基于云平臺的城市軌道交通綜合監控系統設計與實現

劉海斌

(陜西交通職業技術學院，經濟管理學院， 陜西，西安，710018)

0 引言

隨著我國社會經濟的不斷發展，人們對于生活質量的要求不斷增強，越來越多的人選擇用汽車作為代步工具，而車輛逐漸增多最終造成城市擁堵現象日益加重，為改善城市擁堵問題，國家對于城市軌道交通建設問題十分重視，城市軌道建設可有效改善城市擁堵問題。但城市軌道出現故障直接威脅乘客的生命安全,為此結合綜合監控系統可保證城市軌道的安全性，利用云平臺的虛擬化技術，實現城市軌道交通綜合監控系統的高效運營。與傳統城市軌道交通綜合監控系統相比，云平臺城市軌道交通綜合監控系統可滿足集中化、智能化的發展需求，為城市軌道交通建設提供新的方向與思路。

1 傳統城市軌道交通綜合監控系統的現狀分析

傳統城市軌道交通綜合監控系統內部服務器在功能上存在一定局限，其分布結構主要采用三級監控兩級管理的形式針對城市軌道交通進行管理。其中三級監控指的是該系統將監控分布在中心級、車站級和車輛級，而管理權限主要分布于中心級和車站級。傳統城市軌道交通綜合監控系統將監控數據主要存儲到服務器中，通過服務器可將監控數據傳輸至控制中心，控制中心和車站可針對監控數據進行甄別處理，有利于及時對城市軌道交通現場發生的不良狀況進行處理，以此保證生產運營的安全。但傳統城市軌道交通綜合監控系統存在多種缺點，可造成城市軌道交通綜合監控系統出現異常狀況，無法穩定運行[1]。

1.1 冗余設備成本高

傳統綜合監控系統針對城市軌道交通配置的服務器，通常情況下采用冗余管理方式，為保證數據的保存和穩定傳輸，對車站和控制中心布設大量服務器，該方式將在購置和擴展方面消耗大量成本。對車站和控制中心布設大量服務器將無法和其他軌道線路進行統一調配，造成城市軌道交通綜合監控系統不能滿足城市軌道線網級智能化綜合監控的潛在需求，而無法廣泛應用于實際生活中[2]。

1.2 冗余數據庫數據不一致

傳統城市軌道交通綜合監控系統為保證大量數據在主備服務器中實現同步傳輸，在每個車站以及控制中心設置有冗余主備的數據庫，該方式有利于快速實現冗余設備的無縫連接，但傳統城市軌道交通綜合監控系統的應用層軟件自身和網絡存在問題，導致該方式的最終效果與預期值不符，并且控制中心的主用數據庫以及備用數據庫在數據上存在差異性，該差異由于主用數據庫和備用數據庫的切換頻率小，因此可被覆蓋，當將存在缺陷的數據庫應用于城市軌道的正常運行中，隨著時間的推移，可造成地鐵無法正常運行，存在一定安全隱患。數據庫對比表如表1所示[3]。

表1 數據庫對比表

1.3 系統CPU資源利用率低

傳統城市軌道交通綜合監控系統的應用層軟件易出現異常情況，為保證傳統城市軌道交通綜合監控系統可穩定運行,通常情況下，大多數城市軌道運營商在其內部放置高標準的硬件配置，該方法具有一定可行性。其實現方法為：針對CPU選擇16～32 G的內存，通過研究表明，綜合監控系統在正常運行情況下使用效率僅保持在15%～20%，大內存的使用勢必造成資源浪費情況發生。

2 基于云平臺的城市軌道交通綜合監控系統構成

2.1 城市軌道交通綜合監控系統邏輯構成

為保證基于云平臺的城市軌道交通綜合監控系統可穩定運行，將該系統的邏輯構成分為3層，分別是基礎設施層、平臺層以及應用層[4],如圖1所示。

圖1 城市軌道交通綜合監控系統邏輯

2.1.1 基礎設施層

對基礎設施層的構成主要按照邏輯思維進行劃分，將基礎設施層分為硬件資源層和虛擬資源層。通過云平臺的統一管理功能，有利于管理人員更加便捷地管理基礎設施層內部包含的各類虛擬資源。

2.1.2 ISCS平臺層

對ISCS平臺層按照邏輯思維進行劃分時，可將其分為支撐軟件層和平臺服務層，該層的邏輯結構與傳統城市軌道交通綜合監控系統中的平臺層一致，但ISCS平臺層的建立在一定意義上可為ISCS應用層提供支持作用。

