城市軌道交通融合云平臺探討

王 皓，楊承東

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城市軌道交通融合云平臺探討

王 皓，楊承東

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063）

針對現有條件下城市軌道交通系統存在的信息孤島、設備分散、網絡資源浪費、安全管控弱、運維體系失調等問題，結合云計算在城軌行業應用的政治環境、政府響應、技術環境、現象后的本質、內部推動力等方面，提出城市軌道交通融合云平臺的方案。該方案基于線網化IT資源建設，為ISCS、ACC、CCTV、PIS等業務提供基于IaaS層服務，并伴有車站降級運行和異地熱遷移等策略，提高了系統的可靠性和可用性，解決了IT基礎設施統一化、線網化的相關問題。論述主要業務系統的部署要點和建議，如綜合監控系統的主備切換、AFC的扁平化層級、CCTV的帶寬計算、PIS系統軟件的可移植性等方面。

城市軌道交通；融合云；數據中心；軟件定義；虛擬化

1 現狀發展與云計算基本概念

1.1 現狀發展

目前我國城市軌道交通運營逐步走向網絡化、集中化、智慧化。目前城軌信息系統建設的現狀是：信息孤島嚴重，基礎設施分散，網絡資源浪費，安全管控偏弱，運維體系失衡，標準規范缺建，統籌乏力[1]。各車站獨立部署服務器處理本站數據，獨立存儲。各車站、各子系統獨立部署，設備多且雜。車站間信息不共享，應急響應慢。

信息系統建設的發展趨勢是：各子系統間基礎數據統一存儲管理和集中共享；各子系統深度集成，實現業務間快速聯動；計算、儲存、網絡可看作一種線網化資源。因此建設融合云平臺數據中心，監控數據統一存儲、集中分析，為線網中心、線路中心、車站提供統一的服務是必然的發展趨勢。

1.2 云計算基本概念

美國國家標準與技術研究所（NIST）對云計算的定義如下：云計算是一種可以普適、方便、按需地通過網絡訪問可配置的共享計算資源（如網絡、服務器、存儲、應用和服務）池的模式，計算資源可以在最少的管理開銷和服務提供商干預下快速提供和釋放[2]。

基于以上理解，云計算技術有以下解讀：1）云計算不僅是互聯網概念，專網也可采用，可自建私有云。2）所有的帶寬、存儲空間、計算能力都是一種資源，可根據功能需求靈活調配。3）技術發展到一定程度才可實現，重要物理硬件設備突破瓶頸：如虛擬化技術、計算機多核技術、多維存儲、大帶寬、分布式處理。4）需求一定的系統，在系統安全性、可靠性、可用性提高且成本更低的情況下也可使用云計算技術[3]。

2 城市軌道交通使用云計算的環境

云計算技術在軌道交通的運用中尚且為較新的技術。有些項目處于摸索階段，但已具備了一定的云計算技術應用環境。

2.1 云計算政治環境

由于國家領導人對云計算和大數據的重視，各地方政府已經在著手建立本地的云計算資源和產業。國發〔2015〕50號《國務院關于印發促進大數據發展行動綱要的通知》[4]、發改基礎〔2016〕1681號關于印發《推進“互聯網+”便捷交通促進智能交通發展的實施方案》的通知等文件對交通運輸產業使用云計算、大數據技術做出了明確的指導精神[5]。

2.2 地方政府及行業對云計算的響應

部分地方政府要求除公安、安全等部門以及涉密和信息安全等級保護四級（含）以上信息系統外，按照“上云為常態、不上云為例外”原則，各部門現有信息系統應逐步遷移上云，停止服務器、存儲等相關軟硬件采購[6]。此外國家倡導的城軌PPP建設模式，提倡精細化的資源建設，需要適當維護社會投資人的利益，社會投資人可能會自建或租用資源池。鋼鐵、電網、水利、交通等重資產行業及企業已經階段性完成了云計算數據中心的建設，積累了很多的經驗和心得。中國鐵路總公司在中國鐵路客戶服務中心12306的建設中與阿里云合作，得到了豐富的數據和計算結果，用戶體驗較好。

2.3 云計算在軌道交通行業的背景

于2018年1月1日實施的GB 50174—2017的名稱從2008年版的《電子信息系統機房設計規范》改為《數據中心設計規范》[7]，數據中心和云計算具有很大的相關性，軌道交通建立企業級數據中心將不得不面對云技術。

新修訂的《城市軌道交通綜合監控系統工程技術規范》（2016版）中：“云計算解決方案宜包含“綜合監控系統OCC云計算中心”和“綜合監控系統車站級云計算工作站”兩大部分。明確提出“綜合監控系統的構成方案可以選擇采用云平臺方案”。

軌道交通行業內的一些單位也對云計算進行了科研、測試、應用等大量工作，并取得了一定的成果。相關單位對云計算技術表示了濃厚興趣。云計算技術已在工程中應用到溫州市域鐵路S1線綜合監控、ACC項目中，預計2018年開通。北京地鐵正在著手建設CCTV的網絡化云存儲中心，深圳地鐵10號線工程中也計劃采用云技術。其他應用云計算技術項目均在積極推動中[8]。

