虛擬化技術在城市軌道交通自動售檢票系統中的應用研究

曾海軍 許錫偉 黃孫 鄭倫 陳聰

摘要：目前自動售檢票系統的發展面臨著諸多挑戰，移動支付數據傳輸的實時性、人臉識別過閘、生物識別技術無感過閘以及分布式部署、應用級災備系統架構等對自動售檢票系統提出了更高的要求，傳統軟件架構已適應不了新的需求。鑒于此，結合自動售檢票系統的特點，探索新型的信息化技術，研究虛擬化技術在自動售檢票系統的應用，在傳統的計算架構基礎上，使用虛擬化技術實現背靠統一硬件管理的資源池下的高性能、高可用系統架構方案，做到了同樣硬件下更穩定可靠的系統承載，同等負載壓力下更靈活的資源調配與負載均衡，同樣系統結構下更快速的故障恢復與響應能力。

關鍵詞：城市軌道交通;自動售檢票系統;虛擬化技術

0? ? 引言

城市軌道交通自動售檢票（簡稱AFC）系統是面向乘客的乘車計費系統，主要具備售票、進出站、乘客事務處理等功能。截至2018年底，超過20個城市的地鐵AFC系統已支持二維碼或銀聯卡過閘等移動支付業務，呈現快速發展的態勢。

在此背景下，AFC系統當前的發展面臨著諸多挑戰：傳統的AFC系統很難適應多變的“黑科技”應用場景;大數據時代和5G時代的發展，對系統處理、傳輸及存儲性能要求更高;傳統軟件架構已經適應不了新的需求，例如移動支付數據傳輸的實時性、線網模式下的高并發性;傳統軟件架構無法支撐分布式部署、應用級災備的系統架構要求。本文將結合AFC系統的特點，探索新型的信息化技術，研究虛擬化技術在AFC系統的應用，力求形成高性能、高可用的解決方案。

1? ? 背景

AFC系統是一套網絡化的交易計費系統，由五層架構組成，如圖1所示。系統一方面直接面向乘客，必須兼顧性能及安全性，滿足乘客的便捷購票、過閘體驗;另一方面關乎地鐵收入，必須確保每筆正常的交易數據能夠正確上傳、扣費及清算，保證票務規則的準確性及完整性。

綜上所述，結合軌道交通發展特點，軌道交通AFC系統具備如下特點：

1.1? ? 線網統一

為了實現在地鐵線網范圍內的票卡互聯互通，保證乘客能夠“一票乘車”和“無障礙換乘”，即便分期投資建設，各線路的地鐵AFC系統必須符合統一的線網化接口標準，保證各線AFC系統對票卡處理能夠相互兼容。

1.2? ? 集中度高

隨著軌道交通線網化的發展，AFC系統呈現“金字塔”形。需要確保所有數據、所有功能能夠集中管理，這對線網清分系統提出了更高的要求。隨著線網的發展，線網清分系統數據的存儲和處理能力必須適應多條線路的接入和客流的逐漸增長。

1.3? ? 更新頻繁

隨著軌道交通互聯網票務的快速發展，移動支付持續深化推進，近年來票務場景變化頻繁，由原“先充值、后扣費”逐漸衍生至“先過閘、后支付、信用消費”。以寧波軌道交通為例，目前移動支付比例已達到約30%。為了適應支付形式的變化，軌道交通AFC系統需要進行頻繁的更新，以適應新的票務規則，支持離線扣費向在線支付模式的過渡。

2? ? AFC系統現狀

2.1? ? 建設AFC系統面臨的挑戰

AFC系統的上述特點意味著系統建設階段面臨著如下挑戰：

2.1.1? ? 建設成本高

每條線路建設時需要包括車站計算機及線路中央計算機系統，各車站、控制中心均需要投入龐大的設備群，包括了服務器、交換機、存儲設備等。多層次、分散式系統設計，給AFC系統建設帶來了較高的成本。

