1 研究背景

随着国民经济的持续、快速、健康发展，新型城镇化战略的积极、稳妥、有序推进，我国城市轨道交通跨入蓬勃发展的黄金机遇期。城市轨道交通高速化、密集化、多样化、网络化和智能化的特征日益显现。城市轨道交通在交通运输体系中承担着越来越重要的角色和作用。我国城市轨道交通在建设初期采用一线一批，一批一建的方式，信息系统基本上也是随用随建设，缺少统筹规划，导致系统相对独立，应用、数据、网络、设备设施等资源集约利用率不高。当前，世界各国广泛采用以信息化促进城市轨道交通发展的战略，信息化已覆盖城市轨道交通的建设、运营、管理、安全、服务等各个领域。我国强力推进“互联网+城市轨道交通”战略，信息化建设也已进入到大规模开发和应用阶段。云计算、大数据等信息技术在城市轨道交通行业逐渐得到应用，自动化、信息化和智能化已成为城市轨道交通发展的必然趋势。

《十九大报告》、《十三五规划纲要》、《国家信息化发展纲要》等国家政策提出“加强两化融合，推进信息化基础设施、应用系统、数据标准统筹建设，为政府提供一体化信息支撑，为公众提供便捷信息服务”的要求，城市轨道交通信息化建设将依托“云计算、大数据、物联网、移动应用、人工智能”等新技术的支撑，重构业务应用体系格局，向着跨专业业务整合的方向，将国家政策落实，进一步支撑轨道交通信息化可持续发展。

2 研究过程概述

2.1调研需求、梳理业务分类

采用文献调研、实地访谈的方式明确城市轨道交通云平台的业务需求、架构组成、安全要求等内容；广泛查阅国内外城市轨道交通云平台研究的理论文献和应用案例。

根据城市轨道交通各业务系统的特点，将各业务系统进行分类，部署于云平台不同的网域内，同时提出了非信息化系统在云平台部署的路线图，可将非信息化系统的网管系统、智能分析系统部署于云平台，其余部分随着技术的发展，当系统采用服务器架构时，再成系统部署于云平台。

2.2云平台资源部署研究

结合各地城市轨道交通控制中心的设置方式，提出云平台资源交叉部署的方式，以适应不同地铁公司控制中心的设置方式，增加了云平台部署的灵活性。

针对站段云节点服务器在正常运营情况下闲置的问题，提出边缘计算应用于城市轨道交通的方案，提高站段云节点资源的利用率。

2.3应用系统及相关软件研究

根据城市轨道交通智慧化的发展趋势，根据云平台综合承载各信息化系统、大数据平台的优势，提出几种智慧地铁应用软件以及其他辅助软件研究方向，丰富云平台Sass层服务。

2.4研究讨论和修改完善

定期组织研讨会，针对本项目的有关问题进行分析和讨论，广泛吸收不同意见和建议，对本项目进行不断修改和完善。

3 项目完成情况

申请发明专利1项、软件著作权授权1项、论文发表4篇（其中核心3篇）、制定行业标准3项。项目阶段目标均已完成，符合合同要求。

1. 主要科技创新

1 各业务系统云平台承载方案及网络划分

1.1承载方案

地铁各业务系统的传统设计方案为各系统独立设计，独立实施，造成服务器资源的浪费。通过对既有线路控制中心及典型车站、换乘站的信号系统、综合监控系统、乘客信息系统、视频监视系统服务器、工作站的CPU规格型号、负载、内存负载、磁盘利用率、增长率进行统计，可得出以下结论：

（1）各站点均独立设置服务器，车站级服务器占比总服务器数量 90 %以上，但CPU利用率较低，部分占用率低于5%。同时因系统级别为“容错级”即系统容忍单点故障，服务器等关键设备均采用1+1备份方式，导致CPU资源的严重浪费。

（2）CPU 计算能力随着技术的进步越来越强，以CPU SPEC测试值为衡量基准，CPU SPEC 平均值小于 200。 而地铁业务系统因其需求的稳定性变化较少，即系统对于计算能力需求相对稳定，在未来项目实施时将面临更高的CPU资源浪费。

