地鐵智慧車輛段/停車場的核心特征與體系架構(gòu)*

劉增民

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 710043， 西安∥正高級工程師)

隨著國內(nèi)越來越多的城市逐步開啟全自動無人駕駛地鐵的建設(shè)，地鐵車輛段/停車場(以下簡為“車輛場段”)作為承擔(dān)車輛的運(yùn)用管理、整備保養(yǎng)、檢查等工作，以及承擔(dān)定修或架修車輛檢修任務(wù)的基本生產(chǎn)單位，迫切需要新的能力與手段，使地鐵場段的生產(chǎn)管理和服務(wù)能力獲得增強(qiáng)，資源利用能力和生產(chǎn)要素組織能力獲得提升，有效信息資源空間獲得擴(kuò)展，并為地鐵場段提供全方位、全壽命周期的發(fā)展方式。在此情況下，地鐵智慧車輛場段作為信息化與工業(yè)自動化高度融合的產(chǎn)物應(yīng)運(yùn)而生。

1 地鐵智慧車輛場段的概念

地鐵智慧車輛場段的概念是全面而綜合的，應(yīng)從建設(shè)指導(dǎo)思想到生產(chǎn)架構(gòu)設(shè)計(jì)和管理運(yùn)營體制等諸多方面進(jìn)行考慮，不能過分強(qiáng)調(diào)信息化基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，而缺少信息的交流、整合、共享，以及信息的智能化分析、處理與利用。綜合“智慧”理念的發(fā)展源流，以及地鐵車輛場段生產(chǎn)管理運(yùn)營信息化的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可將地鐵智慧車輛場段的基本概念歸納如下：

地鐵智慧車輛場段是在工業(yè)自動化與信息化融合的背景下，圍繞改善地鐵場段生產(chǎn)、運(yùn)營、管理等資源，綜合利用地鐵工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G(第5代移動通信技術(shù))、云計(jì)算等信息技術(shù)手段，結(jié)合地鐵車輛場段先進(jìn)的管理理念，建立廣泛覆蓋和深度互聯(lián)的地鐵車輛場段信息網(wǎng)絡(luò)，對地鐵車輛場段的設(shè)施、設(shè)備、物料、人員等資源的多方面生產(chǎn)要素進(jìn)行全面感知采集，并整合構(gòu)建協(xié)同共享的地鐵車輛場段信息網(wǎng)絡(luò)平臺，對采集的信息進(jìn)行智能處理利用，從而為地鐵車輛場段的日常生產(chǎn)和資源配置提供智能響應(yīng)控制，為地鐵車輛場段的生產(chǎn)管理、設(shè)施管理、設(shè)備管理、物料管理、人員管理等提供智能決策依據(jù)及手段，為地鐵車輛場段管理提供智能信息資源及開放式信息應(yīng)用平臺。

2 地鐵智慧車輛場段的核心特征

地鐵智慧車輛場段的核心特征在于其“智慧”。若要實(shí)現(xiàn)“智慧”，需搭建廣泛覆蓋的信息采集網(wǎng)絡(luò)，建立協(xié)同的信息資源共享機(jī)制；地鐵智慧車輛場段信息資源的應(yīng)用以開放為特性，應(yīng)具有深度互聯(lián)的信息傳輸體系，擁有信息的智能分析處理能力，具備自我學(xué)習(xí)進(jìn)步的功能。地鐵智慧車輛場段必須包含從地鐵場段信息的感知、采集、傳輸、共享、分析、處理到應(yīng)用的全過程，以形成一個(gè)完整的信息智慧循環(huán)。

2.1 信息采集覆蓋面廣

信息感知采集網(wǎng)絡(luò)是地鐵智慧車輛場段的基礎(chǔ)，任何一座地鐵場段擁有的生產(chǎn)、設(shè)施、設(shè)備、物料、人員等的信息資源都是海量的。為了及時(shí)、全面地獲取地鐵場段的信息，準(zhǔn)確地判斷地鐵場段的狀況，地鐵智慧車輛場段的中心系統(tǒng)必需擁有與該場段各專業(yè)、全過程的各類生產(chǎn)要素交流并獲取所需信息的能力。地鐵智慧車輛場段的信息感知采集網(wǎng)絡(luò)應(yīng)覆蓋該場段的各種對象、時(shí)間、空間等各個(gè)維度，并能夠感知并采集不同種類、不同屬性、不同格式及不同密度的信息。同時(shí)信息感知采集網(wǎng)絡(luò)應(yīng)以地鐵智慧車輛場段系統(tǒng)的需求為導(dǎo)向，覆蓋地鐵場段全專業(yè)、全過程的各類生產(chǎn)、運(yùn)營、管理等要素信息。

