息共享,为城市轨道交通的智能化提供信息支撑。图4为各应用系统的信息共享示意图。

注：DBMS——数据库管理系统；ETL——数据从来源端 经过抽取、转换、加载至目的端的过程

5 实施集中统一策略,优化基础设施配置

目前,线网合一的调度指挥中心,将城市轨道交通的管理和控制模式调整为“三层运管”(指挥中心、线路控制中心和车站)、“两层运控”(指挥中心和车站),既节省了建设投资和运营成本,又提高了运营效率和综合调度(应急)指挥能力,得到了业界的广泛认可和好评。这一模式必将成为今后城市轨道交通运控模式的主流。信息化建设要顺应这一创新性变革,应在以下几个主要方面做好技术支撑。

(1) 计算平台的集中和优化。将三级设备部署变为二级部署,撤销(必要时或大量减少)线路运控中心级的计算设备,将线路运控中心和线网调度中心的设备集中在线网调度中心,实现设备高性能、集中化管理;采用云计算和云存储技术,整合既有资源,将多级服务器的模式简化为云、端二级模式,建成技术先进、结构合理的业务云平台和数据存储平台,实现计算与存储等资源的统一管理、弹性扩展、按需调配,确保核心业务应用系统的安全性、可靠性和连续性,提高线网调度中心的处理能力和前沿技术的水平。图5为线网中心云平台示意图。

(2) 网络资源的集中和整合。对网络的拓扑结构进行优化,将线网中心、线路中心和车站这三层网络汇聚,集中为线网中心和车站的二级网络汇聚(如图6所示)。

(3) 大屏幕显示设备的集中和共用。大屏幕显示设备历来是各类指挥中心之“痛”,用之低效,弃之可惜。要按照“集中部署、线网共用、系统共享、动态分屏、按需使用”的原则,在指挥中心合理控制大屏幕的数量,采用动态分屏等技术,供线、网及各专业按需使用,努力实现降低造价、提高效率及节能环保的要求。

注：OCC——运营控制中心图5 线网中心云平台示意图

图6 线网中心、车站两级网络汇聚图

6 强化网络安全,确保信息安全有序可控

我国信息网络安全的策略是:按单位、信息系统承载业务、信息内容、系统遭到攻击破坏后造成的危害程度等安全需求以及安全成本等因素,设定其保护等级,并自主进行信息系统安全建设和安全管理,以提高安全保护的科学性、整体性和实用性。

按照国家相关规定,综合分析城市轨道交通行业的现状,将网络分为安全生产网、内部服务网和外部服务网。图7为“三网”的网络拓扑结构图。

在安全生产网、内部服务网、外部服务网三张网络上,实施可信安全技术和统一的安全策略。“三网”的边界根据需要采用逻辑隔离、物理隔离、数据交换等手段,构建不同强度的隔离系统,从外层到内层对内部生产系统形成三道隔离保护,如图8所示。

图7 “三网”网络拓扑结构图

图8 “三网”安全隔离示意图

根据系统总体环境、业务的复杂程度和所面临的威胁,构建纵深网络安全防御架构。采用层次化的安全保护策略,实施基础设施安全、应用与数据安全、访问控制与认证授权等多重保护,并建设集中安全监控平台,形成系统的纵深安全防御体系,如图9所示。各层次的保护策略如下：

图9 网络安全纵深防御架构示意图

(1) 实施基础设施安全防护策略。① 区域边界安全:在三张网外部边界及内部边界实施安全防护,提高抗DoS/DDoS(拒绝服务/分布式拒绝服务)能力,域内通过VLAN(虚拟局域网)进行隔离和控制。② 计算环境安全:采用硬件与智能软件相结合的方式,保证系统的高可用性。③ 网络与传输安全:实施基于角色的传输控制,并根据业务应用需求采取加密技术,实现业务数据保密性管理。

