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）是北京城建集團子企業，中國軌域交通行業第一家擁有設計背景的智慧城軌綜合解決方案提供商、中國第一家專註軌域交通雲平台業務的國有控股公司，致力於打造集「設計、研發、制造、采購、安裝、運維」為一體的一站式服務，公司業務範圍涵蓋地鐵、市域鐵路、輕軌、機場及交通樞紐、建築智能化等不同領域。
2023 年，城市軌域交通協會提出了「多元融合、可持續發展」的理念，倡導用智能化技術賦能綠色城軌。基於此願景，北京城建智控將軌域交通工業物聯網業務聚焦到兩方面：面向車站器材監控的雲交自動化系統和面向軌域交通訊號控制的雲訊號系統。作為「智慧賦能綠色城軌」願景實施路徑之一的降本方向，也成為北京城建智控這家軌域交通智慧解決方案提供商重要的努力方向。
透過選擇 IoTDB 作為雲交自動化系統中負責時序數據儲存、查詢、計算的核心元件，北京城建智控有效提升雲交自動化系統的數據存取、查詢效能，並大幅降低雲環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、高可控的數碼化新路徑。
2. 系統介紹
傳統城市軌域弱電系統通常面臨以下多個痛點：
第一，城軌弱電系統涉及的硬件器材種類繁多，導致系統投入成本和多類器材的即時運維成本很高；
第二，在相對封閉的傳統建設模式下，城軌弱電系統的各個系統是獨立執行的，系統間的聯動嚴重依賴完全客製化的介面，導致智能化、跨專業場景的實作異常困難；
第三，城軌不同路線、中心的系統、廠家、營運班組都可能不同，而傳統建設行為圍繞單路線、單中心進行，因此重復建設問題嚴重，系統營運成本進一步增加，跨不同制式軌域交通融合困難；
第四，既有的部份裝備、器材過於傳統老舊，無法滿足智能化需求。
此外，為避免車站業務不可用情況，城軌系統更傾向於部署在中心雲與邊緣雲結合的分布式雲，每個車站為一個小的邊緣雲，所有的車站線上路、線網層面再組成一個大的分布式雲，並共享、調配系統資源。
這樣的結構能夠保證當某個車站與中心斷聯，車站雲依然能夠支撐本車站的業務套用。當車站的邊緣雲故障，相鄰的車站邊緣雲也能夠做臨站的接管，以提高城軌系統可靠性和可用性。
結合上述痛點與行業發展趨勢，北京城建智控提出了安全可靠的軌域交通自動化系統，即雲交自動化系統。雲交自動化系統采用工業 4.0 的理念、技術、架構形態，透過綜合運用時序數據庫、雲端運算、虛擬化等數碼化軟件與技術，實作了一套軟件架構全面支撐軌域交通智能化建設。
同時，雲交自動化系統架構針對軌域交通業務特性進行了相應功能的客製，從終端層、感知層、IaaS 層、PaaS 層、SaaS 層對城軌數據化資產進行管理、表達，從設計、建設、營運、服務全生命周期，對城市軌域交通的系統業務進行重構和最佳化升級。
在「器材多、跨系統難、分布式雲部署」的背景下，雲交自動化系統對於 IoTDB 在時序數據管理方面的數據采集、儲存、分析、查詢效能以及線上網層面大範圍的數據匯聚能力提出了更高的要求。
而 IoTDB 所具備的多源數據即時采集、千萬級數據寫入、超 20 倍無損壓縮比、毫秒級查詢響應、多器材億級點位管理等效能優勢，使其完全適配雲交自動化系統的智能化需求。
3. 部署架構及效果
雲交自動化系統原來采用 Cassandra 作為中心級、線網級的時序數據庫，在車站側則采用國外驅采軟件配套的數據庫進行臨時本地儲存，並結合微服務架構、擴充套件性閘道器等業務模組，整合覆蓋硬件、軟件器材，支持時序數據采集、處理，並對接多個下遊套用管理平台。
這一組合的痛點在於，Cassandra 的寫入、查詢效能與壓縮能力十分有限，資源占用較高；國外的驅采軟件對應售價又非常高。系統效能受限、專案實施成本高，自然無法滿足北京城建智控的套用需求。
引入 IoTDB 後，北京城建智控將原來的中心級 Cassandra 數據庫替換為 IoTDB，在車站側則根據不同的場景采用 MySQL 或 IoTDB 替代國外驅采軟件進行本地儲存。透過針對中心和車站相關系統進行國產化數據庫 IoTDB 的逐步替代，北京城建智控實作了關鍵系統不再被國外系統「卡脖子」。