2.2 信息網(wǎng)絡(luò)交互程度深

地鐵智慧車輛場段的信息感知采集是以各種信息網(wǎng)絡(luò)，如工業(yè)以太網(wǎng)、傳感網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)等為基礎(chǔ)，要求該場段內(nèi)各種信息網(wǎng)絡(luò)形成高效連接，實(shí)現(xiàn)地鐵車輛場段信息的互聯(lián)互通，以及信息資源的綜合化與深入化。將各個(gè)獨(dú)立且自成體系的小型信息網(wǎng)絡(luò)連接成一個(gè)互聯(lián)互通的大型信息網(wǎng)絡(luò)，可以有效增加信息的交互程度，使信息網(wǎng)絡(luò)對所有組成生產(chǎn)要素對象的價(jià)值獲得全面提高，從而使信息網(wǎng)絡(luò)的總體價(jià)值顯著提升，并形成強(qiáng)大的吸收力，吸引更多的生產(chǎn)要素信息加入信息網(wǎng)絡(luò)，形成地鐵智能場段信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)充與信息量的增加及信息升值。

2.3 業(yè)務(wù)信息資源協(xié)同共享

在傳統(tǒng)的地鐵場段中，各種信息資源被各專業(yè)、各部門、各設(shè)備等之間的業(yè)務(wù)界限和堡壘所割裂，信息資源的構(gòu)架形式是零散、細(xì)碎的，形成了信息資源“孤島”現(xiàn)象。地鐵智慧車輛場段信息資源協(xié)同共享的目的,就是要破除這些業(yè)務(wù)界限和堡壘，形成一個(gè)具有綜合性、統(tǒng)一性的地鐵車輛場段業(yè)務(wù)信息資源體系，使地鐵車輛場段業(yè)務(wù)信息資源不再出現(xiàn)“孤島”現(xiàn)象，便于業(yè)務(wù)信息資源的有效利用。

通過地鐵智慧車輛場段的業(yè)務(wù)信息資源協(xié)同共享，地鐵車輛場段生產(chǎn)、運(yùn)營、管理等任何一個(gè)生產(chǎn)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，均可在相關(guān)授權(quán)后運(yùn)行相關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)業(yè)務(wù)，并對其生產(chǎn)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)際操作，從而可以根據(jù)地鐵車輛場段生產(chǎn)運(yùn)營管理系統(tǒng)的需要，使各類資源各負(fù)其責(zé)地發(fā)揮其最大的作用；使各專業(yè)、各部門、各設(shè)備等子系統(tǒng)中蘊(yùn)含的資源，能夠按照地鐵車輛場段生產(chǎn)運(yùn)營管理系統(tǒng)的需要協(xié)調(diào)統(tǒng)一調(diào)配，進(jìn)而使該場段的整體作用大大優(yōu)于各專業(yè)、各部門、各設(shè)備等各個(gè)子系統(tǒng)簡單疊加的作用。

2.4 擁有智能分析處理的能力

地鐵智慧車輛場段擁有的數(shù)量繁多、組成繁雜的信息資源體系，是其決策和操作的基礎(chǔ)。該場段需要具有對所擁有的海量信息資源進(jìn)行智能分析與處理的能力，這就要求地鐵智慧車輛場段智能系統(tǒng)能根據(jù)不斷接收的各種需求，對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析、判斷和預(yù)測，最終形成智能決策，并向相應(yīng)的執(zhí)行設(shè)備發(fā)出操作指令。

