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北京和利時(shí)系統(tǒng)工程有限公司王仁哲，武翔宇

1　目標(biāo)和概述

截至2022年底，中國(guó)內(nèi)陸城市中的大型機(jī)場(chǎng)已開(kāi)通或規(guī)劃旅客捷運(yùn)系統(tǒng)的線路共16條。當(dāng)前，我國(guó)樞紐機(jī)場(chǎng)陸續(xù)實(shí)施改擴(kuò)建工程，干線鐵路、城際鐵路和軌道交通也在加快建設(shè)，為樞紐機(jī)場(chǎng)立體化全方位綜合交通體系創(chuàng)造了機(jī)遇和條件。機(jī)場(chǎng)旅客捷運(yùn)系統(tǒng)涉及專(zhuān)業(yè)眾多，需監(jiān)控維護(hù)的設(shè)備種類(lèi)復(fù)雜、數(shù)量繁多，且隨著機(jī)場(chǎng)客流的增加還會(huì)帶來(lái)運(yùn)維檢修的壓力。現(xiàn)階段機(jī)場(chǎng)旅客捷運(yùn)系統(tǒng)方案還是以各類(lèi)弱電、機(jī)電系統(tǒng)獨(dú)立建設(shè)、接口互聯(lián)的方式實(shí)施，導(dǎo)致信息碎片化現(xiàn)象嚴(yán)重、數(shù)據(jù)一致性差、數(shù)據(jù)類(lèi)型單一，無(wú)法支撐有效的數(shù)據(jù)分析手段，各專(zhuān)業(yè)信息形成孤島，共享困難，信息滯后，實(shí)時(shí)性和追蹤性差。除機(jī)場(chǎng)旅客捷運(yùn)系統(tǒng)外，近些年在國(guó)內(nèi)建設(shè)及運(yùn)營(yíng)里程逐年上升的其他軌道交通系統(tǒng)（如有軌電車(chē)、單軌、輕軌、地鐵等）同樣面臨上述問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

本解決方案的主要目標(biāo)是采用邊緣計(jì)算與云邊協(xié)同技術(shù)，滿足機(jī)場(chǎng)旅客捷運(yùn)系統(tǒng)中多個(gè)專(zhuān)業(yè)，如信號(hào)（ATS）、綜合監(jiān)控（ISCS）、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控（BAS）、電力監(jiān)控（PSCADA）、通信（TX）、站臺(tái)門(mén)（PSD）、車(chē)輛、機(jī)電等的生產(chǎn)調(diào)度和智能運(yùn)維，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)資源利用合理化、項(xiàng)目收益最大化，打造智慧、綠色、安全、舒適的行業(yè)亮點(diǎn)工程，同時(shí)推進(jìn)旅客捷運(yùn)系統(tǒng)和軌道交通行業(yè)的高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展。

2　方案介紹

該解決方案整體采用基于云平臺(tái)的架構(gòu)部署方式，以統(tǒng)一平臺(tái)化建設(shè)、輕量化應(yīng)用、節(jié)省資源為目的，核心圍繞“云、邊、端”三個(gè)層次，利用人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、BIM、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等智能化技術(shù)，構(gòu)建全息感知、泛在連接、云邊協(xié)同、開(kāi)放式、易擴(kuò)展的綜合管控平臺(tái)。云端在云基礎(chǔ)設(shè)施資源（IaaS層）的基礎(chǔ)上部署智能城軌綜合業(yè)務(wù)平臺(tái)TOS，打造通用PaaS、城軌PaaS和大數(shù)據(jù)平臺(tái)，支撐城軌智能應(yīng)用高效實(shí)現(xiàn)。邊端部署邊緣智能控制器（EIC，Edge Intelligence Controller），實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)邊緣側(cè)被控設(shè)備和運(yùn)維設(shè)備的接入，為上層應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。

該解決方案總體系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 總體系統(tǒng)架構(gòu)圖

云端基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能城軌綜合業(yè)務(wù)平臺(tái)TOS構(gòu)建，平臺(tái)計(jì)算資源集中、規(guī)模龐大，具備高可用性和高擴(kuò)展性的特點(diǎn)，能以虛擬化的方式共享資源。云端采用分布式部署架構(gòu)，能提供各專(zhuān)業(yè)應(yīng)用軟件所需的容器和微服務(wù)運(yùn)行環(huán)境、軟件運(yùn)行所需的通用功能服務(wù)機(jī)、共享數(shù)據(jù)服務(wù)等。智能城軌綜合業(yè)務(wù)平臺(tái)TOS邏輯架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 智能城軌綜合業(yè)務(wù)平臺(tái)TOS邏輯架構(gòu)圖