2.1.3 ISCS應用層

ISCS應用層為綜合監控系統的核心組成部分，隨著大數據技術的不斷進步，基于云平臺部署的ISCS可借助大數據技術的優勢，并結合云平臺的虛擬技術搭建綜合監控系統的數據計算環境,在保證ISCS應用層穩定運行的前提下，為ISCS應用層完成資源的在線擴容。通常情況下，基于云平臺建立的城市軌道交通大數據平臺可在同等造價下將數據存儲3～5年，并具有規模越大成本越低的優勢，為大數據分析提供有效的數據支撐[5]。

2.2 城市軌道交通綜合監控系統硬件架構

2.2.1 OCC純虛擬化、車站部分虛擬化架構

為保證綜合監控系統可穩定運行，對該系統的硬件組成部分進行分析，將該系統的硬件組成部分進行虛擬化處理，其中OCC的服務器全部虛擬化，而車站采用部分虛擬化部署結構。OCC在虛擬化過程中可利用自身優勢將服務器虛擬化形成大數據分析與可視化的服務器，而車站在虛擬化過程中虛擬出1臺主服務器，但留有1臺實際的物理服務器作為備用服務器，主服務器與備用服務器之間可通過ISCS進行數據同步。

2.2.2 云平臺中心虛擬化架構

對云平臺中心架構進行虛擬化時，主要將云平臺中心設立為主云和備云2個云平臺集群，主云與備云之間主要利用主干網絡進行連接，為實現對主云平臺和備云平臺內部資源的統一調控和監控，可通過云平臺主控中心進行資源管理，在云平臺的作用下，綜合監控系統中的虛擬機和數據進行遠程遷移的速度與同機房內遷移的速度基本一致。由此可證明，主云與備云可放置于不同的控制中心，為保證ISCS的可靠性，可通過備用服務器暫時替代云平臺，在故障恢復后，車站虛擬服務器的監控系統可將數據進行實時同步[6]。

2.2.3 純虛擬化架構

純虛擬化架構可將該系統內部存在的全部物理服務器虛擬化后統一整合到OCC，利用OCC中能力足夠的云平臺資源集群，將綜合監控系統中的數據信息進行整合，通過整合完畢的數據信息可劃分出滿足性能要求的虛擬機，并將其運用在綜合監控系統中，在此基礎上進行云桌面服務器的安裝。對虛擬的服務器仍采用主云和備云的冗余配置，而數據的同步主要依靠ISCS自身完成，有利于在物理服務器發生故障時，以最快的速度進行填補，相比于傳統方式，該方式更具優勢。

3 城市軌道交通綜合監控系統云平臺方案與傳統方案對比分析

通過對比分析可知，當綜合監控系統需要擴容時，云平臺可通過自身計算能力和存儲資源能力針對綜合監控系統的擴容情況，進行相應的資源調度，實現綜合監控系統的擴容，為保證城市軌道交通在后續發展過程中可容納線路系統的不斷加入，應采用“以小拼大”的方案，該方案僅是城市軌道交通信息化建設的第一步，為確保云計算技術可為城市軌道交通提供更全面的信息資源，實現城市軌道交通綜合監控系統的自動化發展，應進一步對該系統進行測試與對接。云平臺綜合監控方案與傳統綜合監控方案對比如表2所示。

表2 云平臺綜合監控方案與傳統綜合監控方案對比

4 基于云平臺的城市軌道交通綜合監控系統優勢分析

4.1 城市軌道交通綜合監控系統應用優勢

4.1.1 提高服務器資源利用率

城市軌道綜合監控系統具有多種優勢，為保證該系統的穩定運行，應對建設成本進行控制。在云平臺基礎上進行系統建立可最大限度地降低系統建設成本，并在一定程度上提高服務器資源利用率，其根本方法是利用云平臺技術對城市軌道交通綜合監控系統內部服務器進行資源整合。

4.1.2 提高綜合監控系統可靠性

城市軌道交通綜合監控系統利用云平臺的動態熱遷移等功能，與自身的冗余機制充分結合，在保證系統正常運行的情況下，可完成數據信息的遠程遷移，通過云平臺的利用，可在極大程度上提升城市軌道交通綜合監控系統運行的可靠性，避免安全隱患的發生[7]。

4.1.3 實現動態擴展資源

基于云平臺的城市軌道交通綜合監控系統，可實現綜合監控業務以最快的速度進行部署，該過程主要由城市軌道交通綜合監控系統通過云平臺對資源增強情況進行提前規劃，該方法可最大限度地加快服務器的應用部署，并縮短服務器的重建周期，實現動態擴展綜合監控系統的資源。