2.5 具備自我學(xué)習(xí)進(jìn)步的能力

地鐵智慧車輛場段智能系統(tǒng)包括自我評價(jià)與監(jiān)控、目標(biāo)設(shè)置與策略計(jì)劃、策略執(zhí)行與監(jiān)控及策略結(jié)果監(jiān)控等子系統(tǒng)。該智能系統(tǒng)通過自我評價(jià)與監(jiān)控系統(tǒng)能夠評價(jià)地鐵智慧車輛場段在某一項(xiàng)生產(chǎn)、運(yùn)營或管理任務(wù)中的現(xiàn)有能力水平;通過目標(biāo)設(shè)置與策略計(jì)劃系統(tǒng)分析任務(wù)、設(shè)置目標(biāo)、計(jì)劃和改進(jìn)學(xué)習(xí)策略;通過策略執(zhí)行與監(jiān)控系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)化的情境中使用某種策略，或在使用該策略的過程中監(jiān)控其精確性;最后通過策略結(jié)果監(jiān)控系統(tǒng)對所使用的每種策略結(jié)果的監(jiān)控、反思與修正，決定所選策略的有效性。學(xué)會對策略結(jié)果進(jìn)行監(jiān)控是保證自我調(diào)節(jié)有效性的重要前提。

2.6 信息應(yīng)用以開放為特性

地鐵智慧車輛場段的信息應(yīng)用以開放為特性，智能處理不是信息使用過程的最終結(jié)果，亦不是停留在某專業(yè)或某設(shè)備部門對信息的掌控和分配上，而是搭建開放式的信息應(yīng)用平臺，使專業(yè)、設(shè)備、子系統(tǒng)等個(gè)體能為整個(gè)地鐵智慧車輛場段系統(tǒng)貢獻(xiàn)信息，使個(gè)體間能通過地鐵智慧車輛場段系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，能將處理后的各類信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給信息需求者，或?qū)刂平K端進(jìn)行直接操作。這將充分利用系統(tǒng)的現(xiàn)有能力，極大豐富地鐵智慧車輛場段的信息資源，從而完成信息的增值利用。

3 地鐵智慧車輛場段的業(yè)務(wù)組成及體系構(gòu)架

3.1 地鐵智慧車輛場段的業(yè)務(wù)組成

地鐵車輛場段為車輛停放、運(yùn)用、整備和檢修的基地，主要由生產(chǎn)生活房屋、機(jī)電設(shè)備、檢修工藝設(shè)備等組成，主要業(yè)務(wù)涵蓋數(shù)據(jù)管理、基礎(chǔ)信息管理、設(shè)備設(shè)施管理、車輛檢修管理及人員管理等。地鐵智慧車輛場段業(yè)務(wù)組成詳見圖1。

注:TCMS為列車控制與管理系統(tǒng)。圖1 地鐵智慧車輛場段業(yè)務(wù)組成示意圖

3.2 地鐵智慧車輛場段的體系架構(gòu)

3.2.1 地鐵智慧車輛場段體系架構(gòu)的搭建目標(biāo)

地鐵智慧車輛場段體系構(gòu)架搭建的目標(biāo)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1) 構(gòu)建融合發(fā)展的車輛場段數(shù)據(jù)平臺。通過融合各專業(yè)、各部門及各種設(shè)備等的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，提供快速、靈活、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用擴(kuò)展能力，以及精確的業(yè)務(wù)服務(wù)，解決海量信息數(shù)據(jù)的采集、處理及應(yīng)用分析挖掘，形成持續(xù)的數(shù)據(jù)整合和應(yīng)用能力，以完成基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的地鐵智慧車輛場段的業(yè)務(wù)優(yōu)化。

2) 構(gòu)建安全、可靠的車輛場段運(yùn)行平臺。通過共享信息資源的方式統(tǒng)一管理信息資源，提供一個(gè)供給彈性和高可靠性的應(yīng)用運(yùn)行平臺環(huán)境，滿足地鐵車輛場段業(yè)務(wù)應(yīng)用及高并發(fā)用戶的訪問需求。

3) 構(gòu)建能夠持續(xù)迭代的車輛場段開發(fā)平臺。通過開放與標(biāo)準(zhǔn)化的開發(fā)架構(gòu)，向車輛場段內(nèi)各專業(yè)、各部門、各種設(shè)備及業(yè)務(wù)運(yùn)行提供持續(xù)迭代的應(yīng)用開發(fā)能力和開發(fā)生態(tài)圈，以滿足未來對車輛場段業(yè)務(wù)變化的快速響應(yīng)。

