汪 杰 李 鈺 汪 敏

一種基于云的城市軌道交通綜合自動(dòng)化系統(tǒng)方案研究

汪 杰 李 鈺 汪 敏

摘 要：云計(jì)算是分布式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及大規(guī)模資源管理技術(shù)的融合發(fā)展。針對(duì)城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)高度集成的要求以及傳統(tǒng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的性能和結(jié)構(gòu)均難以滿(mǎn)足的問(wèn)題，通過(guò)分析云計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)架構(gòu)，提出了城市軌道交通綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的云計(jì)算系統(tǒng)方案，并從系統(tǒng)集成度、可用性和可靠性、可擴(kuò)展性等角度，研究分析了該方案的系統(tǒng)特性，說(shuō)明了基于云計(jì)算的城市軌道交通綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；綜合自動(dòng)化系統(tǒng)；云計(jì)算；虛擬化

汪 杰：北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，工程師，北京 100073

0　概述

城市軌道交通綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是以協(xié)同城市軌道交通運(yùn)營(yíng)調(diào)度管理為目的，在綜合監(jiān)控的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更高程度的集成化，即在統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)軟件和硬件平臺(tái)上集成各專(zhuān)業(yè)機(jī)電系統(tǒng)，完成對(duì)線(xiàn)路行車(chē)運(yùn)營(yíng)的監(jiān)控，并且與城市軌道交通管理系統(tǒng)緊密結(jié)合，形成集行車(chē)指揮、列車(chē)運(yùn)行管理、設(shè)備監(jiān)控、通信管理與維護(hù)管理、信息管理、決策支持于一體，可以更加有效地實(shí)現(xiàn)城市軌道交通節(jié)能增效、綜合智能化管理[1]。

在原綜合監(jiān)控系統(tǒng)上進(jìn)行簡(jiǎn)單硬件設(shè)備性能擴(kuò)充和設(shè)備的疊加難以滿(mǎn)足全線(xiàn)行車(chē)設(shè)備、信息管理決策于一體的綜合自動(dòng)化需求，須站在系統(tǒng)級(jí)的高度，綜合利用目前先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)，構(gòu)建新一代的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)[2～3]。

云計(jì)算和數(shù)據(jù)中心模式借鑒了傳統(tǒng)分布式計(jì)算的思想，系統(tǒng)的各專(zhuān)業(yè)機(jī)電監(jiān)控系統(tǒng)部署在統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)硬件和軟件平臺(tái)上，通過(guò)數(shù)據(jù)中心對(duì)不同系統(tǒng)間數(shù)據(jù)進(jìn)行充分挖掘與共享，針對(duì)不同的環(huán)境自動(dòng)優(yōu)化控制策略，最大限度地實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)一體化智能運(yùn)營(yíng)控制[4]。

因此，本文將研究城市軌道交通綜合自動(dòng)化系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心的架構(gòu)，并結(jié)合綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)，分析驗(yàn)證系統(tǒng)方案的可行性和有效性。

1　綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

城市軌道交通系統(tǒng)的各類(lèi)運(yùn)營(yíng)管理人員，如調(diào)度員、維修人員、值班人員通過(guò)連接了綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的任一臺(tái)計(jì)算機(jī)、工作站，甚至移動(dòng)終端即可登錄系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)操作。基于云的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)方案物理、邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

綜合自動(dòng)化系統(tǒng)將列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控（ATS）、無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)（RADIO）、電力監(jiān)控系統(tǒng)（PCADA）、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)（FAS）、環(huán)境及設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、屏蔽門(mén)系統(tǒng)（PSD）、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)（AFC）、門(mén)禁系統(tǒng)（ACS）、乘客信息系統(tǒng)（PIS）、廣播系統(tǒng)（PA）、視頻監(jiān)控監(jiān)視子系統(tǒng)（CCTV）以及綜合后備控制盤(pán)（IBP）等的中心級(jí)及車(chē)站級(jí)物理設(shè)備通過(guò)前置機(jī)（FEP）以及通信骨干網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接入并匯聚至控制中心，各類(lèi)業(yè)務(wù)邏輯應(yīng)用和接入子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都將在云計(jì)算中心進(jìn)行分析處理，各機(jī)電專(zhuān)業(yè)和行車(chē)及運(yùn)營(yíng)信息管理通過(guò)各用戶(hù)終端進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。