（3）个别设备CPU负载率较高，均值超过60%，长期工作于高负载率工况将降低设备寿命。而传统硬件架构，不具备性能动态调整功能，调整计算能力的唯一手段是更换性能更高的硬件设备，投资大实施难度高。

通过云平台方式承载，可以达到资源共享的目的，有效避免资源的浪费。从云平台定义和功能上可以看出，只要使用服务器的系统，均可以利用云平台来承载。

通信系统中的公务电话、视频监视、乘客信息、办公自动化、集中告警系统大量使用服务器，尤其视频监视系统使用了大量的存储设备，可以将上述系统服务器在云平台上进行承载，其余传输、无线、广播、时钟、专用电话、电源等系统未采用服务器架构的，其网管服务器可先行云化，随着技术的发展，当系统采用服务器架构时，再将系统进行云化部署。公安通信系统由于公安部门的殊性，其是否进行云化部署，后续可根据国家政策进行跟进。

信号中央级ATS系统、综合监控系统、AFC系统、ACC系统、门户网站、互联网购票等系统也采用了服务器架构，可进行云化部署。

随着地铁智慧化的趋势，地铁各系统数字化、智能化的程度越来越高，智慧建设、智慧运营、智慧维护等系统也应运而成，再此之上，形成了智慧地铁平台。智慧地铁的建设，对各传统系统的智能化要求越来越高，如电扶梯系统需要给智慧地铁平台传送电扶梯健康度检测信息，传统电扶梯无健康诊断系统，在智慧地铁的功能要求下，电扶梯专业设置了健康度检测、分析软件承载与服务器之上，来进行数据的整理、分析，将分析结果传送给智慧地铁平台。与此同理，通风空调、车辆智能运维等都对传统系统进行了信息化改造，其新增信息化系统大部分采用了服务器架构，可以在云上进行承载，同时智慧地铁平台也在云上承载，其数据可以通过云上接口实现信息互传。

通过上述分析，除了传统的信息化系统（通信、信号、综合监控、AFC等）天然可以进行云化部署之外，随着智慧地铁建设的加速，对传统非信息化系统也提出了更高的要求，这些传统的非信息化系统（如供电、动照、电扶梯、站台门、通风空调等）通过设置前端采集设备、智能分析设备，根据自身系统多年的设备特点、维修大数据来释放更多的智慧化功能，如健康度检测、运行展示等等。这些数据传给智慧地铁平台，一方面可以进行展示，另一方面可以与其他系统大数据结合，衍生出更多的智慧功能，为乘客服务、地铁运行、设备维护提供更多的便利。

综上所述，针对地铁各业务系统的云化承载，我们的原则是“应上尽上”，充分发挥云平台综合承载的优势。

对于采用服务器架构的系统，全部上云。

对于近期无法系统上云的系统，可将系统内采用服务器架构的子系统先行上云，如时钟、电源等系统的网管系统。

随着技术发展，系统采用服务器架构，如专用电话系统采用软交换架构、广播系统采用全IP广播方案，若工程设计方案采用此种方案，这些业务系统也要系统上云。

对于传统业务系统（如供电、动照、电扶梯、站台门、通风空调等），其智慧化应用部分可以先行上云。

除此之外，智慧地铁应用软件、设计辅助开发软件等地铁相关软件在开发之初，也要考虑云化部署的需求，保证软件及适用于传统服务器部署，也适用于云化部署的要求。

1.2网络划分方案

根据各业务系统的特点，在云平台上划分不同的网域。

用于承载城市轨道交通一线生产及调度人员服务的运营生产类业务应用系统的网域称为安全生产网。

用于承载城市轨道交通运营管理、企业管理、建设管理、资源管理等面向企业内部用户服务的业 务应用系统的网域称为内部管理网。

用于承载城市轨道交通乘客服务类等面向外部或公众用户服务的网域称为外部服务网。

前述章节中提到的业务系统根据三张网的定义划分入不同的网络，根据目前各城市地铁云平台的设计，一般的系统网络划分如下。

安全生产网：中央级信号ATS系统、AFC系统、ISCS系统、ACS系统、PIS系统、专用电话系统、车地宽带无线通信系统、通信集中告警系统、线网运营指挥中心系统、大数据平台系统、ACC系统。

