文章针对城市轨道交通数字化转型过程中车站机电系统各专业的新型智能系统各自为政、分立建设导致的成本高起、架构复杂和新烟囱式系统演变风险，基于数字底座技术开展车站机电系统总体架构研究，提出架构扁平化、设备模型化和业务协同化的设计理念，指出车站机电系统可按车站数字化运行系统和车站机电设备2级架构重塑，并据此给出车站数字底座及其业务应用系统的深化设计方案和车站机电设备的接入方案，为车站机电系统各专业设计提供统一的技术框架。示范应用结果表明，基于新架构的车站数字底座综合承载ISCS、FAS、BAS等传统机电系统和智能运维等新型智能系统，可实现资源共享、数据连通和融合应用，其功能和性能满足行业规范要求。
01
城市轨道交通车站机电系统包括通风空调 、 给排水 、 动力照明 、 电梯扶梯 、 站台门等设备专业和火灾自动报警系统 （ FAS ）、 机电设备监控系统 （ BAS ）、 门禁系统 （ ACS ）、 自动售检票系统 （ AFC ）、 综合监控系统 （ ISCS ） 等系统专业 ， 其特点为专业多 、 设备多 、 架构复杂 、 运维困难 。 近年来 ， 随着新一代信息技术的发展和智慧城轨建设的推动 ， 车站机电系统各专业纷纷推出各自的智能化系统方案 （ 如节能智能控制 、 设备智能运维等系统 ， 以下统称 “ 新型智能系统 ”）。 新型智能系统在赋能车站运营管理的同时 ， 也带来诸多问题 。 首先是各专业的新型智能系统各自为政 ， 封闭建设 ， 缺乏顶层规划 ， 存在技术架构不统一 、 设备资源不共享等问题和新烟囱式系统演变的风险 ； 其次是各专业独自构建的数据采集网络的重叠面较大 ， 存在重复投入 、 重复建设的问题 ， 推升建设成本 ； 最后是纵向的设备专业与横向的系统专业交叉重叠 ， 增加了车站机电系统架构的复杂性 ， 给车站机电设备运维管理带来新的挑战 。
数字化转型是城市轨道交通行业高质量发展的重要抓手 。 数字化转型的出发点和落脚点是提质 、 增效和赋能 。 目前 ， 城市轨道交通车站新型智能系统建设现状与车站数字化转型和高质量发展的目标之间还存在较大偏差 ， 迫切需要从车站机电系统整体架构层面进行研究 ， 在实现新型智能系统功能的同时 ， 防范新烟囱式系统建设风险 ， 形成架构统一 、 接口规范 、 资源共享的新型车站机电系统设计方案 。
数字底座技术是随着新一代信息技术发展而衍生出来的面向行业应用的新兴技术 ， 目前正成为推进数字中国战略 、 助力智慧城市建设的重要支撑 。 数字底座技术在城市轨道交通行业的应用尚处于探索阶段 ， 上海 、 南京等城市结合轨道交通业务需求开展数字底座方案的研究设计 ， 取得初步成果 。 其中上海申通地铁集团有限公司在智慧车站系统研究的基础上 ， 采用物联网和云计算技术 ， 提出车站数字底座的设想 ， 解决跨专业数据互通共享和多专业系统融合应用的难题 ， 为车站机电系统架构重塑和深化设计提供技术路径 。
02
新型车站机电系统架构设计方案应符合城市轨道交通数字化转型的目标方向 ， 兼顾传统车站机电系统和新型智能系统的建设需求 ， 其核心思想可概括为架构扁平化 、 设备模型化和业务协同化 3 个方面 。
采用数字底座技术 ， 将传统车站机电系统的层级架构重塑为扁平化架构 ， 车站机电设备直接接入车站数字底座 ， 业务应用系统 （ 包括新型智能系统 ） 由车站数字底座统一承载 ， 车站机电系统由多层架构转化为 2 层架构 ， 从而提升车站数据的交互效率 ， 简化专业设备的接口关系 ， 有效控制建设成本和运维成本 。 城市轨道交通车站机电系统架构扁平化重塑思路如图 1 所示 。
2.2 设备模型化
基于物联网设计理念 ， 将车站机电设备抽象为不同类型的数字化对象模型 ， 将传统基于工控测点的业务管理模式转型升级为基于物模型实例的业务管理模式 ， 实现设备模型标准化 、 接入方式标准化和车站机电设备的统型管理 ， 有效简化设备运维管理 ， 并为车站机电设备的数字孪生应用和可视化管理提供技术支撑 。