系統(tǒng)分為云數(shù)據(jù)中心、應(yīng)用邏輯、用戶(hù)界面3層。云數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)整個(gè)系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，提供具有可伸縮性、滿(mǎn)足應(yīng)用規(guī)模和性能需求的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)支撐平臺(tái)；應(yīng)用邏輯根據(jù)監(jiān)控應(yīng)用需求實(shí)現(xiàn)相關(guān)應(yīng)用層邏輯及應(yīng)用服務(wù)；用戶(hù)界面為監(jiān)控用戶(hù)提供應(yīng)用界面。綜合自動(dòng)化系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖1　綜合自動(dòng)化系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)

圖2　綜合自動(dòng)化系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

圖3　云數(shù)據(jù)中心體系架構(gòu)

因此，綜合自動(dòng)化中心不再單獨(dú)地為各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)單獨(dú)的中心設(shè)備和單獨(dú)的通信骨干網(wǎng)，而是由統(tǒng)一的綜合自動(dòng)化中心云計(jì)算系統(tǒng)和通信骨干網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)匯聚后的系統(tǒng)級(jí)數(shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和邏輯運(yùn)算。各個(gè)專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用軟件向云數(shù)據(jù)中心申請(qǐng)相應(yīng)的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源并進(jìn)行相應(yīng)的部署[5]。從而將原各自獨(dú)立的系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)模式轉(zhuǎn)移到專(zhuān)注于云計(jì)算環(huán)境下軟件開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)模式之上。

2　綜合自動(dòng)化系統(tǒng)云數(shù)據(jù)中心方案

云數(shù)據(jù)中心是系統(tǒng)的核心，針對(duì)城市軌道交通綜合自動(dòng)化應(yīng)用需求，研究設(shè)計(jì)具有可擴(kuò)展性及可伸縮性的數(shù)據(jù)中心的體系架構(gòu)。

針對(duì)來(lái)自不同的子專(zhuān)業(yè)應(yīng)用的需求，數(shù)據(jù)中心提供具有靈活擴(kuò)展能力的數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)能力，能夠應(yīng)對(duì)多種訪(fǎng)問(wèn)的需求，諸如從數(shù)據(jù)中心提取需要的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特定的加工，以及發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在的關(guān)聯(lián)，支持對(duì)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的高效分發(fā)；實(shí)時(shí)存儲(chǔ)所有車(chē)站所產(chǎn)生的海量過(guò)程數(shù)據(jù)，提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)查詢(xún)和信息監(jiān)控，并為進(jìn)一步的數(shù)據(jù)挖掘和分析提供數(shù)據(jù)支持。

云數(shù)據(jù)中心主要包括數(shù)據(jù)清洗與預(yù)處理單元、負(fù)載平衡系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務(wù)器集群系統(tǒng)等（圖3）。其中數(shù)據(jù)清洗與預(yù)處理單元將主要負(fù)責(zé)對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和進(jìn)一步的預(yù)處理，檢查和規(guī)范數(shù)據(jù)格式，排除異常數(shù)據(jù)。負(fù)載平衡系統(tǒng)將根據(jù)后臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器集群中各服務(wù)器資源的忙閑狀態(tài)、輸入數(shù)據(jù)流的狀態(tài)、其他系統(tǒng)狀態(tài)，優(yōu)化確定輸入數(shù)據(jù)流在各個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器的流量分配，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體資源的優(yōu)化利用和負(fù)載平衡[6～7]。數(shù)據(jù)服務(wù)器集群系統(tǒng)負(fù)責(zé)將輸入數(shù)據(jù)流快速正確地存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，并提供歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)、修改、增刪等數(shù)據(jù)庫(kù)功能。

3　綜合自動(dòng)化系統(tǒng)特性分析3.1　高度集成性

利用云計(jì)算平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的匯聚后，云數(shù)據(jù)中心通過(guò)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)所有子系統(tǒng)所產(chǎn)生的海量過(guò)程數(shù)據(jù)，提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)查詢(xún)和信息監(jiān)控和篩選預(yù)處理。從系統(tǒng)的底層向上層，數(shù)據(jù)價(jià)值逐漸增加。因而，從車(chē)站級(jí)中心向線(xiàn)路級(jí)中心傳遞的數(shù)據(jù)根據(jù)具體的應(yīng)用需求和應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^(guò)濾和聚集，提高網(wǎng)絡(luò)帶寬和上層數(shù)據(jù)中心資源的利用效率。