内部管理网：办公自动化系统、内部管理网业务应用系统、大数据平台。

外部服务网：视频监视系统、公务电话系统、互联网售检票系统、大数据平台、乘客服务管理系统、线网智慧客流组织系统、企业门户网站。

后续供电、动照、电扶梯、站台门、通风空调、智慧地铁应用系统可划分入安全生产网，设计辅助开发等系统可划分入内部管理网。

上述划分为建议划分，可在工程应用中参考，也可根据工程实际情况、用户需求进行适应性调整。

2 城市轨道交通云平台资源部署研究

城市轨道交通业务系统众多，对资源的需求量也巨大，尤其是现行规定条件下，视频存储按照不小于90天考虑，存储所占物理资源就非常大，如云平台资源集中部署，会对控制中心的房屋面积、供电、通风等一些列基础设施提出巨量需求。根据目前云平台资源集中部署的方式，很多城市轨道交通都规划了独立的云平台主用、备用中心，或者在控制中心划出比较大的面积来进行云平台中心的部署，对于新建控制中心来讲，这些房间、供电、通风等条件还好满足，对于利用既有控制中心的城市，要满足云平台资源集中部署的条件会比较困难，为解决这个痛点，本报告对资源部署方式进行了研究。

2.1主备中心资源部署方式研究

云平台资源的部署方式有集中部署和分布部署两种方式。集中部署即将云平台资源集中部署在同一地点（即主中心资源部署于主控制中心、备资源部署于备控制中心），分布部署即将云平台资源分散部署在不同地点（资源在多点间交叉部署）。集中式部署利于云平台的集中管理维护，缺点是初期对房屋及供电的需求较高，易造成资源的闲置，同时有可能会改变控制中心的规模；分布式对于房屋及供电初期要求相对较低，同时易于项目的开展，缺点是由于设备的分散部署，不利于设备的集中管理维护。

对于设置多区域控制中心的城市来说，从资源闲置、项目开展难易度等方面考虑，云平台资源部署可采用分布式部署考虑。即在各区域控制中心交叉部署云平台主用资源和备用资源，使各区域控制中心对配套实施（房屋、供电等）的要求趋于一致，同时也可根据目前控制中心的现状，合理分配资源。典型资源交叉部署表如下表所示。

典型资源交叉部署表

本方案存在的问题是，目前各云平台厂商受制于技术原因，对资源交叉部署的节点数有限制，可以满足4～6个节点主备资源的交叉部署。后续随着技术的发展，有可能会突破此限制，达到更多的节点数资源交叉部署。如果可以突破节点数限制，未来云平台资源的主备交叉部署将非常灵活，可以适应各种地铁控制中心规模的物理场景；针对既有控制中心进行云化改造将有更强的适用性。

目前，国内地铁云平台资源部署基本采用集中部署方式，本研究提供了一种资源部署方式的选择，各地铁公司可根据自身的建设特点选用。

2.2边缘计算应用研究

在传统的城市轨道云平台设计中，车站、车辆段、停车场采用服务器构成统一的资源池并提供完整的 IaaS、PaaS 功能，纳入控制中心云计算平台统一管理。

在正常工作模式下，站段服务器不提供服务，所有的业务由中心云节点进行处理。当中心云节点或者传输网络出现故障，导致车站各业务系统无法与中心进行联系时，站段各云节点进入降级模式。在降级模式下，站段资源池满足本地自治需求，不影响车站业务的正常运行。中心业务或网络连接恢复正常后，站段数据及时上传至中心云节点。此种方式下，站段云节点资源在平时处于闲置状态，既不能被中心业务利用，也不能被站段级业务利用，只能在降级模式时触发使用。一条地铁线路车站众多，从线网的角度看，站段数量更是达到了百级，几百个站段部署站段云节点，平时又不使用，会造成了站段云节点资源的极大浪费。

随着边缘计算技术的兴起，本报告对边缘云计算在城市轨道交通领域的应用进行了研究，提出中心云计算+边缘云计算的云平台方案。在正常情况下，站段云节点资源可以提供站段级云服务，本级各子系统业务处理不需要由中心云节点资源提供。通过此种方式，不仅可以提高站段云节点的资源利用率，同时也可以提高各系统业务处理的响应时间。目前此方案已开始在新建地铁云平台的城市进行推广。

