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Apr 26,2018

基于工业互联网的城市轨道智能 综合自动化与运营系统

企业概况:
和利时始创于1993年,前身是电子部六所自动化事业部,现已成为中国领先的自动化与信息技术解决方案提供商。公司以“用自动化改进人们的工作、生活和环境”为宗旨,致力于提升客户的生产效率和产品品质。
和利时业务集中在工业自动化、轨道交通自动化和医疗自动化三个领域。其中工业自动化包含过程自动化、离散自动化和矿山自动化;轨道交通自动化包含干线铁路自动化、城际铁路自动化和城市轨道交通自动化。
项目建设的政策:
本项目研发与实施依托于实际工程项目,北京地铁燕房线,北京地铁燕房线是我国首条具有完全自主知识产权的轨道交通全自动运行线路,也是我国首个全自动运行系统国家级示范工程,已于2017年12月30日正式载客运营。全自动运行作为先进的轨道交通运行控制技术,在未来有广泛的发展应用空间。预计到2020年,国际上75%的新地铁线路以及40%的改造后既有线路将全部采用完全自动驾驶技术。2025年,我国采用全自动运行的线路将超过1500公里。

一、项目实施概况
1.   项目背景
城市轨道交通系统是现代化大都市最为重要的公共交通系统,具有运量大、速度快、安全、准点、环保、节能等特点,成为实现城市交通可持续发展的重要组成部分。根据中国城市轨道交通协会统计,截止到2016年末,中国累计已开通地铁运营里程3832公里, 获批建设轨道交通的城市达43个, 已投入运营、正在建设及待建的城市轨道交通总里程约8600公里, 预计未来5年内,轨道交通新增运营里程还将加速,预计每年将新增约1200公里。预计到2023年,正式运营里程将超10000公里。
得益于通信、自动控制、交通运输理论与技术水平的不断进步,列车运行的自动控制技术已逐渐进化到到全自动无人驾驶模式。预计到2020年,国际上75%的新地铁线路以及40%的改造后既有线路将全部采用完全自动驾驶技术。预计到2025年,我国采用全自动运行的线路将超过1500公里。目前已经确定全国有19条线路采用全自动运行控制技术,包括北京(3/12/17/19/新机场/燕房线)、武汉、成都、深圳、苏州、郑州、哈尔滨等相关线路。
用于支撑地铁运输自动化的系统主要包括车辆、信号、通信、综合自动化与运营调度系统四大核心子系统。其中综合自动化与运营调度系统涉及到对车辆、信号、通讯、供电、环控、消防火灾、视频监控、广播、售检票、站台门、门禁等二十多个复杂专业子系统集中管控,管控的业务流程覆盖了资产管理、计划、运营调度、设备维修维护、乘客服务、应急指挥、安全管理等众多业务,其安全性、可靠性与智能化是支撑城市轨道交通快速发展重要因素。
2. 项目简介
北京和利时公司于2014年8月中标北京地铁燕房线“以行车指挥为核心的城市轨道交通综合自动化系统”,研发与工程实施周期三年,已与2017年12月底正式载客运营。
3. 项目目标
本项目目标主要为提供如下三大子系统,用于完成地铁各设备的集中监控与行车计划与调度:
a)   基于工业软总线的地铁综合调度指挥系统
b)   基于云计算的地铁全线设备的设备状态监视与维护综合维修系统
c)   各运营调度的仿真培训系统
二、项目实施概况
1. 项目总体架构和主要内容
地铁综合自动化与运营调度系统,其职责类比到工厂自动化的普渡模型,相当于是普渡模型里的L2与L3层,用于实现对地铁各自动化设备的集中监控与行车计划调度与执行。
本系统采用统一的硬件平台、统一的软件平台、统一的网络架构,实现对地铁各专业子系统的统一监控与计划调度。本系统的系统功能与在整个地铁的自动化与信息化系统的边界为如下:
(1)系统功能与边界概述
a)   本系统各专业自动化设备数据采集与协调控制系统:本系统实现了对供变电子系统/火宅自动报警子系统/环境监控子系统/信号系统/售检票系统/车辆自动化系统/通信/门禁等专业自动化设备层的工艺实时数据与设备状态监控,并完成各自动化设备的协调控制
b)   本系统为地铁各调度运营人员与设备维修人员的调度与协作系统:地铁行调/电调/车辆调/乘客调/环调/维调/总调/车站值班员通过使用本系统完成日常的运输计划调度与设备维修等。
c)   本系统同时也是生产自动化与信息化的融合平台,本系统统一与企业信息管理信息化系统的完成数据与信息的双向联通。
本系统在地铁自动化与信息化系统的边界如下图蓝色底框所示:

图1 全系统集成智慧轨道交通综合自动化系统
 
如上图所示,本系统的系统边界处于自动化设备与信息化管理系统中间,功能上较之于目前的主流系统 进一步集成列车监督控制系统、车辆自动化信息系统、综合维修子系统,支持无人驾驶与智能化运营。
 
(2)系统构成
控制中心系统构成:
 本系统控制中心系统构成图如下图所示,包括列车运行计划编制工作站、行车调度、电力调度、环境调度、乘客调度、车辆调度、维修调度等工作站,在中心级用于实现地铁运输的集中调度指挥:
图2控制中心系统
 
