地鐵運營中云計算技術的應用分析

王 赫

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州510030）

引言

由于國內大力推行“互聯網+城市軌道公共交通”工程建設的推行，配合“新基礎建設”項目的要求和云計算、BIM、5G 網絡等等新興科技，搭建高質量的智慧型城市軌道交通網絡成為各類大中城市公共交通發展和規劃建設的關鍵。全方位監控系統是地鐵運營系統中的關鍵性工業智能控制裝置和系統，主流的特點是集中針對各類機械電子系統實施即時監控、各類專業裝置間的聯動和綜合匹配。各個領域對相關設備的各項參數、狀態參數等具備匯聚效果和接口要求。與此同時，云計算相關科技作為地鐵相關系統裝置的基礎性結構，能夠為地鐵運營各個系統供應龐大的計算功能、存儲能力及相應的信息數據管理功能，此類集中提供信息數據服務的系統，其能夠為多條線路、多種專業、多類業務的軌道公共交通體系供應合理的數據支持。

1 地鐵運營系統的信息相關技術發展概述

伴隨著我國社會和經濟的不斷高速、平穩發展，新型的城鎮化戰略正在快速、平穩、有序地持續推動進行，國內各大城市的地鐵運營網絡正在進入積極發展的特殊機遇時期。地鐵列車運行高速化、車次運行頻率密集化、運營形式多樣化、運營管理網絡化及智能化的特性日益突出。地鐵運營系統在公共交通運輸系統中扮演著愈來愈關鍵的角色、起到了愈來愈重要的作用。國內地鐵運營系統的建設周期的初始階段使用的是一條線路一批復，一個批文下發建設一條線路的建設模式，因此地鐵系統內的相關信息系統通常也是跟隨著相關線路的建設進度來進行搭建，缺乏對于整體框架的統籌性規劃和設計，這樣做的一個問題就是各個地鐵線路的信息系統處于一個相對獨立的狀況，應用程序、數據信息、網絡交互、各類通訊設備等相關資源和信息的集成應用效率較為低下。現階段，世界范圍內多數國家普遍應用的以信息化技術加強地鐵運營系統發展的長期戰略，信息化相關技術已經涉及到了地鐵系統整體的工程建設、日常運營、調度管理、安全生產、客戶服務等等所有的相關領域。國內大力推行的“互聯網+地鐵”的主要戰略，信息化網絡的搭建工程也已經步入到大范圍發展及實際應用的新階段。其中云計算技術、大數據技術等信息科技在地鐵運營行業已經逐步取得了長足的進步和實際推廣應用，自動化運行、信息化管理及智能化操控現已成為相關地鐵運營系統發展進步的必然發展趨勢。

2 地鐵運營自動化管理系統簡述

地鐵運營自動化管理系統的主要組成部分包含信號傳輸系統、全方位監控系統、電力控制系統、能源優化管理系統、外部環境和相關裝置監控系統、火情全自動警報系統、圖像監控系統、各個路口的門禁系統、乘客詳細信息跟蹤系統、全自動售票系統、全自動檢票系統、廣播通訊系統、有線電話通訊系統、專門線路的電話通訊系統、安全屏蔽門相關系統等等。經過針對上述自動化運行系統的深入研究和系統分析，可以發現從本質上來講，它們均為針對不同裝置的相關監控框架體系，其中以針對機械電子裝置的監控系統為核心結構，也可以針對和相關地鐵工程結構主體有關的各類裝置、檢測系統的儀器儀表實施有效的監控任務。電腦視頻監控系統目前是地鐵運營系統自動化監控體系的常規表現方式。

隨著國內各大城市地鐵運營系統的管理能力的大幅度提高及新興科技的持續投入實際應用，地鐵運營自動化管理系統的應用范圍持續加大，功能也更加完善，帶來了計算機等相關電子設備的應用數量的大量使用。電腦等相關裝置作為一類商用級別的專業設備，其網絡管理的能力較差，系統的相關配置、綜合管理的操作比較復雜，而且因為相關的計算機操作系統通常是單獨進行設置的，這樣的情況為地鐵運營系統的機電裝置的綜合系統的實際運營、日常維護保養及管理調控帶來了許多的障礙和影響。例如地鐵運營系統中的線路信號傳輸方案，地鐵運營系統綜合監控系統（ISCS）、地鐵運營系統圖監控系統（CCTV）、地鐵運營系統自動售票、檢票系統（AFC）、地鐵運營系統乘客綜合信息系統（PIS）、地鐵運營系統停車場智能化管理系統、地鐵運營系統資產管理等等系統全網共需要配置PC 服務器多達200 臺以上，臺式電腦多達200 臺以上，數據存儲裝置30 多套。相關工程技術人員需要處在地鐵運營系統的全方位視角考慮自動化信息系統的搭建工作，實現更大區域內的信息數據互聯互通，更大程度的系統功能的集成化，這樣操作將會提升整體地鐵系統工程的建造水準，云計算技術的廣泛使用現階段已經成為地鐵運營系統自動化控制系統的長遠發展趨勢[1]。

3 地鐵運營系統原有線路各類自動化系統設備運行狀態

經過對原有地鐵運營系統的線路控制中心和重點車站、換乘車站所屬的相關信號系統、全方位監控系統、乘客詳細信息記錄系統、圖像監控系統服務器、服務器的CPU 型號、內存負載、硬盤的磁盤利用效率、增長率實行相關的統計，能夠得出如下結論：

