王 皓，楊承東

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城市軌道交通融合云平臺(tái)探討

王 皓，楊承東

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

針對(duì)現(xiàn)有條件下城市軌道交通系統(tǒng)存在的信息孤島、設(shè)備分散、網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)、安全管控弱、運(yùn)維體系失調(diào)等問題，結(jié)合云計(jì)算在城軌行業(yè)應(yīng)用的政治環(huán)境、政府響應(yīng)、技術(shù)環(huán)境、現(xiàn)象后的本質(zhì)、內(nèi)部推動(dòng)力等方面，提出城市軌道交通融合云平臺(tái)的方案。該方案基于線網(wǎng)化IT資源建設(shè)，為ISCS、ACC、CCTV、PIS等業(yè)務(wù)提供基于IaaS層服務(wù)，并伴有車站降級(jí)運(yùn)行和異地?zé)徇w移等策略，提高了系統(tǒng)的可靠性和可用性，解決了IT基礎(chǔ)設(shè)施統(tǒng)一化、線網(wǎng)化的相關(guān)問題。論述主要業(yè)務(wù)系統(tǒng)的部署要點(diǎn)和建議，如綜合監(jiān)控系統(tǒng)的主備切換、AFC的扁平化層級(jí)、CCTV的帶寬計(jì)算、PIS系統(tǒng)軟件的可移植性等方面。

城市軌道交通；融合云；數(shù)據(jù)中心；軟件定義；虛擬化

1 現(xiàn)狀發(fā)展與云計(jì)算基本概念

1.1 現(xiàn)狀發(fā)展

目前我國(guó)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)逐步走向網(wǎng)絡(luò)化、集中化、智慧化。目前城軌信息系統(tǒng)建設(shè)的現(xiàn)狀是：信息孤島嚴(yán)重，基礎(chǔ)設(shè)施分散，網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)，安全管控偏弱，運(yùn)維體系失衡，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范缺建，統(tǒng)籌乏力[1]。各車站獨(dú)立部署服務(wù)器處理本站數(shù)據(jù)，獨(dú)立存儲(chǔ)。各車站、各子系統(tǒng)獨(dú)立部署，設(shè)備多且雜。車站間信息不共享，應(yīng)急響應(yīng)慢。

信息系統(tǒng)建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)是：各子系統(tǒng)間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)管理和集中共享；各子系統(tǒng)深度集成，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)間快速聯(lián)動(dòng)；計(jì)算、儲(chǔ)存、網(wǎng)絡(luò)可看作一種線網(wǎng)化資源。因此建設(shè)融合云平臺(tái)數(shù)據(jù)中心，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)、集中分析，為線網(wǎng)中心、線路中心、車站提供統(tǒng)一的服務(wù)是必然的發(fā)展趨勢(shì)。

1.2 云計(jì)算基本概念

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）對(duì)云計(jì)算的定義如下：云計(jì)算是一種可以普適、方便、按需地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問可配置的共享計(jì)算資源（如網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲(chǔ)、應(yīng)用和服務(wù)）池的模式，計(jì)算資源可以在最少的管理開銷和服務(wù)提供商干預(yù)下快速提供和釋放[2]。

基于以上理解，云計(jì)算技術(shù)有以下解讀：1）云計(jì)算不僅是互聯(lián)網(wǎng)概念，專網(wǎng)也可采用，可自建私有云。2）所有的帶寬、存儲(chǔ)空間、計(jì)算能力都是一種資源，可根據(jù)功能需求靈活調(diào)配。3）技術(shù)發(fā)展到一定程度才可實(shí)現(xiàn)，重要物理硬件設(shè)備突破瓶頸：如虛擬化技術(shù)、計(jì)算機(jī)多核技術(shù)、多維存儲(chǔ)、大帶寬、分布式處理。4）需求一定的系統(tǒng)，在系統(tǒng)安全性、可靠性、可用性提高且成本更低的情況下也可使用云計(jì)算技術(shù)[3]。

