智慧城市軌道交通云平臺建設構想及其架構與應用部署研究

李高科，吳 卉，杜呈欣，高 凡，吳 躍

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

智慧城市軌道交通運用云計算、大數據等信息技術手段，實現城市軌道交通運營生產、運營管理、企業管理、建設管理等業務信息及相關外部信息的感知、采集、分析、整合與共享，對建設、運營、管理、維護、服務等需求做出智能響應和自動化處理的城市軌道交通系統[1]。

智慧城市軌道交通的建設有3 個主要目標：

（1）為乘客提供優質出行服務，車站和列車是軌道交通運營管理的基本單元，是服務乘客的公共窗口，基于數據共享、實時感知、信息聯動的方式營造舒適的車站及列車環境，提供更豐富便捷的服務獲取，滿足乘客多樣化需求，提供人性化服務和更良好的服務體驗；

（2）實現車站自主運轉，通過設備自檢、智能巡檢、一鍵開關站、緊急事件處置等方式，逐步實現車站自主運行，提高運營管理效率；

（3）實現車站無人化運作，車站運營管理業務復雜，提供提高車站的自動運行能力和乘客的自助服務能力，實現車站少人化、乃至無人化運作。

實現上述目標離不開城市軌道交通信息化的助力。本文分析目前城市軌道交通信息化存在問題與挑戰，闡明云平臺建設對進一步提升城市軌道交通信息化水平的重要意義，提出智慧城市軌道交通云平臺建設構想和架構設計。

1 城市軌道交通信息化存在問題與挑戰

1.1 既有信息系統孤立運行

當前城市軌道交通信息化系統多為面向單類業務獨立運行，導致各個系統之間相對獨立，業務數據、承載網絡、通用設備等資源利用率不高，難以實現系統間信息充分共享。

1.2 既有信息系統資源利用率不高

目前城市軌道各個信息系統在全線各站點均獨立設置服務器，車站級服務器數量龐大，且利用率低；同時，為避免單點故障，服務器等關鍵設備多采用1+1 冗余方式設置，硬件資源浪費更為嚴重[2]。

1.3 運維保障的難度不斷增大

隨著城市軌道交通線路逐漸成網，客流增長迅猛，開行車輛激增，運營時間延長，設備運行強度大、維保人員工作量增加、夜間維護窗口時間較短等問題日益突出，對運營設備的維修保障提出更高要求與挑戰；另一方面，新線不斷開通，而老舊線路又面臨更新、改造，迫切需要采用新的技術手段，改進運營管理水平，提高運營效率和資源利用率[3]。

1.4 乘客服務需求不斷提升

在城市化加速的背景下，乘客追求更加安全、便捷、智慧的交通出行方式，需要豐富、多元、個性化的服務體驗。為充分理解乘客的關鍵需求，提升服務質量和效率，提高乘客的滿意度，應加快推進車站服務業務向智能化、信息化轉變[4]。

為此，通過建設先進的云平臺，實現城市軌道交通的數字化轉型，綜合承載安全生產網、內部管理網、外部服務網中各類業務應用系統，增強系統間數據共享和融合應用能力，為智慧城市軌道交通建設提供有力支撐。

2 智慧城市軌道交通云平臺的建設構想

以“一個平臺、兩級管理、三個中心、三個服務”為目標導向，建設智慧城市軌道交通云平臺[5]，如圖1 所示。

智慧城市軌道交通云平臺，利用智能傳感器、智能視頻分析、移動計算、大數據分析等新技術，實現線路、車站工況等的可視化監測，為生產管理中心、企業管理中心和乘客管理中心提供綜合運營管理應用功能，面向設備運行維護人員提供實時的設備維護支持，面向乘客提供人性化的精準增值服務。

該平臺設置車站和中央2 級管理；車站級綜合運營管理平臺具備運行狀態精準感知、運行趨勢分析預判、信息/指令主動推送等功能；中心級綜合運營管理平臺具有異構復雜數據的采集、存儲、處理及大數據挖掘、分析功能，可支持調度和決策的持續優化。

圖1 智慧城市軌道交通云平臺建設藍圖

3 智慧城市軌道交通云平臺架構與應用部署方案

3.1 云平臺架構

如圖2 所示，城市軌道交通云平臺包括基礎設施即服務（IaaS）、平臺即服務（PaaS）和軟件即服務（SaaS）3 個層次。

圖2 智慧城市軌道交通云平臺架構

IaaS 層：通過邏輯化/池化，將計算、存儲、網絡、安全等硬件設施轉化為可動態管理的虛擬化資源池，統一管理各類計算資源；支持集中式存儲、分布式存儲等多種存儲架構，支持塊數據、文件數據和對象數據等多種數據存儲，實現多種類型存儲的統一管理。

PaaS 層：提供運行程序的環境和服務，主要包括數據管理、中間件、容器服務等。

SaaS 層：提供面向運營生產、運維管理、乘客服務的各類應用和工具。

3.2 云平臺上業務應用系統部署方案

3.2.1 系統部署應用域劃分

根據業務應用系統的性質及運營管理單位的管理需求，可將部署在云平臺上的眾多業務應用系統劃分為4 個應用域，如圖3 所示。

（1）外部服務應用域：包括網絡購票系統、站內導航、客流疏導、乘客對講、視頻監控系統等面向乘客服務的應用，與資源經營相關的綜合商業、媒體發布等商業應用，以及與物業經營相關的物業開發、管理、維護和繳費等應用。

（2）內部服務應用域：主要是面向建設單位的項目管理、智能建筑模型、風險管理，面向運營單位的線路日常維護、管理和施工，以及企業財務、合同及辦公自動化系統。

（3）安全生產應用域：主要是運營生產應用系統，包括旅客信息系統、自動售檢票系統、綜合監控系統及集中告警系統等。

（4）運維管理應用域：主要完成云平臺管理、網絡管理、應用管理和安全管理的應用及工具。

圖3 業務應用系統部署方案

3.2.2 業務應用系統部署方式

為充分發揮云平臺的優勢，各業務應用系統以容器方式接入，統一部署在云平臺上。

容器將軟件打包成標準化單元，以便于單個業務應用系統開發、交付、部署以及后期的維護升級；容器包含軟件及其運行環境、依賴系統等，確保在任何Linux 環境均能可靠運行，不受運行環境差異的影響，減少在共用基礎設施上運行不同軟件時的潛在沖突[6]。

3.3 云平臺信息安全防護

根據《GB/T 25070-2019 網絡安全等級保護安全設計技術要求》的要求，接入云平臺的業務應用系統按照對應的信息安全防護等級，遵循“系統自保”原則，基于虛擬機隔離、容器隔離和微服務安全開發框架，以實現應用間隔離和安全數據交換為目標，統一設計從云到端的安全防護策略。利用云平臺提供的微服務安全開發、架構、安全組件等，實現身份認證、權限管理、加密通信、安全存儲等安全機制[7]。

4 結束語

圍繞智慧城市軌道交通的建設目標，提出軌道交通云平臺建設方案，提高軌道交通信息化系統的資源利用率，節省用電和機房空間，實現對信息系統軟硬件資源的統一管理和調度；同時，將各類數據通過統一的接口規范接入平臺，實現不同系統、不同業務、不同模塊之間的數據共享與交互，方便對各類業務進行標準化管理，為面向乘客的智慧服務及面向運維管理人員的智慧運維業務的開展提供精準的數據支持，進一步提升線路的安全性和高效性。