中国城市轨道交通行业交控机白皮书

中国城市轨道交通交控机白皮书 序言 在新一轮科技革命和产业变革的浪潮推动下，中国城轨市场将从高速发展阶段转化为有序且智慧的发展阶段。2021年12月，交通运输部印发的《数字交通“十四五”发展规划》提出：深入推进“交通设施数字感知，信息网络广泛覆盖，技术应用创新活跃，网络安全保障有力”的数字交通体系。2020年3月，中国城市轨道交通协会发布《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》提出：到2035年，中国智能城市轨道交通进入世界先进智能城市轨道交通国家前列，实现中国式智能城市轨道交通领跑发展潮流。 随着国内城市轨道交通总体规模的增大，智慧轨道系统的市场规模也将逐步释放，智慧化交通工业控制计算机迎来重要发展契机。作为城市轨道交通数字化系统的重要组成部分，交控机在轨道安全监控和预警系统、售检票系统(AFC)、乘客信息系统、交通信号系统、交通通信系统、综合监控系统、综合安防系统等场景中有着广泛应用。 《中国城市轨道交通交控机白皮书》从利益相关者的视角来展开对于智能城市轨道交通细分场景的阐述，厘清城市轨道交通管理部门、运营企业、乘客等不同利益相关者的异同需求，意义非凡。此外，白皮书还对当前城市轨道交通交控机面临的要求与挑战进行了深入挖掘，以期为设计者提供合理的数字化搭建结构，实现行业均衡发展。 轨道交通网(www.rail-transit.com) 2023年10月 目录 01概述01 02中国城市轨道交通的数字化、智能化变革02 2.1智能城市轨道交通的几个观察维度：服务社会经济、运行安全高效、乘坐便利02 2.2面向城市轨道交通的交控机要求及挑战03 2.3交控机在城市轨道交通数字化系统中的主要应用场景05 2.3.1轨道安全监控和预警系统05 2.3.2售检票系统06 2.3.3乘客信息系统06 03面向未来的中国智能城市轨道交通建设07 3.1轨道安全监控和预警系统参考解决方案08 3.2售检票系统参考解决方案09 3.3乘客信息系统参考解决方案10 04面向智能城市轨道交通的交控机产品与方案11 4.1锐宝智联轨道交控机11 4.2集和诚城市轨道交控机—通用版12 4.3集和诚城市轨道交控机—PIS版13 05结语15 概述 01 作为城市交通体系的重要组成部分，城市轨道交通在提升通行效率、带动城市经济发展等方面具备重要优势，并成为众多城市竞相推进的建设方向。历经20余年的高速发展，我国城市轨道交通取得举世瞩目的成就：线网规模突飞猛进、技术能力持续攀升、自主创新力量方兴未艾，在推进社会经济发展方面发挥了重要价值。 在人工智能(AI)、物联网、云计算、大数据等技术的驱动下，城市轨道交通开启了数字化、智慧化转型的大幕，通过构建智慧检票系统、智慧安检系统、智慧交通感知与控制系统等子系统，城市轨道交通部门能够强化交通数据的收集、分析与利用，从数据中获得更深入的洞察，在构建智慧化处理流程、提升交通管理效率与精度的同时，提升基于数据的感知能力，加速构建数字孪生智慧交通体系。这不仅有助于缓解交通拥堵、提升城市轨道交通运行效率，还能够为更广泛的乘客提供便利，提升乘客体验。 交通工业控制计算机（以下简称：交控机）是城市轨道交通数字化系统的重要组成部分，在轨道安全监控和预警系统、售检票系统(AFC)、乘客信息系统、交通信号系统、交通通信系统、综合监控系统、综合安防系统等场景中有着广泛应用，其通常承担着数据计算、存储、转发、AI推理等关键负载，其性能、稳定性、耐用性对于线网运行、售票、检票、安防等环节有着重要影响。 中国城市轨道交通的 数字化、智能化变革 02 近年来，中国城市轨道交通实现了快速的增长，其中2018年之前处于高速增长期，自2018年国家发改委发布58号文以来，中国城市轨道交通的投资建设逐步进入平缓发展阶段。数据显示，截至2022年底，中国大陆地区共有55个城市开通城市轨道交通（运营线路308条，运营线路总长度10287.45公里。