1.概述
北京城建智控科技股份有限公司(以下簡稱：北京城建智控)是北京城建集團(tuán)子企業(yè)，中國軌道交通行業(yè)第一家擁有設(shè)計(jì)背景的智慧城軌綜合解決方案提供商、中國第一家專注軌道交通云平臺業(yè)務(wù)的國有控股公司，致力于打造集“設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造、采購、安裝、運(yùn)維”為一體的一站式服務(wù)，公司業(yè)務(wù)范圍涵蓋地鐵、市域鐵路、輕軌、機(jī)場及交通樞紐、建筑智能化等不同領(lǐng)域。
2023 年，城市軌道交通協(xié)會提出了“多元融合、可持續(xù)發(fā)展”的理念，倡導(dǎo)用智能化技術(shù)賦能綠色城軌?；诖嗽妇埃本┏墙ㄖ强貙④壍澜煌üI(yè)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)聚焦到兩方面：面向車站設(shè)備監(jiān)控的云交自動化系統(tǒng)和面向軌道交通信號控制的云信號系統(tǒng)。作為“智慧賦能綠色城軌”愿景實(shí)施路徑之一的降本方向，也成為北京城建智控這家軌道交通智慧解決方案提供商重要的努力方向。
通過選擇 IoTDB 作為云交自動化系統(tǒng)中負(fù)責(zé)時序數(shù)據(jù)存儲、查詢、計(jì)算的核心組件，北京城建智控有效提升云交自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存取、查詢性能，并大幅降低云環(huán)境部署的資源占用與使用成本，為智慧城軌解決方案提供了低成本、高可控的數(shù)字化新路徑。
2.系統(tǒng)介紹
傳統(tǒng)城市軌道弱電系統(tǒng)通常面臨以下多個痛點(diǎn)：
第一，城軌弱電系統(tǒng)涉及的硬件設(shè)備種類繁多，導(dǎo)致系統(tǒng)投入成本和多類設(shè)備的實(shí)時運(yùn)維成本很高;
第二，在相對封閉的傳統(tǒng)建設(shè)模式下，城軌弱電系統(tǒng)的各個系統(tǒng)是獨(dú)立運(yùn)行的，系統(tǒng)間的聯(lián)動嚴(yán)重依賴完全定制化的接口，導(dǎo)致智能化、跨專業(yè)場景的實(shí)現(xiàn)異常困難;
第三，城軌不同線路、中心的系統(tǒng)、廠家、運(yùn)營班組都可能不同，而傳統(tǒng)建設(shè)行為圍繞單線路、單中心進(jìn)行，因此重復(fù)建設(shè)問題嚴(yán)重，系統(tǒng)運(yùn)營成本進(jìn)一步增加，跨不同制式軌道交通融合困難;
第四，既有的部分裝備、設(shè)備過于傳統(tǒng)老舊，無法滿足智能化需求。
此外，為避免車站業(yè)務(wù)不可用情況，城軌系統(tǒng)更傾向于部署在中心云與邊緣云結(jié)合的分布式云，每個車站為一個小的邊緣云，所有的車站在線路、線網(wǎng)層面再組成一個大的分布式云，并共享、調(diào)配系統(tǒng)資源。
這樣的結(jié)構(gòu)能夠保證當(dāng)某個車站與中心斷聯(lián)，車站云依然能夠支撐本車站的業(yè)務(wù)應(yīng)用。當(dāng)車站的邊緣云故障，相鄰的車站邊緣云也能夠做臨站的接管，以提高城軌系統(tǒng)可靠性和可用性。
結(jié)合上述痛點(diǎn)與行業(yè)發(fā)展趨勢，北京城建智控提出了安全可靠的軌道交通自動化系統(tǒng)，即云交自動化系統(tǒng)。云交自動化系統(tǒng)采用工業(yè) 4.0 的理念、技術(shù)、架構(gòu)形態(tài)，通過綜合運(yùn)用時序數(shù)據(jù)庫、云計(jì)算、虛擬化等數(shù)字化軟件與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一套軟件架構(gòu)全面支撐軌道交通智能化建設(shè)。
同時，云交自動化系統(tǒng)架構(gòu)針對軌道交通業(yè)務(wù)特性進(jìn)行了相應(yīng)功能的定制，從終端層、感知層、IaaS 層、PaaS 層、SaaS 層對城軌數(shù)據(jù)化資產(chǎn)進(jìn)行管理、表達(dá)，從設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營、服務(wù)全生命周期，對城市軌道交通的系統(tǒng)業(yè)務(wù)進(jìn)行重構(gòu)和優(yōu)化升級。
在“設(shè)備多、跨系統(tǒng)難、分布式云部署”的背景下，云交自動化系統(tǒng)對于 IoTDB 在時序數(shù)據(jù)管理方面的數(shù)據(jù)采集、存儲、分析、查詢性能以及在線網(wǎng)層面大范圍的數(shù)據(jù)匯聚能力提出了更高的要求。
