劉芽 劉占英, 麻永華 張振義 楚?研

摘 要：基于云計算技術的城市軌道交通信息化平臺（以下簡稱“城市軌道交通云平臺”）是云計算技術在城市軌道交通信息化發(fā)展過程中創(chuàng)新融合的成果。通過對云計算基礎架構、計算資源架構、網絡劃分、安全策略確定、服務模式選擇等內容的研究，介紹呼和浩特市城市軌道交通云平臺系統(tǒng)架構的整體解決方案，并對城市軌道交通云平臺的發(fā)展趨勢進行展望，如與 AI 技術、BIM 技術結合，向 PaaS、SaaS 服務模式發(fā)展以及未來對于數據更綜合的應用。

關鍵詞：城市軌道交通;云平臺;系統(tǒng)架構;發(fā)展趨勢

中圖分類號：F530.7

0 引言

近年來隨著城市圈的發(fā)展，全國各地都在加快推進城市軌道交通建設?？s短城市軌道交通建設周期、提升運營效率、簡化運維管理的需求越來越突出，因此對城市軌道交通信息化也提出了更高效、更節(jié)能的要求。而當前城市軌道交通信息化應用的各系統(tǒng)之間相互獨立，即采用物理隔離方式建設，造成各系統(tǒng)之間數據不能充分共享。打破各系統(tǒng)之間的“數據孤島”，構建信息交互更加頻繁、實時性更高、可共享的城市軌道交通信息化平臺成為必然趨勢。而新興的云計算技術可實現信息化資源的動態(tài)分配，提高資源利用率，而且其安全性與穩(wěn)定性已得到實踐證明及廣泛認可。因此，城市軌道交通云平臺應運而生。

1 城市軌道交通云平臺發(fā)展情況

目前國內各城市已針對城市軌道交通云平臺的技術應用展開深入研究，主要從以下2個方面展開探索。

（1）考慮到安全因素及既有線路改造的困難，在新建線路中針對部分業(yè)務系統(tǒng)，在不改變系統(tǒng)原有架構的基礎上或者在進行微小改動后使用云化部署方案。此方案可解決單系統(tǒng)的資源彈性擴展與動態(tài)部署問題，但是不能實現跨系統(tǒng)資源動態(tài)調配。

（2）充分利用新建城市的后發(fā)優(yōu)勢，在建設之初就搭建基于車站和線網中心2級架構的線網級融合云平臺，并且對傳統(tǒng)模式下的城市軌道交通生產業(yè)務系統(tǒng)3級架構（車站、線路中心、線網中心）進行優(yōu)化升級，統(tǒng)一云化部署，使后續(xù)新線可直接接入線網中心云平臺，而且云平臺可根據城市軌道交通業(yè)務系統(tǒng)安全等級、生產調度響應及時性等要求配置不同的資源池。代表城市有呼和浩特市。

呼和浩特市于2015年取得中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會一期工程建設規(guī)劃批復。2016年4月，工程正式開工。2016年底，呼和浩特市城市軌道交通建設管理有限責任公司正式提出城市軌道交通云平臺方案，并組織30余個業(yè)務系統(tǒng)供應商開展城市軌道交通云平臺技術方案研究和測試，并通過國家工程實驗室發(fā)布了《城軌云運營生產系統(tǒng)測試報告》。此外，該公司還聯(lián)合中國鐵路設計集團有限公司共同申報了呼和浩特市2018年重大科技專項，獲得立項支持;經過2年多的研究，探索出一條“方案研究—科研測試—驗證測試—工程實施”的可行之路，目前已完成驗證測試、采購招標等，正在工程實施階段。

2 城市軌道交通云平臺系統(tǒng)架構

城市軌道交通云平臺是指通過綜合運用虛擬化、數據存儲與管理、資源管理調度、分布式編程與計算、大數據挖掘以及安全技術等新興信息技術，存儲和加工端口資源池、存儲池、計算池所包含的信息，為城市軌道交通系統(tǒng)提供安全、可靠、相對開放的云平臺，通過云計算技術實現對系統(tǒng)內所有資源的統(tǒng)一呈現、統(tǒng)一運營和統(tǒng)一管理。

2.1 基礎架構

城市軌道交通云平臺基礎架構由感知層、網絡層、數據層、應用層、用戶層構成。

（1）感知層。主要功能是信息采集。由信號控制、卡口、視頻監(jiān)控、安防、票務系統(tǒng)等智能終端構成端口資源池，按照一定的采集周期和協(xié)議標準，定時向數據層傳輸數據。

（2）網絡層。主要功能是信息傳輸，及時將采集的信息和控制信息上下傳達。

（3）數據層。主要功能是信息融合，對交通流、視頻、交通管理、乘客信息、控制信息等各種不同來源的海量數據進行存儲、計算、查詢、清洗、安全管理等。

（4）應用層。主要功能是信息處理。以數據層的數據庫及其計算為基礎，通過實時在線的數據融合模型、數據分析模型挖掘各種深層次的指揮調度管理、決策分析、出行輔助、設備管理、站場管理等信息，以支持各種智慧應用。

