基于云邊端協(xié)同架構(gòu)的多制式低運(yùn)能智能綜合調(diào)度系統(tǒng)

文：孫巍，徐曉龍，王曉磊｜北京城建智控科技股份有限公司

本文介紹了云邊端協(xié)同架構(gòu)在低運(yùn)能系統(tǒng)中的應(yīng)用探索與實(shí)踐，利用云平臺、一體機(jī)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、微服務(wù)、邊端融合的理念，通過數(shù)據(jù)協(xié)同、服務(wù)協(xié)同、應(yīng)用管理協(xié)同、安全協(xié)同等技術(shù)，創(chuàng)建了云邊端協(xié)同的應(yīng)用集成架構(gòu)。將架構(gòu)應(yīng)用于低運(yùn)能生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，有效控制中心和邊端的建設(shè)規(guī)模，且便于系統(tǒng)后續(xù)的應(yīng)用擴(kuò)展。

近年來，我國的城市軌道交通已逐漸呈現(xiàn)多層次、多模式、多制式發(fā)展趨勢。由城市軌道交通中、低運(yùn)能系統(tǒng)構(gòu)建公共交通系統(tǒng)的骨干體系日漸受到國內(nèi)大中城市的重視和青睞，也成為超大和特大城市的軌道交通大運(yùn)能系統(tǒng)和道路公交系統(tǒng)的有力補(bǔ)充，能夠有效解決大運(yùn)能系統(tǒng)覆蓋不足的問題。

通過對比國內(nèi)外的調(diào)度系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，綜合分析后，目前低運(yùn)量領(lǐng)域綜合調(diào)度系統(tǒng)主要包含以下方面的問題或者短板：一是調(diào)度功能方面，只適用于單一制式。多數(shù)在地鐵系統(tǒng)上做減法。在地面膠輪車輛運(yùn)營線路中，不能與城市公交實(shí)現(xiàn)路權(quán)共享和融合調(diào)度，無法真正成為城市大運(yùn)量制式的補(bǔ)充。二是平臺建設(shè)方面，各子系統(tǒng)分立，缺少統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集、業(yè)務(wù)綜合處理等平臺化基礎(chǔ)，系統(tǒng)功能和線路管理不易擴(kuò)展。三是系統(tǒng)架構(gòu)方面，底層設(shè)備與中心直接交互，關(guān)鍵數(shù)據(jù)有一定延時(shí)。當(dāng)站臺側(cè)與中心失聯(lián)后，站臺側(cè)設(shè)備不具備自動(dòng)反饋和智能決策能力，多數(shù)業(yè)務(wù)功能受影響。四是運(yùn)營維護(hù)方面，各子系統(tǒng)和設(shè)備眾多，增加運(yùn)營、運(yùn)維的成本和壓力?；诖?，項(xiàng)目組統(tǒng)籌分析低運(yùn)量各制式中（包括電子導(dǎo)向膠輪智軌、有軌電車等）的系統(tǒng)功能、站臺規(guī)模、道路類型、供電方式等特性，基于云邊端協(xié)同架構(gòu)打造了一套全新智能綜合調(diào)度系統(tǒng)。本文將著重對該系統(tǒng)采用的云邊端協(xié)同架構(gòu)的構(gòu)成、關(guān)鍵技術(shù)及落地情況進(jìn)行詳細(xì)介紹。

一、系統(tǒng)架構(gòu)

基于云邊端一體化架構(gòu)，打造智能高效、安全可靠的云邊協(xié)同框架，使得每一個(gè)邊緣側(cè)設(shè)備都能站在全局視角獨(dú)立運(yùn)行和智能決策，支持邊緣節(jié)故障節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)遷移，支持站臺側(cè)核心業(yè)務(wù)支持降級不降服務(wù)，通過綜合提升系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)中心化的架構(gòu)。

（一）中心系統(tǒng)

中心系統(tǒng)以智能控制一體機(jī)為硬件載體，通過云平臺實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)部署。系統(tǒng)通過對功能的整合和劃分，采用微服務(wù)架構(gòu)方式，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)服務(wù)化，便于成果復(fù)用的同時(shí)，易于實(shí)現(xiàn)按需擴(kuò)展。通過構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)處理平臺，深度集成信號系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)、綜合監(jiān)控、站臺門等核心專業(yè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效處理，對運(yùn)營線路的擴(kuò)展和功能升級提供強(qiáng)大平臺基礎(chǔ)。核心組件（如IIS、MySQL、Redis、Kafka 等）均采用高可用設(shè)計(jì)或者負(fù)載均衡設(shè)計(jì)，綜合提升系統(tǒng)魯棒性。

