基于云平臺的軌道交通綜合監控部署方案研究

趙興華

0 引言

目前，國內多數城市軌道交通綜合監控系統采用“中心-車站”分層分布式架構，并采用中心、車站冗余服務器的標準配置[1]，其系統架構優勢明顯，但硬件資源浪費、利用率低、擴展不便等問題較突出。隨著云計算技術在軌道交通領域成功引入，為解決綜合監控系統上述問題提供了有效的技術支撐。

1 傳統綜合監控部署架構

軌道交通綜合監控系統是對軌道交通線路機電設備進行監控的分層分布式計算機集成系統，集成了電力監控、環境與設備監控，并互聯火災自動報警、視頻監控、廣播、乘客信息、列車自動監控等系統，主要實現輔助行車指揮、機電設備監控和管理、防災和安全、乘客服務、系統維修管理、能耗管理等功能，并且可以實現與各系統的相互協調聯動。

傳統綜合監控系統部署架構采用“兩級管理、三級控制”的模式，主要由中央級系統、車站級系統和骨干網組成，系統架構示意如圖1所示。中央級綜合監控系統通常部署于控制中心，由冗余實時服務器、冗余歷史服務器、磁盤陣列、冗余FEP （前端處理器）、冗余交換機、調度工作站等構成。在中央級系統中同時配置網絡管理系統、設備維護管理系統、培訓系統等功能系統。車站級綜合監控系統由冗余實時服務器、冗余FEP、冗余交換機、操作員工作站等構成。當中央級系統發生故障或骨干網故障時，車站級綜合監控系統可獨立運行[1]。

圖1 傳統綜合監控系統架構示意圖

傳統“中心-車站”的分層分布式架構的綜合監控系統存在如下不足[2]：

（1）冗余設備成本高。控制中心及車站部署大量服務器，設備購置、系統擴展成本較高，且無法與其他軌道線路進行資源的統一靈活調配，不能滿足軌道交通線網智能化綜合監控的潛在需求。

（2）冗余數據庫數據不同步。各車站與控制中心均設有冗余的主備數據庫，主備數據庫同步一般由綜合監控系統應用層軟件實現，數據同步效果不理想。

（3）系統CPU資源利用率低。設備配置一般考慮裕量，應用軟件正常運行時CPU資源利用率不到15%，有的不到5%，存在大量設備資源浪費情況[3]。

2 城軌云平臺架構

2.1 城軌云平臺應用現狀及部署模式

云計算是一種基于網絡的，可通用、方便、按需配置共享計算資源池（網絡、服務器、存儲、應用和服務）的模式，具備虛擬化、池化和自動化的特征，可為海量信息的處理、智能計算提供重要的使能技術與服務。2020發布的《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》明確了新建城軌交通城市全部采用城軌云，已經建成城軌交通的城市在新建線路采用城軌云及在既有線設備更新升級時移入城軌云的目標，掀起了新一輪軌道交通產業的信息化、智慧化變革。

目前，軌道交通云平臺主要有專業云、線路云和線網云3種部署形態，包括以單專業單線路入云（溫州S1線ISCS云平臺、鄭州ANCC云平臺等）、單線路多專業入云（深圳6號線/10號線云平臺等）、打破線路和專業壁壘的線網云（呼和浩特、太原等城軌云平臺），已逐步形成城軌云的規范標準體系，軌道交通信號系統、綜合監控系統、AFC系統等核心業務系統入云已經從試點探索逐步推進到推廣應用階段。

目前，城市軌道交通在建及規劃的城軌云多采用線網云的建設模式，新興小線網規模城市依托“13531”架構構建線網標準城軌云，部署安全生產、內部管理和外部服務業務。多線網絡化運營城市軌道交通存在已運營、新建線、延伸線、改造等多種模式，多采用統一規劃、分步實施，近期構建綜合業務生產云，滿足核心業務接入條件，并預留企業管理和乘客服務業務擴展及遷入條件的建設模式。