2.4 現象后的本質

傳統軌道交通由于項目報批、建設模式的關系，服務器和網絡等硬件資源沒有從根本上定位為線網性資源。系統建設頂層設計規劃不夠，總寄希望于“增量”建設解決“存量”問題。

車站級服務器占總服務器數量的90%以上，但CPU利用率較低，部分占用率低于5%。冗余系統服務器等關鍵設備均采用1+1備份方式，導致CPU資源的嚴重浪費。另外個別設備CPU負載率較高。傳統硬件架構，不具備性能動態調整功能。調整資源分配需要停運，或進行壓力巨大的倒切。

單個CPU計算能力隨著技術的進步越來越強，需求變化不大的系統將面臨更高的CPU資源浪費。

城軌網絡化建設運營理念被不斷呼吁強調，由于各系統單獨設置服務器和存儲等設備，為運營、維護和管理帶來了諸多不便。運營后的增量建設實施條件難度大，維護成本高。軌道交通的基礎設施不僅僅是車站、隧道、橋梁，云計算資源也可看作軌道交通信息系統的基礎設施資源。

2.5 城軌云計算的推動力

分階段分步驟實現相關系統的硬件、軟件云部署方案，可實現以下功能：資源的統一管理和維護，降低工程實施、調試和更新的工作量和風險度。提高服務器硬件資源的利用率。在進行分段開通、延伸線接入、拆解等工程時，減少對已運營線路的影響。促使服務器硬件由雙機冗余向并行分布式集群模式轉變，提升系統的可用度。便于新功能、新應用的擴展。可根據業務特點進行硬件資源匹配，例如：實時性高的業務配置高性能的CPU，容量要求高的業務配置大容量的存儲，交互要求高的業務配置高性能的IO[9]。

基于以上的基礎，可以構建城軌的大數據平臺，在同等造價下，數據可以存儲3～5年，規模越大成本越便宜。云存儲平臺基于分布式存儲，可橫向擴展，逐漸演變成線網級大數據平臺，為將來大數據分析提供有效的數據支撐。

3 城軌融合云平臺架構及業務部署

3.1 融合云平臺架構

根據以上的分析和特征，可構建城軌融合業務云平臺及企業級數據中心，線網化承載ACC/AFC/ISCS/ CCTV/PIS等業務，宜采用私有云。功能為：基礎數據采集、線路運營監控、直接從事生產，需求貼近實時工業控制系統。推薦采用IaaS服務模式，詳見圖1。

圖1 城軌融合云平臺架構

控制中心部署冗余系統主用服務器、非冗余系統服務器、網絡化CCTV云存儲中心。在車輛段或第二控制中心，部署冗余系統備用服務器和異地災備熱遷移資源車站配置云桌面終端，具有嚴格的訪問控制，更加安全。云平臺總體邏輯架構主要由車站及車輛段的數據采集、接入，骨干傳輸網絡，數據中心的基礎設施、云服務、應用服務、展示等各層組成。系統基于開源的OpenStack架構。具有以下優點：

1）云化部署，縮短上線周期。以典型車站資源作為模板（包括CPU、內存、硬盤、網絡等資源訴求），完成業務部署。基于已有業務模板，采用克隆復制技術，半小時內完成所有車站業務部署。

2）資源動態擴容，按需分配。針對業務量大，資源要求較多的車站，可動態調整CPU、內存、硬盤等資源，保證業務連續不中斷；資源平均利用率可由傳統方案30%的約束提升到60%以上，實現充分利用資源。

3）資源實時監控，簡化運維。實時監控虛擬機、物理機的CPU、內存以及磁盤等資源使用情況；資源過載時，及時增加資源分配，保證業務正常運行；通過可視化管理平臺，及時發現故障并高效處理。

4）超融合云平臺，性能卓越。采用計算、網絡、存儲超融合云平臺，傳統需要十幾個機柜，現在只需2～3個機柜，空間節省75%以上，能耗減少35%以上。

3.2 業務系統具體部署

綜合監控系統在控制中心數據中心搭建主用服務器群組，在車輛段DCC數據中心搭建備機及熱遷移災備群組，兩套群組構成一片云計算資源池，互為冗余。車站取消物理服務器，車站實時服務器通過云的虛擬化部署在數據中心主、備服務器群中通過軟件云部署，所有服務均可提供1︰2或者1︰N的冗余，可靠性不降低[10]。虛擬機服務器優先進行主備切換，備機切換后，原來主虛擬機進行熱遷移鏡像加載，恢復原主虛擬機數據處理能力，詳見圖2。

AFC可以將線路中央級設備及車站服務器進一步整合，通過云計算技術，統一虛擬化部署在數據中心上，該中心將對整個AFC系統的數據進行處理和運算。各車站現場設備將可直掛ACC系統。