4) 構(gòu)建便捷、泛在的車輛場段網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。通過各種通信連接方式，實(shí)現(xiàn)感知層基礎(chǔ)設(shè)備至車輛場段、車輛場段至地鐵運(yùn)營控制中心、控制中心至線網(wǎng)的信息傳送和交換,為地鐵智慧車輛場段提供泛在、隨需、極簡且更為靈活的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

5) 構(gòu)建安全、綠色的車輛場段基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境?；谔摂M化和分布式存儲、并行計(jì)算、負(fù)載調(diào)度等技術(shù)設(shè)置統(tǒng)一的車輛場段基礎(chǔ)設(shè)施資源池，為智慧車輛場段各專業(yè)、各部門的各項(xiàng)業(yè)務(wù)提供彈性調(diào)度、按需分配的基礎(chǔ)架構(gòu)資源服務(wù)。

6) 構(gòu)建協(xié)同的地鐵車輛場段行業(yè)技術(shù)組件庫。匯聚協(xié)同統(tǒng)一的智慧車輛場段通用技術(shù)組件和通用AI(人工智能)技術(shù)組件，為上層業(yè)務(wù)應(yīng)用提供基于行業(yè)技術(shù)的組件庫，以及快速拼裝業(yè)務(wù)能力，以提高應(yīng)用開發(fā)的交付速度。

3.2.2 地鐵智慧車輛場段體系架構(gòu)的設(shè)計(jì)

地鐵智慧車輛場段架構(gòu)主要是以云為核心，通過網(wǎng)的按需連接，實(shí)現(xiàn)對終端、資源、數(shù)據(jù)及主題的匯聚集成與優(yōu)化配置，最終解決多類設(shè)備接入、多源數(shù)據(jù)集成、海量數(shù)據(jù)管理與處理、數(shù)據(jù)建模分析、業(yè)務(wù)應(yīng)用創(chuàng)新與集成、知識積累迭代實(shí)現(xiàn)等一系列問題。該架構(gòu)由6個(gè)層面、2大體系組成，主要實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)調(diào)度、安全生產(chǎn)、內(nèi)部管理、對外服務(wù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的全面支撐，如圖2所示。

3.2.3 地鐵智慧車輛場段體系架構(gòu)的特點(diǎn)

地鐵智慧車輛場段體系架構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

1) 具備各類信息資源和數(shù)據(jù)共享的特點(diǎn)。提供應(yīng)用功能信息資源池和數(shù)據(jù)資源池，能為各專業(yè)、各部門應(yīng)用系統(tǒng)提供功能與數(shù)據(jù)的貢獻(xiàn)和分享能力，可減少應(yīng)用系統(tǒng)的重復(fù)功能開發(fā)，同時(shí)提供綜合分析和展現(xiàn)能力。

2) 具備開放的特點(diǎn)。可將各專業(yè)技術(shù)和業(yè)務(wù)能力沉淀，具備對各種業(yè)務(wù)變化及創(chuàng)新的快速響應(yīng)能力，對于應(yīng)用開發(fā)、應(yīng)用管理、打破應(yīng)用豎井和業(yè)務(wù)壁壘有著深遠(yuǎn)影響。

注:MES為生產(chǎn)信息化管理;SCADA為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng);EDP為電子數(shù)據(jù)處理;PIS為乘客信息系統(tǒng);HTTP為超文本傳輸協(xié)議;MQTT為即時(shí)通信協(xié)議;OPCUA為工業(yè)通信協(xié)議;ETL為抽取、轉(zhuǎn)換、加載。

3) 具備可持續(xù)迭代優(yōu)化的功能。系統(tǒng)采用微服務(wù)架構(gòu)，未來其共享功能將不斷被重復(fù)調(diào)用，各類關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)系統(tǒng)也將不斷優(yōu)化和完善，具備可持續(xù)迭代優(yōu)化的能力。

4 結(jié)語

地鐵智慧車輛場段的概念和特征是動態(tài)的。隨著地鐵智慧車輛場段的生產(chǎn)、運(yùn)營、管理等實(shí)踐的不斷改進(jìn)，其概念和特征的內(nèi)涵和外延也將在發(fā)展中不斷變化、豐富和完善。本文主要探討了地鐵智慧車輛場段的概念、核心特征及體系構(gòu)架，以期對地鐵車輛場段未來的智慧化發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。