2.1.2? ? 資源利用率低

在每條線路建設初期，系統使用率往往無法精確估算，因此一般每站采用相同的服務器和交換機硬件配置。而開通運營后，實際資源使用并不均衡，往往部分大站資源使用率居高不下，部分小站資源基本閑置，造成計算資源和網絡資源嚴重浪費。

2.1.3? ? 擴展性差

傳統計算節點架構通過不同的物理服務器與終端設備進行組建，系統與系統之間存在強關聯性，擴展性差。當需要進行對應擴容時，常常需要投入大量的人力、物力進行長時間的梳理與擴展。

2.2? ? 運維AFC系統面臨的挑戰

2.2.1? ? 系統故障轉移能力不足

2.2.1.1? ? ACC和LCC系統

為了保證后臺系統穩定運行，一般ACC和LCC系統會部署雙機集群，但目前行業內大多數的做法是將操作系統、網絡和數據庫部署為雙機集群，而應用系統由承包商自行研發，并沒有設計成雙機熱切換。一旦發生主服務器故障，需要手工啟動備用服務器上的軟件，為維護人員的故障處理帶來了困擾，存在單點隱患。

2.2.1.2? ? SC系統

出于成本考慮，一般SC系統只部署了單服務器和單交換機，并沒有硬件上的冗余，一旦發生故障需要停機維修。故障處理和維護難度較大，存在SC系統崩潰的風險，造成系統和數據無法及時修復，影響AFC系統正常穩定運行。

2.2.2? ? 容災備份能力不足

傳統架構下，僅支持系統的數據級災備。數據級災備是指在不同的區域搭建一套容災機房，采用事務日志復制或鏡像的方式將數據庫進行同步，建立一套備用數據庫環境，當主機房系統癱瘓時，能夠啟用備用的數據庫，保證數據完整。但數據級災備存在切換復雜;應用系統需要完整部署，軟件更新和維護難度大;切換操作步驟繁多等問題。特別是在災難情況下，較難實現系統完整功能的切換。

3? ? AFC系統虛擬化優勢與總體架構

3.1? ? 虛擬化技術概況

虛擬化技術（Virtualization）是一種資源管理（優化）技術，將計算機的各種物理資源（如CPU、內存以及磁盤空間、網絡適配器等I/O設備）予以抽象、轉換，然后呈現出來的一個可供分割并任意組合為一個或多個（虛擬）計算機的配置環境。

虛擬化技術主要是打破了軟件與硬件之間的聯系，為建設更加動態、靈活和高效的數據中心打下基礎。隨著英特爾和AMD在處理器上對虛擬化提供了硬件支持，虛擬化技術在x86服務器上也有了更加光明的應用前景。

3.1.1? ? 虛擬化技術的優勢

（1）更高的資源利用率：虛擬化技術可將物理服務器、網絡及存儲轉化為資源池，支持資源的動態分配，可以將資源利用最大化，特別是針對那些負載很低的服務器。

（2）更高的可用性：相比物理服務器，虛擬化技術可安全地遷移和備份整個虛擬環境，而不會出現服務中斷，進而提高了業務連續性。

（3）降低管理成本：提高資源利用率帶來的是物理設備的減少，降低物理設備的管理和監控維護成本，易于實現自動實時監控等方式來提高工作人員的效率。

（4）降低維護成本：隨著物理設備的減少，機房容量的要求和能耗均能得到降低，設備維修成本也能夠大幅下降。

（5）擴展性和靈活性：通過虛擬化可實現動態的資源部署，滿足不斷變化的業務需求。根據不同系統不同時期的負載，可通過虛擬化技術實現資源的重新分配和匯聚，意味著可以在不改變物理資源配置的情況下進行規模調整。

（6）安全性：平臺虛擬化技術可實現操作系統層面的隔離和劃分，可實現對數據和服務進行可控和安全的訪問。

（7）更高的開發測試效率：減少了設置硬件和軟件的時間，降低了測試環境部署成本，從而提高了開發和測試效率。

3.1.2? ? Hyper-V的特點

通過技術選型，本文主要圍繞微軟的Hyper-V的技術應用進行說明。相比虛擬化領域內另一巨頭Vmware，微軟的Hyper-V具備以下特點：

（1）低成本：對于已經購買Windows Server 2008 R2 DC及以上版本使用許可的用戶來說，操作系統中已經內置了Hyper-V軟件，只需要添加相應角色功能就可以完整地使用Hyper-V軟件功能。