其中，地铁运营线路8008.17公里，占比77.84%；其他制式城轨交通运营线路2279.28公里，占比22.16%。线网规模和运营线路数量双双位居世界首位。 在线网规模和运营线路数量持续增长的同时，中国城市轨道交通正在逐步扩大在数字化技术方面的投入，以提升自动化、智能化水平。以自动化运行线路为例，中国大陆已经有北京、上海、深圳、广州、武汉、郑州、太原等20座城市正在建设全自动运行系统轨道交通线路，线网长度超过1400公里。 但同时，中国城市轨道交通在数字化方面仍有众多不足，如旧线路装备水平普遍不高，新线路尽管在控制水平方面有所提高，但系统集成化和智能化程度仍然不够，运行过程中仍需大量人工参与，安全、效率及成本均有进一步提升的空间。 2.1智能城市轨道交通的几个观察维度：服务社会经济、运行安全高效、乘坐便利 在本白皮书中，我们将以利益相关者(Stakeholder)的视角来展开对于智能城市轨道交通细分场景的阐述。在智能城市轨道交通中，主要的利益相关者为城市轨道交通管理部门、运营企业、乘客，不同利益相关者的需求各有不同，厘清这些需求有利于设计合理的数字化治理结构，实现均衡发展。 城市轨道交通规划与管理部门— 服务社会经济 对于城市轨道交通规划与管理部门而言，其希望通过数字化转型，来构建城市轨道交通综合生态体系，优化产业布局、增强经济发展活力，从而服务于社会经济的高质量发展。他们对于数字化转型的要求包括：经过科学验证，能够切实提升交通运行效率，便利人员、物品流动；具备示范效应，能够带动智慧交通乃至智慧城市的整体发展。 运营企业—运行安全高效 城市轨道交通运营企业是数字化转型的直接受益者，其主要关心效率、安全性、经济性这三个维度：从效率角度而言，通过计算机视觉、自动化控制等技术，能够提升线路运行、售检票系统的运行效率，降低拥堵，缩短运营间隔；从安全性而言，通过由计算机视觉、多维传感等技术赋能的智能安防系统、前方对象检测等系统，能够提升轨道交通运行的安全性，实现安全隐患的及时处置；从经济性而言，通过自动化、智能化流程的实施，有助于降低各项运营成本，提升发展效益。 乘客—乘坐舒适便利 乘客是城市轨道交通的主要服务对象，通过数字化转型，有助于构建更加便利的城市轨道交通体系，为乘客带来更佳的服务。例如，通过自动化售检票，能够缩短乘客的排队时间，化解支付障碍；通过智能安防系统，能够及时响应乘客的突发需求（如摔倒、急救等），提供更加周全的服务。 2.2面向城市轨道交通的交控机要求及挑战 在城市轨道交通数字化系统中，交控机通常部署于边缘场景，由以下几个模块/功能组件构成：计算单元（通常为CPU）、图形单元（通常为GPU）、存储单元、网络单元、I/O单元、显示和音频。不同单元的特征如下： •计算单元：能够在特定的供电、外形、功耗等限制下，提供强大的通用计算能力，同时能够支撑AI推理等新型负载的高效运行。 •图形单元：承担多路视频的采集、解码、转发等负载，并需要具备AI推理的扩展能力。由于城市轨道交通系统交控机在散热、外形、功耗等方面的严格限制，集成显卡成为更加常见的选择。 •网络单元：提供多个自适应以太网端口(100/1000Mbps)，以及无线连接功能，以满足大量数据的转发需求。 •I/O单元：提供多个PCIe、PCH、USB等高速I/O，以及I2C、SPI、eSPI、UART、SDIO、GPIO等低速I/O，支持冗余。 •显示和音频：提供HDMI/DP/eDP等多种显示接口支持，并支持高清音频、I2S、SoundWire、数字麦克风等音频扩展。 图1.面向城市轨道交通的交控机 由于交控机运行环境较为严苛，且需要长时间不间断运行，因此对于交控机的可靠性、稳定性有着尤为严格的要求。