构建统一的数据管理平台 ， 打通不同专业之间的数据鸿沟 ， 实现业务数据的按需订阅和自动流转 ， 横向实现车站设备管理和车站客运管理的业务协同 ， 纵向实现中心调度指挥和车站运营管理的业务协同 。
03
按照架构扁平化设计思想 ， 新型车站机电系统总体架构简化为车站数字化运行系统和车站机电设备 2 个层级 ， 车站机电设备直接接入车站数字化运行系统 ， 取消中间层级的监控系统设置 。 ISCS 、 FAS 、 BAS 等专业系统与车站数字化运行系统融合 ， 重塑为基于车站数字底座的业务应用系统 。 新型智能系统基于车站数字底座建设 ， 共享底座数据资源 ， 提升应用开发效率 。
车站数字化运行系统采用分层解耦的技术架构 ， 由车站数字底座 （ 平台 ） 和承载在车站数字底座上的各类业务应用系统构成 。 车站数字化运行系统的逻辑架构如图 2 所示 。
3.1.1 车站数字底座
车站数字底座是 IT 基础设施资源与数据中台 、 业务中台的融合体 ， 既可以提供池化的计算资源 ， 也可以提供标准化的业务数据和专业服务 。
（ 1 ） IT 基础设施资源 。 车站数字底座采用弹性可扩展结构 ， 以超融合服务器为硬件基础 ， 通过虚拟化技术实现计算资源 、 存储资源和网络资源的池化管理 ， 对内为数据中台和业务中台提供软件承载的 IT 基础设施资源 ， 对外为各类业务应用系统提供软件承载的 IT 基础设施资源 。 车站数字底座依托超融合管理软件 ， 提供 IT 资源的高可用 （ HA ） 服务 ， 在物理主机故障时能自动迁移虚拟主机至正常工作的物理主机 ， 在虚拟主机宕机时具备自动重建虚拟主机的功能 。
（ 2 ） 数据中台 。 数据中台由设备接入 、 模型变换 、 数据管理 、 接口转发等一系列功能模块组成 ， 提供车站现场设备数据的采集 、 缓存 、 转发等功能 。 其中设备接入模块应同时支持 Modbus 等工控协议和消息队列遥测传输 （ MQTT ） 等物联协议 ， 实现不同接口类型设备的无缝接入 。 模型变换模块提供工控测点模型与物模型实例之间的变换 ， 实现工控协议接口设备的统一建模管理 。 数据管理模块用于车站数据缓存和统一集中管理 ， 对外以表述性状态转移风格 （ RESTful ） 应用程序接口 （ API ） 方式提供标准化的数据服务接口 。 接口转发模块用于实现线路 / 线网中心的数据转发 ， 转发协议支持 MQTT 等物联协议和 Modbus 等工控协议 。 数据中台各模块逻辑关系如图 3 所示 。
（ 3 ） 业务中台 。 业务中台由边缘计算 、 逻辑控制 、 设备管理 、 权限管理等一系列功能模块组成 ， 为车站业务管理提供基础能力支撑 。 其中边缘计算模块在提供函数计算功能外 ， 还提供车站业务数据的有效性检查 、 解析处理和统计分析 。 逻辑控制模块在提供通用逻辑运算功能外 ， 还提供轨道交通车站环控系统正常模式控制和火灾联动控制功能 。 设备管理模块提供车站设备物模型创建 、 物模型实例查询 、 设备影子监视等功能 。 权限管理模块提供设备监控权限管理功能 ， 为车站数字底座及其业务应用系统提供基于区域和角色的权限管理 。 业务中台是开放的 ， 可根据车站业务应用需要不断扩展其功能模块 ， 如构建智能算法库 ， 提供设备健康监测和故障诊断 ， 支撑设备智能运维应用 。
车站机电系统架构重塑后 ， 传统 ISCS 、 FAS 、 BAS 等专业系统重塑为基于车站数字底座的业务应用系统 ， 车站现场数据采集 、 处理等通用平台功能由车站数字底座统一实现 ， 通用计算资源由车站数字底座统一提供 ， 各业务应用系统基于车站数字底座的能力开发 ， 为车站值班员提供专业化的图形操作界面 。
车站数字底座提供标准化的 RESTful API 接口 ， 各业务应用系统根据本专业应用需求 ， 按需调用车站数字平台的数据和服务 ， 实现本专业监控功能和跨专业联动功能 。
数字底座技术为传统专业系统和新型智能系统提供了统一的设计框架 。 车站机电系统架构重塑后 ， 新型智能系统重塑为基于车站数字底座的业务应用系统 ， 所需设备状态数据由车站数字底座统一提供 ， 新型智能系统可聚焦专业应用功能软件的开发 ， 加快系统上线时间 ， 降低系统建设成本 。
