城轨交通弱电一体化及在跨座式单轨交通的应用探讨

■ 陈国芳 卓开阔

0 引言

轨道交通弱电系统主要为轨道交通提供行车控制、乘客服务、运输调度、运营管理以及安全保障等，主要包括：信号系统、通信专业子系统、AFC、FAS、BAS等。随着现代工业系统集成和信息化技术高速发展，轨道交通传统分立的各专业子系统开始转向发展以统一信息平台为基础实现综合自动化数据共享和业务联动一体化系统，并开始通过人工智能与大数据等技术向乘客提供个性化服务和体验。轨道交通领域倡导：采用新兴技术，建立敏捷安全的IT基础设施与服务交付模型；提升用户体验，优化公共交通运营和管理组织；通过技术创新，创造业务价值。因此，对于未来城市轨道交通（简称城轨交通）重要形式之一的跨座式单轨交通（简称单轨交通），如何依托中国城市轨道交通协会发展总体指导原则，设计符合单轨交通中低运量运营特点的单轨交通弱电一体化系统，包括信息化集成技术、现场设备创新集成，网络综合承载等，是一项非常重要的研究课题。

1 城轨交通弱电系统集成技术和现状

1.1 集成技术

目前，城轨交通系统建设模式、系统架构都是以现代工业系统集成技术为指导总原则。现代工业系统集成发展方向主要是将信息、网络、软件与基础设施有机融合在一起，通过系统信息共享、数据共享和业务联动实现行业业务需求，其中工业信息系统集成技术成为关键环节。

现代工业信息系统集成的核心是通过硬件接口的标准化、通信协议标准化，适配众多厂家现场设备；通过构建开放的系统集成平台，用信息化技术满足用户自动化、智能化的需求[1]。2010年1月，国家标准化管理委员会发布《工业企业信息化集成系统规范》，规范定义了工业企业信息化集成系统“是基于计算机环境和技术，将工业企业生产自动化系统、生产管理系统与经营决策系统综合集成，提高企业经营效率，促进企业战略目标实现的大系统”。当前工业领域系统集成方式分为横向集成、纵向集成和端对端集成。

城轨交通系统集成主要在纵向集成，将专用网络环境里的各信息集成，实现运营环境内所有数据共享和无缝连接。城轨交通信息化集成系统典型架构由3层组成：第1层为线路行车指挥调度系统，第2层为区域线网调度指挥系统，第3层为城轨交通运营指挥系统。单轨交通信息化、智能化两化融合的架构方案也是基于以上3个层次结构展开研究的。

1.2 发展现状

截至2017年上半年，我国31个城市建成投入运营的城轨交通运营里程4 400 km；已批准53个城市的轨道交通建设规划，在建里程约5 770 km，到2020年总里程将达8 600 km[2]。目前，城轨交通运营管理方面，服务形式与用户需求远远不能匹配，运输效率受弱电系统建设限制；在信息化系统建设方面，总体技术架构陈旧，各专业子系统都是竖井式、独立应用架构建设，线路运营信息孤岛严重；在基础设备建设方面，各系统都申请独立的资源投资，冗余资源不能跟其他专业系统共享，系统升级扩容难等[3]。传统轨道交通集成系统“竖井式”应用架构见图1。

1.3 单轨交通和地铁、轻轨比较

单轨交通相较地铁、轻轨，在建设成本、建设周期、运行速度以及运能等方面都有其自身特点（见表1）[4-6]。

2 单轨交通弱电一体化系统方案

2.1 系统架构

单轨交通弱电一体化系统设计原则致力于打造数字化轨道交通，在技术条件上满足国家标准、行业标准规范，设计符合单轨交通建设特点的行车调度和运营管理智控系统，实现基础设施建设的标准化、系统接口标准化和系统间的互联互通。系统架构设计全面综合考虑到的业务范围，逐步从通号一体化到弱电一体化系统集成实施，实现创新性综合监控层；进而实现单轨交通信息化大MES生产运营平台，为单轨交通提供智能化的行车指挥调度和运营管理，为乘客提供多元化、定制化的出行体验。

图1 传统轨道交通集成系统“竖井式”应用架构

表1 单轨交通与地铁、轻轨的指标对比

单轨交通弱电一体化除专业系统现场设备层，系统分为4层架构体系，分别为数据采集层、基础设施层、管理服务平台层以及应用服务层（见图2）。数据采集层主要负责从现场设备采集设备状态，通过智能组件转换为标准化通用通信总线模型给上层进行数据处理；基础设施层主要是对基础的计算、存储、网络等资源进行统一管理，根据各业务系统需求进行资源统一分配，能够实现资源的有效利用、线路扩容和快速资源升级需求；管理服务平台层主要是提供分布式消息服务、分布式数据服务、实时数据分析服务以及多租户管理等系统技术支撑，同时根据业务需求通过微服务技术，建设共享业务能力中心，提高公用业务能力，实现共享业务能力包，如网络管理中心、设备状态中心、运营管理中心以及用户中心等，提供给应用服务层进行应用；应用服务层主要是基于管理服务平台层提供的系统技术能力，实现各业务应用的功能实现，专注于系统功能HMI展示和功能交互[7-8]。

