北京和利時系統(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，中國內(nèi)陸城市中的大型機場已開通或規(guī)劃旅客捷運系統(tǒng)的線路共16條。當(dāng)前，我國樞紐機場陸續(xù)實施改擴(kuò)建工程，干線鐵路、城際鐵路和軌道交通也在加快建設(shè)，為樞紐機場立體化全方位綜合交通體系創(chuàng)造了機遇和條件。機場旅客捷運系統(tǒng)涉及專業(yè)眾多，需監(jiān)控維護(hù)的設(shè)備種類復(fù)雜、數(shù)量繁多，且隨著機場客流的增加還會帶來運維檢修的壓力。現(xiàn)階段機場旅客捷運系統(tǒng)方案還是以各類弱電、機電系統(tǒng)獨立建設(shè)、接口互聯(lián)的方式實施，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)類型單一，無法支撐有效的數(shù)據(jù)分析手段，各專業(yè)信息形成孤島，共享困難，信息滯后，實時性和追蹤性差。除機場旅客捷運系統(tǒng)外，近些年在國內(nèi)建設(shè)及運營里程逐年上升的其他軌道交通系統(tǒng)（如有軌電車、單軌、輕軌、地鐵等）同樣面臨上述問題和挑戰(zhàn)。

本解決方案的主要目標(biāo)是采用邊緣計算與云邊協(xié)同技術(shù)，滿足機場旅客捷運系統(tǒng)中多個專業(yè)，如信號（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）、站臺門（PSD）、車輛、機電等的生產(chǎn)調(diào)度和智能運維，進(jìn)而實現(xiàn)資源利用合理化、項目收益最大化，打造智慧、綠色、安全、舒適的行業(yè)亮點工程，同時推進(jìn)旅客捷運系統(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的架構(gòu)部署方式，以統(tǒng)一平臺化建設(shè)、輕量化應(yīng)用、節(jié)省資源為目的，核心圍繞“云、邊、端”三個層次，利用人工智能、云計算、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、開放式、易擴(kuò)展的綜合管控平臺。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TOS，打造通用PaaS、城軌PaaS和大數(shù)據(jù)平臺，支撐城軌智能應(yīng)用高效實現(xiàn)。邊端部署邊緣智能控制器（EIC，Edge Intelligence Controller），實現(xiàn)站點現(xiàn)場級邊緣側(cè)被控設(shè)備和運維設(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TOS構(gòu)建，平臺計算資源集中、規(guī)模龐大，具備高可用性和高擴(kuò)展性的特點，能以虛擬化的方式共享資源。云端采用分布式部署架構(gòu)，能提供各專業(yè)應(yīng)用軟件所需的容器和微服務(wù)運行環(huán)境、軟件運行所需的通用功能服務(wù)機、共享數(shù)據(jù)服務(wù)等。智能城軌綜合業(yè)務(wù)平臺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TOS邏輯架構(gòu)圖

邊端基于EIC構(gòu)建，EIC是和利時自主研發(fā)的邊緣計算平臺產(chǎn)品，該產(chǎn)品是以緊湊的工業(yè)尺寸，融合工業(yè)實時控制、邊緣計算、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、邊緣計算、協(xié)議轉(zhuǎn)換等行業(yè)應(yīng)用，與中心云平臺深度融合，實現(xiàn)云邊協(xié)同。邊緣智能控制器的實物圖及邏輯架構(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)場監(jiān)控：具備大型PLC功能，支持雙機架冗余，系統(tǒng)單站最大容量支持100000物理點，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：具備邊緣計算能力，可承載行業(yè)工藝算法、專家系統(tǒng)等，實現(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)測分析、節(jié)能優(yōu)化等多種復(fù)雜場景。

（3）物聯(lián)網(wǎng)關(guān)：具備跨專業(yè)跨類型的現(xiàn)場數(shù)據(jù)匯聚能力，支持多種有線、無線接入及TSN時序控制網(wǎng)絡(luò)，可滿足各類協(xié)議轉(zhuǎn)換及設(shè)備互操作，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合與共享。

