1. 概述
北京城建智控科技股份有限公司（以下简称：北京城建智控）是北京城建集团子企业，中国轨道交通行业第一家拥有设计背景的智慧城轨综合解决方案提供商、中国第一家专注轨道交通云平台业务的国有控股公司，致力于打造集“设计、研发、制造、采购、安装、运维”为一体的一站式服务，公司业务范围涵盖地铁、市域铁路、轻轨、机场及交通枢纽、建筑智能化等不同领域。
2023 年，城市轨道交通协会提出了“多元融合、可持续发展”的理念，倡导用智能化技术赋能绿色城轨。基于此愿景，北京城建智控将轨道交通工业物联网业务聚焦到两方面：面向车站设备监控的云交自动化系统和面向轨道交通信号控制的云信号系统。作为“智慧赋能绿色城轨”愿景实施路径之一的降本方向，也成为北京城建智控这家轨道交通智慧解决方案提供商重要的努力方向。
通过选择 IoTDB 作为云交自动化系统中负责时序数据存储、查询、计算的核心组件，北京城建智控有效提升云交自动化系统的数据存取、查询性能，并大幅降低云环境部署的资源占用与使用成本，为智慧城轨解决方案提供了低成本、高可控的数字化新路径。
2. 系统介绍
传统城市轨道弱电系统通常面临以下多个痛点：
第一，城轨弱电系统涉及的硬件设备种类繁多，导致系统投入成本和多类设备的实时运维成本很高；
第二，在相对封闭的传统建设模式下，城轨弱电系统的各个系统是独立运行的，系统间的联动严重依赖完全定制化的接口，导致智能化、跨专业场景的实现异常困难；
第三，城轨不同线路、中心的系统、厂家、运营班组都可能不同，而传统建设行为围绕单线路、单中心进行，因此重复建设问题严重，系统运营成本进一步增加，跨不同制式轨道交通融合困难；
第四，既有的部分装备、设备过于传统老旧，无法满足智能化需求。
此外，为避免车站业务不可用情况，城轨系统更倾向于部署在中心云与边缘云结合的分布式云，每个车站为一个小的边缘云，所有的车站在线路、线网层面再组成一个大的分布式云，并共享、调配系统资源。
这样的结构能够保证当某个车站与中心断联，车站云依然能够支撑本车站的业务应用。当车站的边缘云故障，相邻的车站边缘云也能够做临站的接管，以提高城轨系统可靠性和可用性。
结合上述痛点与行业发展趋势，北京城建智控提出了安全可靠的轨道交通自动化系统，即云交自动化系统。云交自动化系统采用工业 4.0 的理念、技术、架构形态，通过综合运用时序数据库、云计算、虚拟化等数字化软件与技术，实现了一套软件架构全面支撑轨道交通智能化建设。
同时，云交自动化系统架构针对轨道交通业务特性进行了相应功能的定制，从终端层、感知层、IaaS 层、PaaS 层、SaaS 层对城轨数据化资产进行管理、表达，从设计、建设、运营、服务全生命周期，对城市轨道交通的系统业务进行重构和优化升级。
在“设备多、跨系统难、分布式云部署”的背景下，云交自动化系统对于 IoTDB 在时序数据管理方面的数据采集、存储、分析、查询性能以及在线网层面大范围的数据汇聚能力提出了更高的要求。
而 IoTDB 所具备的多源数据实时采集、千万级数据写入、超 20 倍无损压缩比、毫秒级查询响应、多设备亿级点位管理等性能优势，使其完全适配云交自动化系统的智能化需求。
3. 部署架构及效果
云交自动化系统原来采用 Cassandra 作为中心级、线网级的时序数据库，在车站侧则采用国外驱采软件配套的数据库进行临时本地存储，并结合微服务架构、扩展性网关等业务模块，整合覆盖硬件、软件设备，支持时序数据采集、处理，并对接多个下游应用管理平台。
这一组合的痛点在于，Cassandra 的写入、查询性能与压缩能力十分有限，资源占用较高；国外的驱采软件对应售价又非常高。系统性能受限、项目实施成本高，自然无法满足北京城建智控的应用需求。
引入 IoTDB 后，北京城建智控将原来的中心级 Cassandra 数据库替换为 IoTDB，在车站侧则根据不同的场景采用 MySQL 或 IoTDB 替代国外驱采软件进行本地存储。通过针对中心和车站相关系统进行国产化数据库 IoTDB 的逐步替代，北京城建智控实现了关键系统不再被国外系统“卡脖子”。