（5）用戶層。主要功能是通過人機交互等方式將信息展示出來，為用戶進行智能決策提供依據。

2.2 計算資源架構

城市軌道交通云平臺的計算資源架構由中心云平臺、站段云節(jié)點構成，同時根據應用系統(tǒng)的災備需求建設災備中心，其系統(tǒng)構成如圖1所示。災備中心一般有數據級和應用級災備2個系統(tǒng)，可根據不同業(yè)務的特點及需要，選擇不同的災備方式。呼和浩特市根據工程實施的實際情況，設置了數據級災備中心，在緊急情況下可啟動車站云節(jié)點，進入應急處置模式。此外，內蒙古是國家大數據綜合試驗基地（基礎設施類），為了充分發(fā)揮當地豐富的公有云資源，呼和浩特市適時地將視頻系統(tǒng)部署在移動公有云上，可大大降低城市軌道交通工程建設成本，預計可節(jié)約投資額3000萬元。

2.3 網絡劃分及應用

根據各類業(yè)務應用系統(tǒng)的功能定位和應用、管理需求，云平臺網絡劃分為安全生產網、內部管理網、外部服務網，如圖2所示。安全生產網主要用于部署運營生產類業(yè)務應用，包括線網運營指揮、安全生產大數據平臺、列車自動控制（ATS）、自動售檢票、綜合監(jiān)控、門禁、乘客信息、車輛智能運維等系統(tǒng)。內部管理網主要用于部署面向企業(yè)內部用戶的業(yè)務應用，包括運營管理系統(tǒng)、企業(yè)管理系統(tǒng)、建設管理系統(tǒng)、企業(yè)管理信息系統(tǒng)大數據平臺等。外部服務網主要用于部署面向外部或公眾用戶的乘客服務類業(yè)務應用，包括乘客服務管理系統(tǒng)、互聯(lián)網購票平臺、線網智慧客流組織系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、企業(yè)門戶網站、公務電話系統(tǒng)等。此外，為了便于網絡管理，提高網絡維護效率，還需構建運維管理網，以實現云平臺運維管理、IT設備管理、安全管理及運維審計等功能。

2.4 服務模式及應用

城市軌道交通云平臺服務模式包括基礎設施即服務（IaaS）、平臺即服務（PaaS）和軟件即服務（SaaS）3類，如圖3所示。IaaS服務模式提供邏輯化/池化后的計算、存儲、網絡、安全等軟硬件資源池以及封裝后的多種IaaS服務。用戶可在IaaS服務基礎上部署和運行操作系統(tǒng)和各種應用軟件。PaaS服務模式為客戶提供部署、管理和運行應用程序所需的環(huán)境和服務，包括數據管理、中間件、并行計算、流程管理、面向服務架構（SOA）、開發(fā)測試平臺等服務。SaaS服務模式可為客戶提供城市軌道交通信息化相關業(yè)務應用。

目前呼和浩特市正在實施的云平臺一期工程，主要實現IaaS服務模式。按照中國城市軌道交通協(xié)會“一網打盡”的原則，云平臺可以承載安全生產網、內部管理網、外部服務網的多業(yè)務應用系統(tǒng)，可為上述3網單獨劃分邏輯獨立的計算、存儲和網絡資源，并進行相應的安全隔離;可在網內實現資源動態(tài)調配，并建立統(tǒng)一的運維管理平臺，以對整個平臺進行監(jiān)測管理。

2.5 安全管理體系

在并行計算、分布式計算、虛擬化等技術基礎上發(fā)展起來的云計算技術，具有按需自助服務以及快速彈性對網絡、存儲和計算資源做出反應的特點，但同時也會造成信息資源、數據流動、應用訪問的高度集中，帶來一系列安全隱患。因此，針對云平臺的技術特點，遵循“系統(tǒng)自保、平臺統(tǒng)保、邊界防護、等保達標、安全確保”的總原則，從管理和技術2方面提出相應安全策略，以保障平臺安全穩(wěn)定運行。

在管理方面，應根據城市軌道交通云平臺的新業(yè)務架構優(yōu)化傳統(tǒng)運營管理組織架構，并在此組織架構中充分考慮運營管理的授權、復合流程及分配，從而在管理上確保系統(tǒng)安全。技術安全策略主要有虛擬化、網絡、主機及應用、數據安全策略。對于安全生產網、內部管理網和外部服務網，按功能區(qū)和業(yè)務系統(tǒng)2個維度進行邏輯隔離防護，可根據區(qū)域權限劃分網絡，也可根據業(yè)務系統(tǒng)劃分網絡。在安全生產網、內部管理網和外部服務網中分別部署安全設備，對功能區(qū)之間、業(yè)務系統(tǒng)之間的流量進行訪問控制，及時發(fā)現并阻斷網絡入侵、病毒傳播、拒絕服務（DoS）等各類網絡攻擊。