目前，IoTDB 已被套用於北京城建智控數十個車站和對應的主、備中心側。相較於傳統數據庫，查詢效能提升 120%，能夠支撐軌交每秒百萬級的數據存取，並降低 60% 數據庫資源占用，節省大量即時使用成本，在「降本」與「增效」方面均實作突破，系統資源更集中、運維成本更低、擴充套件能力更強、控制能力更快。
此外，技術國產化和自主化後，北京城建智控根據實際場景，進一步利用 AI、大數據等工具對采集的城軌器材數據進行智能化分析，實作深度節能降耗，對系統安全性、可靠性、即時性等進行深度論證和最佳化，進一步落實綠色城軌願景。
在數據模型層面，使用過程中，北京城建智控根據其數據查詢特點、查詢效率要求、跨器材查詢場景等條件，基於 IoTDB 原生的樹形模型進行演變調整。透過對舊有時序數據層級進行精簡，由多層級時序轉變為單時序，進一步保證了跨器材查詢的系統效能。
在不斷的落地測試和套用過程中，隨著雙方的緊密合作和 IoTDB 版本的不斷更新，系統實施中遇到的問題都在逐步解決，系統穩定性與效能得到進一步保障。IoTDB 背後團隊的及時、高效、靠譜，也是北京城建智控看好 IoTDB 在其軌域交通場景下進一步套用的重要原因。
4. 使用場景
北京城建智控的雲交自動化系統上報的時序封包含兩大類：一類為車輛、訊號安全產品的聯鎖、電力、火災、機電等相關器材所產生的變位數據；另一類為器材操作的事件、使用者操作的日誌、器材的報警數據等。
針對不同的時序數據類別，北京城建智控需要進行單器材最新點查詢、時間範圍篩選、聚合統計、多值篩選、對齊查詢等多類單時序或跨時序查詢，具體的對應關系如下圖所示。對於不同的時序數據類別儲存與數據查詢需求，IoTDB 均可有效支持。
在雲交自動化系統的使用場景中，也存在一些和 IoTDB 支持的標準場景不太一樣的情形，例如車站-中心、線網-中心的數據同步。
IoTDB 中預設支持多對一的數據同步，但在該場景中，車站將設定主備伺服器，在主備伺服器之間需要進行雙向數據同步；而車站又需要對多中心內部的主備伺服器進行數據同步，即需要實作多對多的數據同步從而保證系統高可用。同時，數據同步之後一旦發生問題，需要支持數據回補等機制以滿足分布式雲的數據同步要求。
基於原生的 IoTDB，北京城建智控在實際使用過程中進行了相應的客製研發。
5. 未來套用展望
北京城建智控工業物聯網業務包含雲交自動化系統和雲訊號系統。除雲交自動化系統外，北京城建智控也希望 IoTDB 後續在雲訊號系統中發揮更大作用。
雲訊號系統旨在解決軌域交通訊號系統的相應痛點。除了與弱電系統有共性的器材分散、種類繁多、運維難度大，融合的系統類別多、成本高等問題以外，訊號系統還需要考慮智能化產業背景下，如何保障資訊保安。因此，強化通訊安全管理、精簡車載器材套用的執行功能對於軌域交通訊號系統尤為重要，這也是北京城建智控提出雲訊號系統的契機。
2014 年開始，北京城建智控持續推進雲訊號系統研發，該系統以「下地·上雲」的底層邏輯對原有軌交訊號系統進行重構。「下地」指面向傳統車載中，因執行環境導致效能受限的情況，將傳統車載控制器算力邏輯下放至地面系統，減輕對車上器材的依賴。「上雲」指將傳統的路線控制中心、器材集中站器材執行的深度計算遷移至中心雲平台，透過各種通訊安全保障，兼顧即時性和安全性，並進行資源的進一步整合，構建從線網控制中心到執行終端的新一代列車執行控制系統。
雲訊號系統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、簡化執行能力的要求比雲交自動化系統場景更高。北京城建智控需要建立統一基礎平台並部署在異構雲上，這就對 IoTDB 的安全性、穩定性、確定性提出了更高的要求。
IoTDB 在雲訊號系統的未來套用場景是數據融合決策方面。在列車執行逐步無人化、全自動化的行業趨勢下，從現有的司機監控，到真正實作無人化，需要城軌企業提升資訊迴圈、數據融合、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。
未來，IoTDB 將對雲訊號系統中涉及的執行、狀態、執行時序數據進行儲存與管理，在保障車輛執行安全的基礎上，進一步支持實作智慧行車指揮決策。北京城建智控也將繼續攜手 IoTDB，在城軌工業物聯網領域實作更多、更廣、更深度的套用。
