基于云平臺的中低速磁浮票務(wù)系統(tǒng)

陳柯行，黃志偉，李廣智，吳 昊

（北京全路通通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

1 概述

在日益擴(kuò)展和完善的城市軌道交通運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)中，城市軌道交通票務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了售檢票業(yè)務(wù)的自動化，滿足了乘客快速購票檢票乘車的需求，是保障運(yùn)營的重要支撐系統(tǒng)[1]。傳統(tǒng)城市軌道交通的票務(wù)系統(tǒng)通常采用“一線一中心”的單線建設(shè)模式。如圖1所示，地鐵票務(wù)系統(tǒng)由清分中心、線路中央計算機(jī)系統(tǒng)、車站計算機(jī)系統(tǒng)、車站終端設(shè)備、車票5層結(jié)構(gòu)組成，每條線設(shè)置一套控制系統(tǒng)，整個線網(wǎng)設(shè)置一個清分中心[2]。

中低速磁浮系統(tǒng)是一種采用車載電磁懸浮技術(shù)和短定子直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動車輛的城市軌道交通系統(tǒng)，具有噪音污染小、建設(shè)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)多用于旅游觀光和近距離城市間的交通連接，可與地鐵等線路互補(bǔ)。國內(nèi)正在運(yùn)營的中低速磁浮線路有長沙磁浮快線、北京地鐵S1線、鳳凰磁浮旅游專線和清遠(yuǎn)磁浮旅游專線等[3-6]，其票務(wù)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

1）中低速磁浮客流以外地乘客為主[7]。例如鳳凰磁浮旅游專線開通初期預(yù)測年均客運(yùn)量1 518萬人次，其中80%以上為外地乘客。該類乘客通常初次乘坐磁浮列車，車站購票時容易出現(xiàn)找零、票卡回收、現(xiàn)金回收、儲值卡充值等操作不熟練的情況，導(dǎo)致排隊(duì)阻塞。因此，為了減少乘客時間成本，票務(wù)系統(tǒng)采用“互聯(lián)網(wǎng)多元化支付為主，儲值票為輔，現(xiàn)金支付補(bǔ)充”的支付方式，這對票務(wù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全性和實(shí)時性提出了更高的要求[8]。

2）中低速磁浮多用于旅游觀光等線路，節(jié)假日高峰期面臨大規(guī)模客流，乘客在出行前傾向于提前通過網(wǎng)絡(luò)購票。因此，票務(wù)系統(tǒng)需要提供電子二維碼等無需現(xiàn)場取票的非實(shí)體卡車票。與實(shí)體卡車票相比，非實(shí)體卡車票制作成本低且不易丟失，提高了通行效率和乘客體驗(yàn)，但同時這也對票務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲和計算能力提出了新的要求。

3）地鐵線網(wǎng)規(guī)模較大，其票務(wù)系統(tǒng)采用五層結(jié)構(gòu)是便于各線路、車站能夠獨(dú)立運(yùn)行，但需要在每個線路中心和車站都設(shè)置服務(wù)器。而中低速磁浮線網(wǎng)規(guī)模較小，沿用地鐵票務(wù)系統(tǒng)5層結(jié)構(gòu)會造成基礎(chǔ)設(shè)施分散和建設(shè)成本過高等問題。

基于以上特征，沿用傳統(tǒng)票務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計原則無法很好的適應(yīng)中低速磁浮票務(wù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)、存儲和計算等能力要求，并且建設(shè)成本高昂。因此，本文將結(jié)合微服務(wù)化思想搭建基于云平臺的中低速磁浮票務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等資源按需分配，提高資源利用率，便于業(yè)務(wù)快速部署和擴(kuò)展。

2 云平臺和微服務(wù)架構(gòu)介紹

2.1 云平臺

云平臺指的是基于軟硬件資源提供計算、網(wǎng)絡(luò)和存儲能力的云計算平臺，在數(shù)據(jù)存儲、處理和資源調(diào)度等多方面具有優(yōu)勢[9]。中低速磁浮系統(tǒng)云平臺為票務(wù)系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、綜合運(yùn)維系統(tǒng)、乘客信息中心系統(tǒng)等業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供基礎(chǔ)資源，架構(gòu)如圖2所示。

圖2 中低速磁浮云平臺架構(gòu)Fig.2 Diagram of cloud platform architecture for medium and low speed maglev lines

1）數(shù)據(jù)采集層

由業(yè)務(wù)系統(tǒng)負(fù)責(zé)，完成各類數(shù)據(jù)采集上報。云平臺提供控制中心的各類數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)匯聚交換機(jī)和配套的安全防護(hù)設(shè)備，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制中心網(wǎng)絡(luò)接入交換機(jī)、通信處理機(jī)并負(fù)責(zé)接入云平臺的匯聚交換機(jī)。