邊端基于EIC構(gòu)建，EIC是和利時(shí)自主研發(fā)的邊緣計(jì)算平臺(tái)產(chǎn)品，該產(chǎn)品是以緊湊的工業(yè)尺寸，融合工業(yè)實(shí)時(shí)控制、邊緣計(jì)算、邊云協(xié)同、物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、信息安全等核心能力的邊緣智能控制設(shè)備。依托虛擬化技術(shù)，可將邊緣智能控制器劃分為工業(yè)控制、邊緣計(jì)算等不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)，靈活劃分各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的硬件資源、外設(shè)，使得各系統(tǒng)安全隔離、靈活擴(kuò)展。其集成成熟的工業(yè)控制、邊緣計(jì)算、協(xié)議轉(zhuǎn)換等行業(yè)應(yīng)用，與中心云平臺(tái)深度融合，實(shí)現(xiàn)云邊協(xié)同。邊緣智能控制器的實(shí)物圖及邏輯架構(gòu)圖如圖3、圖4所示。

圖3 邊緣智能控制器實(shí)物圖

圖4 邊緣智能控制器邏輯架構(gòu)圖

EIC主要有以下功能：

（1）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控：具備大型PLC功能，支持雙機(jī)架冗余，系統(tǒng)單站最大容量支持100000物理點(diǎn)，系統(tǒng)最小控制周期10ms，具備智能網(wǎng)關(guān)功能，支持多種主流總線協(xié)議。

（2）智能控制：具備邊緣計(jì)算能力，可承載行業(yè)工藝算法、專(zhuān)家系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)智能控制與傳統(tǒng)邏輯控制的融合，適用于故障診斷、預(yù)測(cè)分析、節(jié)能優(yōu)化等多種復(fù)雜場(chǎng)景。

（3）物聯(lián)網(wǎng)關(guān)：具備跨專(zhuān)業(yè)跨類(lèi)型的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)匯聚能力，支持多種有線、無(wú)線接入及TSN時(shí)序控制網(wǎng)絡(luò)，可滿足各類(lèi)協(xié)議轉(zhuǎn)換及設(shè)備互操作，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合與共享。

（4）智慧賦能：具備算力計(jì)算資源并支持?jǐn)U展，提供可靠的智能算法運(yùn)行環(huán)境，適用于視頻、圖像、語(yǔ)音等場(chǎng)景，為整個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)提供基于人工智能的輔助決策。

EIC在該解決方案中被部署于邊端，結(jié)合整體項(xiàng)目需求，其主要實(shí)現(xiàn)以下應(yīng)用功能：

（1）環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控功能：利用EIC的大型PLC功能實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所有機(jī)電設(shè)備的自動(dòng)化監(jiān)控和管理，包括各種單點(diǎn)控制、順序控制、模式控制及與其他系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制。

（2）前端處理器（FEP）功能：利用EIC的邊緣計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)前端處理器功能，在站點(diǎn)邊端接入各類(lèi)與生產(chǎn)調(diào)度相關(guān)的互聯(lián)集成子系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)格式、協(xié)議的轉(zhuǎn)換，減輕云端服務(wù)器與網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膲毫?，并有效地將智能城軌綜合業(yè)務(wù)平臺(tái)與互聯(lián)集成子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行隔離。

（3）機(jī)電智能運(yùn)維功能：利用EIC的邊緣計(jì)算和數(shù)據(jù)采集能力，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘分析，部署智能診斷算法實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)設(shè)備的健康狀況評(píng)估和全壽命周期管理。

（4）車(chē)輛智能運(yùn)維功能：利用EIC的邊緣計(jì)算能力，完成所在列車(chē)數(shù)據(jù)的收集和轉(zhuǎn)發(fā)，為車(chē)載運(yùn)維軟件提供計(jì)算平臺(tái)。車(chē)站運(yùn)維軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)各類(lèi)設(shè)備數(shù)據(jù)的清洗、存儲(chǔ)、分析、治理，并將計(jì)算結(jié)果傳送至智能運(yùn)維平臺(tái)。

