基于虛擬化平臺的新型乘客信息系統(tǒng)架構(gòu)研究

程 俊，高彥軍，李蕭男，劉 波

（1.鄭州地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司，河南 鄭州 450000；2.北京冠華天視數(shù)碼科技有限公司，北京 100000）

0 引言

通過分析乘客信息系統(tǒng)（Passenger Information System，以下簡稱PIS 系統(tǒng)）的使用現(xiàn)狀，依據(jù)其在當(dāng)前軌道交通發(fā)展中遇到的痛點(diǎn)，對PIS 系統(tǒng)的發(fā)展前景及可行性方案進(jìn)行了深入的研究。該方案主要目的是為了打破傳統(tǒng)軌道交通PIS 系統(tǒng)架構(gòu)，研究一種以虛擬化平臺為基礎(chǔ)，便于維護(hù)、節(jié)省人力、能夠降低建設(shè)及運(yùn)營成本的新型PIS 播控系統(tǒng)，并緊跟行業(yè)智能化運(yùn)維的發(fā)展趨勢，增強(qiáng)軌道交通行業(yè)PIS 系統(tǒng)的可靠性及安全性，節(jié)省施工建設(shè)和運(yùn)營維護(hù)期間的成本，提升系統(tǒng)的可用性、可靠性和安全性，為軌道交通行業(yè)PIS 系統(tǒng)未來的發(fā)展提供思路與方向。

1 傳統(tǒng)架構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)HDMI 光路傳輸方案

采用電-光兩種信號方式相結(jié)合進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換和分配。每臺LCD 播放控制器（X86架構(gòu)）上需配置一臺高清發(fā)射器用于將視頻轉(zhuǎn)換成光信號發(fā)送；每組LCD 顯示屏上需配置一臺高清接收器，用于將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成HDMI 視頻信號輸出至LCD 顯示屏。由于HDMI信號的有效傳輸距離僅為1～15米，在從發(fā)射端到接收端無法實(shí)現(xiàn)直連，因此在長距離傳輸?shù)沫h(huán)境中需要使用光纖信號作為輔助傳輸途徑之一，即采用HDMI 信號與光纖信號相互補(bǔ)充的方案實(shí)現(xiàn)長距離傳輸。

該架構(gòu)缺點(diǎn)為：信號傳輸設(shè)備節(jié)點(diǎn)多、故障率高，維護(hù)工作量大，能量大多浪費(fèi)在了轉(zhuǎn)化與傳輸中。

1.2 全光路傳輸方案

采用標(biāo)準(zhǔn)的OPS 協(xié)議，可以與飛利浦、LG、AOC等具有標(biāo)準(zhǔn)OPS 接口的顯示屏配合使用。前段與傳統(tǒng)HDMI 傳輸方案近似，只是從LCD 播放控制器中直接將信號以光的方式輸出，經(jīng)過光分路器傳輸至LCD 顯示屏的后嵌入的光接口卡中，然后通過80Pin 接口從顯示器取電和輸出音視頻信號，不需要外置電源供電。

該架構(gòu)缺點(diǎn)為：LCD 屏需定制，價(jià)格壟斷，軌道交通多線網(wǎng)運(yùn)營后，不同的PIS 廠家，顯示屏不能通用和替換，造成備件采購和維護(hù)成本提高。

2 新型乘客信息系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 總體設(shè)計(jì)

新型PIS 系統(tǒng)采用虛擬化技術(shù)，將所有車站物理服務(wù)器全部取消，只需在控制中心機(jī)房配置高性能服務(wù)器并安裝虛擬化平臺軟件，即可接管所有車站PIS 業(yè)務(wù)，虛擬機(jī)保存在共享的存儲中，即使某臺主機(jī)完全損壞，運(yùn)行在該主機(jī)上的虛擬機(jī)會在其他物理服務(wù)上啟動，保證業(yè)務(wù)系統(tǒng)不會中斷，使PIS 系統(tǒng)24小時(shí)不間斷運(yùn)行，從而提高系統(tǒng)的可靠性與安全性。同時(shí)研發(fā)出新型ARM嵌入式播控器，用來取代車站LCD 控制器及高清發(fā)射器、接收器，或光分路器、嵌入式OPS 光接口卡，減少故障節(jié)點(diǎn)，節(jié)約能耗，云平臺的虛擬化技術(shù)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型PIS系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 虛擬化服務(wù)器

