节省60%资源，替换Cassandra，北京城建智控牵手IoTDB为地铁运行保驾护航

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。

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。

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。

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。