該解決方案EIC在邊端的系統(tǒng)架構(gòu)及數(shù)據(jù)流向圖如圖5所示。

3　代表性及推廣價(jià)值

該方案是完全落地的邊緣計(jì)算與云邊協(xié)同的典型場(chǎng)景案例，除機(jī)場(chǎng)旅客捷運(yùn)系統(tǒng)外，同樣適用于其他交通業(yè)務(wù)場(chǎng)景（如軌道交通、公路、機(jī)場(chǎng)等）。整體技術(shù)成果處于國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先地位，同時(shí)充分考慮交通行業(yè)設(shè)備監(jiān)控及運(yùn)維的實(shí)際需求，方案具備良好的可復(fù)制性和擴(kuò)展性，能滿足交通行業(yè)對(duì)設(shè)備監(jiān)控及運(yùn)維的高標(biāo)準(zhǔn)要求。該方案采用一套軟硬件系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)自動(dòng)化業(yè)務(wù)的多維度管理，實(shí)現(xiàn)了智能監(jiān)控和智能運(yùn)維的統(tǒng)一結(jié)合。

該方案在先進(jìn)技術(shù)上有以下代表性：

（1）實(shí)時(shí)控制：基于EIC的邊緣控制平臺(tái)，設(shè)計(jì)多核CPU+FPGA+GPU混合異構(gòu)架構(gòu)，支撐邏輯控制、過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制等實(shí)時(shí)任務(wù)處理，控制任務(wù)調(diào)度周期最小10ms，系統(tǒng)單站容量最大100000物理點(diǎn)，支持雙機(jī)架冗余，自研組態(tài)軟件，遵循IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，支持多種語(yǔ)言編程。

（2）邊緣計(jì)算：基于EIC的邊緣控制平臺(tái)，采用高性能處理器及靈活的模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)算力、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)資源的擴(kuò)展，提高了邊端的響應(yīng)速度，降低了對(duì)云端資源的需求，并能將實(shí)時(shí)控制和邊緣計(jì)算有機(jī)結(jié)合，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件架構(gòu)，降低了設(shè)備和工程部署成本。

（3）智能運(yùn)維：基于EIC整合的多維度大數(shù)據(jù)和所提供的算力資源，部署人工智能算法，實(shí)現(xiàn)被控設(shè)備的在線故障診斷報(bào)警、健康監(jiān)測(cè)、故障趨勢(shì)預(yù)測(cè)、維修預(yù)測(cè)、故障原因分析等功能，提升了運(yùn)維智能化水平。

（4）云邊協(xié)同：基于云端TOS與邊端EIC架構(gòu)，通過(guò)提供容器化的部署平臺(tái)，云端TOS進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)建立模型，邊端EIC根據(jù)模型實(shí)時(shí)計(jì)算和控制輸出，并能持續(xù)優(yōu)化更新模型，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用業(yè)務(wù)的全過(guò)程協(xié)同同步。

該方案已應(yīng)用于重慶機(jī)場(chǎng)T3航站樓機(jī)場(chǎng)旅客捷運(yùn)系統(tǒng)，在該線路上其采用TOS+EIC的云邊結(jié)合方案，實(shí)現(xiàn)集成互聯(lián)子系統(tǒng)接入、機(jī)電設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控、機(jī)電設(shè)備故障診斷、車(chē)輛運(yùn)維故障診斷等功能。該方案帶來(lái)的價(jià)值成效如下：

（1）降低工程造價(jià)：上層TOS云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)軟硬件資源共享，使得一體化軟硬件資源利用率高；現(xiàn)場(chǎng)層EIC的實(shí)時(shí)監(jiān)控和邊緣計(jì)算功能，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)PLC、前端處理器、工控機(jī)三類(lèi)設(shè)備功能，減少了重復(fù)性工程投資。

（2）保障運(yùn)營(yíng)安全：工業(yè)級(jí)產(chǎn)品及完善的冗余設(shè)計(jì)機(jī)制，保證了各層級(jí)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；邊緣計(jì)算能力提供了設(shè)備實(shí)時(shí)故障診斷預(yù)測(cè)功能，將事后故障處置轉(zhuǎn)變?yōu)槭虑邦A(yù)警處置，提前預(yù)知潛在隱患，提升了安全運(yùn)營(yíng)能力。

（3）提升運(yùn)維效率：云邊端各層級(jí)自下而上整合原孤立系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)的統(tǒng)一終端運(yùn)維，并為運(yùn)維工作提供了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支撐、輔助決策建議、故障處置建議等，提升了運(yùn)維人員辦公效率。

（4）降低運(yùn)維成本：大數(shù)據(jù)平臺(tái)針對(duì)運(yùn)維數(shù)據(jù)的積累和機(jī)理模型的深入研究，將傳統(tǒng)的計(jì)劃修、故障修運(yùn)維模式轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)修，達(dá)到了最合理的維檢修周期，避免了過(guò)度修、欠修帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失，減少了運(yùn)維人員投入。

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年第二期暨《邊緣計(jì)算2024專(zhuān)輯》