而 IoTDB 所具備的多源數(shù)據(jù)實(shí)時采集、千萬級數(shù)據(jù)寫入、超 20 倍無損壓縮比、毫秒級查詢響應(yīng)、多設(shè)備億級點(diǎn)位管理等性能優(yōu)勢，使其完全適配云交自動化系統(tǒng)的智能化需求。
3.部署架構(gòu)及效果
云交自動化系統(tǒng)原來采用 Cassandra 作為中心級、線網(wǎng)級的時序數(shù)據(jù)庫，在車站側(cè)則采用國外驅(qū)采軟件配套的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行臨時本地存儲，并結(jié)合微服務(wù)架構(gòu)、擴(kuò)展性網(wǎng)關(guān)等業(yè)務(wù)模塊，整合覆蓋硬件、軟件設(shè)備，支持時序數(shù)據(jù)采集、處理，并對接多個下游應(yīng)用管理平臺。
這一組合的痛點(diǎn)在于，Cassandra 的寫入、查詢性能與壓縮能力十分有限，資源占用較高;國外的驅(qū)采軟件對應(yīng)售價又非常高。系統(tǒng)性能受限、項(xiàng)目實(shí)施成本高，自然無法滿足北京城建智控的應(yīng)用需求。
引入 IoTDB 后，北京城建智控將原來的中心級 Cassandra 數(shù)據(jù)庫替換為 IoTDB，在車站側(cè)則根據(jù)不同的場景采用 MySQL 或 IoTDB 替代國外驅(qū)采軟件進(jìn)行本地存儲。通過針對中心和車站相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行國產(chǎn)化數(shù)據(jù)庫 IoTDB 的逐步替代，北京城建智控實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵系統(tǒng)不再被國外系統(tǒng)“卡脖子”。
目前，IoTDB 已被應(yīng)用于北京城建智控?cái)?shù)十個車站和對應(yīng)的主、備中心側(cè)。相較于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，查詢性能提升 120%，能夠支撐軌交每秒百萬級的數(shù)據(jù)存取，并降低 60% 數(shù)據(jù)庫資源占用，節(jié)省大量實(shí)時使用成本，在“降本”與“增效”方面均實(shí)現(xiàn)突破，系統(tǒng)資源更集中、運(yùn)維成本更低、擴(kuò)展能力更強(qiáng)、控制能力更快。
此外，技術(shù)國產(chǎn)化和自主化后，北京城建智控根據(jù)實(shí)際場景，進(jìn)一步利用 AI、大數(shù)據(jù)等工具對采集的城軌設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析，實(shí)現(xiàn)深度節(jié)能降耗，對系統(tǒng)安全性、可靠性、實(shí)時性等進(jìn)行深度論證和優(yōu)化，進(jìn)一步落實(shí)綠色城軌愿景。
在數(shù)據(jù)模型層面，使用過程中，北京城建智控根據(jù)其數(shù)據(jù)查詢特點(diǎn)、查詢效率要求、跨設(shè)備查詢場景等條件，基于 IoTDB 原生的樹形模型進(jìn)行演變調(diào)整。通過對舊有時序數(shù)據(jù)層級進(jìn)行精簡，由多層級時序轉(zhuǎn)變?yōu)閱螘r序，進(jìn)一步保證了跨設(shè)備查詢的系統(tǒng)性能。
在不斷的落地測試和應(yīng)用過程中，隨著雙方的緊密合作和 IoTDB 版本的不斷更新，系統(tǒng)實(shí)施中遇到的問題都在逐步解決，系統(tǒng)穩(wěn)定性與性能得到進(jìn)一步保障。IoTDB 背后團(tuán)隊(duì)的及時、高效、靠譜，也是北京城建智控看好 IoTDB 在其軌道交通場景下進(jìn)一步應(yīng)用的重要原因。
4.使用場景
北京城建智控的云交自動化系統(tǒng)上報(bào)的時序數(shù)據(jù)包含兩大類：一類為車輛、信號安全產(chǎn)品的聯(lián)鎖、電力、火災(zāi)、機(jī)電等相關(guān)設(shè)備所產(chǎn)生的變位數(shù)據(jù);另一類為設(shè)備操作的事件、用戶操作的日志、設(shè)備的報(bào)警數(shù)據(jù)等。
針對不同的時序數(shù)據(jù)類型，北京城建智控需要進(jìn)行單設(shè)備最新點(diǎn)查詢、時間范圍篩選、聚合統(tǒng)計(jì)、多值篩選、對齊查詢等多類單時序或跨時序查詢，具體的對應(yīng)關(guān)系如下圖所示。對于不同的時序數(shù)據(jù)類型存儲與數(shù)據(jù)查詢需求，IoTDB 均可有效支持。