2 城市軌道交通使用云計(jì)算的環(huán)境

云計(jì)算技術(shù)在軌道交通的運(yùn)用中尚且為較新的技術(shù)。有些項(xiàng)目處于摸索階段，但已具備了一定的云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用環(huán)境。

2.1 云計(jì)算政治環(huán)境

由于國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人對(duì)云計(jì)算和大數(shù)據(jù)的重視，各地方政府已經(jīng)在著手建立本地的云計(jì)算資源和產(chǎn)業(yè)。國(guó)發(fā)〔2015〕50號(hào)《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)促進(jìn)大數(shù)據(jù)發(fā)展行動(dòng)綱要的通知》[4]、發(fā)改基礎(chǔ)〔2016〕1681號(hào)關(guān)于印發(fā)《推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”便捷交通促進(jìn)智能交通發(fā)展的實(shí)施方案》的通知等文件對(duì)交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)使用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)做出了明確的指導(dǎo)精神[5]。

2.2 地方政府及行業(yè)對(duì)云計(jì)算的響應(yīng)

部分地方政府要求除公安、安全等部門以及涉密和信息安全等級(jí)保護(hù)四級(jí)（含）以上信息系統(tǒng)外，按照“上云為常態(tài)、不上云為例外”原則，各部門現(xiàn)有信息系統(tǒng)應(yīng)逐步遷移上云，停止服務(wù)器、存儲(chǔ)等相關(guān)軟硬件采購(gòu)[6]。此外國(guó)家倡導(dǎo)的城軌PPP建設(shè)模式，提倡精細(xì)化的資源建設(shè)，需要適當(dāng)維護(hù)社會(huì)投資人的利益，社會(huì)投資人可能會(huì)自建或租用資源池。鋼鐵、電網(wǎng)、水利、交通等重資產(chǎn)行業(yè)及企業(yè)已經(jīng)階段性完成了云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，積累了很多的經(jīng)驗(yàn)和心得。中國(guó)鐵路總公司在中國(guó)鐵路客戶服務(wù)中心12306的建設(shè)中與阿里云合作，得到了豐富的數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，用戶體驗(yàn)較好。

2.3 云計(jì)算在軌道交通行業(yè)的背景

于2018年1月1日實(shí)施的GB 50174—2017的名稱從2008年版的《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》改為《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]，數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算具有很大的相關(guān)性，軌道交通建立企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)中心將不得不面對(duì)云技術(shù)。

新修訂的《城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（2016版）中：“云計(jì)算解決方案宜包含“綜合監(jiān)控系統(tǒng)OCC云計(jì)算中心”和“綜合監(jiān)控系統(tǒng)車站級(jí)云計(jì)算工作站”兩大部分。明確提出“綜合監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成方案可以選擇采用云平臺(tái)方案”。

軌道交通行業(yè)內(nèi)的一些單位也對(duì)云計(jì)算進(jìn)行了科研、測(cè)試、應(yīng)用等大量工作，并取得了一定的成果。相關(guān)單位對(duì)云計(jì)算技術(shù)表示了濃厚興趣。云計(jì)算技術(shù)已在工程中應(yīng)用到溫州市域鐵路S1線綜合監(jiān)控、ACC項(xiàng)目中，預(yù)計(jì)2018年開通。北京地鐵正在著手建設(shè)CCTV的網(wǎng)絡(luò)化云存儲(chǔ)中心，深圳地鐵10號(hào)線工程中也計(jì)劃采用云技術(shù)。其他應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)項(xiàng)目均在積極推動(dòng)中[8]。

2.4 現(xiàn)象后的本質(zhì)

傳統(tǒng)軌道交通由于項(xiàng)目報(bào)批、建設(shè)模式的關(guān)系，服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)等硬件資源沒有從根本上定位為線網(wǎng)性資源。系統(tǒng)建設(shè)頂層設(shè)計(jì)規(guī)劃不夠，總寄希望于“增量”建設(shè)解決“存量”問題。