通过对城市轨道交通云平台主备中心资源部署和边缘云技术的研究，结合城市轨道交通站段数量众多的特点，可以展望，站段云节点资源是否可以有更多的使用价值，如果技术允许，是否可以将云平台主备资源进行完全的分散式部署，同一个节点既有主用资源池也有备用资源池，这样城市轨道交通云平台的部署将具备极大的灵活性，不会受限于某一个地方的房间面积、用电等因素的影响，对目前城市轨道交通云平台的设计将具有颠覆性改变。本研究抛出这样一种设想，变成现实还需要云技术的不断发展和各方的不断努力。

3 城市轨道交通智慧应用系统及相关软件研究

随着城市轨道交通云平台和大数据平台的建立，大量业务系统数据（包括生产数据、设备数据等等）进行了收集，这些数据如何使用是个需要研究的课题，目前针对客流数据进行分析预测，可以联动行车组织；针对设备实施数据，结合知识库系统可以进行健康度检测等等，这些单系统数据分析应用已经大量出现，但是多专业数据如何进行整合分析来实现城市轨道交通的智慧化，目前专业的软件还很少，下面提出了几种跨专业的数据分析应用系统，为后续智慧地铁软件的开发提供依据。同时云平台的建立，包括云平台技术的不断发展，对传统软件也提出了要求，针对平台的虚拟化、容器化，各传统软件和新的软件（包含各城市轨道交通参建单位使用工具软件，如BIM二次开发软件、相关系统等）需要进行适应性开发，来满足云承载的需求。

3.1城市轨道交通智慧应用系统研究

（1）多专业故障关联分析系统

可对全线网各专业（车辆、供电、工务、机电、信号、通信等）系统或设备数据进行综合性大数据挖掘，实现各专业设备设施状态在线监测、故障综合判定、故障管理与统计分析、维修专家知识支持等功能。具体功能要求如下：

系统应能提供路网级、线路级、单专业、单系统故障报警信息、基本信息及设备相应位置信息，具备规则引擎的预警信息。基于地图的路线、系统信息，显示设备的运行状态及位置；对于车辆需实时展示列车移动，根据列车实时速度在地图上展示列车实时运行方向与轨迹，可以显示单车编号、车速、网压、下一站等信息。

系统基于大数据技术进行全专业的知识图谱构建，提供检修故障快速判定及处置方案。 当系统监测到故障可自动推送精准故障原因及处置建议，人工巡检模式下，可通过检索方式进行精准故障处置意见提供。

系统可实现故障综合判定功能。通过大数据分析能力，可对多专业联动故障进行分析与判定，最终提出问题发生本源。如车辆、信号、屏蔽门三专业联动产生问题，在列车到站司机或自动驾驶模式操作开门状态时，车门开启，屏蔽门未开启，需要判定三个专业相应环节哪里出现问题。

系统应提供故障管理与统计分析功能。对全专业故障进行综合管理，可实现故障从多维角度进行统计分析。统计分析可实现按照需求固定式统计，以及根据业务需求进行下钻式分析，如可按照线路、设备型号、设备编号、系统、部件、供应商、时间等多个维度报表呈现。

（2）调度辅助决策系统

原有的调度台账存在着纸质版或者电子版，但这样的知识存储方案不能很好的对调度进行突发事件时辅助决策支持，现有的模式还要靠经验比较丰富的调度处置判断，如果是新近调度对应急事件的处置能力就大大降低或者出现处置不当的情况。利用大数据技术，通过自然语言处理工具，对原有调度处置方案的纸质扫描件或者电子文字叙述文本进行解决方案及处理结果进行提取、语义消歧，通过对数据与调度经验的长期积累，将机器学习算法、调度决策机理以及统计信息相结合对调度经验和处置方案进行建模建立调度决策的调度处置识图谱，利用图挖掘技术，探求事件和调度决策之间的隐含关联关系。当事件发生后，调度可通过自然语言搜索，系统就可精准的提供所需处置建议进一步对专业知识进行补充，消除经验差异，最终形成服务于调度的辅助决策系统。