在云交自動化系統(tǒng)的使用場景中，也存在一些和 IoTDB 支持的標(biāo)準(zhǔn)場景不太一樣的情形，例如車站-中心、線網(wǎng)-中心的數(shù)據(jù)同步。
IoTDB 中默認(rèn)支持多對一的數(shù)據(jù)同步，但在該場景中，車站將設(shè)置主備服務(wù)器，在主備服務(wù)器之間需要進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)同步;而車站又需要對多中心內(nèi)部的主備服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，即需要實(shí)現(xiàn)多對多的數(shù)據(jù)同步從而保證系統(tǒng)高可用。同時，數(shù)據(jù)同步之后一旦發(fā)生問題，需要支持?jǐn)?shù)據(jù)回補(bǔ)等機(jī)制以滿足分布式云的數(shù)據(jù)同步要求。
基于原生的 IoTDB，北京城建智控在實(shí)際使用過程中進(jìn)行了相應(yīng)的定制研發(fā)。
5.未來應(yīng)用展望
北京城建智控工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)包含云交自動化系統(tǒng)和云信號系統(tǒng)。除云交自動化系統(tǒng)外，北京城建智控也希望 IoTDB 后續(xù)在云信號系統(tǒng)中發(fā)揮更大作用。
云信號系統(tǒng)旨在解決軌道交通信號系統(tǒng)的相應(yīng)痛點(diǎn)。除了與弱電系統(tǒng)有共性的設(shè)備分散、種類繁多、運(yùn)維難度大，融合的系統(tǒng)類型多、成本高等問題以外，信號系統(tǒng)還需要考慮智能化產(chǎn)業(yè)背景下，如何保障信息安全。因此，強(qiáng)化通信安全管理、精簡車載設(shè)備應(yīng)用的執(zhí)行功能對于軌道交通信號系統(tǒng)尤為重要，這也是北京城建智控提出云信號系統(tǒng)的契機(jī)。
2014 年開始，北京城建智控持續(xù)推進(jìn)云信號系統(tǒng)研發(fā)，該系統(tǒng)以“下地·上云”的底層邏輯對原有軌交信號系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)。“下地”指面向傳統(tǒng)車載中，因運(yùn)行環(huán)境導(dǎo)致性能受限的情況，將傳統(tǒng)車載控制器算力邏輯下放至地面系統(tǒng)，減輕對車上設(shè)備的依賴。“上云”指將傳統(tǒng)的線路控制中心、設(shè)備集中站設(shè)備執(zhí)行的深度計(jì)算遷移至中心云平臺，通過各種通信安全保障，兼顧實(shí)時性和安全性，并進(jìn)行資源的進(jìn)一步整合，構(gòu)建從線網(wǎng)控制中心到執(zhí)行終端的新一代列車運(yùn)行控制系統(tǒng)。
云信號系統(tǒng)的目的是更好地控制車輛，對自主可控、高安全、低時延、確定性的要求，以及對智慧決策、簡化執(zhí)行能力的要求比云交自動化系統(tǒng)場景更高。北京城建智控需要建立統(tǒng)一基礎(chǔ)平臺并部署在異構(gòu)云上，這就對 IoTDB 的安全性、穩(wěn)定性、確定性提出了更高的要求。
IoTDB 在云信號系統(tǒng)的未來應(yīng)用場景是數(shù)據(jù)融合決策方面。在列車運(yùn)行逐步無人化、全自動化的行業(yè)趨勢下，從現(xiàn)有的司機(jī)監(jiān)控，到真正實(shí)現(xiàn)無人化，需要城軌企業(yè)提升信息循環(huán)、數(shù)據(jù)融合、自主決策的安全性和智能性，保障以乘客為中心的安全、舒適、便捷、高效的智慧出行服務(wù)。
未來，IoTDB 將對云信號系統(tǒng)中涉及的運(yùn)行、狀態(tài)、執(zhí)行時序數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲與管理，在保障車輛運(yùn)行安全的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步支持實(shí)現(xiàn)智慧行車指揮決策。北京城建智控也將繼續(xù)攜手 IoTDB，在城軌工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更多、更廣、更深度的應(yīng)用。
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