車站級(jí)服務(wù)器占總服務(wù)器數(shù)量的90%以上，但CPU利用率較低，部分占用率低于5%。冗余系統(tǒng)服務(wù)器等關(guān)鍵設(shè)備均采用1+1備份方式，導(dǎo)致CPU資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。另外個(gè)別設(shè)備CPU負(fù)載率較高。傳統(tǒng)硬件架構(gòu)，不具備性能動(dòng)態(tài)調(diào)整功能。調(diào)整資源分配需要停運(yùn)，或進(jìn)行壓力巨大的倒切。

單個(gè)CPU計(jì)算能力隨著技術(shù)的進(jìn)步越來(lái)越強(qiáng)，需求變化不大的系統(tǒng)將面臨更高的CPU資源浪費(fèi)。

城軌網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)運(yùn)營(yíng)理念被不斷呼吁強(qiáng)調(diào)，由于各系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置服務(wù)器和存儲(chǔ)等設(shè)備，為運(yùn)營(yíng)、維護(hù)和管理帶來(lái)了諸多不便。運(yùn)營(yíng)后的增量建設(shè)實(shí)施條件難度大，維護(hù)成本高。軌道交通的基礎(chǔ)設(shè)施不僅僅是車站、隧道、橋梁，云計(jì)算資源也可看作軌道交通信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施資源。

2.5 城軌云計(jì)算的推動(dòng)力

分階段分步驟實(shí)現(xiàn)相關(guān)系統(tǒng)的硬件、軟件云部署方案，可實(shí)現(xiàn)以下功能：資源的統(tǒng)一管理和維護(hù)，降低工程實(shí)施、調(diào)試和更新的工作量和風(fēng)險(xiǎn)度。提高服務(wù)器硬件資源的利用率。在進(jìn)行分段開通、延伸線接入、拆解等工程時(shí)，減少對(duì)已運(yùn)營(yíng)線路的影響。促使服務(wù)器硬件由雙機(jī)冗余向并行分布式集群模式轉(zhuǎn)變，提升系統(tǒng)的可用度。便于新功能、新應(yīng)用的擴(kuò)展?？筛鶕?jù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行硬件資源匹配，例如：實(shí)時(shí)性高的業(yè)務(wù)配置高性能的CPU，容量要求高的業(yè)務(wù)配置大容量的存儲(chǔ)，交互要求高的業(yè)務(wù)配置高性能的IO[9]。

基于以上的基礎(chǔ)，可以構(gòu)建城軌的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，在同等造價(jià)下，數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)3～5年，規(guī)模越大成本越便宜。云存儲(chǔ)平臺(tái)基于分布式存儲(chǔ)，可橫向擴(kuò)展，逐漸演變成線網(wǎng)級(jí)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，為將來(lái)大數(shù)據(jù)分析提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

3 城軌融合云平臺(tái)架構(gòu)及業(yè)務(wù)部署

3.1 融合云平臺(tái)架構(gòu)

根據(jù)以上的分析和特征，可構(gòu)建城軌融合業(yè)務(wù)云平臺(tái)及企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)中心，線網(wǎng)化承載ACC/AFC/ISCS/ CCTV/PIS等業(yè)務(wù)，宜采用私有云。功能為：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、線路運(yùn)營(yíng)監(jiān)控、直接從事生產(chǎn)，需求貼近實(shí)時(shí)工業(yè)控制系統(tǒng)。推薦采用IaaS服務(wù)模式，詳見圖1。

圖1 城軌融合云平臺(tái)架構(gòu)