2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層

由通信傳輸系統(tǒng)提供線網(wǎng)骨干網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通道，云平臺負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)控制中心與線路網(wǎng)的連通。

3）IT設(shè)施層

由服務(wù)器、存儲、安全、網(wǎng)絡(luò)等物理基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成融合資源池的基礎(chǔ)架構(gòu)。

4）資源池層

通過虛擬化軟件，對計算、存儲、安全、網(wǎng)絡(luò)等物理資源進(jìn)行虛擬化，提供統(tǒng)一的計算、存儲、安全和網(wǎng)絡(luò)資源池。

5）基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層（IaaS）

通過劃分不同虛擬數(shù)據(jù)中心（VDC）以及在VDC內(nèi)部進(jìn)一步劃分不同虛擬私有云（VPC），為各應(yīng)用提供資源的靈活分配。VDC/VPC內(nèi)部通過云主機(jī)服務(wù)、云存儲服務(wù)、彈性IP服務(wù)、物理機(jī)服務(wù)和GPU服務(wù)器服務(wù)等，提供自助資源發(fā)放，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)。

6）平臺服務(wù)層（PaaS）

向下管理IaaS的基礎(chǔ)架構(gòu)資源，向上為SaaS提供包括基礎(chǔ)資源、數(shù)據(jù)庫、操作軟件和應(yīng)用中間件等平臺軟件服務(wù)。

7）應(yīng)用服務(wù)層（SaaS）

提供中心級應(yīng)用服務(wù)。

2.2 微服務(wù)架構(gòu)

票務(wù)系統(tǒng)通常有兩種開發(fā)架構(gòu)模式：單體架構(gòu)和微服務(wù)架構(gòu)。如圖3所示，使用傳統(tǒng)單體架構(gòu)是將票務(wù)系統(tǒng)所有的業(yè)務(wù)功能編寫在一個項(xiàng)目中，最終會打包成一個WAR包并部署運(yùn)行。這種方式部署簡單，但在對某個功能模塊進(jìn)行修改或者開發(fā)新功能模塊時需要對系統(tǒng)整體修改和部署，可伸縮性較差。

圖3 單體架構(gòu)Fig.3 Single architecture

微服務(wù)是一種新型開發(fā)架構(gòu)模式，使用微服務(wù)架構(gòu)開發(fā)票務(wù)系統(tǒng)能夠簡化票務(wù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)體系。其架構(gòu)如圖4所示，開發(fā)人員將票務(wù)系統(tǒng)不同的功能模塊拆分為不同的微服務(wù)，每個微服務(wù)之間松耦合，其更新或擴(kuò)展不會對別的微服務(wù)造成影響，易于開發(fā)和維護(hù)。

圖4 微服務(wù)架構(gòu)Fig.4 Micro-service architecture

3 基于云平臺的中低速磁浮票務(wù)系統(tǒng)

3.1 框架

地鐵票務(wù)系統(tǒng)由清分中心計算機(jī)系統(tǒng)、線路中央計算機(jī)系統(tǒng)、車站計算機(jī)系統(tǒng)、車站終端設(shè)備、車票5層結(jié)構(gòu)組成。其中，清分中心計算機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)統(tǒng)籌全局性管理功能，線路中央計算機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)當(dāng)前線路的集中管理功能并上傳數(shù)據(jù)至清分中心，車站計算機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理當(dāng)前車站的數(shù)據(jù)并上傳數(shù)據(jù)至線路中心。如圖5所示，中低速磁浮票務(wù)系統(tǒng)取消中間層級系統(tǒng)，重新規(guī)劃線路中央計算機(jī)系統(tǒng)和車站計算機(jī)系統(tǒng)功能，使傳統(tǒng)5層結(jié)構(gòu)精簡為3層結(jié)構(gòu)：中心云平臺、車站終端設(shè)備和車票。

圖5 基于云平臺的票務(wù)系統(tǒng)框架Fig.5 Ticketing system architecture based on the cloud platform