中心系統(tǒng)與每一臺邊緣硬件平臺設(shè)備基于Kafka，構(gòu)建統(tǒng)一、專屬、共享、雙向的消息通道，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)消息的傳輸。每一臺邊緣硬件平臺設(shè)備可通過該消息通道向中心發(fā)送心跳狀態(tài)、站臺側(cè)業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)執(zhí)行狀態(tài)（如車輛進(jìn)站開門、站臺側(cè)報(bào)站聯(lián)動(dòng)等）；中心通過該消息通道向每一臺邊緣硬件平臺設(shè)備發(fā)送線路運(yùn)營時(shí)刻表的變更消息、邊緣側(cè)報(bào)站聯(lián)動(dòng)消息、邊緣側(cè)系統(tǒng)平臺軟件服務(wù)升級消息、配置信息更新消息等。

（二）邊緣側(cè)系統(tǒng)

由于邊緣側(cè)異構(gòu)資源較多，接口復(fù)雜，后期運(yùn)維壓力大，邊緣側(cè)系統(tǒng)架構(gòu)采用集約化思路，采用輕量化超融合智能硬件平臺，該智能硬件融合了網(wǎng)絡(luò)交換、計(jì)算、存儲、IO、工業(yè)通信總線等諸多功能于一身，形成了低成本、高可靠、功能多樣、配置靈活的一體化設(shè)備。具備有線、無線、光纖通信等功能。基于超融合硬件平臺，實(shí)現(xiàn)對站臺側(cè)核心專業(yè)設(shè)備軟件功能和計(jì)算資源的統(tǒng)一整合。對于AFC、站臺門等設(shè)備，按照業(yè)務(wù)邏輯處理（或數(shù)據(jù)存儲）以及末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)（或傳感器）兩個(gè)維度對設(shè)備子模塊進(jìn)行劃分和分解，匯總各模塊間的硬件接口形式及軟件通訊協(xié)議。將業(yè)務(wù)邏輯處理模塊集成至邊緣一體機(jī)中，并重新整合、統(tǒng)一接口形式，將各專業(yè)終端設(shè)備與邊緣一體機(jī)深度融合，同時(shí)綜合考量各專業(yè)設(shè)備的供電需求，最終實(shí)現(xiàn)邊緣側(cè)泛專業(yè)設(shè)計(jì)。

二、云邊端協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)

將中心與各車站邊緣硬件平臺設(shè)備組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，基于Kafka 搭建分布式發(fā)布訂閱消息系統(tǒng)，構(gòu)建起中心與各邊緣節(jié)點(diǎn)、以及各邊緣節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)同框架。在此框架下，每一個(gè)邊緣硬件平臺設(shè)備都能站在全局視角獨(dú)立運(yùn)行和智能決策，確保從運(yùn)營調(diào)度角度出發(fā)，核心業(yè)務(wù)功能實(shí)現(xiàn)云邊兩級管理，做到了降級不降服務(wù)。中心云與邊緣側(cè)根據(jù)自身特性承擔(dān)不同的服務(wù)能力，統(tǒng)籌云邊兩級的算力、存儲資源需求，兩者協(xié)同才能最大化體現(xiàn)本架構(gòu)的優(yōu)勢和特點(diǎn)，關(guān)鍵技術(shù)具體包括：數(shù)據(jù)協(xié)同、服務(wù)協(xié)同、應(yīng)用管理協(xié)同、安全協(xié)同。

一是數(shù)據(jù)協(xié)同。目前多數(shù)系統(tǒng)采用底層設(shè)備與中心直接交互，站臺側(cè)無法對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)分析與處理。將數(shù)據(jù)傳回中心處理的過程中，敏感數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)較高；同時(shí)，很多數(shù)據(jù)為原始無用數(shù)據(jù)，無法做適當(dāng)處理，對帶寬造成不必要浪費(fèi)，也加大了對中心資源的需求。因此，可以將各類異構(gòu)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集和業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)，在邊緣側(cè)精簡整合后，上傳至中心，統(tǒng)一云邊接口標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)云邊數(shù)據(jù)協(xié)同。

二是服務(wù)協(xié)同。當(dāng)某臺智軌車輛通訊異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將站臺側(cè)業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)觸發(fā)權(quán)降級至邊緣側(cè)，最大程度保留站臺側(cè)核心業(yè)務(wù)正常運(yùn)行；當(dāng)車輛通訊恢復(fù)后，站臺側(cè)業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)觸發(fā)權(quán)恢復(fù)至中心。對于某一車輛，分為班次運(yùn)營狀態(tài)和非班次運(yùn)營狀態(tài)。當(dāng)車輛處于非班次運(yùn)營狀態(tài)時(shí)，站臺側(cè)無需對該車進(jìn)行預(yù)報(bào)站、報(bào)站聯(lián)動(dòng)，但保留站臺門聯(lián)動(dòng)功能。運(yùn)營班次根據(jù)其通信是否正常，又分為中心控制和邊緣控制。中心控制的班次，其預(yù)報(bào)站和報(bào)站功能完全由中心通知，邊緣側(cè)不做邏輯處理。邊緣控制的班次，其預(yù)報(bào)站和報(bào)站功能由邊緣側(cè)根據(jù)發(fā)車時(shí)間推算。