3 城市軌道交通云平臺技術發(fā)展趨勢

軌道交通云平臺的新發(fā)展方向是利用城市軌道交通云平臺的新架構更高效、安全地指導運營生產調度和維護維修，以及促進其與建筑信息模型（BIM）和人工智能（AI）技術融合。

3.1 IaaS 向 PaaS、SaaS 服務模式發(fā)展

目前，城市軌道交通云平臺技術的應用主要集中于IaaS服務模式。下一階段，將依托云平臺、大數據平臺向PaaS、SaaS服務模式發(fā)展。通過深度挖掘平臺數據，進一步將運維信息反饋給建設部門，實現建設—運營—運維—指導建設的閉環(huán)智慧化發(fā)展，以及各業(yè)務系統(tǒng)數據的智能聯(lián)動，真正提升城市軌道交通行業(yè)的信息化、智能化水平。

3.2 云計算與 AI 結合

AI是研究開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人智能的理論、方法、技術及應用系統(tǒng)的一門新技術科學，可以對人類意識和思維的信息過程進行模擬。它是計算機科學的一個分支，致力于掌握智能的實質，并生產出能以類似于人類智能的方式做出反應的新智能機器。該領域的研究內容包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等。目前，AI的理論和技術日益成熟，應用領域也不斷擴大。可以設想，未來AI帶來的科技產品將會是人類智慧的“容器”。

城市軌道交通云平臺打破了傳統(tǒng)業(yè)務系統(tǒng)數據壁壘。其大數據平臺可以通過收集海量數據，并結合AI技術對數據進行充分挖掘，實現城市軌道交通的智能分析、智能運維。因此，隨著海量數據的匯聚，將云計算技術與AI技術相結合是城市軌道交通云平臺下一步建設的核心方向。

3.3 私有云與公有云共存的融合云模式

運用公有云平臺，企業(yè)不需要自己建設數據中心，只需選擇信得過的云計算服務提供商，直接使用其最終產品，省去了云平臺維護維修的技術和人才成本。而私有云考慮更多的是“云”本身的建設，更關注構建云平臺的技術以及規(guī)模超大、可用性高、成本低廉的數據中心。對于中小企業(yè)來說，公有云是一個較好的選擇;對于想利用云計算平臺特性、對安全性要求比較高的大型企業(yè)來說，通常需要構建私有云平臺。

城市軌道交通主要為市民提供市內交通出行解決方案，對安全性要求極高。所以目前國內幾乎所有的城市軌道交通建設企業(yè)都在構建私有云平臺。

隨著城市軌道交通信息系統(tǒng)架構及關鍵業(yè)務系統(tǒng)架構的優(yōu)化，也出現了根據業(yè)務內容將私有云與公有云配合使用的混合云模式。例如，呼和浩特市目前正在嘗試將與城市軌道交通生產安全和調度指揮相關的業(yè)務系統(tǒng)部署到私有云平臺，將視頻、安防等信息部署到公有云平臺。采用混合云模式，既可以充分利用已完成建設的公有云基礎設施，又可以降低云計算基礎設施的維護、保障成本。該方案目前正在實施中。

3.4 云計算與 BIM 技術結合

BIM技術使用以三維可視化為主導的設計手段，將規(guī)劃、設計、施工、運營階段的全生命周期工程數據融合到設計中，從而為建造的工程構件標注了造價、生產時間、型號、規(guī)格、材料、質量等工程信息。這些工程數據信息相互關聯(lián)且可重復利用，經過各種深入的再分析，可在施工、運營等建設過程的各個階段傳遞。利用這些既有工程數據，可在城市軌道交通正式運營后更好地規(guī)劃和安排維護維修工作，也可以更好地指導新建線路工程的規(guī)劃設計。城市軌道交通云平臺是建設整體信息化平臺的核心，因此將工程數據與運行數據有效融合也是未來重要的發(fā)展方向之一。

4 結語

當前城市軌道交通云平臺技術尚處于起步階段，基于云平臺的城市軌道交通信息化系統(tǒng)建設還沒有形成固定模式，而云平臺架構下的傳統(tǒng)生產業(yè)務系統(tǒng)技術架構尚處于驗證階段。中國城市軌道交通協(xié)會也在積極推進城市軌道交通云平臺相關頂層規(guī)范的編制。呼和浩特市以其新穎的創(chuàng)新模式得到協(xié)會的高度認可，并被列為試點城市。它針對城市軌道交通特有的安全等級要求，提出站段云節(jié)點實施方案;并面向綜合監(jiān)控、城市軌道交通自動售檢票（AFC）、閉路電視監(jiān)控（CCTV）、乘客信息（PIS）、門禁、ATS等系統(tǒng)，以存儲、網絡和計算資源為基礎，提出IaaS服務模式。期待在工程項目開通運營之后，積累更多經驗，從而為城市軌道交通云平臺的發(fā)展提供更多的解決方案。

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收稿日期 2019-05-07

責任編輯 蘇靖棋