4.1.4 提高運營效率與服務水平

在云平臺的基礎上針對城市軌道交通進行綜合監控系統的設計具有一定優勢，可體現在運營效率與服務水平中，相關管理人員可利用云平臺對該系統的資源數據進行統一集中處理，處理內容主要包括各服務器內部資源數據，將資源進行整合，并利用云平臺對該系統進行資源管理、數據分析以及可視化功能，有利于更加科學地針對綜合監控系統進行輔助運營決策，最終實現提高運營效率的目的[8]。

4.2 城市軌道交通綜合監控系統技術優勢

云平臺技術為該系統的核心技術，其實現方式為：云平臺作用于城市軌道交通綜合監控系統時，首先對系統內部數據進行資源劃分以及全局調度處理，通過該方式在一定程度上可為用戶提供最優的服務，并根據系統工作負載的大小以動態的方式對資源進行調整。該技術的主要優勢包括作業連續性、資源集中性,其中云平臺技術的作業連續性優勢體現在系統主要采用冗余架構，為保證系統的穩定運行，將站點服務器以虛擬云的形式安置于系統內部，支持系統在線升級硬件擴容，以此實現對綜合監控作業的實時監控，保證系統可持續性的提升自身能力。云平臺技術的資源集中優勢體現在通過云平臺技術可將系統內部硬件資源進行整合，對各個站點的數據池進行實時共享和讀取，并判斷已讀取的數據進行負載大小，根據各部分數據的耗能程度進行資源空間的分配[9]。

5 云平臺實驗室實施方案布局設計

5.1 基于云平臺部署的ISCS系統功能結構

對ISCS系統功能結構進行部署時，可將系統內典型的客戶與服務器相連接，并將采集成功的數據實時上傳至數據庫。虛擬服務器處理完畢后，將相應的數據發送至客戶端，對綜合監控系統運行過程中產生的歷史數據，通過數據庫驅動，將數據存儲至數據庫中，云平臺內的虛擬化資源可參數數據將由運維管理工具進行維護，同時實施管理與監控功能。基于云平臺部署的ISCS系統功能結構[10]如圖2所示。

圖2 基于云平臺部署的ISCS系統功能結構

5.2 ISCS與云平臺有效融合測試

為保證系統的穩定運行，對綜合監控系統云化部署的通用性、版權管理等問題進行測試，并對云平臺提出3條要求，分別是服務器硬件不接受云平臺運營商的綁定、云平臺需支持綜合監控系統的USB跨物理主機掛載功能、云平臺應存在對外開放接口。滿足上述3條要求，即可對綜合監控系統的硬件環境以及軟件環境進行融合測試[11]。

測試環境部署：硬件配置過程中，CPU采用Intel(R)Xeon(R)型號，主頻為2.40 GHz，緩存為8 MB，其配置個數分別為8個中心虛擬服務器、6個車站虛擬服務器、2個管理服務器及2個客戶端；內存均采用DDR3 SDRAM類型，各部分內存實配容量按照CPU配置順序依次為20 GB、12 GB、4 GB、4 GB，硬盤容量依次為4 TB、4 TB、1 TB、200 GB。軟件配置過程中均采用型號為Linux Redhat 7.2的操作系統，監控軟件為5.8.1.0X64，服務器的數據庫為Sybase 15.7和MySQL，工作站的瀏覽器為Google Chrome 45.0.2454.85(64 bit)。

測試的主要內容及方法為：①云平臺的虛擬機生命周期管理功能包括虛擬機的創建、刪除等測試；②快照備份恢復功能是利用虛擬機的功能對系統進行升級部署；③虛擬網絡功能是對云平臺的存儲及管理功能進行測試；④資源遠程在線熱遷移是判斷數據采集是否會隨著熱遷移而出現中斷現象；⑤實時數據管理核心業務功能測試的主要目的是驗證系統是否能正常工作，通過測試系統虛擬機服務器的數據同步功能即可完成驗證；⑥系統與云平臺網絡接口兼容性測試是通過對系統硬件接口兼容性進行測試，驗證系統與云平臺的兼容性是否完善。

6 總結

基于云平臺建立的城市軌道交通綜合監控系統可實現高效性、高擴展性、高安全性的監控功能，而傳統綜合監控系統在性能方面具有一定缺陷，將二者進行對比可知，基于云平臺建立的城市軌道交通綜合監控系統可最大限度地降低運營與維護成本，通過對該系統進行分析可知，該系統利用冗余機制與云平臺的虛擬化技術進行融合，提升了綜合監控系統的安全性以及可靠性。在未來發展中，云平臺技術前景十分良好，可將該技術廣泛應用于城市軌道建設之中，為城市軌道交通信息化建設帶來新的方向。