智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)的三級(jí)部署研究

王玉龍

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

1 概述

智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)通過對(duì)不同性質(zhì)、規(guī)模的鐵路運(yùn)輸需求進(jìn)行總結(jié)、提煉、抽象，建立統(tǒng)一的調(diào)度指揮信息平臺(tái)，進(jìn)而從機(jī)制上確保鐵路運(yùn)輸信息的完整性與一致性，最大限度地幫助生產(chǎn)運(yùn)輸企業(yè)實(shí)現(xiàn)降本增效。

智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)的應(yīng)用遵從“一個(gè)平臺(tái)、兩層系統(tǒng)、三級(jí)部署”原則，消除不同模塊間壁壘、構(gòu)建由中心系統(tǒng)和車站系統(tǒng)組成的統(tǒng)一信息管控平臺(tái)，從而向集團(tuán)總部、分公司、車站三級(jí)不同的調(diào)度組織提供服務(wù)，幫助生產(chǎn)運(yùn)輸企業(yè)對(duì)其運(yùn)力資源實(shí)行精準(zhǔn)調(diào)度。結(jié)合實(shí)際需求部署后，智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)可通過對(duì)機(jī)車、車輛等運(yùn)輸資源的全生命周期精細(xì)化管理，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸資源的高效利用和適時(shí)檢修，從而減少損耗、降低成本。

本文針對(duì)智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)的三級(jí)部署應(yīng)用，及其在實(shí)際應(yīng)用組網(wǎng)中所需的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行研究，并提出符合三級(jí)部署架構(gòu)的組網(wǎng)方案，解決智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)可靠性、可用性、安全性、可維護(hù)性等方面面臨的難題，確保網(wǎng)絡(luò)在各類故障情景下，仍能支持系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

2 智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)的三級(jí)部署應(yīng)用

智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)由中心系統(tǒng)和車站系統(tǒng)組成，以滿足各級(jí)鐵路調(diào)度指揮的實(shí)際業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)以計(jì)劃為主導(dǎo)、以行車指揮為核心的一體化調(diào)度信息系統(tǒng)功能。在實(shí)際應(yīng)用中，需要部署的調(diào)度組織架構(gòu)由集團(tuán)總部、分公司、車站3級(jí)組成，如圖1 所示。

圖1 智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)的三級(jí)部署應(yīng)用Fig.1 Three-level deployment application of intelligent integrated dispatching information system

2.1 集團(tuán)總部

生產(chǎn)運(yùn)輸企業(yè)的集團(tuán)總部數(shù)據(jù)中心設(shè)智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)的總部級(jí)調(diào)度中心系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全路的計(jì)劃調(diào)度、貨運(yùn)調(diào)度、車輛調(diào)度、施工調(diào)度、統(tǒng)計(jì)分析等功能，同時(shí)滿足既有或潛在的集中調(diào)度指揮功能需求。智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)的中心與集團(tuán)總部行車指揮TDCS/CTC 中心無論物理上是否分離，但在邏輯上應(yīng)保持統(tǒng)一，確立邏輯上的“一個(gè)中心”。

2.2 分公司

生產(chǎn)運(yùn)輸企業(yè)的分公司設(shè)置分公司級(jí)調(diào)度信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分公司各崗位管轄范圍內(nèi)運(yùn)輸調(diào)度指揮工作的功能。分公司所設(shè)調(diào)度終端設(shè)備上聯(lián)至行車指揮TDCS/CTC 中心系統(tǒng)及集團(tuán)總部的智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)中心系統(tǒng)。

2.3 車站

生產(chǎn)運(yùn)輸企業(yè)下轄的車站設(shè)置智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)的客戶終端，車站按照集團(tuán)總部及運(yùn)輸分公司調(diào)度指揮中心的指揮完成列車接、發(fā)等車站管理及貨物受理、承運(yùn)，以及貨物到達(dá)、交付等貨運(yùn)管理工作。

3 智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)的組網(wǎng)難點(diǎn)

