地铁线网指挥中心级运营调度系统架构设计

刘晓兰,刘 琴

(南京国电南自轨道交通工程有限公司,江苏 南京 210000)

0 引言

根据中国城市轨道交通协会《2022年度统计分析报告》,截至2022年年底,国内共有55座城市开通运营轨道交通线路308条,已累计建成投入运营线路10 287.45 km。目前,已有26个城市的线网规模达到100 km及以上,尤其以上海936.17 km、北京868.37 km两市运营规模在全国领先,已逐步形成超大线网规模。随着各大城市线网规模的不断扩大,网络化运营是城市轨道交通发展的必然结果。

目前,地铁综合监控系统所集成的系统或者专业,仅限于某一条地铁线路,数据集成及信息共享水平低,缺乏地铁全线网的互联互通及信息共享,不具有与各控制中心及各运行主体、各线路运行协同的功能。同时,部分城市运营管理权分散在不同的运营商手中,缺乏运营协调机制,不利于线网日常运营及突发事件的协调反应,也无法有效体现轨道交通的整体服务水平。

地铁线网指挥中心级运营调度系统通过对线网行车、客流、供电、设备、视频、报警实施全面的集中监视,加强协调管理,全线跨业务的数据整合共享,并提供灵活的数据查询功能、强大的数据分析和挖掘功能,以满足线网指挥中心开展各项业务的需求,提高线网综合化运营管理水平。为了紧随城市轨道交通网络化发展的趋势,满足城市轨道交通车站及设备的多样性、运营单位管理模式多样性需求,本文以综合监控系统为基础,深入剖析了地铁线网指挥中心级运营调度系统组成原理,设计了一套地铁线网指挥中心级运营调度系统架构。

1 地铁线网指挥中心级运营调度系统背景

国外发达城市,线网指挥中心级运营系统建设较早,同时都建立了完善高效的线网智慧平台系统和线网管理组织机构。各城市地铁线网控制中心都具有对线路机电、电力和行车等的控制功能,强化了线网的集中指挥调度及应急处理能力,趋向于取消线路控制中心,主要采用线网中央调度和区域中心二级管理模式。随着经济的发展,网络信息技术、数据传输技术和计算机技术在地铁线网运营调度系统上得到了广泛的应用。目前,国内各大城市开展或正在开展线网运营调度系统的建设工作,其中以广州地铁三号线综合监控系统为代表,标志着单线路地铁机电系统的全面深度集成,为线网级指挥系统的集成奠定了基础。

目前总体的技术发展趋势是高度集成统一的技术平台、高可靠的冗余技术、高速的网络技术、满足运营管理需求的业务驱动和加速系统开发部署的中间件技术。与此同时,仍存在前期规划与需求调研不充分、标准规范不统一以及系统深度集成局限性等不足,只实现了全线部分重要设备或者故障报警信息的接入,甚至只能通过复视的方式实现在调度中心对线路的状态监视,无法实现全网所有线路设备状态信息、行车、客流等数据的集成。

2 地铁线网指挥中心级运营调度系统架构设计

2.1 系统架构原理

地铁线网指挥中心级运营调度系统在线网指挥中心平台具有中央协调功能,以及运营指挥、综合监视、运营协调等职能。

本系统通过整合各线路ATS信号系统、各线路设施设备综合监控系统(ISCS)、各线路票务清分系统以及路网CCTV系统的数据和信息,同时接收和整合路网乘客信息系统(NPIS)的数据和信息,在汇聚、整合、聚类各系统数据的基础上进行综合展示,以完成线网层面的行车、客流、供电、设备、视频的实时联动综合监视;在指挥中心建立数据仓库平台对全网历史数据进行统一管理,并在数据仓库支持下完成报表、报告、指标计算、模式分析、评估分析等数据业务应用。

2.2 设计原则

根据系统的功能定位及使用需求的分析,地铁线网指挥中心级运营调度系统架构设计的主要原则包括以下几点。

(1)围绕列车运行安全稳定、地铁经营效率提高、机电设备运转良好、旅客服务完善等目标进行设置。该系统需具备线网运营数据管理、线网日常行车协调指挥、线网电力调度管理中心、线网机电设备调度、线网运营信息统计分析等功能。

(2)采用先进的计算机网络构建硬件平台,配备网络管理系统对网络进行性能管理、配置管理和故障管理。采用先进的计算机集成系统软件体系架构,适应轨道交通发展的需要,具备完善的人机界面体系支持线网运营调度功能的实现。

(3)为开放系统,硬件设备通信接口、网络协议、数据库等均采用国际或国内标准,具有较强的扩展能力,并提供较广阔的集成平台,能接入其他系统,也能对轨道交通建设中新出现的项目进行集成,还具有集成第三方设备和软件的能力。

(4)采集所含线路的全部信息,满足线网监控管理需求,且线路信息共享程度应尽量深入,但功能实现为渐进式,系统总架构为可扩展式。

2.3 总体架构

地铁线网运营调度系统平台采用开放式的体系结构,总体架构如图1所示。

图1 地铁线网运营调度系统总体架构

线网指挥中心级运营调度系统是在轨道交通通信网络和硬件资源的基础上,具有实用性、开放性和技术延伸性的信息系统。系统的总体逻辑架构从上至下分别为业务组件层、基础服务层、支撑平台层和接入平台层。系统在逻辑架构的基础上实现信息的定制化处理,并采用权限管理策略,为工作人员分配角色和权限。

2.3.1 接入平台层

轨道交通业务中的综合监控系统库、客流管理库、票务管理库、设备管理库、能耗管理库等,通过数据服务平台,使用集成技术,实现不同类型信息的整合处理,形成可用于运营调度、统计分析、开发测试、网络管理、培训仿真等业务数据资源库