城市轨道交通车站机电系统设备种类多 、 数量多 、 分布广 ， 车站机电设备接入车站数字底座的设计方案 ， 是车站机电系统架构重塑方案的重点和难点 。
本文提出构建现场级的物联环网 、 车站机电设备就近接入物联环网节点和物联接口标准化的设备接入方案 。
物联环网为车站机电设备就近接入车站数字底座提供透明传输通道 。 物联环网采用工业级千兆光纤环网技术 ， 通过虚拟局域网 （ VLAN ） 划分 ， 为不同专业或不同类型的设备提供逻辑独立的数据传输通道 。 物联环网主要由物联环网节点和通信光缆构成 ， 其中 ， 物联环网节点是以环网节点交换机为核心的成套设备 ， 分散部署在站厅 、 站台 、 车站设备用房 、 区间泵房和车站出入口等设备集中区域 。 通信光缆用于连接各区域的物联环网节点 ， 构建现场光纤环网 。 物联环网节点配置足够数量的以太网通信端口 ， 车站机电设备 （ 或其智能终端 ） 与就近的物联环网节点连接 ， 实现车站机电设备就近接入车站数字底座 。 物联环网及设备接入方案如图 4 所示 。
3.2.2 接口标准化
由于车站机电设备种类繁多 、 功能各异 ， 接口交互方式和交互数据存在较大差异 。 接口标准化设计的目的在于平抑不同类型设备之间的差异 、 形成统一规范的接口标准 ， 为车站机电设备快速高效接入车站数字底座 、 设备统型和后期高效率运维管理提供技术保障 。
车站机电设备采用 IEEE802.3 标准的以太网通信接口与车站数字底座连接 ， 接口标准化设计要点是设备物模型标准化和接口通信协议标准化 。 本文基于开放的 MQTT 协议给出车站机电设备接口标准化设计方案 。
物模型标准化设计主要体现为 ， 基于物联网思维方式对不同类型的车站机电设备进行抽象 ， 凝练出属性 、 事件和服务等 3 个维度的功能项 ， 并采用 对象表示法 （ JSON ） 格式的结构化数据对设备属性 、 事件和服务进行封装 ， 不同类型的车站机电设备被抽象为统一格式的物模型对象 ， 从而解决接口数据交互的一致性问题 ， 为接口标准化提供基础支撑 。
通信协议标准化设计方面 ， 首先要明确 MQTT 协议的版本 、 可用的控制报文和服务质量 （ QoS ） 级别 。 本文推荐采用主流的 V3.1.1 版本的 MQTT 协议 ， 支持 QoS0 和 QoS1 连接 ， 可用控制报文包括 CONNECT 、 SUBSCRIBE 、 PUBLISH 、 PINGREQ 、 UNSUBSCRIBE 、 DISCONNECT 等 。 其次是明确 MQTT 协议中 Topic 和 Payload 的格式 。 虽然 MQTT 协议属于应用层协议 ， 但其中的 Topic 和 PUBLISH 报文的 Payload 字段是用户自定义的 ， 需要进一步规范 。 MQTT 协议采用订阅 / 发布机制实现数据生产者与数据消费者之间的异步消息交互 ， Topic 是数据生产者与数据消费者之间消息交互的纽带 ， 需要针对设备属性 、 事件和服务 ， 分别给出对应的 Topic 定义 。 以设备属性上报为例 ， 推荐的 Topic 定义示例如下 ：
v1/{productKey}/{deviceSN}/sys/property/up
其中 v1 为接口软件版本号 ， 是为接口软件迭代升级预留的版本标识 ； productKey 和 deviceSN 为设备注册时由车站数字底座生成或用户定义的产品标识码和设备序列号 ； sys 为系统类操作标识 ， 包含属性 、 事件和服务等 3 类操作 ； property 为属性类操作标识 ； up 为方向标识 ， 表示上行方向 。
PUBLISH 报文中的 Payload 承载着设备或车站数字底座发布的消息内容 。 采用物模型后 ， 设备的属性 、 事件和服务被抽象为一个 JSON 对象 ， 为规范 Payload 定义提供条件 。 推荐采用三段式结构描述 ， 示例格式如下 ：
{
“msgid”
：……，
“params”
：……，
“ts”
：……
}