（4）智慧賦能：具備算力計算資源并支持?jǐn)U展，提供可靠的智能算法運行環(huán)境，適用于視頻、圖像、語音等場景，為整個工業(yè)現(xiàn)場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)合整體項目需求，其主要實現(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功能實現(xiàn)對現(xiàn)場所有機電設(shè)備的自動化監(jiān)控和管理，包括各種單點控制、順序控制、模式控制及與其他系統(tǒng)的聯(lián)動控制。

（2）前端處理器（FEP）功能：利用EIC的邊緣計算能力實現(xiàn)前端處理器功能，在站點邊端接入各類與生產(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Γ⒂行У貙⒅悄艹擒壘C合業(yè)務(wù)平臺與互聯(lián)集成子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行隔離。

（3）機電智能運維功能：利用EIC的邊緣計算和數(shù)據(jù)采集能力，通過數(shù)據(jù)挖掘分析，部署智能診斷算法實現(xiàn)重點設(shè)備的健康狀況評估和全壽命周期管理。

（4）車輛智能運維功能：利用EIC的邊緣計算能力，完成所在列車數(shù)據(jù)的收集和轉(zhuǎn)發(fā)，為車載運維軟件提供計算平臺。車站運維軟件可實現(xiàn)對列車各類設(shè)備數(shù)據(jù)的清洗、存儲、分析、治理，并將計算結(jié)果傳送至智能運維平臺。

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　代表性及推廣價值

該方案是完全落地的邊緣計算與云邊協(xié)同的典型場景案例，除機場旅客捷運系統(tǒng)外，同樣適用于其他交通業(yè)務(wù)場景（如軌道交通、公路、機場等）。整體技術(shù)成果處于國內(nèi)外領(lǐng)先地位，同時充分考慮交通行業(yè)設(shè)備監(jiān)控及運維的實際需求，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)對設(shè)備監(jiān)控及運維的高標(biāo)準(zhǔn)要求。該方案采用一套軟硬件系統(tǒng)即可實現(xiàn)對整個自動化業(yè)務(wù)的多維度管理，實現(xiàn)了智能監(jiān)控和智能運維的統(tǒng)一結(jié)合。

該方案在先進(jìn)技術(shù)上有以下代表性：

（1）實時控制：基于EIC的邊緣控制平臺，設(shè)計多核CPU+FPGA+GPU混合異構(gòu)架構(gòu)，支撐邏輯控制、過程控制、運動控制等實時任務(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，支持雙機架冗余，自研組態(tài)軟件，遵循IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，支持多種語言編程。

（2）邊緣計算：基于EIC的邊緣控制平臺，采用高性能處理器及靈活的模塊化設(shè)計，實現(xiàn)算力、網(wǎng)絡(luò)、存儲資源的擴(kuò)展，提高了邊端的響應(yīng)速度，降低了對云端資源的需求，并能將實時控制和邊緣計算有機結(jié)合，簡化了系統(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，實現(xiàn)被控設(shè)備的在線故障診斷報警、健康監(jiān)測、故障趨勢預(yù)測、維修預(yù)測、故障原因分析等功能，提升了運維智能化水平。

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

該方案已應(yīng)用于重慶機場T3航站樓機場旅客捷運系統(tǒng)，在該線路上其采用TOS+EIC的云邊結(jié)合方案，實現(xiàn)集成互聯(lián)子系統(tǒng)接入、機電設(shè)備實時監(jiān)控、機電設(shè)備故障診斷、車輛運維故障診斷等功能。該方案帶來的價值成效如下：

（1）降低工程造價：上層TOS云平臺實現(xiàn)軟硬件資源共享，使得一體化軟硬件資源利用率高；現(xiàn)場層EIC的實時監(jiān)控和邊緣計算功能，實現(xiàn)了傳統(tǒng)PLC、前端處理器、工控機三類設(shè)備功能，減少了重復(fù)性工程投資。

（2）保障運營安全：工業(yè)級產(chǎn)品及完善的冗余設(shè)計機制，保證了各層級系統(tǒng)穩(wěn)定運行；邊緣計算能力提供了設(shè)備實時故障診斷預(yù)測功能，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，提升了安全運營能力。

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

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

摘自《自動化博覽》2024年第二期暨《邊緣計算2024專輯》