（3）智慧化乘客服务系统

汇聚车辆、视频、乘客轨迹、客流、行车、客服等数据，采用大数据多维关联技术，如提供客流提醒、出行路径建议、躲避拥堵建议、车站拥挤度、车厢拥挤度、车厢温度等智能温馨的服务建议，为乘客提供更舒心、精准、人性化的服务，提高乘客出行的品质和舒适度。

（4）列车制动能量利用率优化系统

城市轨道交通车辆牵引系统是城市轨道交通装备能耗的最大消耗系统。随着近些年新技术的研究，列车再生制动系统也投入到新型轨道交通列车制造，并得到了应用。其产生的再生制动能量巨大，如果得到有效利用，每提高1%的利用率即可为地铁公司每年节省数百万的费用。目前对再生制动有几种办法利用，电阻吸收、电容存储、中压能馈、飞轮存储等。

能量的转移需通过逆变、传输、存储、再利用等环节，每次转换都有一定的损耗，导致最终利用率不高。利用基于大数据对车辆数据、供电数据、信号数据、运行图进行综合分析，可对同一区间制动车辆与牵引供电车辆之间的行车时间、距离、供电等提出最佳方案，使得前车产生的再生制动能量瞬间被本车和同一供电区间其他列车牵引吸收，并直接转化为其他列车的动能，可以大大提高再生制动能量的利用率，减少牵引供电的输出，降低供电成本。

（5）乘客/员工画像库系统

乘客画像库：依据乘客票卡数据、OD数据、APP操作数据、视频数据、城市居住群、商业办公场所等数据进行乘客画像库建立，形成单一乘客标签化，对商铺位置的租用金额调整，广告咨询推送内容和定价方面提供相应服务。

员工画像库：通过内部管理网和安全生产数据的分析，对员工的出勤、出行、工作情况进行客观评价/打分，定期形成员工画像，以辅助上级领导决策，尽量弱化人为因素（关系好、裙带关系、刻意打压等）对员工绩效考评的影响。

根据目前地铁的应用需求，提出了上述智慧应用。后续可以根据系统应用、数据积累，提出更多的智慧应用。

3.2城市轨道交通其他辅助软件研究

随着城市轨道交通建设信息化水平的提高，各参建单位进行了很对辅助软件的开发，业主单位在建设过程中或者开通运营后，需要用到这些辅助软件，如地铁行业使用BIM软件的二次开发，知识库系统的开发等等。这些软件在开发之初就要紧跟云平台技术的发展，尤其是虚拟化、容器、微服务等技术，是这些软件不仅适用于传统的独立服务器架构，也可以适用于云平台架构，为后续基于云平台使用奠定基础。

4 结论

本研究根据城市轨道交通各业务系统的特点，将各业务系统进行分类，部署于云平台不同的网域内，同时提出了非信息化系统在云平台部署的路线图，可将非信息化系统的网管系统、智能分析系统部署于云平台，其余部分随着技术的发展，当系统采用服务器架构时，再成系统部署于云平台。

本研究根据城市轨道交通控制中心的设置方式，结合云平台技术特点，提出了云平台主备物理资源交叉部署的方案，为设置地铁区域控制中心的城市提供了一种物理资源部署方式的选择。

本研究根据城市轨道交通智慧化的发展趋势，根据云平台综合承载各信息化系统、大数据平台的的优势，提出了几种智慧地铁应用软件以及其他辅助软件研究方向，为丰富云平台Sass层服务起到抛砖引玉的效果。

近年来，城市轨道交通云平台的发展迅猛，各地都在进行地铁线网云平台的规划或设计，新建的地铁线路基本都采用了云平台设计方案。尤其是呼和浩特地铁云平台、太原2号线地铁云平台的上线运行，在地铁行业形成了强大的示范效应，中国城市轨道交通协会也在大力推广城市轨道交通云平台的应用。本科研通过对城市轨道交通各系统专业的功能特点、控制中心设置方案及智慧地铁需求的研究，提出了各业务系统在云平台各网域的划分方案以及云平台架构、物理资源部署、智慧应用软件及其他软件方案，为城市轨道交通云平台的规划、设计、使用提供参考。