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)中心的數(shù)學(xué)建模與分析優(yōu)化之后確定數(shù)據(jù)清洗與預(yù)處理單元的參數(shù)配置和實(shí)現(xiàn)方式，并對(duì)負(fù)載平衡系統(tǒng)的調(diào)度策略分析優(yōu)化，并對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)器集群的數(shù)量、結(jié)構(gòu)和工作模式等參數(shù)設(shè)置和算法進(jìn)一步優(yōu)化。

由上所述，基于云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)從根本上解決原有綜合監(jiān)控系統(tǒng)偽集成的缺陷，通過(guò)統(tǒng)一的云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的高度集成，支持各相關(guān)子系統(tǒng)在各種普通和應(yīng)急情況下的業(yè)務(wù)邏輯的聯(lián)動(dòng)，并為進(jìn)一步的數(shù)據(jù)挖掘和分析提供數(shù)據(jù)支持，為智能的綜合運(yùn)營(yíng)管理提供了可能。

3.2系統(tǒng)的可用性和可靠性

傳統(tǒng)的城市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)一般通過(guò)雙機(jī)熱備的方式來(lái)提高系統(tǒng)的可用性和可靠性，使系統(tǒng)能在出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)地切換至另一臺(tái)服務(wù)器，保證系統(tǒng)持續(xù)不間斷工作。

在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，在每一級(jí)的系統(tǒng)，如中心服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、前置機(jī)、車(chē)站服務(wù)器等節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，2臺(tái)服務(wù)器同時(shí)運(yùn)行，但其中1臺(tái)熱備不輸出，雙機(jī)間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)的心跳和同步，如主機(jī)出現(xiàn)故障，通過(guò)雙機(jī)診斷機(jī)制，備機(jī)升級(jí)為主機(jī)，接替原主機(jī)進(jìn)行工作。而在基于云的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中卻不是通過(guò)上述的雙機(jī)熱備來(lái)保證系統(tǒng)的可用性，而是通過(guò)其自身數(shù)據(jù)中心備份和虛擬機(jī)遷移機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)遷移，靈活調(diào)度服務(wù)器集群的資源，提供冗余保護(hù)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)不中斷的服務(wù)器維護(hù)和業(yè)務(wù)升級(jí)。

圖4　云數(shù)據(jù)中心冗余切換

由圖4可以看出，與傳統(tǒng)的硬件至硬件的遷移不一樣，通過(guò)云數(shù)據(jù)中心虛擬機(jī)遷移技術(shù)能將虛擬機(jī)的資源連同虛擬機(jī)所運(yùn)行的應(yīng)用一并遷移到另外1臺(tái)虛擬機(jī)中，系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)、內(nèi)存數(shù)據(jù)通過(guò)共享存儲(chǔ)進(jìn)行遷移,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)縫切換，保證系統(tǒng)的可用性和可靠性。

3.3云架構(gòu)可擴(kuò)展性

與傳統(tǒng)的城市軌道交通系統(tǒng)中的各IT系統(tǒng)相比，云架構(gòu)方案也大大提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

在原有系統(tǒng)中，所開(kāi)發(fā)的程序和架構(gòu)皆依賴(lài)于固定的資源和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用程序運(yùn)行于固定的資源實(shí)體上。當(dāng)系統(tǒng)軟件升級(jí)或系統(tǒng)擴(kuò)容時(shí)，都面臨系統(tǒng)擴(kuò)展的難題：要么原有的硬件資源不能滿(mǎn)足擴(kuò)容的要求，導(dǎo)致系統(tǒng)的體系架構(gòu)重新設(shè)計(jì)，或者再采購(gòu)相應(yīng)規(guī)模的設(shè)備；要么在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)留相當(dāng)程度的系統(tǒng)裕量，從而導(dǎo)致初期出現(xiàn)大規(guī)模的系統(tǒng)資源的浪費(fèi)，從而導(dǎo)致無(wú)謂的投資和資源的閑置。

而采用云架構(gòu)方案之后，系統(tǒng)面臨擴(kuò)展時(shí)顯得相當(dāng)?shù)撵`活。由于系統(tǒng)中的各類(lèi)資源作為基礎(chǔ)設(shè)備由云平臺(tái)進(jìn)行整合，對(duì)應(yīng)用與資源直接進(jìn)行了解耦，應(yīng)用程序所需要的資源可伸縮地由云平臺(tái)進(jìn)行分配和釋放。