三是應(yīng)用管理協(xié)同。中心與每臺邊緣側(cè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊檢測機(jī)制，當(dāng)中心識別到某臺邊緣側(cè)設(shè)備通訊異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將失聯(lián)邊緣側(cè)業(yè)務(wù)交由與之互為冗余的邊緣側(cè)設(shè)備接管。當(dāng)互為冗余關(guān)系的邊緣側(cè)設(shè)備均失聯(lián)時(shí)，可由中心接管兩臺邊緣側(cè)設(shè)備負(fù)責(zé)的站臺業(yè)務(wù)。當(dāng)出現(xiàn)故障的邊緣硬件平臺設(shè)備與中心的通訊狀態(tài)恢復(fù)后，中心根據(jù)邊緣節(jié)點(diǎn)冗余配置關(guān)系，向暫時(shí)接管故障節(jié)點(diǎn)的邊緣硬件平臺設(shè)備下發(fā)消息指令，邊緣硬件平臺設(shè)備停止對邊緣硬件平臺設(shè)備終端設(shè)備及業(yè)務(wù)的機(jī)關(guān)，同時(shí)，邊緣硬件平臺設(shè)備將恢復(fù)對設(shè)備及站臺側(cè)業(yè)務(wù)的接管。

四是安全協(xié)同。整套設(shè)計(jì)采用三級等保要求設(shè)計(jì)與建設(shè)，云邊動(dòng)態(tài)消息的交互采用國密SM4 對稱加密算法。業(yè)務(wù)交互方面，邊緣側(cè)通過SFTP 協(xié)議向中心獲取相關(guān)配置信息，完成邊緣側(cè)配置信息的更新；在獲取基礎(chǔ)信息方面，如點(diǎn)表信息、設(shè)備信息等，邊緣側(cè)通過HTTPS 協(xié)議向中心獲取相關(guān)基礎(chǔ)信息。

三、系統(tǒng)落地及應(yīng)用效果

本系統(tǒng)在株洲市智能軌道交通系統(tǒng)項(xiàng)目和宜賓市智能軌道快運(yùn)系統(tǒng)T2、T4 線工程項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)落地。

2021 年3 月，株洲市智能軌道交通系統(tǒng)一期工程竣工驗(yàn)收。2021 年8 月，項(xiàng)目法人湖南京建投資建設(shè)有限公司提供用戶使用情況反饋，基于云邊端協(xié)同的智軌綜合調(diào)度系統(tǒng)在株洲智軌項(xiàng)目運(yùn)行以來，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行良好，實(shí)現(xiàn)調(diào)度的自動(dòng)化和智能化。在株洲智軌項(xiàng)目實(shí)施中，大膽使用云邊端協(xié)同架構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，超融合智能硬件等關(guān)鍵技術(shù)在建設(shè)過程節(jié)約成本1000 多萬元，全線車站節(jié)省用房800多平米，縮短建設(shè)工期4 個(gè)月；基于分布式微服務(wù)架構(gòu)下多制式融合的智能軌道快運(yùn)系統(tǒng)，運(yùn)營初期每站臺減少2 人，每年節(jié)省人工成本326 萬元。

本系統(tǒng)還應(yīng)用于宜賓市智能軌道快運(yùn)系統(tǒng)T2、T4 線工程項(xiàng)目，其中T4 線已經(jīng)開始運(yùn)營，預(yù)計(jì)T2 線年底也將開始進(jìn)入調(diào)試階段。適用于低運(yùn)能制式的超融合系統(tǒng)架構(gòu)平臺，可顯著提高系統(tǒng)資源利用效率，大量減少硬件配置容量并節(jié)約機(jī)房面積。經(jīng)測算，預(yù)計(jì)節(jié)省土建費(fèi)用約1000 萬元，運(yùn)營期每年可節(jié)約人工成本及降低能耗約500 萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

云邊端協(xié)同的平臺架構(gòu)相對于傳統(tǒng)架構(gòu)，更有利于調(diào)度生產(chǎn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，適配工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的特征，能有效控制線網(wǎng)中心、線路中心和車站機(jī)房的占地面積及其他損耗。此外，在中心云平臺、邊緣云節(jié)點(diǎn)中，均可同時(shí)具備基礎(chǔ)資源和平臺資源，各生產(chǎn)系統(tǒng)可根據(jù)其數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)特征選擇部署在中心側(cè)或邊緣側(cè)，并能進(jìn)一步通過模塊化和微服務(wù)化的軟件架構(gòu)放大融合平臺的使用價(jià)值。