备用中心系统构成:
为提供系统的可靠性、可用性、安全性,系统在备用中心部署一套跟控制中心相同的系统,主备中心间实现冗余。
 图3备用中心
车站子系统构成
本系统的车站子系统构成如下图所示,在中心出现故障宕机后,可以自动降级到车站级完成监控
图4车站子系统
2.   网络互联架构
地铁自动化是个非常庞大的系统,涉及到车辆、信号、电力、环境监控、视频监控、广播、站台门、火灾系统、门禁等二十多个大型专业子系统,同时物理位置分散。各子系统的网络互连复杂多样,主要主要体现在如下几方面:
a)   系统网络拓扑分散:物理位置分散,涉及到2个控制中心、1个停车场,数十个车站。中心与各车站骨干网通过双环网构成,骨干网网络切换时间在50ms以内,提高网络的可靠性与可用性
b)   通讯链路复杂多样:系统既有地面设备间的有线通讯,也有车载设备与地面设备间的无线通讯,在本系统中,车地无线支持4G LTE与WLAN两种无线通讯都支持的模式。
c)   通讯协议多样化:支持各行业的国际通讯标准规约,包括铁路、电力、离散自动化、信息化系统等多种国际通讯规约
 
全线骨干网(双环网):
本系统骨干网网络拓扑如下图所示,采用双环网构成
图5全线骨干网
 
 
网络互连架构:车地以及地面设备间通讯:
    本系统为支持全自动无人驾驶,车上的信息都需要落地,一辆车上大约有1万个物理点需要周期性发送实时与报警信息。为支持车地无线大数据量传输,本系统采用4G LTE制式

图6车地以及地面设备间通讯
3. 数据架构和应用
1)        车辆、信号、电力、环控、火灾、视频监控、广播等二十多个专业子系统自动化设备采用统一的数据库进行建模与监控,打通各设备间数据与信息孤岛,提高系统的自动化程度。
2)        采用统一的调度工作站进行调度,提高运维的智能化程度与运营效率除了上述平台性亮点功能外,本系统在应用上有如下重大创新:
a)        支持无人驾驶:
系统支持全自动无人驾驶,系统梳理运营章程,新增41个运营调度场景,增加了车辆调度与乘客调度系统,同时,平台的可靠性、安全性、性能也大幅提高
 

图7无人驾驶
 
b)       智能联动:
由于各专业子系统间采用了统一的数据库与调度工作站,打通了各子系统之间的数据与信息孤岛,提高了各子系统在正常运营与异常工况下的各设备的自动化处理能力。

图8智能联动
 
 
c)        行车调度
本系统通过提供统一的调度工作站软件用于实现所有自动化设备的监控与维修,运输计划的编制、调度。大大提高了运营调度人员的运维效率。如下各图为各专业调度的界面示例:

图9行车调度
 
 

图10电力调度
 

图11环境调度
 

图12车辆调度
 

图13乘客调度
 
4. 安全及可靠性
在功能安全上,本系统通过劳氏国际SIL2 安全认证,系统的可靠性、安全性、可用性、可维护性(RAMS)指标达到国际安全认证SIL2安全,满足对车辆、信号设备的控制要求

图14国际SIL2 安全认证
信息安全:基本已按照信息安全等保三级要求实施,分别从网络安全、主机安全、应用安全、数据安全、病毒防护等多方面进行加固,具体如下:
1)        网络安全:在系统边界增加防火墙,同时有一套独立的网络管理系统,用于检测与审计系统网络情况。核心数据采用加密传输
2)        病毒防护: 全系统部署了统一的防病毒软件
3)        应用安全:分权限控制、用户名、密码都采用加密存储,操作日志与审
4)        主机安全:已关闭无用的后台服务
三、下一步实施计划
1. 计划1
采用云计算架构改造系统:
为提高设备的利用率、减少设备投资、提高设备维护人员的效率、降低能耗、提高系统的可用性。系统将适配到基于私有云计算的IT架构里。
2. 计划2
利用大数据技术,实现更多的智能运维:
目前车辆、信号、电力、环控、售检票等地铁线路几乎所有设备的工艺与设备状态数据都已统一实现了采集与监控, 后续将在挖掘数据价值上加大力度。实现在预测性维护与节能减排上的应用
四、项目创新点和实施效果
1. 项目先进性及创新点
1)        实现了地铁设备的全系统集成
系统采用统一的软硬件平台实现了对自动化设备的全集成,包括车辆、信号、电力、环控、售检票、视频监控、广播等二十多个专业自动化设备,其中对于车辆与信号自动化设备的集成为国内首例   
2)        实现了统一的运维调度
提供一套调度软件,实现了计划、调度、监控、维修、培训等多业务功能的统一运维调度,行车、车辆、乘客、电力、环控、维修等中心与车辆调度人员采用一套软件,大大提高了运维效率。其中乘客、车辆调度为国内首例
3)        支持全自动无人驾驶
系统地梳理全自动无人驾驶的运营流程变化与自动化设备功能的联动,系统新增了41个全自动无人驾驶运营场景功能,支持全自动无人驾驶,国内首例
4)        高可靠与高安全性
为满足全自动无人驾驶安全性安全,系统通过了国际SIL2认证,国内首列大型综合监控类软件通过SIL2认证
5)        大容量实时数据库与人机调度工作站软件
大容量实时数据库,由于增加了车辆与信号两大专业,其中单辆车辆监控物理点规模在1万点左右,系统实际支持200万物理点以上的并发采集与访问。
2. 实施效果                                                            
本系统在北京地铁燕房线上使用,已通过3个月试运行考核,目前已进入到正式载客运营阶段。系统的可靠性、安全性已得到充分的验证,系统的功能经过多轮专家与运营人员的使用已趋完善,满足了全自动无人驾驶的要求。
同时,本系统也已应用到海外,已使用到新加坡地铁汤申线全自动无人驾驶项目上。
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