CCTV集中云化部署對骨干傳輸網絡帶寬要求非常大，按照每車站200路，每路4 Mb/s碼流計算，一條20個車站的典型線路帶寬需要近16 Gb/s的有效帶寬。OCC集中云化部署后，前端攝像機的操作都是由云平臺提供。因此云端指令控制能否實時在前端攝像機上生效，完全取決于中間網絡時延。一旦骨干傳輸網絡故障，視頻數據無法上傳云平臺統一存儲，是否有可靠的本地后備方案。

PIS文本編輯，管理軟件需要PIS供貨商在云計算平臺環境下進行相關測試，確保良好的可移植性。

通過融合云平臺物理安全、數據安全、基礎環境安全、云平臺安全、應用安全、網絡安全。使融合業務云平臺和相關業務自上而下，達到信息安全2～3級等級保護標準。

圖2 綜合監控系統云平臺業務部署

4 結語

綜上所述，云計算技術作為現代智慧城市軌道交通的一種新技術，可有效解決現有系統建設、運維、業務升級的一些問題。構建融合云平臺和軌道交通數據中心可實現全面數據分析，支持運營決策，實時智能控制，支撐全自動運行。融合業務云及數據中心為軌道交通構建的智能化平臺，其完整的數據信息將為城市軌道交通智能化發展奠定堅實的基礎。

[1] 何霖, 姚世峰. 城市軌道交通云建設探討[J]. 都市快軌交通, 2016, 29(2): 37-38. HE Lin, YAO Shifeng. Research on Cloud Construction of Urban Rail Transit[J]. Urban rapid rail transit, 2016, 29(2): 37-38.

[2] 顧炯炯. 云計算架構技術與實踐[M]. 北京: 清華大學出版社, 2014: 1-306.GU Jiongjiong. Cloud Computing Architecture[M].Beijing: Tsinghua University Press, 2014: 1-306.

[3] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司. 金華—義烏—東陽市域軌道交通初步設計文件[A]. 武漢, 2017.

[4] 國務院關于印發促進大數據發展行動綱要的通知: 國 發〔2015〕50號[EB/OL]. (2015-09-06)[2018-01-20]. http:// www.miit.gov.cn/n1146290/n1146392/c3882451/content.html.

[5] 國家發展改革委, 交通運輸部關于印發《推進“互聯網+”便捷交通促進智能交通發展的實施方案》的通知附件: 發改基礎〔2016〕1681號[EB/OL]. (2016-07-30)[2018-01- 20]http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201608/t20160805_ 814065.html.

[6] 關于印發《北京市市級政務云管理辦法(試行)》的通知: 京經信委函〔2016〕4號[EB/OL]. (2017-04-08)[2018- 01-20]. https://www.sohu.com/a/132790370_465914.

[7] 數據中心設計規范: GB 50174―2017[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2017. Code for Design of Data Centers: GB 50174―2017 [S]. Beijing: China Planning Press, 2017.

[8] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司. 溫州市域鐵路S1線一期工程綜合監控系統用戶需求書[A]. 溫州, 2016: 85-97.

[9] 張輝, 袁偉, 胡波. 云計算技術在城市軌道交通運營指揮管理系統中的應用[J]. 城市軌道交通研究, 2016, 19(10): 5-9. ZHANG Hui, YUAN Wei, HU Bo. Application of Cloud Computing Technology on Urban Mass Transit Operation Command and Management System[J]. Urban mass transit,2016, 19(10): 5-9.

[10] 汪杰, 李鈺, 汪敏. 一種基于云的城市軌道交通綜合自動化系統方案研究[J]. 現代城市軌道交通, 2015(3): 21-24.WANG Jie, LI Yu, WANG Min. Study on Cloud Computing based Integrated Automation System Solution for Transit[J]. Modern urban transit, 2015(3): 21-24.

（編輯：曹雪明）

Research on Fusion Cloud Platform of Urban Transit

WANG Hao, YANG Chengdong

(China Railway Siyuan Survey and Desing Group Co., Ltd., Wuhan 430063)

This paper discusses problems such as islands information, scattered equipment, waste of network resources, weak security control, and the dissonance of operation and maintenance systems. An urban rail information platform is proposed based on cloud computing for the urban rail industry in terms of political environment, government response, technology environment, IT infrastructure construction for urban rail transit, internal driving force, etc. The scheme is based on line subnetted IT resource construction. The ISCS, ACC, CCTV, PIS, and other business providing services based on IaaS layers are accompanied by the station, degraded operation, different heat transfer strategies, and improvement in the reliability and availability of the system. The proposed platform solves the problem of unifying the IT infrastructure and network. The key points and suggestions of the main business system are discussed, such as the main standby switch of the integrated monitoring system, the flat level of AFC, the bandwidth calculation of CCTV, and the portability of PIS system software.

urban transit; fusion cloud platform; software-defined; virtualization

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.05.010

U231

A

1672-6073(2018)05-0050-04

2017-12-22

2018-01-29

王皓，男，高級工程師，從事軌道交通弱電系統及數據中心的設計，49739020@qq.com

中國鐵建科研股份公司科研項目（KYLX2017476）