智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)的部署采用集團(tuán)總部至下屬分公司、各下屬分公司至車站的三級(jí)兩段式結(jié)構(gòu)組網(wǎng)。在此專用網(wǎng)絡(luò)上，建設(shè)基于數(shù)據(jù)統(tǒng)一集成共享平臺(tái)的一體化調(diào)度信息系統(tǒng)平臺(tái)，提供信息和共享服務(wù)。由于生產(chǎn)運(yùn)輸相關(guān)調(diào)度信息的準(zhǔn)確性、時(shí)效性與保密性直接關(guān)系著企業(yè)生產(chǎn)效益，智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)對(duì)其各層級(jí)間的信息交互“橋梁”的可用性要求也變得更為嚴(yán)苛。同時(shí)在其網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際部署中也存在著一些待解決的網(wǎng)絡(luò)難題，主要可概括為下列3 個(gè)方面。

3.1 網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性

智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)的可用性直接關(guān)系著生產(chǎn)運(yùn)輸企業(yè)的效益。常規(guī)硬件設(shè)備及鏈路所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)不能滿足智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)全天候可信息上傳共享的需求。在其三層架構(gòu)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)部署中應(yīng)采取可靠的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)鏈路的冗余保護(hù)，以確保調(diào)度信息傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠。網(wǎng)絡(luò)中部署用于訪問中心網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)備皆應(yīng)采取主/備模式，當(dāng)主要工作設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，備用設(shè)備可滿足業(yè)務(wù)要求。同時(shí)，設(shè)備間鏈路同樣應(yīng)采用冗余連接方式，當(dāng)主要傳輸鏈路故障時(shí)，備用鏈路同樣可擔(dān)負(fù)信息通道職能。

然而大量冗余部署的設(shè)備及鏈路常會(huì)帶來一定的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴隱患，為解決此問題，智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)所采網(wǎng)絡(luò)中部署相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、策略，避免網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴影響上層業(yè)務(wù)信息交互的情況。

此外，網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備應(yīng)具有可靠的后備運(yùn)行模式，以降低故障發(fā)生率、減少網(wǎng)絡(luò)事故。

3.2 網(wǎng)絡(luò)安全性

相較于小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)部署，匯聚了集團(tuán)總部至車站三層架構(gòu)的共享信息的智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)面臨著更嚴(yán)苛的信息安全考驗(yàn)。其系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿足相應(yīng)場(chǎng)景的信息安全等級(jí)，且具有一定的風(fēng)險(xiǎn)過濾能力。為滿足網(wǎng)絡(luò)安全性要求且最大限度保證專用網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立可靠性，實(shí)際部署方案中應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)核心交換機(jī)上應(yīng)部署安全網(wǎng)關(guān)，同時(shí)在系統(tǒng)核心交換機(jī)與應(yīng)用區(qū)域、數(shù)據(jù)區(qū)域、接口交換區(qū)域、終端服務(wù)區(qū)域等之間部署防火墻，進(jìn)行安全加固，確保網(wǎng)絡(luò)信息安全性，同時(shí)采用旁路部署的接入方式以滿足網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備的不同應(yīng)用場(chǎng)景。

3.3 網(wǎng)絡(luò)易維護(hù)性

一般網(wǎng)絡(luò)方案中較為常見采用的橫向虛擬化技術(shù)往往存在著控制面單一、控制面能力差、業(yè)務(wù)升級(jí)復(fù)雜等問題。這些問題極大降低了網(wǎng)絡(luò)整體的可維護(hù)性和擴(kuò)展能力。智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)要能適應(yīng)日益變化的需求，可實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，滿足生產(chǎn)運(yùn)輸企業(yè)在調(diào)度信息的使用及共享方面的新需求。其專用網(wǎng)絡(luò)需要采用創(chuàng)新性的橫向虛擬化技術(shù)，在達(dá)成設(shè)備冗余滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，獲得更高的可管理性和擴(kuò)展能力。

4 智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

為解決上述智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)難點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用組網(wǎng)中將會(huì)采用下列網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以構(gòu)建穩(wěn)定可用的專用網(wǎng)絡(luò)。在智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的三層架構(gòu)組網(wǎng)部署中所采用的能提高網(wǎng)絡(luò)效率、網(wǎng)絡(luò)可靠性的技術(shù)包括開放式最短路徑優(yōu)先（OSPF）、虛擬路由冗余協(xié)議（VRRP）、跨設(shè)備鏈路聚合（M-LAG）等。這些網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要可實(shí)現(xiàn)消除網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴及預(yù)留冗余設(shè)備、鏈路。