2.2 城軌云平臺部署架構

2.2.1 城軌云平臺服務模式

城軌云一般采用私有云的部署方案，并預留擴展為混合云的能力，為軌道交通運營生產系統（ISCS、ATS、AFC、ACC、PIS）、企業內部管理系統（辦公自動化、人力及資產管理、運維管理）和外部服務系統（門戶網站、APP、智慧出行、云售票等）提供IaaS、PaaS或SaaS服務。目前，已建成的呼和浩特城軌云主要為生產系統提供IaaS層服務，太原城軌云在為生產系統提供IaaS層服務的同時也為AFC等業務系統提供部分PaaS層的服務。

2.2.2 城軌云平臺部署架構

城軌云平臺通常采用中心和車站兩級部署模式，由云管理平臺進行統一管理，同時按照冗余性原則設置災備中心、測試中心，在災備中心根據業務重要性選擇數據或應用災備模式，在測試中心對業務系統進行入云前應用軟件的兼容性測試、并發性測試等。

中心級云平臺包括生產中心、災備中心兩部分，當中心級云平臺故障或車站至中心間網絡故障，將降級到車站。一般生產中心設置在控制中心，災備中心設置在車輛段或單獨選址，云節點設置在沿線各車站，車站、車輛段與中心云平臺之間通過骨干環網及接入交換機連接進行數據通信。對于站段云節點，目前多采用部署匯聚交換機、防火墻、車站備用服務器和桌面云/物理工作站的模式。考慮智慧車站、無感過閘、邊緣視頻分析等邊緣實時業務需求，可在站級部署匯聚交換機、防火墻、車站邊緣云資源池和桌面云/物理工作站，構建車站邊緣云，滿足車站本地實時分析的業務需求[4]。

3 基于城軌云的綜合監控架構及部署模式

對于具備線網城軌云建設條件的城市軌道交通，綜合監控系統的中心級、車站級服務器可集中部署于線網城軌云平臺上，綜合監控系統宜采用專用VDC部署，并根據各線路接入的情況按線路為綜合監控系統劃分VPC。典型基于城軌云平臺的綜合監控系統部署架構如圖2所示。

圖2 基于城軌云平臺的綜合監控系統架構

本節將對基于城軌云平臺的綜合監控系統部署架構的幾種方案進行比選分析。

3.1 方案一：中心級、車站級中心集中入云

（1）方案1：中心、車站服務器集中部署在中心云平臺。綜合監控系統中央級2臺實時服務器、2臺歷史服務器、2臺冗余FEP均集中部署在中心云平臺。中心云平臺為實時服務器、FEP提供雙機冗余的虛擬機資源，不同虛擬機部署在云平臺不同物理機上，以保證高可靠性。中心云平臺為2臺歷史服務器提供雙機冗余的物理服務器資源，并為網管服務器、設備維護管理服務器提供單臺虛擬機資源。綜合監控系統的存儲采用云平臺提供的集中式存儲資源。

綜合監控系統每個車站2臺實時服務器均集中部署在中心云平臺，由中心云平臺為車站實時服務器提供雙機冗余虛擬機資源，不同虛擬機部署在云平臺不同物理機上，以保證高可靠性。綜合監控系統在車站部署2臺FEP用于互聯系統接口，部署2臺接入交換機上聯至云平臺車站云節點匯聚交換機。綜合監控系統骨干傳輸網絡通過云平臺網絡進行組網。

（2）方案2：中心服務器和車站1臺服務器集中在中心部署，車站另1臺服務器部署在車站云節點。綜合監控系統中央級及主干網入云部署與方案1相同。綜合監控車站級部署2臺實時服務器：其中1臺實時服務器集中部署在中心云平臺，由中心云平臺為其提供虛擬機資源；另外1臺車站服務器部署在云平臺的車站云節點（冷備或熱備），由車站云節點為綜合監控提供虛擬機資源。同時，綜合監控在車站部署2臺FEP用于互聯系統接口， 部署2臺接入交換機上聯至云平臺車站云節點匯聚交換機。

