■　蘇俊鋒　羅　茜

基于云計算的智能化軌道交通系統(tǒng)監(jiān)測與維護研究

■蘇俊鋒羅茜

通過對智能化軌道交通系統(tǒng)和云計算技術(shù)深入分析，提出一種基于云計算技術(shù)的智能化軌道交通系統(tǒng)監(jiān)測與維護方法。以虛擬化技術(shù)為基礎(chǔ)，將各子系統(tǒng)監(jiān)測采集到的海量數(shù)據(jù)通過分布式數(shù)據(jù)總線傳輸至云計算平臺，在云計算平臺上實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲、分析和挖掘，繼而使收集到的信息資源獲得全面的共享和整合。通過智能分析，第一時間予以反饋，給出預(yù)測評估，使之達(dá)到實時監(jiān)測與維護的目的。

智能化；軌道交通；云計算；監(jiān)測；維護

0　引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，科技水平的日益創(chuàng)新，軌道交通逐步朝著智能化方向飛速前進，其應(yīng)用領(lǐng)域從原來的器件與設(shè)備信息智能化擴展到海量信息智能化。在發(fā)布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》文件中，對于智能交通管理系統(tǒng)提出了“重點開發(fā)綜合交通運輸信息平臺和信息資源共享技術(shù)、智能技術(shù)”，智能化軌道交通建設(shè)將成為重中之重。

智能化軌道交通系統(tǒng)是一個龐大且復(fù)雜的體系，其中包含多個自動化子系統(tǒng)，如各子系統(tǒng)在運行過程中產(chǎn)生的海量信息無法及時有效處理，便會產(chǎn)生信息孤島［1-2］。各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分散丟失，無法對整個系統(tǒng)進行實時有效的監(jiān)控和維護，由此更可能導(dǎo)致嚴(yán)重的交通事故，甚至帶來人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失。云計算技術(shù)是一種以數(shù)據(jù)和處理能力為中心的密集型計算模式，其采用分布式的形式架構(gòu)，依托虛擬化平臺，內(nèi)部新增多個服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和存儲設(shè)備。綜合利用現(xiàn)有硬件資源，實現(xiàn)信息資源的相互共享和海量數(shù)據(jù)的整合，有效避免信息孤島問題，節(jié)省硬件存儲空間，有效提升大數(shù)據(jù)的存儲性能和計算的運行效率。通過流式計算和批處理計算等技術(shù)，實現(xiàn)對大數(shù)據(jù)的挖掘和實時處理，使軌道交通朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化監(jiān)管模式發(fā)展。

1　智能化軌道交通系統(tǒng)及技術(shù)

城市軌道交通包括地鐵、輕軌、有軌電車、磁懸浮列車等多種類型。而軌道交通智能化系統(tǒng)由6大自動化子系統(tǒng)組成，包括綜合監(jiān)控系統(tǒng)、綜合安防系統(tǒng)、乘客資訊系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和信號系統(tǒng)。

（1）綜合監(jiān)控系統(tǒng)。是以現(xiàn)代計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化技術(shù)和信息技術(shù)為基礎(chǔ)的大型計算機集成系統(tǒng)。主要通過集成系統(tǒng)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，并與其他子系統(tǒng)互聯(lián)，為城市軌道交通現(xiàn)代化運營管理提供信息化基礎(chǔ)。

（2）綜合安防系統(tǒng)。由安防網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、安防集成管理子系統(tǒng)、綜合電視監(jiān)視子系統(tǒng)、門禁子系統(tǒng)、電子圍墻系統(tǒng)及車站緊急報警子系統(tǒng)等構(gòu)成。安防系統(tǒng)集成既可作為一個獨立的系統(tǒng)集成項目，也可作為一個子系統(tǒng)包含在智能化軌道交通系統(tǒng)集成中，實現(xiàn)對車站、車輛段、停車場、主變電所的設(shè)備和管理用房、出入口、票務(wù)室、銀行等重點區(qū)域的出入管理、登記、實時視頻監(jiān)控和入侵探測等功能，有效保障地鐵運營安全。

（3）乘客資訊系統(tǒng)。是依托多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以計算機系統(tǒng)為核心，通過設(shè)置站廳、站臺、出入口、列車的顯示終端，讓乘客及時準(zhǔn)確了解列車運營信息和公共媒體信息的多媒體綜合信息系統(tǒng)。

（4）自動售檢票系統(tǒng)。簡稱AFC系統(tǒng)，采用全封閉的運行方式，實現(xiàn)軌道交通售檢票、計費、統(tǒng)計、清分、管理等全過程的自動處理。

（5）通信系統(tǒng)。一般由傳輸網(wǎng)絡(luò)、公務(wù)電話、專用電話、廣播、無線通信、時鐘、電源及接地等子系統(tǒng)組成，構(gòu)成傳送語音、數(shù)據(jù)和圖像等各種信息的綜合業(yè)務(wù)通信網(wǎng)。