控制中心部署冗余系統(tǒng)主用服務(wù)器、非冗余系統(tǒng)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)化CCTV云存儲(chǔ)中心。在車輛段或第二控制中心，部署冗余系統(tǒng)備用服務(wù)器和異地災(zāi)備熱遷移資源車站配置云桌面終端，具有嚴(yán)格的訪問控制，更加安全。云平臺(tái)總體邏輯架構(gòu)主要由車站及車輛段的數(shù)據(jù)采集、接入，骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施、云服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)、展示等各層組成。系統(tǒng)基于開源的OpenStack架構(gòu)。具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）云化部署，縮短上線周期。以典型車站資源作為模板（包括CPU、內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡(luò)等資源訴求），完成業(yè)務(wù)部署?；谝延袠I(yè)務(wù)模板，采用克隆復(fù)制技術(shù)，半小時(shí)內(nèi)完成所有車站業(yè)務(wù)部署。

2）資源動(dòng)態(tài)擴(kuò)容，按需分配。針對(duì)業(yè)務(wù)量大，資源要求較多的車站，可動(dòng)態(tài)調(diào)整CPU、內(nèi)存、硬盤等資源，保證業(yè)務(wù)連續(xù)不中斷；資源平均利用率可由傳統(tǒng)方案30%的約束提升到60%以上，實(shí)現(xiàn)充分利用資源。

3）資源實(shí)時(shí)監(jiān)控，簡(jiǎn)化運(yùn)維。實(shí)時(shí)監(jiān)控虛擬機(jī)、物理機(jī)的CPU、內(nèi)存以及磁盤等資源使用情況；資源過(guò)載時(shí)，及時(shí)增加資源分配，保證業(yè)務(wù)正常運(yùn)行；通過(guò)可視化管理平臺(tái)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并高效處理。

4）超融合云平臺(tái)，性能卓越。采用計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)超融合云平臺(tái)，傳統(tǒng)需要十幾個(gè)機(jī)柜，現(xiàn)在只需2～3個(gè)機(jī)柜，空間節(jié)省75%以上，能耗減少35%以上。

3.2 業(yè)務(wù)系統(tǒng)具體部署

綜合監(jiān)控系統(tǒng)在控制中心數(shù)據(jù)中心搭建主用服務(wù)器群組，在車輛段DCC數(shù)據(jù)中心搭建備機(jī)及熱遷移災(zāi)備群組，兩套群組構(gòu)成一片云計(jì)算資源池，互為冗余。車站取消物理服務(wù)器，車站實(shí)時(shí)服務(wù)器通過(guò)云的虛擬化部署在數(shù)據(jù)中心主、備服務(wù)器群中通過(guò)軟件云部署，所有服務(wù)均可提供1︰2或者1︰N的冗余，可靠性不降低[10]。虛擬機(jī)服務(wù)器優(yōu)先進(jìn)行主備切換，備機(jī)切換后，原來(lái)主虛擬機(jī)進(jìn)行熱遷移鏡像加載，恢復(fù)原主虛擬機(jī)數(shù)據(jù)處理能力，詳見圖2。

AFC可以將線路中央級(jí)設(shè)備及車站服務(wù)器進(jìn)一步整合，通過(guò)云計(jì)算技術(shù)，統(tǒng)一虛擬化部署在數(shù)據(jù)中心上，該中心將對(duì)整個(gè)AFC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算。各車站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備將可直掛ACC系統(tǒng)。

CCTV集中云化部署對(duì)骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬要求非常大，按照每車站200路，每路4 Mb/s碼流計(jì)算，一條20個(gè)車站的典型線路帶寬需要近16 Gb/s的有效帶寬。OCC集中云化部署后，前端攝像機(jī)的操作都是由云平臺(tái)提供。因此云端指令控制能否實(shí)時(shí)在前端攝像機(jī)上生效，完全取決于中間網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。一旦骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)故障，視頻數(shù)據(jù)無(wú)法上傳云平臺(tái)統(tǒng)一存儲(chǔ)，是否有可靠的本地后備方案。

PIS文本編輯，管理軟件需要PIS供貨商在云計(jì)算平臺(tái)環(huán)境下進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，確保良好的可移植性。

