通往智慧軌道交通之路：鄭州地鐵軌交容器雲實踐

有人說看一個城市的文明程度就看其交通，的確，公共交通是城市文明的重要組成部分。隨著城市化快速發展，如今全球很多國家面臨交通日益擁堵等問題，城市軌道交通成為提高交通資源利用率、緩解交通擁堵、降低交通汙染、節約土地資源和能源的重要手段，也越來越受到重視。

為了解決城市交通的難題，新的技術也發揮著越來越重要的作用，歐洲、美國、亞洲等很多國家都在發展智慧軌道交通尋求破局之道，近年來中國城市軌道交通已經進入快速發展時期，智慧軌道交通加速推進，根據2019年中共中央、國務院釋出的《交通強國建設綱要》，要推動大資料、網際網路、人工智慧、區塊鏈、超級計算等新技術與交通行業深度融合，到21世紀中葉，中國將全面建成交通強國。

由於軌道交通是分期、分段建設，在資料智慧時代造成了新的問題，比如容易存在資料孤島現象、運維成本高和資源利用率低下等，需要新的技術解決以上問題。鄭州地鐵集團有限公司(以下簡稱“鄭州地鐵”)採用容器雲技術構建了一站式大資料雲平臺，在智慧軌道交通方面進行了突破性實踐，並實現了地鐵客流智慧預測。

軌道交通數字化瓶頸

18世紀60年代工業革命肇始於英國，1863年1月10日，世界上第一條地鐵在倫敦開始正式運營，開啟了人類城市軌道交通的新紀元。一個世紀後，在遙遠的東方大陸，中國第一條城市地鐵線路——北京地鐵1號線(Beijing Subway Line 1)於1969年10月1日開始試運營，車身標誌性的紅色為世界城市軌道交通帶來一抹中國紅。

經過半個多世紀的發展，那一抹紅已經演變成五彩斑斕，並在幾十個中大型城市逐漸形成四通八達的交通網路，成為市民出行的重要交通工具。交通運輸部近日釋出的城市軌道交通運營資料速報顯示，截至2020年12月31日，全國除港澳臺外，共有44個城市開通運營城市軌道交通線路，共計233條，運營里程7545.5公里。據悉，“十四五”期間，全國多地地鐵將迎來爆發式增長。

鄭州地鐵2008年成立，主要負責鄭州市軌道交通專案的工程投資、建設和運營。成立以來，鄭州地鐵發展迅速，截至2020年12月，鄭州已開通運營的地鐵線路為7條，累計運營里程達206.3公里，目前有多條線路正在建設當中。

大規模的城市軌道交通建設與運營管理均需要資訊科技的強力支撐，隨著地鐵線路的不斷增加，城市人口增加所帶來出行壓力不斷提高，以鄭州地鐵為代表的城市軌道交通建設和運營者迫切需要透過數字化技術提升建設、管理和運營能力，探索智慧軌道交通的發展之路，鄭州地鐵以“建設成為國際領先、國內一流的軌道交通建設者和運營商”為企業戰略目標，立足於資訊化建設現狀，加快軌交新技術和新應用的落地。

在資料智慧時代，資料成為新的生產資料，其價值與日俱增。但軌道交通的分期、分段建設，容易造成資料孤島、運維成本高、資料標準不一致等問題，並造成資料不能充分利用，制約了其資訊化建設。鄭州地鐵也遇到了業務瓶頸，總結下來主要有三點：

一是資料孤島問題，隨著鄭州地鐵的快速發展以及開通線路的不斷增多，在鄭州地鐵集團生產域、管理域都積累了大量的資料，例如生產域ANCC系統(AFC Network Control Center，自動售檢票線網管理中心繫統)積累了大量客流資料;和客流相關的行車、重大節日、氣象等資料;列車執行時裝置監測影片資料;管理域一體化平臺歷年來所積累的資料。原來傳統資料倉儲是彼此獨立的IT系統，每次開通新線路都要單獨搭建系統接入資料，很容易形成資料孤島，導致運維成本升高。亟需對集團的IT資源、技術架構、基礎設施進行集約化管理，從而滿足鄭州地鐵初期、近期及遠期的資訊化發展需求。