（6）信號系統(tǒng)。包括4個子系統(tǒng)：列車自動監(jiān)控系統(tǒng)、列車自動防護系統(tǒng)、列車自動運行系統(tǒng)、計算機連鎖系統(tǒng)。各子系統(tǒng)通過信息交換網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)行車指揮和列車運行的自動化控制。

2　云計算技術(shù)

云計算（Cloud Computing）是21世紀(jì)計算機技術(shù)發(fā)展推動下又一大重要進步，是一種基于因特網(wǎng)的超級計算模式。通過使用大量的分布式計算機，在遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)中心成千上萬臺電腦和服務(wù)器連接成一片電腦云?！霸啤敝械馁Y源是可以無限擴展的，并且可以隨時獲取，按需使用，隨時擴展，按使用付費。云計算技術(shù)具有4個顯著特點：超大規(guī)模、高可靠性、通用性、成本低，并實現(xiàn)按需服務(wù)。

云計算常與網(wǎng)格計算、效用計算、自主計算相混淆。事實上，許多云計算部署依賴于計算機集群（但與網(wǎng)格的組成、體系結(jié)構(gòu)、目的、工作方式大相徑庭），也吸收了自主計算和效用計算的特點。從技術(shù)上看，大數(shù)據(jù)與云計算的關(guān)系就像一枚硬幣的正反面一樣密不可分。大數(shù)據(jù)必然無法用單臺的計算機進行處理，必須采用分布式計算架構(gòu)。它的特色在于對海量數(shù)據(jù)的挖掘，但必須依托云計算的分布式處理、分布式數(shù)據(jù)庫、云存儲和虛擬化技術(shù)。

云計算可以認(rèn)為包括以下幾個層次的服務(wù)：基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）、軟件即服務(wù)（SaaS）和平臺即服務(wù)（PaaS）。這三種服務(wù)并不是獨立的，其中存在密不可分的層次關(guān)系。

基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)：IaaS（Infrastructure-as-a-Service），消費者通過Internet可以從完善的計算機基礎(chǔ)設(shè)施獲得服務(wù)。云存儲與虛擬機平臺運行的程序同時進行，提高了云計算資源管理的效率，動態(tài)的為用戶提供了及時的服務(wù)（如硬件服務(wù)器租用）。

軟件即服務(wù)：SaaS（Software-as-a-Service），這種類型的云計算是通過瀏覽器把程序傳給成千上萬的用戶。用戶無需購買軟件，而是向提供商租用基于Web的軟件，來管理企業(yè)經(jīng)營活動（如Google Apps）。

平臺即服務(wù)：PaaS（Platform-as-a-Service），這種形式的云計算把開發(fā)環(huán)境作為一種服務(wù)來提供給用戶，因此，PaaS也是SaaS模式的一種應(yīng)用。廠商提供開發(fā)環(huán)境、服務(wù)器平臺、硬件資源等服務(wù)給用戶，用戶在其平臺上開發(fā)自己的應(yīng)用程序并通過其服務(wù)器和互聯(lián)網(wǎng)傳遞給其他用戶。

云計算是分布式處理、并行處理和網(wǎng)格計算的發(fā)展，或者說是這些計算機科學(xué)概念的商業(yè)實現(xiàn)［3-5］。其基本原理是：在典型的云計算模式中，用戶通過終端接入網(wǎng)絡(luò)，向“云”提出需求；“云”接受請求后組織資源，通過網(wǎng)絡(luò)為終端提供服務(wù)。用戶終端的功能可以大大簡化，諸多復(fù)雜的計算與處理過程都將轉(zhuǎn)移到終端背后的“云”上去完成。用戶所需的應(yīng)用程序并不需要運行在用戶的個人電腦、手機等終端設(shè)備上，而是運行在互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模服務(wù)器集群中；用戶所處理的數(shù)據(jù)也無需存儲在本地，而是保存在互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)中心里。提供云計算服務(wù)的第三方負(fù)責(zé)這些數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器正常運轉(zhuǎn)的管理和維護，并保證為用戶提供足夠強的計算能力和足夠大的存儲空間。在任何時間和任何地點，用戶只要能夠連接至互聯(lián)網(wǎng)，就可以訪問云，實現(xiàn)隨需隨用。

3　基于云計算的智能化軌道交通系統(tǒng)

智能化軌道交通系統(tǒng)作為一個龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)［6］，6個子系統(tǒng)中每個子系統(tǒng)又存在諸多的傳感器與信號采集終端，各子系統(tǒng)在運行中所產(chǎn)生的海量信息包含大量數(shù)據(jù)，如何對這些海量數(shù)據(jù)進行存儲、分析和挖掘是一大難題。因此，通過對智能化軌道交通系統(tǒng)和云計算技術(shù)的研究，提出基于云計算技術(shù)的智能化軌道交通系統(tǒng)監(jiān)測與維護方法，以虛擬化技術(shù)為基礎(chǔ)，將各系統(tǒng)監(jiān)測采集到的海量數(shù)據(jù)通過分布式數(shù)據(jù)總線傳輸至云計算平臺，在云計算平臺上實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲、分析和挖掘，繼而使信息資源可以獲得全面的共享和整合，分析后第一時間予以反饋，給出預(yù)測評估，使其達(dá)到實時監(jiān)測與維護的目的。