3.1 中央處理器使用率偏低

各個地鐵站點都可能獨立配備相關服務器，相關車站級的服務器必須占比達到總服務器數目的90%以上，然而其CPU 的實際利用效率不高，甚至有部分地鐵站點的車站級服務器的CPU 的實際占用效率低于6%。并且由于相關系統級別是“容錯級”，即相關信息系統能夠容忍單點類型的設備故障，相關服務器等等核心設備都使用1+1 類型的數據備份模式，使得其CPU 資源受到比較嚴重的資源浪費。

3.2 某些裝置中央處理器負載率偏高

某些裝置中央處理器負載率偏高，平均數值已經大于65%，該裝置長時間運行在高負載率條件下會導致使用壽命下降。但是常規硬件框架沒有性能動態調整性能，只能通過更換高性能硬件裝置來提高計算能力，該做法投資金額較大實施難度較高。

4 云平臺網絡系統整體框架規劃

4.1 云平臺網絡系統框架和層級

依據城市地鐵系統的發展進步，從相關試驗運行數據分析得出，適合使用線網等級平臺體系的標準進行建設，并且保證具備優良的系統軟件與硬件的兼容性及相關數據端口的可擴展性。在服務方式層面進行分析研究得出，可以考慮初期設置安全生產私有云系統的管理模式，伴隨著相關網絡數據信息技術高速發展，進而再設置集團集中式混合云系統的工作模式[2]。

4.2 云平臺網絡系統主備中心使用的技術方案

主備中心使用的技術方案除去云平臺系統的基本框架體系以外，還需要考慮主備中心使用的技術方案。能夠使用的技術方案一般有下述兩種：第一種技術方案是異地及同城雙活災備，主備中心都入云系統進行集中部局；第二種技術方案是單活中心配備常規物理災備（依照系統具體技術要求實現相關業務或者數據信息災備）。技術方案對比選擇：第一種技術方案在系統風險投資、系統運行維護、系統存儲利用及系統穩定性等層面擁有較大優勢。短期線路建議使用第二種技術方案，長期建議使用第一種技術方案。根據城市地鐵系統現階段建設的先后順序，推薦使用第二種技術方案，并且預留第一種方案過渡的有關裝置用地用房區域和系統端口。

4.3 站級云平臺配置解決方案

關于站段云節點的作業解決方案，從整體上建議下述三種方案。

a 方案：部局聚集交換裝置、網絡安全防火墻及桌面云/物理工作站（見圖1）。

圖1 云平臺站段a 方案

b 方案：部局聚集交換裝置、網絡安全防火墻及車站備用服務器及桌面云/物理工作站（見圖2）。

圖2 云平臺站段b 方案

c 方案：部局聚集交換裝置、網絡安全防火墻及車站邊緣云資源及桌面云/物理工作站（見圖3）。

圖3 云平臺站段c 方案

如果在已經招標線路使用云平臺系統，可以考慮中心入云模式，站段維持傳統框架結構。如果在未招標線路使用云平臺系統，對于具有條件的業務工作，能夠把車站業務在中心集中部局，搭建兩層架構的體系平臺架構，使用b 方案：站級部局匯聚交換裝置、網絡安全防火墻及車站備用服務器系統及桌面云或者物理工作站，待雙中心體系投入應用以后，能夠改進取消車站級的備用裝置，用在擴大中心云資源。如果考慮智能車站、無感通過閘機及邊緣視頻監控和業務分級排布等邊緣即時業務的需求，則建議使用c 方案：站級部局匯聚交換裝置、網絡安全防火墻及車站邊緣云資源及桌面云或者物理工作站，符合車站本地化即時業務的需求。對于桌面云和物理工作站的挑選，車站關鍵業務推薦使用物理工作站；針對輔助車輛運行業務、網絡業務等推薦使用桌面云[3]。

5 云計算技術在地鐵系統中使用的緊迫性

使用云計算技術能夠顯著提升系統硬件資源配置的工作效率，可以大幅節約耗電成本及空間存儲成本，減少工程整體造價。與此同時，如果地鐵系統內各種業務使用的系統均依照云計算技術的標準統一實行開發實施、注冊部局，能夠非常便利地針對各種業務工作實施標準化管控與監督，從統一運維的層面對相關體系進行規范化把控，在大幅減少系統管理成本的同時，也能夠最大限度地的節省系統的運營成本[4]，可以明顯提升地鐵項目的建設標準。今后基于現階段結合的云平臺框架，能夠搭建基于云平臺的信息數據服務，達成各種業務體系數據信息的智慧互動，行之有效地提高了城市軌道行業的信息化及智能化，為構建智慧地鐵打下了堅實的基礎。

6 結束語

綜上所述，現階段我國城市軌道交通系統云平臺的建設仍處于規劃制定及逐漸實施的層面，需要從多個層面、多種角度及多項維度進行設計方案的規劃[5]。對于地鐵系統各種業務體系參數信息孤島化嚴重、基礎技術裝置分散、相關標準法規缺失等實際狀況，以云計算技術、大數據中心共享為核心技術的云平臺及中國城市協會聯盟牽頭的相關行業標準編制能夠很順利地解決上述難題。伴隨著未來各種新型技術的持續出現，有關行業重點亟待突破的技術難題將逐一被攻破。以地鐵云平臺技術為代表的項目已經對于云平臺技術在地鐵行業的使用進行了論證，隨著我國對于云計算技術、大數據中心技術的推廣及使用，地鐵行業云計算技術將得到越來越多的使用。