根据行业标准，面向城市轨道交通场景的交控机应该满足下述要求： •可在宽温（如-20℃~+70℃），以及幅度较大的湿度范围（如10%~97%）下稳定运行 •可靠性强，平均无故障工作时间(MTBF)通常需要超过100,000小时 •提供国家强制3C认证 •具有良好的抗电磁干扰能力，保证整机全天24小时不停机的稳定运行 •具有故障自动检测功能，并具备在必要时复位的能力 •具备电源故障数据保护功能，以避免在电源故障时丢失数据 •CPU、内存、存储等主要元器件需要达到工业级的耐用性、可用性，并具备快速恢复的能力 这些标准对于交控机的设计带来了巨大的挑战：一方面，要满足上述标准的要求，交控机的关键组件需要经过针对性设计，在可靠性、耐用性等方面经过长期检验，且整体系统需要经过严格的工业级验证；另一方面，交控机需要承载大量传统负载与新型负载，提供强大的算力，而高性能往往意味着更高的能耗。但同时，受使用场景限制，交控机要提供强大的稳定性、耐用性，因此更倾向于采用无风扇集约型设计，这就要求交控机在性能、功耗、尺寸等方面实现平衡。 交控机可以采取以下几种方式，以提升可靠性： 元器件降额：元器件的选择往往是产品设计的重要一环。为了提高可靠性，交控机应该选择更加稳定和可靠的元器件。同时，交控机需要对元器件的使用环境进行分析和评估，针对不同的使用环境，对元器件的参数进行合理的降额处理，以提高其稳定性和寿命。 电源信号监护：利用系统电源管理芯片，可以时刻看护电源信号的健康状态。如果发现异常，例如供电信号的电压超过正常值的正负5%，需要即刻采取措施，譬如：报警，记录异常事件等。 BIOS区域恢复：BIOS是产品启动的重要环节。一旦因为某种原因，BIOS无法启动，整个系统将无法启动和运行。为了解决这个问题，可以利用BIOS的恢复模式修复原有的BIOS或者采用双BIOS的方案自动切换到备份BIOS进行启动。 内存错误检测：内存错误是产品运行中常见的问题，它会导致系统的崩溃和数据丢失。为了规避内存错误的风险，交控机一般会考虑这两种方法：一是打开ECC，它可以发现和纠正一些错误的内存比特；第二，可以在BIOS使能“MemoryDisable”功能。当BIOS内存初始化代码通过检测发现某个内存通道的内存不可用，它会关闭这个内存通道，并不把该通道对应的内存区域上报给操作系统以防使用中发生错误。 系统温度监控：产品在长时间运行过程中，会产生大量的热量。如果这些热量不能快速地散发并不停地累积，系统的温度会逐渐升高。当温度过高时，会对产品的性能，稳定性和可靠性均带来不利影响。为了避免这些问题，可以考虑利用系统电源管理芯片对系统主要区域进行温度监控，包括处理器，桥片，内存等。当温度很高时，电源管理芯片可以根据不同的策略采取不同的措施，如处理器降速，关机等。 操作系统恢复：当操作系统发生故障变得不可用时，交控机需要迅速采取措施进行恢复，以避免对整个系统带来不可逆的影响。为此，交控机可以通过按系统恢复的快捷键启动系统恢复软件，对系统进行快速修复，减少系统停机时间。 突然断电保护：突然断电是产品使用中不可避免的突发情况。为了降低突然断电带来的影响，需要在产品设计上做些特别的处理。除了引入UPS电源之外，在电源设计上做些适当的隔离，例如系统主的电源和RTC(RealTimeClock)供电要做隔离，以免当系统突然断电，RTC保存的系统关键设置被破坏。 USB设备丢失恢复：当产品长时间运行，某些USB设备因为某种原因突然丢失时，可以通过设备占用的USB端口对该设备进行复位。如果设备还不能恢复，可以考虑依赖系统电源管理芯片对该设备的USB供电进行单独通断。 除此之外，由于边缘场景的限制，面向城市轨道交通系统的交控机还需要应对如下挑战： 01 可支持关键负载的强大性能 面向城市轨道交通系统的交控机不仅需要承担数据采集、压缩、格式转换、管理存储和通讯转发等负载，还越来越多地承载了视频编解码等图像处理运算、神经网络运算等负载，因此交控机不仅需要具备强大的通用计算能力，还需要对于图像处理等关键负载进行针对性设计与优化。 02 面向不同应用场景的灵活性设计 在不同的应用场景中，车载端、