（2）低門檻：Hyper-V軟件學習門檻相對其他虛擬化軟件來說較低。秉承Windows交互界面一貫良好的傳統，Hyper-V軟件用戶界面功能清晰、明確、完整。系統管理員只需經過簡單的了解就可以使用Hyper-V軟件搭建自己的虛擬機。

（3）功能完善：由于是微軟自家的產品，Hyper-V軟件還擁有其他軟件無可比擬的系統兼容性。同時Hyper-V不僅提供了強勁的性能，還提供了穩定、豐富的特性和功能，由于微軟產品有著高度集成的優勢，對虛擬化的管理、備份、冗余也有多種解決方案和產品可供我們選擇。我們可以部署Hyper-V的群集，實現快速故障轉移，達到高可用性。通過虛擬化管理產品，可以迅速地將一個虛擬化應用遷移到另一臺Hyper-V服務器上，而不會受到硬件設備不同的影響。

3.2? ? 虛擬化總體架構

本文研究的虛擬化技術在AFC系統中的應用是面向城市軌道交通網絡化運營需求而提出的，當前主流虛擬化軟件已在政府機關、教育、醫療、海關得到廣泛應用，軌道交通實施該項應用，可以得到大量的技術資料支持，這是寧波軌道交通得以自主實施Hyper-V虛擬化應用的基礎。同時虛擬化技術的應用，無需更改現有物理網絡架構和增添網絡設備，可以實現網絡設備“零投入”，減少重復投資。改造期內無需大量采購物理服務器，對機房空間和能耗的要求很低。遠期可大幅減少物理服務器的采購和部署，緩解機房空間不足、環控/供電能力不足的矛盾，節省機房擴建和改建成本。另一方面，將虛擬化技術引入城市軌道交通的AFC系統，通過合理優化、精簡AFC系統設備數量，提高各類系統的資源利用率，減少AFC系統的實現成本、后期升級更新成本，也可為后續AFC系統的升級改造提供借鑒。

以寧波軌道交通為例，寧波軌道交通的清分系統與1號線線路中央計算機系統建成于2012年，至今已有9年時間，當初建設時預計的性能、容量以及擴展性隨著軌道交通的網絡化發展已經成為瓶頸，而設備、配件的停產導致更新成本高企，升級困難大。基于當前AFC系統存在的不足以及對虛擬化技術的分析，提出基于虛擬化技術的AFC系統方案，自動售檢票系統虛擬化技術總體架構如圖2所示。

在基于虛擬化技術的AFC系統架構設計中，原系統中的清分系統（ACC）與各線路的線路中央計算機系統被虛擬化部署，基于x86的虛擬化的服務器集群替代了原系統中的老舊、性能低下、不易更新升級、兼容性不高的小型機。自動售檢票虛擬化系統拓撲如圖3所示。

在此虛擬化架構中，清分系統與各線路中央計算機系統通過虛擬服務器集群下的專用網絡設備與車站計算機系統進行直接連接，各線路系統與清分系統共享虛擬化平臺的服務器資源與網絡設備資源，依托Hyper-V動態進行各虛擬機的資源調配，可依據實際業務情況與資源占用程度對各線路中央計算機系統和清分系統的資源進行動態調整，并具備應用級的熱備功能。與車站計算機系統相連的通信網絡仍采用原系統網絡。

清分系統與各線路中央計算機系統的服務器、存儲設備、網絡設備等基礎設施資源虛擬化后，可避免小型機升級擴容使用的設備停產、兼容性差、價格高等問題，不再受終端設備異構性的限制，虛擬服務器的數量和資源也可依據實際業務需求靈活配置，最終實現減少設備數量，降低更新成本，降低能耗等實際的節流目標。

