云計算在城市軌道交通行業(yè)中的應(yīng)用場景探討

杜平海

（金華市軌道交通投資建設(shè)有限公司，浙江金華 321000）

0 引言

城市軌道交通的信息化和智能化是重要的發(fā)展趨勢。近年來，電子信息技術(shù)快速發(fā)展，云計算、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、車聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)等新興技術(shù)的出現(xiàn)，在理念和內(nèi)容上帶來了巨大的影響。

特別是云計算技術(shù)，它是大量新興技術(shù)與應(yīng)用的底層架構(gòu)基礎(chǔ)，在技術(shù)上已形成豐富的協(xié)議棧，得到了廣泛應(yīng)用。如何把云計算技術(shù)和傳統(tǒng)行業(yè)相結(jié)合，成為當(dāng)前各行業(yè)的關(guān)注重點。

1 云計算的概念與架構(gòu)

1.1 云計算概念

按照“美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)實驗室”的定義：云計算是一種模型，它可以實現(xiàn)隨時隨地、便捷地從可配置計算資源共享池中獲取所需的資源（例如網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲、應(yīng)用或其他服務(wù)），相關(guān)資源能夠快速供應(yīng)并釋放，使管理資源的工作量和與服務(wù)提供商的交互減小到最低限度。

云計算是商業(yè)模式和技術(shù)架構(gòu)的雙重創(chuàng)新。從商業(yè)模式上講，消費者從“購買軟硬件產(chǎn)品”向“購買信息服務(wù)”轉(zhuǎn)變；從技術(shù)角度講，云計算使用虛擬化、分布式等創(chuàng)新技術(shù)，將計算資源、存儲資源等進行池化，進而根據(jù)業(yè)務(wù)需要靈活地調(diào)度和管理。

云計算的相關(guān)概念很多，按照服務(wù)對象不同，可劃分為公有云、私有云以及介于二者之間的行業(yè)云與混合云；按照服務(wù)層次不同，可劃分為三大云服務(wù)系統(tǒng)（其中?SaaS?為軟件即服務(wù)、PaaS?為平臺即服務(wù)、IaaS?為基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）以及衍生的?BaaS（備份作為一種服務(wù)）與DRaaS（容災(zāi)作為一種服務(wù)）等，如圖?1?所示。

1.2 云計算架構(gòu)

私有云、公有云等在商業(yè)模式、運營管理上存在顯著差別，但是從技術(shù)架構(gòu)上看，云計算整體架構(gòu)劃分為云運營、云運維以及云平臺系統(tǒng)（IaaS、PaaS、SaaS）這三大子系統(tǒng)，是完全解耦的關(guān)系。其中云平臺和云運維是重用的，僅云運營子系統(tǒng)對于不同云模式存在一定差異。云計算的架構(gòu)如圖?2?所示。

IaaS?層（基礎(chǔ)設(shè)施層）可進一步劃分為物理資源層、虛擬資源層以及資源服務(wù)與調(diào)度層。

（1）物理資源層：所有支撐?IaaS?層的?IT?基礎(chǔ)設(shè)施硬件，包括服務(wù)器、存儲、數(shù)據(jù)中心交換機、防火墻、VPN?網(wǎng)關(guān)、路由器等網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備。

（2）虛擬資源層：云計算架構(gòu)中處于最為核心的位置。該層次和“資源服務(wù)與調(diào)度層”一同對來自上層操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序的資源訪問指令進行“截獲”。指令和數(shù)據(jù)被截獲后進行“多虛一”的分布式資源聚合處理、“一虛多”的虛擬化隔離處理，以及必要的異構(gòu)資源適配處理。這種處理可以實現(xiàn)在上層操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序基本無感知的情況下，將分散在一個或多個數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施資源進行統(tǒng)一虛擬化與池化。

（3）資源服務(wù)與調(diào)度層：相對于虛擬化層在業(yè)務(wù)執(zhí)行面和數(shù)據(jù)面上的“資源聚合與分割仿真”，該層次主要實現(xiàn)管理平面上的“邏輯資源調(diào)度”。

考慮到和傳統(tǒng)操作系統(tǒng)（OS）的作用相似，我們把?IaaS?層中的軟件（包括虛擬資源層以及資源服務(wù)與調(diào)度層）稱之為云?OS。

2 云計算的應(yīng)用情況

云計算概念從?2006?年開始提出，經(jīng)過?10?年的發(fā)展，IT?基礎(chǔ)架構(gòu)的云化比重已經(jīng)越來越高，如圖?3?所示。

實現(xiàn)云計算和傳統(tǒng)行業(yè)的結(jié)合，應(yīng)該從以下?3?方面入手。

（1）首先把握云計算的核心理念，打破各應(yīng)用系統(tǒng)煙囪式的垂直建設(shè)和?IT?資源互相隔離的現(xiàn)狀；在水平方向?qū)崿F(xiàn)?IT?資源的池化，并在此基礎(chǔ)之上實現(xiàn)各應(yīng)用系統(tǒng)共享使用，提升?IT?資源的應(yīng)用效率。