中心云平臺層由業(yè)務(wù)服務(wù)層、平臺服務(wù)層和基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層組成。傳統(tǒng)票務(wù)清分系統(tǒng)、線路中央計算機(jī)系統(tǒng)、車站計算機(jī)系統(tǒng)合稱為中央計算機(jī)系統(tǒng)，與新增的互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)平臺統(tǒng)一部署到中心云平臺業(yè)務(wù)服務(wù)層。中央計算機(jī)系統(tǒng)與云平臺內(nèi)部其他系統(tǒng)（如綜合監(jiān)控系統(tǒng)、綜合運(yùn)維系統(tǒng)等）通過云平臺核心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，完成設(shè)備監(jiān)控等功能。互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)平臺與外部系統(tǒng)（支付系統(tǒng)、分銷系統(tǒng)、發(fā)票系統(tǒng)等）通過接口服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，同時應(yīng)接入防火墻確保云平臺數(shù)據(jù)安全。

在云平臺架構(gòu)基礎(chǔ)上，系統(tǒng)結(jié)合微服務(wù)架構(gòu)將應(yīng)用服務(wù)層細(xì)分為接入層、網(wǎng)關(guān)層、業(yè)務(wù)服務(wù)層。其中，接入層又叫負(fù)載均衡層，通過云平臺提供的負(fù)載均衡服務(wù)能夠?qū)⑼獠苛髁恳胂到y(tǒng)中。網(wǎng)關(guān)層主要包含內(nèi)部和外部接口的認(rèn)證、安全、鑒權(quán)、過濾和限流等服務(wù)，這一層將內(nèi)部服務(wù)接口做一層安全隔離，實(shí)現(xiàn)保護(hù)內(nèi)部服務(wù)、鑒權(quán)、黑名單過濾等需求。業(yè)務(wù)服務(wù)層則根據(jù)票務(wù)系統(tǒng)實(shí)際業(yè)務(wù)需求劃分為多個微服務(wù)。

車站終端指自動售票機(jī)和自動檢票機(jī)等車站級設(shè)備。云平臺中心層通過通信傳輸系統(tǒng)提供線網(wǎng)骨干網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通道完成與車站終端的網(wǎng)絡(luò)連通，中央計算機(jī)系統(tǒng)能夠直接監(jiān)視車站終端設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并收集各類運(yùn)營數(shù)據(jù)。反之，車站終端設(shè)備也能夠直接接收中央計算機(jī)系統(tǒng)下發(fā)的參數(shù)和其他指令。

車票是乘客進(jìn)/出站時持有的包含購票信息的乘車憑證。為提高通行效率，中低速磁浮系統(tǒng)主要采用非實(shí)體卡車票形式，緩解高峰期購票壓力，方便乘客出行。

中低速磁浮線網(wǎng)規(guī)模較小，使用3層結(jié)構(gòu)可以極大地降低建設(shè)和運(yùn)行成本，提高響應(yīng)速度，降低系統(tǒng)部署難度。

3.2 功能模塊設(shè)計

中低速磁浮系統(tǒng)中心云平臺層分為中央計算機(jī)系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)系統(tǒng)兩部分，根據(jù)功能分別拆分為不同的微服務(wù)。每個微服務(wù)獨(dú)立開發(fā)部署，提供不同的功能。

中央計算機(jī)系統(tǒng)由以下微服務(wù)支持。

1）用戶管理：負(fù)責(zé)用戶信息管理和權(quán)限管理等。

2）車票管理：負(fù)責(zé)票種種類及使用規(guī)則定義、票價表定義與下發(fā)、車票發(fā)行等。

3）車票發(fā)售：發(fā)售票務(wù)系統(tǒng)車票。

4）清分清算：根據(jù)清分規(guī)則對票務(wù)收益進(jìn)行清分、根據(jù)分賬規(guī)則與外部系統(tǒng)進(jìn)行對賬。

5）運(yùn)營管理：客流統(tǒng)計與分析、運(yùn)營設(shè)備注冊、運(yùn)營模式管理和黑名單管理。

6）訂單管理：負(fù)責(zé)系統(tǒng)訂單查詢等管理功能。

7）票務(wù)管理：管理車票庫存，處理各終端設(shè)備上傳的交易數(shù)據(jù)。

8）設(shè)備管理：實(shí)時監(jiān)控車站終端設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和緊急情況下控制終端設(shè)備。

9）安全管理：負(fù)責(zé)密鑰生成和下載。

10）參數(shù)管理：負(fù)責(zé)向車站終端設(shè)備下發(fā)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和控制命令信息。

11）系統(tǒng)維護(hù)：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫的備份和恢復(fù)。