二是資料標準瓶頸，資料標準不統一，各類應用系統資料沒有統一歸集平臺，缺少統一治理的規範，導致資料“各自為政”。鄭州地鐵急需一個統一的資料湖平臺將ANCC、智慧乘車ITP、線網生產業務、一體化平臺等各資料來源上的資料統一接入、統一儲存、統一資料標準、統一治理，從而更好地支撐智慧運營、智慧建設、智慧管理和智慧服務。

三是資料應用瓶頸，鄭州地鐵的各類資料沒有充分發揮應有的作用，例如全量的客流資料，沒有結合氣象、重大節日、重大活動、線路車站等資料進行綜合分析、預測，無法對站點客流、線路客流、線網客流、斷面客流進行精準預測;列車執行獲取的弓網影片資料，沒有進行機器學習、深度學習的模型訓練，弓網異常打火現象只能靠人力識別，效率較低，而且工作量繁重。針對現有資料應用的瓶頸，鄭州地鐵急需結合先進的大資料技術、人工智慧技術等對生產管理各類資料進行採集、治理、分析，做到事前預測、事中控制、事後分析改進，為城市市民提供安全優質的出行服務。

為了解決以上難題，2018年鄭州地鐵開始了容器雲大資料平臺建設，採用雲端計算、容器、大資料、AI等技術，充分挖掘資料價值，實現智慧軌道交通建設目標。近日，鄭州地鐵的“基於容器雲平臺管理不同作業系統下多個應用的研究與實現”入選了由中國城市軌道交通協會和資訊化專業委員會發布的“2019-2020年城市軌道交通行業資訊化最佳實踐優秀案例”名單，實現了很多突破。

智慧軌交容器雲實踐

鄭州地鐵大資料雲平臺建設取得突破離不開頂層設計、前瞻性規劃。在公司黨委“6+2”戰略總體部署下，鄭州地鐵為加快推進“智慧地鐵”規劃和建設，採取統一規劃部署，分階段、分步驟的建設思路。在2018年組建智軌專項工作小組，小組成員包含運營分公司、機電裝置部、資訊管理部和技術管理部等相關部門。

在技術選型時，鄭州地鐵充分調研且博採眾長。據悉，相比於網際網路、金融業、航空等行業，地鐵行業資訊化、數字化程度較為落後。鄭州地鐵資訊管理部副部長李昱見介紹，2018年成立智軌專項工作小組後，就開始深入研究雲端計算、大資料、AI等關鍵技術，與阿里雲、星環、華為、騰訊雲等相關廠商交流，借鑑其它行業的先進數字化轉型、雲端轉型實踐經驗，深入對比形成多個小課題研究，找到適合自己的技術。“到底哪個技術更適合我們，哪個技術更適合地鐵這種集團化、線網化的國企，實際上是企業雲，不是公有云。哪個廠商的產品更適合企業雲，我們做了深度的研究對比，相當於解剖麻雀一樣，把各家的產品都瞭解透了，因為我們搞技術的講究實事求是，深入研究。”李昱見指出。

在2019年以李昱見為第一作者發表的論文《智慧軌道交通中的容器雲》中，系統闡釋了智慧軌道交通中容器雲的實踐，文中指出，雲平臺搭建有兩種技術手段 ：一種是目前比較流行的虛擬機器技術;另一種是容器化技術。虛擬機器技術會造成一定的資源損耗，容器化技術比虛擬機器技術有更少的抽象層，直接使用物理資源，幾乎沒有效能損耗。傳統軌道交通訊息化建設存在的建設週期長、運維成本高和資源利用率低等問題，透過容器雲端計算技術得到解決，並且容器雲也為大資料和人工智慧技術在智慧軌道交通的應用提供了支撐。