基于云計算的智能化軌道交通系統(tǒng)架構(gòu)分為3層（見圖1）。

第一層為設(shè)備層。設(shè)備層通過傳感器和信號采集終端對各子系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)進行采集，考慮到采集的數(shù)據(jù)存在干擾和噪聲，先對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸（如以太網(wǎng)、GPRS/CDMA等）傳輸給下一層。

第二層為云計算平臺層。作為智能化軌道交通系統(tǒng)的平臺支撐，云計算平臺層起到承下啟上的作用，接收設(shè)備層采集到的海量數(shù)據(jù)進行整合分析，并為上層提供計算、存儲資源和大數(shù)據(jù)挖掘能力支持。

傳統(tǒng)軌道交通系統(tǒng)平臺需在中央級、車站及車輛段設(shè)置多臺不同服務(wù)器來完成數(shù)據(jù)的采集，控制信號的上傳下達(dá)，實現(xiàn)對各子系統(tǒng)中全線路各種狀態(tài)的監(jiān)控和故障情況的處理，這就使得設(shè)備投資費用很高，且很多設(shè)備長時間處于空閑狀態(tài)，造成資源的浪費。且由于設(shè)備眾多，也使得設(shè)備維修成本和人工成本增加，云計算平臺的使用就使得這個問題大大簡化。

云計算平臺采用虛擬化技術(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)所需要運行的應(yīng)用程序并不需要運行在各車站的服務(wù)器終端上，而是運行在“云”平臺的大規(guī)模服務(wù)器集群中。各子系統(tǒng)所采集的海量數(shù)據(jù)也無需存儲在本地，而是保存在“云”平臺的數(shù)據(jù)中心里。大數(shù)據(jù)挖掘分析可通過流式處理和批處理技術(shù)等，對應(yīng)用層提供技術(shù)支持，將第一層傳來的數(shù)據(jù)進行綜合處理和分析，得到設(shè)備的狀態(tài)情況并將結(jié)果傳向下一層。

第三層為應(yīng)用層。接收第二層云計算平臺層傳輸過來的設(shè)備狀態(tài)情況，及時作出反饋，給出預(yù)測評估，實現(xiàn)對設(shè)備層各子系統(tǒng)設(shè)備運行狀況的實時監(jiān)控。

圖1　基于云計算的智能化軌道交通系統(tǒng)架構(gòu)

4　結(jié)束語

日益嚴(yán)峻的交通問題使城市化進程面臨巨大的壓力和棘手的難題，因此，大力推進軌道交通系統(tǒng)建設(shè)任務(wù)刻不容緩。截至目前，我國共有38座城市擁有185條線路，運營總里程達(dá)4 073 km。從我國城市軌道交通行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀來看，近五六年我國城市軌道交通保持快速發(fā)展勢頭，若能將先進的技術(shù)運用到軌道交通系統(tǒng)建設(shè)中，必能節(jié)省大量的建設(shè)成本，避免資源的浪費。云計算是對IT商業(yè)模式的革命，是繼水、電、氣和通信之后的第五個公用平臺，作為新型的計算機模式，將其應(yīng)用到軌道交通中，為其提供強有力的信息技術(shù)支持，必將引領(lǐng)軌道交通系統(tǒng)朝著智能化、信息化方向發(fā)展。

［1］ 張巍，湯立.我國鐵路云計算技術(shù)發(fā)展策略的思考［J］. 中國鐵路，2012（10）：13-16.

［2］ 魏曉東.城市軌道交通自動化系統(tǒng)與技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［3］ 楊迎卯.云計算對軌道交通的影響［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2015（3）：115-116.

［4］ 劉陽學(xué)，王萬齊，李平，等.基于云計算的鐵路工程管理平臺數(shù)據(jù)安全研究［J］.鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2015（6）：51-55.

［5］ 姚宏宇.基于云計算架構(gòu)的交通智能化信息平臺［J］. 信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2014（10）：20-23.

［6］ 周光軍.基于云計算技術(shù)的城市軌道交通信息系統(tǒng)統(tǒng)一開發(fā)測試平臺應(yīng)用架構(gòu)淺析［J］. 信息安全與技術(shù)，2015（1）：43-47.

蘇俊鋒：深圳達(dá)實智能股份有限公司，高級工程師，廣東 深圳，518057

羅茜：湖南大學(xué)，碩士研究生，湖南 長沙，410082

責(zé)任編輯李葳

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1672-061X（2016）04-0071-03