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中国智能交通协会

轨道交通信息服务与运营保障成套技术与应用

2021-09-09   来源:中国智能交通协会


林湛  李樊  王志飞  赵俊华  杜呈欣
1.中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所  北京  100081
2.北京经纬信息技术公司  北京  100081


  1系统概述
  随着轨道交通的快速发展,车站级、线路级、线网级的乘客信息服务与运营保障产品无法满足轨道交通以乘客为本的自动化、智能化和人性化发展趋势。各系统功能单一、相对分散独立、平台种类多,存在无法协同联动、信息资源共享程度低,新技术、新设备应用不足等问题。具体问题如下:
  1) 自动化程度低。造成信息交互复杂度高,难以实现各车站业务联动指挥和乘客全行程的信息服务,在信息集中管理、运营协调监管、设备状态监测展示、运营辅助决策等功能的运营协调水平和信息同步能力不足。要实现轨道交通统一的调度指挥,不得不人员涉入和干预,有大量机械重复性工作,这样就降低了指挥调度的可靠性、响应性和效率性,导致安全防护、运营辅助决策、运营协调水平和信息同步能力低。
  2) 互联互通性差。各系统独立建设和运营、信息资源共享程度低,难以实现协同联动,网络运营组织灵活性差,整体运营效率低。
  3) 各系统分散。中心系统涉及接口专业众多,但是这些子系统间自成体系、各自为政,无法实现系统间信息的交互、融合,信息孤岛严重,基础设施分散,网络资源浪费,安全管控偏弱,运维体系失衡。
  针对上述问题,创新性开发的轨道交通信息服务与运营保障系统具有车站级安全防护、监控和信息服务,线路级信息传输、引导和发布,线网级运营实时监控和调度指挥等特点,广泛应用于轨道交通客运服务行业,提升了运营效率、服务质量和管理水平。
  2总体思路及技术方案
  2.1总体思路

  围绕着目前轨道交通存在的问题项目组开展创新性工作,开发了“站台级-线路级-线网级”成套信息服务与运营保障关键共性技术,并研制了相关系统和设备,有效的提高了我国轨道交通信息服务和运营管理水平,并形成一系列创新点,发明研制了相应装备,制定行业标准1项、企业标准3项。
  (1) 提出了基于目标图像识别和数字媒体的站台安全防护与监控技术
  项目拟突破自动化程度低,安全防护、运营辅助决策、运营协调水平和信息同步能力低的技术问题,基于图像识别和数字媒体技术研制了站台安全防护和监控系统,以及乘客引导的媒体播报系统,提高了系统的自动化和安全防护水平,解决了系统信息不同步、不及时、人员涉入和干预,及大量机械系重复性工作的问题,提高了系统的可靠性和可用性。
  (2) 提出了基于Docker容器和面向服务的多媒体信息定制化服务技术
  针对各系统间互联互通性差、网络运营组织灵活性差、网络整体效率低的问题,基于Docker容器和面向服务的多媒体信息定制化服务技术,研制了多类型多媒体资源的统一编辑、分组、播放系统,实现了乘客导引信息的快速传达和定制化传播技术,提高了网络的传输效率,各项业务功能数据的访问以面向“需求型”引导的方式发布,解决了系统间无法协同联动、信息资源共享程度低的问题。
  (3) 提出了基于“三维车站模型、设备状态实时监视、线网客流与行车调度”的三位一体可视化监控技术
  为提升线网运营的综合监管能力、服务水平、效益和安全保障能力,利用可视化监控技术,结合微服务、松耦合、服务组件等先进技术,研制了线网运营监控指挥管理平台,实现了以线网运营多维感知、智能维修、可视决策以及实时指挥为核心的网络化运营管理体系。解决了多运营主体、多线路衔接的调度指挥和应急协同的技术问题。
  2.2系统技术方案
  (1)基于数字媒体和目标图像识别的站台安全防护与监控技术
  伴随着城市轨道交通的智能化发展及乘客的安全性、舒适性需求提高,站台级乘客信息引导及安全防护系统目前存在以下几个问题:一是由于不能对乘客进行有效、快速的引导,导致乘客易聚集在车站的部分位置,一旦发生紧急情况更会导致生命财产安全。二是系统安全性不足和维护困难,特别是处于全自动运行场景时,乘客上下车过程存在跌落站台或被列车卷入的风险,对系统在安全保障上提出了新的功能需求和技术要求,因此迫切需要对站台级数字媒体及安全防护系统进行智能化升级和改造。针对上述问题,提出的技术方案如下:。
  1)基于数字媒体技术的多媒体动态合成显示技术
  从“站台级”出发,研发乘客运营信息服务系统,实现多类型多媒体资源的统一编辑、分组、播放,各项业务功能数据的访问以面向“需求型”引导的方式发布,实现了乘客的应急导引信息的快速传达和定制化传播技术。系统采用基于SOA(Service-Oriented Architecture)的架构体系,将乘客运营信息服务系统和路网中心内的各种数据以服务的方式向外公开,实现乘客运营信息各项业务功能的面向服务访问。
  基于数字媒体技术路线,通过对多媒体的表现形式、逻辑关系进行分析并数字化,通过数字化方式,实现多媒体信息在终端灵活、高效合成播放。本技术核心逻辑模块主要单元如图1所示。


