基于云架構的線網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)方案研究

彭 湃

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

目前，根據(jù)智慧城軌發(fā)展綱要，需要研究線路和線網(wǎng)合一、日常運營調度和應急響應合一的調度指揮中心，將軌道交通的三層管控（線網(wǎng)指揮中心、線路控制中心和車站）優(yōu)化為兩層管控（運營指揮中心和車站）；研發(fā)、部署智能城軌線網(wǎng)運輸組織輔助決策系統(tǒng)，提高運營效率，增強綜合調度（應急）指揮能力[1]。北京、上海、廣州、深圳都已建設線網(wǎng)控制中心，石家莊、太原、南寧等城市也在積極開展線網(wǎng)控制中心的建設研究。線網(wǎng)控制中心基本功能定位如下：線網(wǎng)監(jiān)視與協(xié)調、線路運營控制、應急指揮及輔助決策、數(shù)據(jù)分析與決策、乘客信息服務等基礎功能[2-4]。

1 云平臺建設規(guī)劃

云計算利用分布式計算和虛擬資源管理等技術，通過網(wǎng)絡將分散的計算與存儲、應用運行平臺、軟件等資源集中起來形成共享的資源池，并以動態(tài)按需和度量的方式向用戶提供服務。云計算用戶可使用這些資源在任何時間和地點以靈活和按需方式運行服務和應用[5]。

云計算服務通常以特定服務類別提供，如基礎設施即服務（IaaS）、平臺即服務（PaaS）、軟件即服務（SaaS）、網(wǎng)絡即服務（NaaS）等。其中IaaS服務主要包括計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡資源等資源池服務。

計算資源服務基于數(shù)據(jù)中心基礎設施及專業(yè)服務能力，向用戶提供共享或獨享的計算資源服務，具有快速部署、按需租用、自助服務、安全可靠的特點。用戶可以便捷地進行資源申請、資源管理與監(jiān)控，快速部署應用，并根據(jù)需求動態(tài)彈性擴展資源。

存儲資源服務基于安全、高速、便捷的云存儲服務平臺，為用戶提供高速、安全、融合多業(yè)務、支持多終端的網(wǎng)絡存儲管理與分享服務，滿足用戶日益增長的存儲需求。同時可為第三方平臺開展高安全性、高可靠性、高可用性、高兼容性和高開發(fā)性的存儲服務提供開放的云存儲能力支持。

網(wǎng)絡資源服務為虛擬機提供所需的虛擬網(wǎng)卡、IP 地址、VLAN、內外網(wǎng)部署、網(wǎng)絡接入、虛擬負載均衡和虛擬防火墻等網(wǎng)絡服務。

資源池服務通過將計算、存儲、網(wǎng)絡等基礎資源虛擬化成相應的邏輯資源池為用戶提供資源池服務。云資源池可基于獨享或共享的物理資源，不同軌道交通業(yè)務用戶根據(jù)實際需求管理和使用云資源池，包括虛擬機的創(chuàng)建、使用、監(jiān)控和操作等[6]。

軌道交通運營生產系統(tǒng)云平臺設計主要包括中心級云平臺、災備中心云平臺、車站級云平臺，通過骨干網(wǎng)通信傳輸網(wǎng)絡構建。根據(jù)各地系統(tǒng)功能定位、服務對象、系統(tǒng)架構不同，對是否云化部署的需求也不盡相同。武漢城軌信息化建設采用基于云平臺、大數(shù)據(jù)的新IT 架構，構建異地雙活的數(shù)據(jù)中心，實施新建線路和既有線的信息系統(tǒng)全部納入和遷移到云平臺的技術方案，實現(xiàn)云平臺對城軌業(yè)務的綜合承載和數(shù)據(jù)共享，為智慧城軌建設提供信息技術支撐。呼和浩特建立自主可控的城軌云平臺，實現(xiàn)城軌業(yè)務應用的全覆蓋和統(tǒng)一部署承載，突破數(shù)據(jù)共享的壁壘，為大數(shù)據(jù)應用奠定基礎，推進大數(shù)據(jù)在業(yè)務領域的深化應用，建成適應云平臺體系架構的運行維護體系和運行管理機制。深圳市城市軌道交通10 號線、太原軌道交通1、2 號線工程建設基于云計算技術的融合統(tǒng)一業(yè)務平臺，承載綜合監(jiān)控系統(tǒng)、列車自動監(jiān)控ATS、乘客信息系統(tǒng)、安防系統(tǒng)（含視頻監(jiān)視、門禁等子系統(tǒng)）、車場智能化系統(tǒng)以及辦公自動化系統(tǒng)（辦公計算機部分）等子系統(tǒng)。

2 云平臺業(yè)務規(guī)劃

虛擬數(shù)據(jù)中心（Virtual Data Center，VDC）是IaaS 資源的邏輯抽象，提供了與物理數(shù)據(jù)中心相等體驗的專屬虛擬化資源池，可以快速自助完成虛擬數(shù)據(jù)中心申請，并可根據(jù)實際需要在線靈活調整虛擬數(shù)據(jù)中心規(guī)格。在VDC 內，可以對計算、存儲和網(wǎng)絡資源統(tǒng)一管理。

云平臺需支持虛擬數(shù)據(jù)中心VDC 的創(chuàng)建和管理，通過VDC 將物理資源池化，支持通過邏輯隔離技術基于業(yè)務需要，靈活分配的邏輯數(shù)據(jù)中心，包括計算、存儲和網(wǎng)絡資源。