4.1 開放式最短路徑優(yōu)先

在運(yùn)行傳統(tǒng)的距離矢量路由協(xié)議時(shí)，路由器彼此間交互路由表，而無法獲取整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。OSPF 作為一種鏈路狀態(tài)路由協(xié)議，可以使設(shè)備間建立“鄰居關(guān)系”，以交互鏈路狀態(tài)通告（LSA）取替交互傳統(tǒng)路由信息。LSA 包含設(shè)備的直連接口信息、對(duì)端設(shè)備信息、通道成本信息等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類信息，在被路由器接收后會(huì)被存放入鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫（LSDB），使其掌握全網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

在此基礎(chǔ)上，路由器運(yùn)行最短路徑算法，得到一個(gè)以自己為核心的無環(huán)路徑。路由器根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將這些計(jì)算出的最優(yōu)路徑加載進(jìn)路由表形成路由條目，作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的依據(jù)。由于OSPF 的算法本身可以從天然上防止形成環(huán)路，消除大規(guī)模、多層級(jí)網(wǎng)絡(luò)部署中潛在的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴隱患，其也逐漸發(fā)展為應(yīng)用最廣泛的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議之一。

4.2 虛擬路由冗余協(xié)議

VRRP 可將幾臺(tái)路由器組成一臺(tái)虛擬的路由設(shè)備，這一組路由器（同一個(gè)局域網(wǎng)中的接口）將實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。一個(gè)VRRP 組內(nèi)只有一臺(tái)設(shè)備處于“Master”狀態(tài)，并同時(shí)承擔(dān)實(shí)際的數(shù)據(jù)流量轉(zhuǎn)發(fā)工作，而其他設(shè)備處于備份狀態(tài)。在一個(gè)VRRP 組內(nèi)的多個(gè)路由設(shè)備接口將共用一個(gè)虛擬IP 地址，該地址作為局域網(wǎng)內(nèi)所有接入設(shè)備的缺省網(wǎng)關(guān)地址與外部網(wǎng)絡(luò)通信，如圖2 所示。

圖2 VRRP的路徑選擇Fig.2 VRRP path selection

此協(xié)議可確立一臺(tái)負(fù)責(zé)向用戶網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的主路由器，并使其響應(yīng)接入服務(wù)器對(duì)該網(wǎng)關(guān)的地址解析請(qǐng)求。同組內(nèi)的備份路由器偵聽主路由器的工作狀態(tài)，并隨時(shí)準(zhǔn)備接替主路由器的工作，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)和鏈路的冗余功能，滿足高可靠網(wǎng)絡(luò)的全天候可用要求。

同時(shí)，作為一個(gè)接口級(jí)別的協(xié)議，一臺(tái)運(yùn)行著VRRP 的路由器（接口）可參與到不同的VRRP 組中，并充當(dāng)不同的主/備角色，以滿足大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不同應(yīng)用場(chǎng)景下的多種需求。

4.3 跨設(shè)備鏈路聚合

橫向虛擬化技術(shù)的運(yùn)用，使相互冗余的物理設(shè)備可虛擬為一臺(tái)在網(wǎng)絡(luò)中呈現(xiàn)單節(jié)點(diǎn)的邏輯設(shè)備，從而簡化網(wǎng)絡(luò)的管理。而堆疊作為此前運(yùn)用最廣泛的橫向虛擬化技術(shù)，存在著主/備交換機(jī)需同步全部表項(xiàng)導(dǎo)致的嚴(yán)苛同步機(jī)制、主/備交換機(jī)需同時(shí)升級(jí)帶來的繁瑣流程、控制平面單一等缺陷。

為實(shí)現(xiàn)更高效、更穩(wěn)定的鏈路聚合，M-LAG技術(shù)僅要求交換設(shè)備在鏈路聚合協(xié)商的過程中對(duì)外表現(xiàn)出同樣的狀態(tài)，而不再同步全部表項(xiàng)。運(yùn)行M-LAG 的聚合設(shè)備只需要同步接口和部分表項(xiàng)內(nèi)容（如ARP、MAC、IP 路由等表項(xiàng)報(bào)文）。一旦聚合設(shè)備分裂，兩臺(tái)設(shè)備都可以獨(dú)立運(yùn)行，相互獨(dú)立的控制面設(shè)計(jì)也一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。需要升級(jí)時(shí)，組成M-LAG 系統(tǒng)的主/備交換機(jī)也無需同步升級(jí)，以保障升級(jí)過程中業(yè)務(wù)流量的轉(zhuǎn)發(fā)。