3.2 方案二：中心級、車站級分層分布入云

綜合監控系統中央級及主干網入云部署與方案一相同。城軌云平臺采用分層分布架構，具備 “云-邊”協同功能，支持在站級為站段獨立運行業務系統提供邊緣計算資源。結合綜合監控集中監控和管理、分層分布式控制及資源共享的要求，綜合監控系統每個車站2臺實時服務器均部署在車站云節點，由車站云節點為綜合監控提供虛擬機資源，同時，綜合監控在車站部署2臺FEP用于互聯系統接口，部署2臺接入交換機上聯至云平臺車站云節點匯聚交換機。

3.3 方案三：中心級入云，車站級不入云

綜合監控系統中央級入云部署方案與方案一相同。綜合監控系統車站級采用傳統架構，配置冗余實時服務器、冗余FEP、冗余交換機、操作員工作站等設備。綜合監控系統骨干傳輸網絡可獨立組網或利用通信系統提供的以太網通道組網。綜合監控在中央級配置接入交換機，上聯至中心云平臺業務分區的接入交換機。綜合監控的骨干傳輸網絡也可通過云平臺網絡組網，組網方案與方案一相同。

3.4 綜合監控操作工作站入云

基于城軌云的綜合監控中心級操作工作站一般采用云桌面部署，三屏顯示工作站采用傳統物理工作站部署。車站級操作工作站可采用“2臺云桌面”或“1臺云桌面+1臺傳統物理工作站”的部署模式。為保證車站與中心離線后云桌面可以繼續使用，車站可選擇IDV、VOI類型云桌面。

3.5 綜合監控入云部署分析

對上述基于城軌云的綜合監控系統部署架構從可靠性、資源利用率、運維效率及適用場景進行分析，如表1所示。

表1 基于城軌云的綜合監控系統部署架構分析

4 發展展望

4.1 基于云平臺的綜合監控系統架構優化

隨著云計算、大數據、人工智能等信息技術的發展，未來，城市軌道交通新建線路及在既有線設備更新升級的綜合監控系統均將基于城軌云平臺進行部署設計。城軌云平臺在為綜合監控系統提供IaaS層資源的基礎上，將進一步向提供容器、數據庫等PaaS層服務及SaaS層服務演進，而綜合監控系統自身也將結合云平臺的優勢對其架構進行優化，充分利用云平臺提供的容器、負載均衡、資源管理等服務，采用“云-邊”協同的理念，基于微服務的架構進行設計，弱化弱電系統設計和軟件開發邊界，構建業務中臺、技術中臺、數據中臺，實現弱電系統云端融合、協同開發的良好生態，以適應軌道交通新的智慧化業務的快速發展。

4.2 基于云平臺的綜合監控智慧應用開發

綜合監控在系統架構優化基礎上，將充分利用綜合監控系統多系統集成的優勢，對接入的供電、機電、通信、信號、站臺門、視頻、客流等多源數據的集成、海量數據的統一存儲與治理、數據建模與分析提供統一的數據訪問接口，實現多業務數據共享應用和信息的互聯互通，在實現PSCADA、BAS等基礎功能的同時，基于人工智能、大數據分析等技術，結合智慧地鐵的實際需求，開發智能電力調度、智能能源調度、節能管控、智能運維、智慧票務、智慧乘客客服等智慧地鐵應用，為智慧地鐵賦能。

5 結語

隨著城軌云在軌道交通的廣泛應用，基于城軌云的綜合監控系統也迎來了新的發展機遇。本文在對傳統綜合監控系統架構和優缺點分析的基礎上，結合目前軌道交通城軌云平臺的應用情況和城軌云的部署架構的分析，對目前基于城軌云的綜合監控系統架構方案進行了比選分析，提出在信息化和工業化融合的時代背景下，基于城軌云的綜合監控系統架構優化方案，并進行智慧應用展望，對于智慧城市軌道交通建設具有很好的參考價值。