具體到鄭州地鐵專案，鄭州地鐵綜合多方因素最終選擇了星環的容器化資料雲平臺(TDC)產品，底層是星環原生雲作業系統(Transwarp Cloud Operating System，TCOS)，為雲上的大資料應用部署以及資源管理提供全方位的實現支援，第二層是TDC的雲管理框架，提供包括安全保護、多租戶管理、微服務管理等服務在內的雲平臺基礎架構。第三層是服務應用層，包含TDH和Sophon中的所有元件，以雲產品形式提供大資料和AI服務。

具體架構圖如下：

圖1：鄭州地鐵資料雲平臺架構圖

鄭州地鐵容器雲大資料平臺專案實現了資料、應用、分析、管理的互融互通，對軌交雲的智慧應用提供有力支撐，改善了傳統資訊化建設中週期長、運維成本高、資源利用率低等問題，實現集團內外部的生產、經營和服務管理，有效提升了乘客的乘車體驗，保障地鐵裝置的安全運營。取得了創新性成果：

一是底層採用統一的容器支撐平臺，實現了資源的統一管理、統一排程，大幅提升資源使用效率。比如，典型的資料中心硬體資源利用率是25%，原因是傳統的虛擬化技術，需要額定佔用雲平臺資源且不釋放，導致雲平臺資源利用率很低，容器化平臺透過更積極的資源分配，以低成本方式對新的例項實現更合理的資源分配，同時支援動態分配，靈活排程系統資源，從而大大提高平臺的資源利用效率。

二是基於大資料技術的資料倉儲實現多元異構資料歸集，星環大資料雲平臺提供豐富的PaaS服務，為結構化、半結構化和非結構化資料的儲存、分析提供了統一的平臺，實現了資料的統一的儲存和管理，為資料的統一治理提供了前提基礎和先行條件。統一的資料管理平臺擁有裝置線上資料實時採集、分析等能力，能夠對海量歷史資料按照不同維度、主題進行彙總分析，實現對大資料的綜合分析(如針對客流、乘客和行車等資料實現車站級、線路級與線網級客流綜合分析)。

三是AI助力實現智慧分析與預測，大資料雲平臺提供一站式的圖形化機器學習平臺，可以完成包括資料預覽、資料預處理、特徵工程、建模、模型評估以及模型部署等整個資料分析流程。人工智慧平臺和大資料平臺相互打通，業務分析師和資料分析師可以透過自動建模以及內建的行業模板輕鬆構建AI 模型，從而提升業務價值。

智慧軌交容器雲平臺有廣泛的智慧應用，比如在智慧應用有裝置故障預測與健康管理系統功能、智慧影片資料分析、客流預測、乘客畫像等方面的落地，比如，去年年底鄭州地鐵上線了客流預測系統，可以明確預判客流從哪來，到哪去，可以進行精準的預判，而提前進行客流預測，有利於在大客流期間提前做好相應準備，此外，在一些重點大站會展現出熱力圖，根據熱力圖可以精準看到車站的佈局結構，包括車站的堵點，有利於車站的客流疏導。去年12月31號鄭州地鐵的客流量破了新高，由於基於客流預測提前有了準備，把運能放到該放的位置上去，當天車站全線網131個車站沒有一個車站進行三級客流控制，車站通行比較順暢。

李昱見介紹軌道交通行業數字化轉型目前還在起步階段，即將迎來爆發期。北上廣深這些超大城市，其地鐵執行多年，可能歷史遺留問題會多一些，像鄭州這樣的新興城市相對來說沒有那麼多歷史包袱，這是鄭州地鐵在邁向智慧軌道交通之路上的優勢所在，未來鄭州地鐵鄭州地鐵將積極探索大資料和人工智慧在軌道交通行業的創新和融合應用，更好地融入到智慧城市建設中。