目前，IoTDB 已被应用于北京城建智控数十个车站和对应的主、备中心侧。相较于传统数据库，查询性能提升 120%，能够支撑轨交每秒百万级的数据存取，并降低 60% 数据库资源占用，节省大量实时使用成本，在“降本”与“增效”方面均实现突破，系统资源更集中、运维成本更低、扩展能力更强、控制能力更快。
此外，技术国产化和自主化后，北京城建智控根据实际场景，进一步利用 AI、大数据等工具对采集的城轨设备数据进行智能化分析，实现深度节能降耗，对系统安全性、可靠性、实时性等进行深度论证和优化，进一步落实绿色城轨愿景。
在数据模型层面，使用过程中，北京城建智控根据其数据查询特点、查询效率要求、跨设备查询场景等条件，基于 IoTDB 原生的树形模型进行演变调整。通过对旧有时序数据层级进行精简，由多层级时序转变为单时序，进一步保证了跨设备查询的系统性能。
在不断的落地测试和应用过程中，随着双方的紧密合作和 IoTDB 版本的不断更新，系统实施中遇到的问题都在逐步解决，系统稳定性与性能得到进一步保障。IoTDB 背后团队的及时、高效、靠谱，也是北京城建智控看好 IoTDB 在其轨道交通场景下进一步应用的重要原因。
4. 使用场景
北京城建智控的云交自动化系统上报的时序数据包含两大类：一类为车辆、信号安全产品的联锁、电力、火灾、机电等相关设备所产生的变位数据；另一类为设备操作的事件、用户操作的日志、设备的报警数据等。
针对不同的时序数据类型，北京城建智控需要进行单设备最新点查询、时间范围筛选、聚合统计、多值筛选、对齐查询等多类单时序或跨时序查询，具体的对应关系如下图所示。对于不同的时序数据类型存储与数据查询需求，IoTDB 均可有效支持。
在云交自动化系统的使用场景中，也存在一些和 IoTDB 支持的标准场景不太一样的情形，例如车站-中心、线网-中心的数据同步。
IoTDB 中默认支持多对一的数据同步，但在该场景中，车站将设置主备服务器，在主备服务器之间需要进行双向数据同步；而车站又需要对多中心内部的主备服务器进行数据同步，即需要实现多对多的数据同步从而保证系统高可用。同时，数据同步之后一旦发生问题，需要支持数据回补等机制以满足分布式云的数据同步要求。
基于原生的 IoTDB，北京城建智控在实际使用过程中进行了相应的定制研发。
5. 未来应用展望
北京城建智控工业物联网业务包含云交自动化系统和云信号系统。除云交自动化系统外，北京城建智控也希望 IoTDB 后续在云信号系统中发挥更大作用。
云信号系统旨在解决轨道交通信号系统的相应痛点。除了与弱电系统有共性的设备分散、种类繁多、运维难度大，融合的系统类型多、成本高等问题以外，信号系统还需要考虑智能化产业背景下，如何保障信息安全。因此，强化通信安全管理、精简车载设备应用的执行功能对于轨道交通信号系统尤为重要，这也是北京城建智控提出云信号系统的契机。
2014 年开始，北京城建智控持续推进云信号系统研发，该系统以“下地·上云”的底层逻辑对原有轨交信号系统进行重构。“下地”指面向传统车载中，因运行环境导致性能受限的情况，将传统车载控制器算力逻辑下放至地面系统，减轻对车上设备的依赖。“上云”指将传统的线路控制中心、设备集中站设备执行的深度计算迁移至中心云平台，通过各种通信安全保障，兼顾实时性和安全性，并进行资源的进一步整合，构建从线网控制中心到执行终端的新一代列车运行控制系统。
云信号系统的目的是更好地控制车辆，对自主可控、高安全、低时延、确定性的要求，以及对智慧决策、简化执行能力的要求比云交自动化系统场景更高。北京城建智控需要建立统一基础平台并部署在异构云上，这就对 IoTDB 的安全性、稳定性、确定性提出了更高的要求。
IoTDB 在云信号系统的未来应用场景是数据融合决策方面。在列车运行逐步无人化、全自动化的行业趋势下，从现有的司机监控，到真正实现无人化，需要城轨企业提升信息循环、数据融合、自主决策的安全性和智能性，保障以乘客为中心的安全、舒适、便捷、高效的智慧出行服务。
未来，IoTDB 将对云信号系统中涉及的运行、状态、执行时序数据进行存储与管理，在保障车辆运行安全的基础上，进一步支持实现智慧行车指挥决策。北京城建智控也将继续携手 IoTDB，在城轨工业物联网领域实现更多、更广、更深度的应用。
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