虛擬化服務(wù)器端包括硬件層、虛擬化層、管理層和接口層；硬件層包括多組物理服務(wù)器和硬件資源；虛擬化層的VMware vSphere 將硬件層的物理服務(wù)器虛擬化處理，得到虛擬化服務(wù)器；管理層VMware vCenter server對虛擬化服務(wù)器進(jìn)行管理；接口層的vSphere Client 客戶端、vSphere Wed Client 客戶端及Sdk 插件等安裝在網(wǎng)管客戶端上，實(shí)現(xiàn)虛擬化管理。

2.3 虛擬化下發(fā)播控

控制中心服務(wù)器編輯生成播控文件（含播放計(jì)劃、播表、模板、視頻媒體），保存在虛擬機(jī)共享的存儲中，車站ARM 嵌入式播控盒連網(wǎng)后，自動下發(fā)配置和播表，無需人工安裝和配置，降低故障處理時(shí)間和人工維護(hù)成本。

3 系統(tǒng)故障率

傳統(tǒng)HDMI 光路傳輸方案中，單從車站側(cè)按照現(xiàn)場實(shí)際情況來分析，排除接口處人為自然因素產(chǎn)生的通斷故障，故障率高的設(shè)備節(jié)點(diǎn)就有車站服務(wù)器、LCD 播放控制器、高清發(fā)射器和接收器5處之多；而在全光路傳輸方案中，故障率高的設(shè)備也有OPS 光接口卡等3處。

在新型乘客信息系統(tǒng)架構(gòu)中，由于系統(tǒng)采用虛擬化技術(shù)，取消了車站服務(wù)器、LCD 播放控制器及音視頻信號傳輸設(shè)備或OPS 光接口卡等，采用光口交換機(jī)、新型播控器（ARM 嵌入式播控器），光口入網(wǎng)，設(shè)備即插即用，最大程度得減少了故障節(jié)點(diǎn)；虛擬化服務(wù)器硬件層包含管理終端，對虛擬化服務(wù)器進(jìn)行管理和監(jiān)控，ARM 嵌入式播控器的在線狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并具備遠(yuǎn)程操作ARM嵌入式播控器的功能，實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)架構(gòu)中的所有設(shè)備，能做到故障預(yù)警、在線排查、遠(yuǎn)端維護(hù)，從而降低了設(shè)備的故障率。

4 能耗對比

由于系統(tǒng)采用虛擬化技術(shù)，取消了車站服務(wù)器、LCD 播放控制器及音視頻信號傳輸設(shè)備，在中心部署虛擬PIS 云平臺，集成車站播控服務(wù)、網(wǎng)管服務(wù)、接口服務(wù)等，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一云平臺管理。同時(shí)，車站采用光口交換機(jī)、新型播控器（ARM 架構(gòu)播控器），光口入網(wǎng)，設(shè)備即插即用，相比傳統(tǒng)PIS 方案更能節(jié)約能耗，僅車站設(shè)備總功率降低約87.5%，能耗對比如下：

表1 傳統(tǒng)HDMI光路傳輸架構(gòu)能耗

表2 虛擬化平臺架構(gòu)能耗

5 結(jié)束語

新型PIS 播控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，功耗低、體積小，上電聯(lián)網(wǎng)后自動配置，免維護(hù)，設(shè)備上電自動完成播控軟件加載后，可自動打開PIS 屏幕，當(dāng)運(yùn)營結(jié)束后，設(shè)備自動待機(jī)并關(guān)閉PIS 屏，車站無需配置電源時(shí)序控制器設(shè)備。隨著云計(jì)算技術(shù)不斷創(chuàng)新、數(shù)據(jù)中心向整合化方向進(jìn)軍，虛擬化技術(shù)也正在向軟硬件協(xié)同方向發(fā)展。并且從市場調(diào)研來看，該新型PIS 播控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能夠降低設(shè)備故障率和維修成本，市場前景比較廣闊，有較大的市場需求和推廣空間。