M-LAG 與堆疊的對(duì)比如表1 所示。

表1 M-LAG相較堆疊技術(shù)的優(yōu)勢(shì)Tab.1 M-LAG advantages over stack technology

兩臺(tái)運(yùn)行M-LAG 的設(shè)備在配對(duì)后將首先交互MAC 地址等信息并協(xié)商出主從關(guān)系，隨后在正常工作模式中雙方會(huì)繼續(xù)通過Peer-Link 鏈路實(shí)時(shí)同步對(duì)端信息。而M-LAG 的故障檢測(cè)則主要依賴于兩臺(tái)設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)側(cè)的互通鏈路定期互發(fā)心跳報(bào)文，如圖3 所示。

圖3 M-LAG主/備設(shè)備間信息交互Fig.3 M-LAG Information exchange between the active and standby devices

在實(shí)際部署場(chǎng)景中，對(duì)于已知的單播流量，主/備交換機(jī)形成逐流負(fù)載分擔(dān)，共同進(jìn)行流量的轉(zhuǎn)發(fā)；而對(duì)于廣播、組播、未知的單播，交換機(jī)將以泛洪的形式進(jìn)行擴(kuò)散。M-LAG 可隔絕經(jīng)Peer-Link 發(fā)往接入設(shè)備的流量，在實(shí)現(xiàn)設(shè)備冗余的同時(shí)，防止形成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

5 三級(jí)部署中的組網(wǎng)方案

考慮到智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)的三級(jí)部署應(yīng)用架構(gòu)及其對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性的要求，整體系統(tǒng)的組網(wǎng)設(shè)計(jì)方案如圖4 所示。部署于集團(tuán)總部機(jī)房的智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)核心交換機(jī)除完成集團(tuán)內(nèi)部調(diào)度信息的交換任務(wù)外，還應(yīng)保留與外部系統(tǒng)接口，以滿足多類別系統(tǒng)間信息互通、統(tǒng)一管控的需求。

圖4 智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)中心網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Intelligent integrated dispatching information system central network

在分公司及車站的網(wǎng)絡(luò)方案中，選擇以O(shè)SPF為基礎(chǔ)進(jìn)行規(guī)劃。然而，實(shí)際場(chǎng)景下當(dāng)一組大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備都運(yùn)行OSPF 協(xié)議時(shí)，龐大的LSDB 會(huì)占用大量儲(chǔ)存空間，使SPF 算法的復(fù)雜程度倍增，CPU 負(fù)擔(dān)加重，網(wǎng)絡(luò)效率降低。因此，面對(duì)大規(guī)模的智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)部署時(shí)，選擇將不同線路對(duì)應(yīng)的鏈路劃分到不同的OSPF 區(qū)域中。在區(qū)域的邊界配置區(qū)域邊界路由器與骨干網(wǎng)路由相連，同區(qū)域的不同站也采用三層互聯(lián)方式。基于OSPF 的組網(wǎng)方案可有效地提高網(wǎng)絡(luò)效率，并給全集團(tuán)公司的大規(guī)模三層架構(gòu)信息共享部署創(chuàng)造可能。此外，實(shí)際組網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和鏈路采用基于VRRP 及M-LAG 的冗余設(shè)計(jì)以解決系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可靠性難題。智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)的分公司及車站網(wǎng)絡(luò)方案如圖5 所示。

圖5 分公司及車站組網(wǎng)方案Fig.5 Branch and station networking scheme

6 總結(jié)

本文研究了智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)在部署應(yīng)用中的三級(jí)架構(gòu)，以及此三級(jí)架構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下面臨的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、安全性、易維護(hù)性等方面的難點(diǎn)。針對(duì)智慧綜合調(diào)度信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)部署待解決難題，分析了3 種技術(shù)方案，同時(shí)給出了系統(tǒng)高可靠組網(wǎng)方案。