（2）進一步借助于云計算技術(shù)，提高沉積數(shù)據(jù)分析處理能力，讓數(shù)據(jù)產(chǎn)生更大的商業(yè)價值，助力業(yè)務(wù)發(fā)展。

（3）還可以分析傳統(tǒng)行業(yè)的某些業(yè)務(wù)能否以云計算?SaaS?方式通過互聯(lián)網(wǎng)或移動互聯(lián)網(wǎng)提供給最終客戶，加強企業(yè)與客戶的互動。

圖1 云計算的相關(guān)概念

圖2 云計算架構(gòu)詳細(xì)框圖

圖3 IT 基礎(chǔ)架構(gòu)云化比例

3 云計算在城市軌道交通行業(yè)中的應(yīng)用場景

3.1 城市軌道交通行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

城市軌道交通行業(yè)在建設(shè)模式上，一般以線路為單位獨立進行建設(shè)，線路間不共享，線路內(nèi)各專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)也是各自招標(biāo)購買對應(yīng)的軟硬件一體化解決方案，相互之間通過接口共享必要的信息，但是在底層?IT?資源上是各自獨立的，具有較大的改進空間。

另外，城市軌道交通行業(yè)在管理體系上一般也是線網(wǎng)-線路-車站的三級管理體系，傳統(tǒng)應(yīng)用在設(shè)計中往往采取分層設(shè)計，不同層次數(shù)據(jù)可能存在較高的重疊部分。隨著大數(shù)據(jù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，行業(yè)內(nèi)傾向于采取更扁平化的架構(gòu)來解決問題和降低成本，這也給云計算帶來了應(yīng)用機會。

經(jīng)過系統(tǒng)性的分析，可以看到以下云計算應(yīng)用場景。

3.2 場景 1：既有應(yīng)用使用分布式存儲等云計算架構(gòu)

首先是最簡單的云計算例子。前文已經(jīng)提到，虛擬化、分布式是云計算架構(gòu)的典型特征，某個既有應(yīng)用使用了虛擬化計算、分布式存儲等技術(shù)，就是一個明顯的云計算場景。

以綜合安防為例，如圖?4?所示，從整條線路看，它需要使用不少的存儲空間，考慮到攝像頭可能增加，數(shù)據(jù)保存周期會提高要求，攝像頭清晰度也會持續(xù)提高，這就要求更大的存儲空間。而傳統(tǒng)存儲方案采用中低端存儲局域網(wǎng)絡(luò)（IP?SAN）模式，單臺?IP?SAN?設(shè)備的最大存儲空間是有限的。在存儲能力不足時，就需要使用多臺存儲設(shè)備一起存放數(shù)據(jù)，而視頻數(shù)據(jù)在多臺存儲設(shè)備上如何實現(xiàn)均衡存放，則由視頻監(jiān)控的平臺軟件來負(fù)責(zé)完成，視頻數(shù)據(jù)布局與上層應(yīng)用緊密耦合。

另外一種方案選擇是采取分布式文件系統(tǒng)的存儲方案，更契合視頻數(shù)據(jù)的存放需求，比如?DELLEMC?的Isilon，華為的?OceanStor?9000。它通過使用分布式文件系統(tǒng)最大可以實現(xiàn)對幾百個服務(wù)器存儲空間的整合，形成了巨大的存儲資源池，而且存儲空間、出口帶寬、內(nèi)置數(shù)據(jù)處理性能與服務(wù)器節(jié)點數(shù)呈線性增長。視頻數(shù)據(jù)存儲與上層應(yīng)用也實現(xiàn)了完全的松耦合，因為視頻數(shù)據(jù)布局是由存儲來自行管理的，這樣也可以有多個應(yīng)用一起使用這個資源池，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)應(yīng)用種類的自然擴展。

3.3 場景 2：以線路為單位構(gòu)建多應(yīng)用的統(tǒng)一云計算資源池

這是最常見的云計算應(yīng)用場景，如圖?5?所示。城市軌道交通一般以線路為單位進行建設(shè)，各線路之間相對獨立。從節(jié)省?IT?資源投入、便于統(tǒng)一管理為出發(fā)點，可以考慮把以線路為單位構(gòu)建云平臺作為多應(yīng)用的統(tǒng)一云計算資源池。各應(yīng)用廠家主要提供軟件和終端設(shè)備，不再提供服務(wù)端的?IT?設(shè)備（如服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)），從而給出對?IT?資源的具體要求，由云平臺進行分配。

方案主要由?OCC?數(shù)據(jù)中心、車輛段災(zāi)備數(shù)據(jù)中心、骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)以及車站等構(gòu)成。

（1）在?OCC?設(shè)置生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心部署統(tǒng)一的云平臺，承載各業(yè)務(wù)系統(tǒng)及運維管理系統(tǒng)。