12）測試平臺：負(fù)責(zé)新票種、新支付方式等開發(fā)測試。

互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)系統(tǒng)由以下微服務(wù)支持。

1）第三方發(fā)售：APP、微信小程序等第三方互聯(lián)網(wǎng)售票平臺的車票發(fā)售。

2）第三方支付：與支付產(chǎn)品（銀行、支付寶等）對接，實(shí)現(xiàn)支付功能。

3）第三方分銷：與攜程等第三方分銷平臺對接，實(shí)現(xiàn)分銷功能。

4）二維碼發(fā)碼：生成動態(tài)二維碼，供乘客進(jìn)出站使用。

5）實(shí)名認(rèn)證：提供身份證和人臉實(shí)名認(rèn)證功能，支持開通人臉乘車服務(wù)。

3.3 用戶權(quán)限管理功能設(shè)計

中低速磁浮票務(wù)系統(tǒng)的微服務(wù)架構(gòu)可選擇采用Spring Cloud Alibaba框架，其常用組件包括注冊中心（Nacos）、監(jiān)控中心（Admin）、網(wǎng)關(guān)（Gateway）、流量控制與服務(wù)降級（Sentinel）、分布式解決方案（Seata）等。

以設(shè)計用戶權(quán)限管理功能為例，說明微服務(wù)架構(gòu)中注冊中心和網(wǎng)關(guān)等模塊是如何工作的。如圖6所示，服務(wù)注冊中心Nacos能夠通過服務(wù)注冊和服務(wù)發(fā)現(xiàn)來實(shí)現(xiàn)微服務(wù)之間的服務(wù)調(diào)用。網(wǎng)關(guān)服務(wù)、用戶管理服務(wù)、訂單服務(wù)、支付服務(wù)等均需要向Nacos注冊，并且訂閱Nacos中的所有已注冊服務(wù)。

圖6 用戶權(quán)限管理功能示意Fig.6 Diagram of the user access management function

網(wǎng)關(guān)服務(wù)是服務(wù)訪問的統(tǒng)一入口，客戶端和網(wǎng)頁端所有的用戶請求都會統(tǒng)一通過網(wǎng)關(guān)服務(wù)進(jìn)入，適合承擔(dān)鑒權(quán)這種切面類型的功能服務(wù)。因此，將用戶鑒權(quán)模塊設(shè)置在網(wǎng)關(guān)服務(wù)中。網(wǎng)關(guān)保持開放登錄注冊接口，用戶發(fā)送登錄注冊請求時，網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)請求給用戶服務(wù)，用戶輸入賬號、密碼等信息完成登錄注冊功能，同時用戶服務(wù)緩存當(dāng)前登錄用戶信息和對應(yīng)權(quán)限列表。用戶再次發(fā)起業(yè)務(wù)請求時，網(wǎng)關(guān)進(jìn)行攔截，并獲取請求中附帶的用戶身份信息，然后調(diào)用緩存中信息對請求用戶做鑒權(quán)操作，確認(rèn)當(dāng)前用戶是否有訪問該業(yè)務(wù)服務(wù)的權(quán)限，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一鑒權(quán)功能。若網(wǎng)關(guān)服務(wù)鑒定當(dāng)前用戶具有權(quán)限，那么網(wǎng)關(guān)服務(wù)再次轉(zhuǎn)發(fā)請求給對應(yīng)的業(yè)務(wù)服務(wù)。由于網(wǎng)關(guān)服務(wù)和各個業(yè)務(wù)服務(wù)都進(jìn)行了服務(wù)注冊，因此在網(wǎng)關(guān)層面不需要將節(jié)點(diǎn)ip配置在轉(zhuǎn)發(fā)路徑上，注冊中心Nacos會提供服務(wù)與節(jié)點(diǎn)的關(guān)系。網(wǎng)關(guān)服務(wù)可以根據(jù)接受到的不同請求參數(shù)來決定路由到不同業(yè)務(wù)服務(wù)中。

4 結(jié)論

本文重新規(guī)劃傳統(tǒng)城市軌道交通線路采用的票務(wù)系統(tǒng)5層結(jié)構(gòu)，提出一種基于云平臺的中低速磁浮票務(wù)系統(tǒng)。引入云平臺為票務(wù)系統(tǒng)提供計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等硬件基礎(chǔ)資源，實(shí)現(xiàn)軟硬件資源統(tǒng)一管理、合理動態(tài)分配和集中監(jiān)測，提高資源利用率。同時在云平臺基礎(chǔ)上采用微服務(wù)架構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)單體架構(gòu)開發(fā)票務(wù)系統(tǒng)，能夠?qū)?fù)雜的票務(wù)系統(tǒng)拆分為可獨(dú)立部署的簡單微服務(wù)，使票務(wù)系統(tǒng)能夠根據(jù)需求快速擴(kuò)展，有助于提高開發(fā)效率，為中低速磁浮票務(wù)系統(tǒng)結(jié)合云技術(shù)和微服務(wù)架構(gòu)提供參考依據(jù)。