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图 1系统逻辑模块和流程


  2)全自动运营场景下基于智能图像识别的站台安全防护系统
  基于图像识别的站台安全防护系统架构如图2所示,主要分为三层:接入层、系统层、算法层,再加上存储系统、监控系统、运维系统。接入层主要做一些输入输出的适配,如协议适配、参数适配、结果适配等;系统层是智能图像识别服务运行的系统框架,加载运行算法,提供稳定的识别服务,即图像识别服务框架;算法层:包括各种识别类型的算法及模型文件。


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图 2安全防护系统架构图


  针对全自动无人驾驶技术的应用,研究了基于智能图像识别的站台安全防护系统,实现了智能故障诊断及自动隔离关键技术,该技术可有效引导全自动运营模式下乘客可从正常车门上下列车,提高列车运行效率和乘客安全。此外,站台安全防护系统根据运行模式研制了正常、非正常和失电3种控制模式,这3种运行模式按照优先级由低到高的顺序对应信号系统(SIG)控制、就地控制(含PSL、IBP和LCB)和手动解锁3个控制级别。
  3)基于分布式云架构的站台级安全防护监控系统
  基于分布式云架构的站台安全防护监控系统,通过在核心节点、区域节点、 接入节点的分布式组云的方式部署,不但实现存储云化,还实现了业务软件云化部署、存储云化部署,具有高可靠性、高安全性、高并发性、易维护、易部署的特点。站台级安全防护监控系统的逻辑架构如图3所示。


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图 3系统逻辑架构图


  (2)基于Docker容器和面向服务的多媒体信息定制化服务技术
  传统的乘客信息系统中,车站设备数量多达上百台,分布距离较远,逐个设备部署、安装、调试的工作量非常巨大,导致线路级的乘客引导信息系统无法与需求相匹配、系统间信息共享度低、系统互联互通性差;软件部署量大、部署效率低。针对上述问题,提出的技术方案如下:。
  1)基于Docker容器的乘客信息系统
  在传统乘客信息系统的架构之上,引入Docker虚拟化技术。首先,软件供应商将既有应用软件进行镜像封装,然后依据Docker私有仓库(Registry)规范,搭建一套应用软件管理系统。该系统接入中心机房的核心交换机,负责管理乘客信息系统全部的应用镜像,并向各层级设备群提供镜像下载服务,如图4所示。


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图 4基于Docker的乘客信息系统部署架构


  2)基于云架构的多媒体信息定制编排技术
  针对传统技术的劣势,提出基于云架构的多媒体信息定制编排技术,将线网内所有PIS相关的数据访问全部云化,对外以单独的微服务组件形式提供,系统内所有的数据访问方式均通过云服务调用方式进行获取,然后结合各自业务需求进行业务逻辑处理,最终实现差异化的业务功能。如图5所示。


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图 5线网云PIS


  3)基于EDF的运营信息调度算法技术
  项目组应用基于最早截止期优先算法(EDF)的运营信息调度算法技术,适应乘客运营信息服务系统多类消息智能调度管理需要,满足乘客运营信息服务系统消息调度发布实时、高效的需求,适应系统的运营管理越来越智能化、越来越人性化的发展趋势。
  现有信息服务系统对运营信息的调度多结合或借鉴EDF调度算法思想,并结合运营信息的调度规则进行改进。通过设置周期轮询服务器程序,按照先来先服务的方式对任务队列中的任务进行优先级排序,并结合运营消息调度规则,生成相应时间周期内的执行任务,最终由播放终端进行执行。
  (3)基于“三维车站模型、设备状态实时监视、线网客流与行车调度”的三位一体可视化监控技术
  为提升网络化多层级调度指挥和智能运营决策能力,立足于城轨“站、线、网”三级面向网络化运营指挥管理服务,结合大数据、云计算、物联网技术,基于多种模式的大数据平台、云服务的混合式架构,构建了网络化运营监控指挥管理平台。作为“平台”提供一个全线网运营状态监控、智能运维、智能决策、统计分析、信息发布的新型综合性信息共享资源库;作为“系统”实现了线网运营效果评估、预警预测、实时动态调度、快速响应联动、运营策略与资源挖潜的网络化运营业务的功能。
  1)基于数据共享和对接的设备状态监测集成展示系统
  平台内建立了一套城市轨道交通地理信息库,形成了涵盖城轨的基础设施、设备系统、管线、救援资源等关键地理元素信息的符号库。针对城市轨道交通地理信息图元要素,编订一套城市轨道交通基础符号库,标识各类空间地物信息,形成城市轨道交通地理空间数据的统一标识。
  2)基于混合式大数据架构的智能施工调度管理系统
  从运营管理信息化角度出发,研发了基于B/S模式的智能施工调度管理系统框架及其标准化流程。充分考虑对轨道交通行业的施工特点、资源检测模式、运营管理需求的适应性和扩展性,建设施工调度管理系统,如图6所示。