2.2 集成综合平台

以中国城市轨道交通协会发布的《智慧城轨信息技术架构和信息安全规范 第2部分 技术架构》为指导原则，将云平台、大数据、物联网等技术应用到轨道交通系统设计方案，提出单轨交通弱电一体化系统方案。根据单轨交通建设成本、建设周期、运能、运行速度等特点及对比分析单轨交通的特点，对弱电子系统从系统结构机理、对外接口方式、软件通信接口、通用设备和专用设备等方面进行分析研究，在创新的系统架构体系下，提出单轨交通弱电一体化系统方案（见图3）。将传统的20多个弱电专业子系统集成为6个综合平台：行车控制平台、综合通信平台、乘客服务平台、综合调度平台、生产运营平台和培训平台[9-12]。

（1）行车控制平台：主要包括车载信号子系统、行车控制子系统和ZIC系统。主要为行车调度、安全提供服务。系统特点：车载信号系统VOBC，融合车载ATP/ATO为VOBC一体化系统，设备更精简，系统更优化；ZC和CI系统融合为一体化ZIC系统；而行车控制子系统则会跟弱电信息系统融合，共享数据，实现以行车指挥为核心的综合自动化系统。

（2）综合通信平台：主要重构通信专业子系统传输系统、电源系统、公/专电话、专用无线、集中告警和时钟等系统功能，实现一体化通信综合管理平台。

（3）乘客服务平台：融合PIS、CCTV、PA为一体化乘客服务系统，实现车载和地面系统统一信息管理和联动共享，为乘客提供多元化、个性化服务平台。

图2 单轨交通弱电一体化系统架构

图3 跨座式单轨交通弱电一体化系统

（4）综合调度平台：重构弱电F A S、B A S、PSCADA以及ISCS等各专业子系统，实现单轨交通新型综合监控层。

（5）生产运营平台：主要以资产全生命周期管理为主要目标，实现单轨交通信息化大MES层。

（6）培训平台：构建弱电系统培训系统，实现综合培训管理平台。

2.3 综合通信平台子系统

综合通信平台主要包括车地无线综合承载子系统、语音子系统、传输系统综合承载子系统和综合网管子系统。

（1）车地无线综合承载子系统以1套无线专网综合承载通信PIS、CCTV、语音子系统和信号VOBC车地通信。目前可选3种方案：①LTE-U+公网承载语音通信，可满足大带宽数据传输需求、高速移动对传输切换延迟的高性能需求，用于地面轨道交通建设的线路。②LTE-M实现车地无线综合承载，当地频段申请可满足建设周期需求。③WLAN+公网承载语音通信，可满足大带宽数据传输需求。

（2）重构公/专电话、专用无线子系统为语音子系统，以行业成熟的IP电话或VoIP技术实现语音业务一体化。

（3）传输系统综合承载子系统包括弱电各子系统传输IP统一规划、传输网融合，通信信号网络统一规划，传输系统综合承载，通过VLAN技术实现逻辑隔离，保证系统安全性需求。

（4）综合网管子系统将各弱电子系统的10多个网管子系统构建为综合网管子系统，实现设备监控和网络节点统一配置管理。

2.4 系统特点

单轨交通的信息化架构属于第3期规划的业务范畴。单轨交通弱电系统集成要实现智能化、综合调度平台即单轨交通创新型综合监控实现是系统集成的基础，生产运营平台即单轨交通大MES层是系统集成的核心。

单轨交通弱电一体化系统的信息系统集成方案采用云平台架构，主要特点和优势为：实现资源共享，存储、计算和网络资源分散部署、统一管理，基础设备资源按需分配；弹性扩容，随着跨座式单轨建设线路的增加，业务发展需要可实现弹性扩容，助力单轨交通将来从线路建设转向网络化运营的无缝转型；数据共享，实现业务联动和智能化行车自动化能力；标准化专业系统硬件接口和软件通信接口，统一专用设备对外接口，提供系统联调效率。

3 结束语

单轨交通弱电一体化系统设计原则符合公司顶层设计，满足相关标准规范，设计符合跨座式单轨交通建设特点，实现系统标准化和互联互通。系统架构设计要全面综合考虑涉及业务范围，逐步从通号一体化到弱电一体化系统集成，实现创新性综合监控层，进而实现跨座式单轨信息化大MES生产运营平台，为单轨交通智能化、多元化运营服务提供基础。