其中参数 “ msgid ” 给出本次消息编号 ， 参数 “ params ” 给出 JSON 格式的物模型实例 ， 参数 “ ts ” 给出本次消息更新时间 。
04
基于数字底座技术 ， 重塑车站机电系统架构 ， 并在上海市轨道交通车站进行示范应用 。
示范工程以既有车站机电设备为依托 ， 构建车站数字底座及其业务应用系统 ， 实现设备物联接入和系统架构的扁平化 ， 系统构成及网络结构如图 5 所示 。
车站数字底座由底座服务器 、 底座交换机 、 多功能控制器 、 物联环网 、 值班员工作站 、 综合后备控制盘 （ IBP ） 等设备构成 。 其中多功能控制器是具有设备接入 、 数据转发 、 网络隔离和逻辑控制功能的前端处理设备 ， 车站机电设备通过多功能控制器接入车站数字底座 。
示范工程除站台门和消防设备采用专业控制器转发数据的过渡方案外 ， 其余通风空调 、 给排水 、 动力照明 、 电梯扶梯等车站机电设备均升级接口 ， 采用上海申通地铁集团统一的 MQTT 协议并通过物联环网直接接入车站数字底座 ， 取消中间层级的专业监控系统 ， 统一车站设备的接口标准 ， 简化了车站机电系统的整体网络架构 。
底座服务器采用虚拟化技术 ， 按需提供虚拟主机服务 ， 在满足车站数字底座数据中台和业务中台承载的同时 ， 还为业务应用系统提供承载环境 。 示范工程车站数字底座承载的业务应用系统既有 ISCS 、 FAS 、 BAS 等传统专业系统 ， 还有智能运维等新型智能系统 。 车站机电设备的运行状态被抽象为物模型实例并缓存在车站数字底座中 ， 业务应用系统可按需拉取设备实例数据 ， 实现传统专业应用功能和数字孪生应用功能 ， 更好支撑智能运维等新型智能系统的应用开发 。 同时 ， 可根据业务管理流程配置联动策略 ， 在不增加物理接口的情况下 ， 实现业务数据的自动流动 ， 实现不同业务之间的高效协同 ， 从而赋能车站运营管理 。
示范工程验证了车站机电系统新架构方案的可行性 。 测试表明 ， 新架构下 ISCS 、 FAS 、 BAS 等传统专业系统的功能和性能满足行业规范要求 ， 传统专业系统与新型智能系统基于车站数字底座实现底层资源共享 、 数据连通和融合应用 。
与传统车站机电系统相比 ， 新架构系统的优势如下 。
（ 1 ） 打通专业数据孤岛 。 新架构系统实现各专业设备的物联接入和车站数据的统一管理 ， 实现跨专业数据的按需获取和自动流动 ， 支撑车站业务协同和闭环管理 。
（ 2 ） 赋能业务应用开发 。 采用分层解耦的数字底座技术 ， 简化业务应用的开发流程 ， 支撑业务应用的快速迭代 ， 快速适配车站运营管理模式或业务管理需求的调整 。
（ 3 ） 降低工程建设成本 。 采用扁平化架构 ， 取消或重塑中间层级的监控系统 ， 从而降低工程建设成本 。
（ 4 ） 压缩设备运维费用 。 统一设备接口标准 ， 实现设备统型管理 ， 支撑备品备件管理优化 ， 精简监控设备数量 ， 降低设备运维工作量 。
（ 5 ） 提升应急处置能力 。 通过车站数字底座建设 ， 规范设备接口 ， 简化系统层级 ， 提升设备故障快速定位能力和突发设备故障情形下的应急处置能力 。
05
随着数字中国战略的持续推进和新一代信息技术的不断发展 ， 城市轨道交通行业正迎来数字化转型和高质量发展的契机 。 构建以物联网为基础 、 物模型为特性的城市轨道交通车站机电系统新型架构 ， 实现资源共享 、 数据连通和业务协同 ， 是数字城市建设和智慧城轨建设需要研究解决的重要课题 。 本文针对目前智慧城轨建设中出现的诸多问题 ， 提出基于数字底座技术的车站机电系统架构重塑设计方案 ， 为传统专业系统和新型智能系统设计提供统一的技术框架 ， 为车站机电系统的技术升级和数字化转型发展提供解决方案 。
城市轨道交通车站的数字化转型是一个循序渐进 、 不断迭代 、 螺旋式上升的发展过程 ， 需要颠覆传统分立系统建设的思维模式 ， 采用开放共享平台的设计理念 ， 打造车站数字底座 ， 更好支撑软件平台和应用系统快速迭代 、 持续升级完善的发展要求 。