2.3.2 支撑平台层

支撑平台层为线网运营调度系统提供正常运行的软件支持环境,包括地理信息GIS平台、信息分析平台、其他业务系统搭建、业务组件交互的中间件平台,用于实时数据管理的实时数据管理平台和用于各类离线和近线数据管理的数据仓库平台等。

2.3.3 基础服务层

基础服务层为线网系统提供历史数据管理、计算服务、报警管理、容错管理等一系列功能服务,便于功能服务组件的独立升级,同时减少无关联性组件之间的不必要交互。

2.3.4 业务组件层

该层直接面向用户,为用户提供各项功能应用,包括报表管理、报告、行车监察、供电监察、通信监察、客流监察/诱导、机电监察等。

3 技术架构

本系统涉及通信技术、数据仓库技术、数据交换与分发技术,调度监控技术,数据库技术、ETL技术、多维计算技术、Web技术等多种技术。下文将结合系统总体架构方案,对总体架构各层所涉及的技术方案进行具体描述。

3.1 数据接入层

线网运营调度系统的接入数据按照时效性可分为实时数据、近线数据、离线数据。从数据类型上又可分为从线路综合监控、各专业系统、AFC以及其他系统上传的结构化数据,以及视频、音频、文档等非结构化数据。为满足上述不同类型的数据接入需求,数据接入层拟采用如下技术实现。

(1)实时规约通信:实时规约通信技术是传统点对点通信技术手段,在本项目中可用于实时结构化数据采集。

(2)消息中间件:消息中间件基于队列与消息传递技术,为平台提供同步或异步、高效可靠的消息传输,并基于数据通信完成分布式系统的集成。采用排队和消息传递模型,实现在分布式环境下扩展进程间的通信。

(3)ETL技术:ETL技术详细描述了数据从抽取到转换、加载直至完成的全过程。ETL使用于近离线结构化数据的接入,通过ETL过程可实现所需数据的抽取,通过数据清洗,获得有效数据,将数据处理成符合预先定义好的数据仓库模型并加载到数据仓库中。

(4)FTP技术:该技术用于网络上的控制文件的双向传输。本项目中非结构化数据主要通过FTP技术实现数据的接入功能。

3.2 支撑平台层

如上文所述,总体架构中运行支撑平台提供了线网运营调度系统能够正常运行的软件支持环境。该层涉及的技术如下。

(1)实时数据库技术:实时数据库是实时数据管理的核心,正常情况下,数据接入层采集的所有实时数据都保存在实时数据库中,并依赖于实时数据库进行实时报警、实时计算、实时画面等业务应用的开发。

(2)数据仓库技术:本项目拟采用数据仓库技术对线网近线及离线数据进行统一管理,提高数据的利用率以及发现数据的价值。

(3)备份与恢复技术:数据备份/恢复技术是为了防止数据的失效、数据的丢失等事件的发生,就必然要考虑数据的有效保护方式备份。本项目拟采用数据备份/恢复技术实现系统备用中心与主中心的数据同步和数据恢复功能。

(4)GIS技术:在本项目中,借助GIS技术可以实现线网线路走向、车站位置等静态信息以及客流量、设备运营参数、车辆位置等动态数据在真实的地理信息图上的展示,有助于调度人员更加直观地掌握线网的运营状态。

(5)BI技术:本项目中拟基于BI技术,对地铁线网运营数据进行深度整合和挖掘分析,提供辅助决策依据,以直观丰富反映线网运营情况。

3.3 服务层

系统服务层包括基础服务层和业务服务层两部分,用于提供线网运营调度系统能够正常运行的基础服务组件以及面向业务的系统服务组件,涉及的技术如下。

(1)SOA框架技术:系统服务层将基于SOA框架技术开发,服务层中所有的基础及业务服务都被划分(组件化)为一系列业务服务组件和业务流程,基于标准接口实现交互与集成。组件的分离意味着不同业务领域的人员可以独立地设完成各自的部分,提高了工作效率,且任何非关键组件的故障都不会对其他业务服务组件产生影响。

(2)负载均衡技术:负载均衡技术即把用户负载压力根据某种算法合理分配到集群中的每一台计算机上,以减轻主服务器的压力,降低对主服务器的硬件和软件要求。同时由于将用户请求均衡地分发到不同的应用服务器实现并行计算,可以减少应用等待时间,提高处理效率。

(3)冗余容错技术:冗余容错技术用于保证系统平台的稳定可靠运行。系统中所有的进程、服务都分布运行在不止一个硬件节点上,当系统中发生硬件或进程服务的故障时,其余节点的进程服务可迅速接管故障节点,保证系统稳定运行。

3.4 信息展示

本项目拟采用B/S架构,所有的信息展示都将通过Web浏览器实现。

(1)Websocket:该协议是基于TCP的一种新的网络协议,实现了浏览器与服务器全双工通信。本项目基于Websocket技术对实时监控功能进行开发实现。

(2)Ajax技术:本项目中除实时监控业务功能外,其他业务信息查询获取都将采用交互式网页应用的网页开发技术Ajax实现。

(3)ExtJs技术:本项目采用具有现代UI的桌面应用程序开发平台ExtJS,通过Ajax框架创建风格多样、功能丰富、界面美观、轻量级的UI界面。

4 结语

地铁线网指挥中心级运营调度系统,用于反映城市轨道交通网络的状态,对网络中所有线路、设备实施全面的集中监视和管理,加强协调管理,实现资源共享,最终提高运营效益。本文对地铁线网指挥中心级运营调度系统进行深度剖析,设计了一套更加深层次的系统架构,能够提供灵活的数据查询功能、强大的数据分析和挖掘功能,满足线网指挥中心开展各项业务需要,对提高地铁网络化运营管理水平和运营效益具有重要意义。