(2) 实施应用与数据安全策略。按照国家信息安全等级保护的要求,对应用系统进行定级,并根据业务重要程度划分应用安全保护域,对安全保护域进行统一防护;实施业务数据安全分级保护策略,在基础设施安全防护的前提下,建立事前防御、事中控制、事后审计及三权分立体系,对数据收集、传输、处理、存储全过程进行安全监测,并建立数据容灾备份机制。

(3) 实施访问控制与认证授权策略。实施基于数字证书对用户身份认证授权和集中管理,实施基于数字签名的应用访问、业务操作、数据交换等抗抵赖管理,实施基于标记的三级及以上系统的主客体强制访问控制机制,实施基于准入控制的终端与网络介入安全管理。

(4) 建立网络集中安全监控平台。对基础设施集中安全监控,对安全策略集中部署,对安全事件集中管理,对网络运行状态持续实时监控,对监控信息综合审计与关联分析。

7 完善运行维护体系,确保城市轨道交通信息系统安全运行

坚持信息化建设与运行维护同步建设、同步推进的原则,以保障信息化基础设施、重要应用系统和关键控制系统安全稳定运行为目标,建立集城市轨道交通各专业监控、网络安全监控、运行维护监控和机房环境监测为一体的新型综合监控平台,实现全方位监控、全过程服务、全视角展示,提高全程全网可视化安全态势感知能力,快速发现安全问题,及时开展预警处置。建立安全和故障事件应急处置机制,制定应急预案,确保快速响应、及时恢复。大力加强运维技术队伍建设,培养一支既熟知轨道交通业务又精通信息技术的复合型高素质人才队伍。建立测评工作机制,提高安全漏洞和隐患的发现、分析、防范和处置能力。全面提高重要应用系统、控制系统和基础设施的安全防护水平,确保城市轨道交通信息系统持续安全运行。

8 健全标准规范,确保信息化建设有序开展

目前,城市轨道交通信息化以各种制式、各专业自行建设模式为主,随着城市轨道交通快速发展及信息技术日新月异,这种模式显然不适应行车组织互联互通、客流疏导线网协调、运营信息共享共用、大数据潜能深度挖掘的大趋势要求,这使建立城市轨道交通总调度指挥中心,集中统一指挥全市轨道交通的模式成为可能。因此,要在当前以线、以专业为主体进行信息化建设的基础上,超前思维,创新思维,研究健全线网中心运控、调度指挥,以及全行业信息化架构、网络安全等标准规范,进行城市轨道交通信息化建设的顶层设计,使信息化建设有章可依、有规可循。

城市轨道交通发展形势喜人,信息技术发展的态势逼人,工业化和信息化深度融合的要求令人奋进。要紧紧抓住城市轨道交通千载难逢的发展机遇,创新信息化建设理念,扎实推进信息化建设,助推城市轨道交通快速健康发展。

[1] 李中浩,邢智明.中国铁路TMIS 工程[M].北京:中国铁道出版社,2005.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.地铁设计规范:GB 50157—2013[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[3] 陈海滢,郭佳肃.大数据应用启示录[M].北京:中国机械工业出版社,2017.

[4] 中华人民共和国公安部.计算机信息系统安全保护等级划分准则:GB 17859—1999[S].1999.

Boosting the Rapid Development of Urban Rail Transit by Information Construction

LI Zhonghao,ZHU Dongfei,XING Zhiming

The existing problems in urban rail transit operation management and information-based technology are pointed out, such as the obsolete overall architecture, low application level, serious information Silo, decentralized infrastructure, network resource waste, weak management and control, uneven operation and maintenance system, deficient standard specification and construction-management integration, etc. On this basis, the guiding principle, general goal, overall structure in urban rail transit information construction of China are proposed, corresponding solutions and countermeasures are discussed.

urban rail transit; operation management; information construction; countermeasure

F 530.7

10.16037/j.1007-869x.2017.05.001

2017-04-05)