4? ? 向云計算的演進

虛擬化技術是私有云架構的基礎，私有云平臺均支持虛擬化產品的管理。實現虛擬化技術的應用，一方面可以實現最低成本的IT運維管理提升，另一方面可以作為向云計算的過渡，無需額外增加遷移成本。

在對AFC系統的虛擬化應用基礎之上，可進一步提出基于私有云的AFC系統架構。與虛擬化技術的應用相類似，在AFC系統中應用私有云平臺，一方面由于平臺的基礎設施設備都由城市軌道交通擁有和管理，利于后續的發展，其數據存儲的安全性和可靠性能夠得到保障;另一方面，私有云初期的運營投資成本雖然較高，但總體呈現下降趨勢，故后續的部署升級較為靈活。自動售檢票系統私有云平臺架構如圖4所示。

在上述的平臺結構中，私有云平臺取代了原系統中的清分系統層和線路中央系統層。車站計算機系統可直接通過AFC系統網絡與平臺相連，各車站共享私有云平臺提供的計算資源池和存儲資源池，車站可只保留操作終端。整個AFC系統網絡依然具備自愈功能，保證車站與平臺之間的數據傳輸，車站設備仍可工作在離線模式下。

傳統的AFC系統各級基礎設施數量大、成本高。基于私有云平臺的AFC系統則相反，平臺將服務器、存儲設備及網絡設備集中管理，組建新的計算資源中心，應用虛擬化技術將所有的資源抽象為資源池，按需為業務系統提供計算、存儲和網絡資源，從而減少基礎設施的數量，降低后續的建設成本。同時，基礎設施的集中建設和管理，為將來的AFC系統業務整合及統一管理提供了基礎支持。

5? ? 結語

在如今城市軌道交通網絡化運營的環境下，優化AFC系統架構，提高AFC系統設備資源利用效率勢在必行。本文從AFC系統面臨的痛點入手，提出了虛擬化技術在AFC系統中進行應用的切入點與架構的設計，并在此基礎上提出了一種從單純虛擬化技術向私有云平臺演進的架構方案，最終實現資源按需分配、提高升級便利性、降低能耗等目標。在AFC系統中應用虛擬化技術，架構簡單，資源利用效率提高，有助于降低未來的投資與運營成本。

[參考文獻]

[1] 鄭大威，馬琳，燕飛.地鐵設備智能維修管理研究及展望[J].都市快軌交通，2018，31（5）：111-115.

[2] 吳敏.基于RFID技術在軌道交通中的應用[J].自動化博覽，2017，34（4）：100-103.

[3] 胡旸，龔云海.軌道交通虛擬票務支付模式探討[J].都市快軌交通，2016，29（3）：52-54.

[4] 李雪.基于RFID的城市軌道交通客流誘導系統設計[J].無線互聯科技，2016（2）：66-67.

[5] 陳波.地鐵車站大客流組織措施[J].都市快軌交通，2015，28（3）：20-23.

[6] 顧炯炯.云計算架構技術與實踐[M].北京：清華大學出版社，2014.

[7] 邱華瑞，張寧，徐文，等.城軌交通自動售檢票系統架構體系研究[J].都市快軌交通，2014，27（2）：86-89.

[8] 陳冰清.RFID技術在地鐵自動售票機中的應用[D].南京：南京理工大學，2013.

[9] 龔迥.手機RFID技術在軌道交通票務系統的應用[D].上海：上海交通大學，2012.

收稿日期：2020-08-14

作者簡介：曾海軍（1979—），男，江西吉安人，工程碩士，高級工程師，寧波市軌道交通集團有限公司副總工程師，寧波市軌道交通集團有限公司運營分公司副總經理，研究方向：交通運輸。

許錫偉（1982—），男，浙江寧波人，工程碩士，高級工程師，寧波市軌道交通集團有限公司運營分公司票務中心經理，研究方向：計算機科學與技術。

黃孫（1984—），男，浙江湖州人，工程碩士，高級工程師，研究方向：軟件工程。