當(dāng)系統(tǒng)的總?cè)萘啃枰獢U(kuò)展時(shí)，只需對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行補(bǔ)充，增加計(jì)算資源服務(wù)器存儲(chǔ)空間，或增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)資源，擴(kuò)展后的資源將由云平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一的管理和再分配。不影響已經(jīng)設(shè)計(jì)好的應(yīng)用程序。

這種靈活的擴(kuò)展性在當(dāng)前城市軌道交通智能運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的應(yīng)用需求越來(lái)越多變、規(guī)模越來(lái)越大的形勢(shì)下，顯得尤為重要。

4　綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

云計(jì)算將海量數(shù)據(jù)在云數(shù)據(jù)中心進(jìn)行集中存放，對(duì)數(shù)據(jù)密集型計(jì)算應(yīng)用提供強(qiáng)有力的支持。目前許多數(shù)據(jù)密集型計(jì)算應(yīng)用需要在端到云之間進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的傳輸，需要將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)中心存儲(chǔ)和處理，并將處理后的數(shù)據(jù)分發(fā)到各地研究中心進(jìn)行下一步分析。面對(duì)至少需要450 Mbit/s的網(wǎng)絡(luò)帶寬（綜合監(jiān)控系統(tǒng)極限情況下的帶寬要求），端到云數(shù)據(jù)中心的海量數(shù)據(jù)傳輸將耗費(fèi)大量的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)[8]。由于網(wǎng)絡(luò)性?xún)r(jià)比的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展速度，目前傳輸主要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)直接放入云數(shù)據(jù)中心。為了支持更加高效快捷的端到云的海量數(shù)據(jù)傳輸，需要從基礎(chǔ)設(shè)施層入手研究下一代網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，改變網(wǎng)絡(luò)的組織方式和運(yùn)行模式，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

另外，由于軌道交通領(lǐng)域存在安全完整度等級(jí)的認(rèn)證要求，而國(guó)際安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)（EN50126，EN50128，EN50129）等標(biāo)準(zhǔn)皆在傳統(tǒng)的系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行評(píng)估。還未建立對(duì)云計(jì)算平臺(tái)的軌道交通體系結(jié)構(gòu)的評(píng)估實(shí)例，云平臺(tái)所支持的行車(chē)相關(guān)應(yīng)用如何獲得安全完整度等級(jí)（SIL）的評(píng)估認(rèn)可，將是基于云計(jì)算的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的一大挑戰(zhàn)。在本設(shè)計(jì)中將通過(guò)軟件的冗余和運(yùn)算比較方式解決SIL認(rèn)證的適應(yīng)性，以期獲得SIL的評(píng)估認(rèn)證。

5　總結(jié)

云計(jì)算作為一種新興的信息技術(shù)發(fā)展迅速，通過(guò)分析和總結(jié)該領(lǐng)域的應(yīng)用與研究成果，結(jié)合城市軌道交通智能運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)的具體應(yīng)用，提出了基于云計(jì)算的城市軌道交通綜合自動(dòng)化系統(tǒng)方案，討論并分析了此方案的集成性、可用性和可靠性、可擴(kuò)展性，較傳統(tǒng)的綜合監(jiān)控系統(tǒng)有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

結(jié)合當(dāng)前云計(jì)算的發(fā)展趨勢(shì)，其開(kāi)發(fā)部署工具越來(lái)越成熟，基于云計(jì)算的城市軌道交通綜合自動(dòng)化系統(tǒng)將是可行及有效的。在方案的實(shí)施過(guò)程中，重點(diǎn)關(guān)注SIL在云架構(gòu)方案中的具體實(shí)現(xiàn)，從而滿(mǎn)足國(guó)際安全認(rèn)證機(jī)構(gòu)對(duì)云計(jì)算技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的評(píng)估。

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責(zé)任編輯 冒一平

Study on Cloud Computing based Integrated Automation System Solution for Transit

Wang Jie, Li Yu, Wang Min

Abstract:Cloud computing is the integration of distributed computing, network technology and large-scale resource management technology development. Aiming at the requirements of transit highly integrated automation system and problems of integrated supervisory control system in the structure and performance, the paper puts forward the cloud computing system solution in the integrated automation system for transit through the analysis of cloud computing key technology and system architecture. From the aspects of system integration, availability and reliability, expansion capacity etc, the paper also makes analysis of the system characteristics of the solutions, description of the feasibility and effectiveness of the cloud computing based integrated automation system in transit.

Keywords:urban rail transit, integrated automation system, cloud computing, virtualization

收稿日期2014-11-15

中圖分類(lèi)號(hào)：U231.7∶TP3