云平臺業(yè)務規(guī)劃通常有如下兩種方案。

1）按照業(yè)務劃分VDC

按照業(yè)務對VDC 進行劃分，線網(wǎng)控制中心的云平臺中VDC 數(shù)量相對較少，可根據(jù)業(yè)務需求進行擴展。各業(yè)務VDC 內根據(jù)需求按線路劃分虛擬私有云（Virtual Private Cloud，VPC），VDC 內的資源池按線路進行擴展。對于各業(yè)務的應用平臺，多條線路統(tǒng)一部署業(yè)務應用系統(tǒng)，業(yè)務應用類型少模式統(tǒng)一。

2）按照線路劃分VDC

按照線路對VDC 進行劃分，線網(wǎng)控制中心的云平臺中VDC 數(shù)量隨線路數(shù)量增多。各線路VDC內根據(jù)需求按業(yè)務類型劃分VPC，平臺資源池隨線路成倍擴展。對于各業(yè)務的應用平臺，各線部署各自的業(yè)務應用系統(tǒng)，業(yè)務應用類型和應用模式多。

按線路劃分VDC 方式與傳統(tǒng)軌道交通各專業(yè)建設模式相似，工程可實施性較強。同時線路中心與本線車站系統(tǒng)屬于同一廠家的系統(tǒng)，各線之間不存在業(yè)務廠家壟斷或互設壁壘的情況。

對于運營管理單位與傳統(tǒng)模式類似，以線路為單位進行管理。不同線路的業(yè)務應用類型不同，增加了運營及運維管理的復雜度及難度[7]。

3 線網(wǎng)控制系統(tǒng)架構分析

在城軌云建設的同時，線網(wǎng)級系統(tǒng)均可納入云管理。如圖1 所示，線網(wǎng)行車控制系統(tǒng)，與各線路信號系統(tǒng)接口，接收線路信號系統(tǒng)提供的信號設備狀態(tài)數(shù)據(jù)、列車運行信息數(shù)據(jù)、運行圖數(shù)據(jù)，將各線路的行車控制界面以統(tǒng)一美觀的方式集成顯示出來，并提供線路切換功能，供線網(wǎng)中心調度人員進行運營協(xié)調、調度決策和應急指揮使用。同時將接收到的各線路信號數(shù)據(jù)轉發(fā)給線網(wǎng)中心內部其他業(yè)務應用系統(tǒng)，供其進行統(tǒng)計分析和評價決策使用。

線網(wǎng)控制系統(tǒng)是一個分布式的計算機系統(tǒng)，為系統(tǒng)的關鍵設備提供了熱備冗余保護，保證系統(tǒng)有高度的可用性，整個系統(tǒng)通過冗余網(wǎng)絡組成一個冗余的網(wǎng)絡結構。

圖1 線網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)架構圖Fig.1 Architecture of line/network monitoring system

控制中心搭建硬件云，利用虛擬化平臺構建承載的業(yè)務系統(tǒng)，應用服務器、歷史服務器均采用云平臺布署，調度工作站采用云桌面。系統(tǒng)采用雙網(wǎng)設計，所有聯(lián)網(wǎng)的工作站和服務器都配置2 個網(wǎng)絡接口，分別連接到兩個LAN。在軟件的網(wǎng)絡接口設計中考慮了雙網(wǎng)自動切換功能，當軟件發(fā)現(xiàn)通過某個網(wǎng)絡接口無法連接到對方時，會自動切換到另一個網(wǎng)絡接口去打開連接。系統(tǒng)中的關鍵設備，如ATS 專用服務器、接口服務器都具有雙機切換能力。如果主機失效，備機將及時檢測到并自動升級為主機運行[8-9]。

若全網(wǎng)各線信號ATS 系統(tǒng)已納入云平臺，則與線網(wǎng)級控制系統(tǒng)變化為云內部接口。

4 結語

基于云平臺的生產業(yè)務部署后，需要立足于網(wǎng)絡層面，對各線路與各專業(yè)系統(tǒng)及各個建設與資源運作項目的管理業(yè)務進行集中管理和統(tǒng)一協(xié)調，制定全網(wǎng)必須遵循的運行標準。構建以城軌云平臺為基礎的網(wǎng)絡級管理平臺，通過信息化、自動化、智能化方式支撐網(wǎng)絡化管理業(yè)務高效運作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、信息交互、設備控制、綜合分析等不同管理功能。網(wǎng)絡化管理需要各業(yè)務層面的整合，達到標準統(tǒng)一，可從行車運營組織、機電資源共享、弱電互聯(lián)互通、網(wǎng)絡化維修平臺、網(wǎng)絡化智能調度等進行優(yōu)化分析[10]。

各城市應隨著軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃與建設遲早規(guī)劃，建立科學的路網(wǎng)運營指揮體系。軌道交通線網(wǎng)可結合線網(wǎng)云的建設時序，在網(wǎng)絡化成型階段，完成各項目的專項研究，實現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施，通過強化網(wǎng)絡級管理主體管控能力、統(tǒng)一網(wǎng)絡技術標準、預留互聯(lián)互通條件以及智慧地鐵建設，充分發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，積極探索“網(wǎng)絡-車站”兩級管理模式的實施路徑，部分業(yè)務系統(tǒng)推行兩級管理模式，提升網(wǎng)絡化管理水平。