（2）在車輛段設(shè)置災(zāi)備數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)級容災(zāi)。

圖4 視頻監(jiān)控分布式存儲方案

圖5 運行控制中心（OCC）云平臺方案

（3）車站是業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的主要來源，需要考慮車站網(wǎng)絡(luò)單點故障下能夠保障業(yè)務(wù)系統(tǒng)正常運行的情況。因此，在車站設(shè)置?1?臺服務(wù)器，納入云平臺統(tǒng)一管理，平時生產(chǎn)中心主用，網(wǎng)絡(luò)故障時啟用車站備用服務(wù)器。

3.4 場景 3：面向企業(yè)員工辦公以及生產(chǎn)應(yīng)用的桌面云方案

前文討論的云計算場景集中在服務(wù)端的技術(shù)架構(gòu)上，但是對于用戶而言，要獲得并使用?IT?資源，就要解決如何高效訪問云計算系統(tǒng)以獲取所需?IT?資源的問題。對于企業(yè)內(nèi)的辦公系統(tǒng)及部分生產(chǎn)系統(tǒng)，可以采用桌面云的方式進行訪問。在這種模式下，用戶通過終端云接入?yún)f(xié)議連接到數(shù)據(jù)中心，應(yīng)用程序都在云數(shù)據(jù)中心運行,?而無須在終端上安裝。桌面云方案具備資源共享、高效管理、信息安全、綠色環(huán)保的優(yōu)勢，非常適合傳統(tǒng)Windows?應(yīng)用軟件的云化，具體如圖?6?所示。

圖6 桌面云方案

圖7 城市軌道交通行業(yè) SaaS 云方案

3.5 場景 4：面向城市軌道交通行業(yè)的行業(yè)云方案構(gòu)想

3.4?節(jié)中提到本企業(yè)員工可以使用桌面云方案訪問辦公應(yīng)用以及部分生產(chǎn)應(yīng)用，特別是傳統(tǒng)?Windows?應(yīng)用。伴隨著大量應(yīng)用開始廣泛地使用瀏覽器/服務(wù)器模式（B／S架構(gòu)）以及移動互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，通過瀏覽器或者移動?APP?訪問云端獲取服務(wù)的模式開始普及，特別是對于辦公系統(tǒng)，更是一種普遍現(xiàn)象。

在這種情況下，由某主管部門或者先驅(qū)企業(yè)建設(shè)能夠滿足城市軌道交通企業(yè)主要?IT?應(yīng)用的?SaaS?服務(wù)，這是可以探討的構(gòu)想，因為行業(yè)內(nèi)企業(yè)在這方面需求大同小異。在運作模式上可以采取“應(yīng)用市場模式”，充分調(diào)動行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)以及獨立軟件開發(fā)商（ISV）的積極性，從而把不同企業(yè)所積累的管理經(jīng)驗和優(yōu)秀實踐以軟件服務(wù)的方式固化下來，帶動整個行業(yè)的良性發(fā)展，提高我國城市軌道交通行業(yè)整體的信息化和智能化水平。例如，廣州地鐵結(jié)合多年的工程實施經(jīng)驗，將土建工程的?8?類工法分解為?572?道工序，每道工序均明確了業(yè)主?、施工單位和監(jiān)理單位的職責(zé)分工與交付件，實現(xiàn)了地鐵建設(shè)管理的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化和信息化。

該行業(yè)云甚至可以考慮進一步延伸到大數(shù)據(jù)的?PaaS層以及?IaaS?層，引入更多的第三方合作伙伴，實現(xiàn)行業(yè)內(nèi)跨企業(yè)大數(shù)據(jù)的分析和挖掘以及?IT?基礎(chǔ)資源的共享，從而更好地助力行業(yè)投資與決策判斷，如圖?7?所示。

3.6 場景 5：面向乘客的移動互聯(lián)網(wǎng) SaaS 方案

對于乘客來講，使用地鐵公司提供的移動?APP，可以獲得交通資訊等信息，并實現(xiàn)手機購票甚至直接刷APP?過閘機。地鐵?APP?的大概功能如圖?8?所示。

通過地鐵?APP?實現(xiàn)企業(yè)和公眾乘客之間的良好互動，既提高服務(wù)質(zhì)量，方便公眾乘客，也促進地鐵商業(yè)本身的引流和增值。

圖8 城市軌道交通 APP 構(gòu)想

4 結(jié)語

云計算在不同行業(yè)中應(yīng)用，遇到的問題可能不僅僅是技術(shù)問題，還會遇到作業(yè)流程以及管理體制和云計算不匹配的問題。在推廣云計算的過程中，需要仔細(xì)分析對應(yīng)影響，逐一解決，為云計算應(yīng)用掃清障礙。云計算是IT發(fā)展的大勢所趨，它也為大數(shù)據(jù)、智能化搭建了基礎(chǔ)，必然會在城市軌道交通行業(yè)中逐步推廣。