通過(guò)融合云平臺(tái)物理安全、數(shù)據(jù)安全、基礎(chǔ)環(huán)境安全、云平臺(tái)安全、應(yīng)用安全、網(wǎng)絡(luò)安全。使融合業(yè)務(wù)云平臺(tái)和相關(guān)業(yè)務(wù)自上而下，達(dá)到信息安全2～3級(jí)等級(jí)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 綜合監(jiān)控系統(tǒng)云平臺(tái)業(yè)務(wù)部署

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，云計(jì)算技術(shù)作為現(xiàn)代智慧城市軌道交通的一種新技術(shù)，可有效解決現(xiàn)有系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)維、業(yè)務(wù)升級(jí)的一些問題。構(gòu)建融合云平臺(tái)和軌道交通數(shù)據(jù)中心可實(shí)現(xiàn)全面數(shù)據(jù)分析，支持運(yùn)營(yíng)決策，實(shí)時(shí)智能控制，支撐全自動(dòng)運(yùn)行。融合業(yè)務(wù)云及數(shù)據(jù)中心為軌道交通構(gòu)建的智能化平臺(tái)，其完整的數(shù)據(jù)信息將為城市軌道交通智能化發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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[3] 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司. 金華—義烏—東陽(yáng)市域軌道交通初步設(shè)計(jì)文件[A]. 武漢, 2017.

[4] 國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)促進(jìn)大數(shù)據(jù)發(fā)展行動(dòng)綱要的通知: 國(guó) 發(fā)〔2015〕50號(hào)[EB/OL]. (2015-09-06)[2018-01-20]. http:// www.miit.gov.cn/n1146290/n1146392/c3882451/content.html.

[5] 國(guó)家發(fā)展改革委, 交通運(yùn)輸部關(guān)于印發(fā)《推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”便捷交通促進(jìn)智能交通發(fā)展的實(shí)施方案》的通知附件: 發(fā)改基礎(chǔ)〔2016〕1681號(hào)[EB/OL]. (2016-07-30)[2018-01- 20]http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201608/t20160805_ 814065.html.

[6] 關(guān)于印發(fā)《北京市市級(jí)政務(wù)云管理辦法(試行)》的通知: 京經(jīng)信委函〔2016〕4號(hào)[EB/OL]. (2017-04-08)[2018- 01-20]. https://www.sohu.com/a/132790370_465914.

[7] 數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范: GB 50174―2017[S]. 北京: 中國(guó)計(jì)劃出版社, 2017. Code for Design of Data Centers: GB 50174―2017 [S]. Beijing: China Planning Press, 2017.

[8] 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司. 溫州市域鐵路S1線一期工程綜合監(jiān)控系統(tǒng)用戶需求書[A]. 溫州, 2016: 85-97.

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（編輯：曹雪明）

Research on Fusion Cloud Platform of Urban Transit

WANG Hao, YANG Chengdong

(China Railway Siyuan Survey and Desing Group Co., Ltd., Wuhan 430063)

This paper discusses problems such as islands information, scattered equipment, waste of network resources, weak security control, and the dissonance of operation and maintenance systems. An urban rail information platform is proposed based on cloud computing for the urban rail industry in terms of political environment, government response, technology environment, IT infrastructure construction for urban rail transit, internal driving force, etc. The scheme is based on line subnetted IT resource construction. The ISCS, ACC, CCTV, PIS, and other business providing services based on IaaS layers are accompanied by the station, degraded operation, different heat transfer strategies, and improvement in the reliability and availability of the system. The proposed platform solves the problem of unifying the IT infrastructure and network. The key points and suggestions of the main business system are discussed, such as the main standby switch of the integrated monitoring system, the flat level of AFC, the bandwidth calculation of CCTV, and the portability of PIS system software.

urban transit; fusion cloud platform; software-defined; virtualization

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.05.010

U231

A

1672-6073(2018)05-0050-04

2017-12-22

2018-01-29

王皓，男，高級(jí)工程師，從事軌道交通弱電系統(tǒng)及數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)，49739020@qq.com

中國(guó)鐵建科研股份公司科研項(xiàng)目（KYLX2017476）