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图 6智能施工调度管理


  通过建立智能化信息系统,协助人脑对施工作业条件和施工冲突进行判定,达到精准定位、精细计算、精密控制,从而减轻施工监控人员的工作量和工作强度,减少安全隐患,实现施工计划工作电子化、流程化、标准化,确保施工组织的安全、高效和有序进行。
  3)基于大数据可视化的线网运营策划管理系统
  以数据为驱动,进行集成、清洗、挖掘及融合应用。支持实时、历史、数据仓库、hadoop大数据平台等4种以上的数据库对接,实现了在线、近线、离线数据处理的兼容性。基于大数据平台构建元数据管理体系和数据挖掘技术,形成实时计算的一体融合。利用动态分层技术,扩展存储处理更大的数据量,实现大数据全生命周期管理。平台具备全线网多条线路、多运营主体的集中监视、运营监管和协调职能,实现线网运营智能决策指挥管理功能。
  从数据分析、智能研判、辅助决策角度为网络化运营决策指挥提供技术评估手段。有效地提升了系统的智能化和自动化能力。如图7所示为换成斜接界面。


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图 7换乘衔接界面


  3应用实践案例
  轨道交通信息服务与运营保障成套技术与应用项目目前已经全面应用于北京、上海、天津等城市的站台安全防护、乘客信息服务和运营调度指挥,经过几年的应用推广,取得了显著的社会经济效益,促进了轨道交通信息服务与运营保障良性发展。
  (1)项目的应用提高了轨道交通自动化程度和信息服务水平,作为车站级安防护和监控、信息引导的关键装备,改善乘客的出行体验,降低了安全事故的发生率,减少人员财产的损失。


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图 8 车站级装备应用


  项目研究的“安全防护系统”被写入行业国家铁路行业标准1项、铁路总公司标准1项、铁科院企业标准1项;申请发明授权专利7项、实用新型专利2项,软件著作权6项,研制出站台防护和乘客信息系统车站级系列产品。
  (2)项目的应用提升了系统间信息互联互通和高品质乘车信息引导服务水平,作为信息服务和运营保障线路级的关键环节之一,提供了线路信息纽带和高品质的定制化服务,避免了基础设施分散、网络资源浪费、安全管控偏弱、运维体系失衡。


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图 9 线路级装备应用


  项目研究的“乘客信息服务系统”被写入铁科院企业标准1项、北京市建设管理有限公司质量验收规范1项;申请发明授权专利4项、实用新型专利1项,软著6项,形成乘客信息系统线路级系列产品。
  (3)项目的应用提高了线网运营服务与安全管理智能化水平,作为信息服务和运营保障线网级的管理和决策平台,实现了重大事故和突发事件的快速响应能力和科学决策,避免了信息孤岛、基础设施分散、网络资源浪费、安全管控偏弱和运维体系失衡。


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图 10 线网级平台应用


  项目研究成果申请发明授权专利2项、软著21项,形成线网级调度指挥、设备状态监测、运营决策和智能运维等系列产品。
  4  总结
  轨道交通信息服务与运营保障技术具有信息服务、运营实时监控、调度指挥和安全防护等特点,广泛应用于城市轨道交通、高速铁路、城际铁路和市域铁路,提升了运营效率、服务质量和管理能力。项目自主化创新性成果将为提高轨道交通安全提供了坚实的理论、方法和工程技术奠定实践应用的基础。研究成果国产化程度高、工程造价低。
  “十三五”期间国家继续加大基础设施建设力度,铁路建设新线约3万公里,城市轨道交通运营里程将由目前的3500公里增加到6000公里,为轨道交通信息服务及安全运营创新发展提供了广阔的市场空间。按照国家“一带一路”战略,将加快推动中国铁路“走出去”,为轨道交通信息服务与运营保障成套技术应用拓展海外市场创造有利条件。

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