曾海軍 許錫偉 黃孫 鄭倫 陳聰

摘要：目前自動售檢票系統(tǒng)的發(fā)展面臨著諸多挑戰(zhàn)，移動支付數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、人臉識別過閘、生物識別技術無感過閘以及分布式部署、應用級災備系統(tǒng)架構等對自動售檢票系統(tǒng)提出了更高的要求，傳統(tǒng)軟件架構已適應不了新的需求。鑒于此，結合自動售檢票系統(tǒng)的特點，探索新型的信息化技術，研究虛擬化技術在自動售檢票系統(tǒng)的應用，在傳統(tǒng)的計算架構基礎上，使用虛擬化技術實現(xiàn)背靠統(tǒng)一硬件管理的資源池下的高性能、高可用系統(tǒng)架構方案，做到了同樣硬件下更穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)承載，同等負載壓力下更靈活的資源調配與負載均衡，同樣系統(tǒng)結構下更快速的故障恢復與響應能力。

關鍵詞：城市軌道交通;自動售檢票系統(tǒng);虛擬化技術

0? ? 引言

城市軌道交通自動售檢票（簡稱AFC）系統(tǒng)是面向乘客的乘車計費系統(tǒng)，主要具備售票、進出站、乘客事務處理等功能。截至2018年底，超過20個城市的地鐵AFC系統(tǒng)已支持二維碼或銀聯(lián)卡過閘等移動支付業(yè)務，呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢。

在此背景下，AFC系統(tǒng)當前的發(fā)展面臨著諸多挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)的AFC系統(tǒng)很難適應多變的“黑科技”應用場景;大數(shù)據(jù)時代和5G時代的發(fā)展，對系統(tǒng)處理、傳輸及存儲性能要求更高;傳統(tǒng)軟件架構已經適應不了新的需求，例如移動支付數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、線網(wǎng)模式下的高并發(fā)性;傳統(tǒng)軟件架構無法支撐分布式部署、應用級災備的系統(tǒng)架構要求。本文將結合AFC系統(tǒng)的特點，探索新型的信息化技術，研究虛擬化技術在AFC系統(tǒng)的應用，力求形成高性能、高可用的解決方案。

1? ? 背景

AFC系統(tǒng)是一套網(wǎng)絡化的交易計費系統(tǒng)，由五層架構組成，如圖1所示。系統(tǒng)一方面直接面向乘客，必須兼顧性能及安全性，滿足乘客的便捷購票、過閘體驗;另一方面關乎地鐵收入，必須確保每筆正常的交易數(shù)據(jù)能夠正確上傳、扣費及清算，保證票務規(guī)則的準確性及完整性。

綜上所述，結合軌道交通發(fā)展特點，軌道交通AFC系統(tǒng)具備如下特點：

1.1? ? 線網(wǎng)統(tǒng)一

為了實現(xiàn)在地鐵線網(wǎng)范圍內的票卡互聯(lián)互通，保證乘客能夠“一票乘車”和“無障礙換乘”，即便分期投資建設，各線路的地鐵AFC系統(tǒng)必須符合統(tǒng)一的線網(wǎng)化接口標準，保證各線AFC系統(tǒng)對票卡處理能夠相互兼容。

1.2? ? 集中度高

隨著軌道交通線網(wǎng)化的發(fā)展，AFC系統(tǒng)呈現(xiàn)“金字塔”形。需要確保所有數(shù)據(jù)、所有功能能夠集中管理，這對線網(wǎng)清分系統(tǒng)提出了更高的要求。隨著線網(wǎng)的發(fā)展，線網(wǎng)清分系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲和處理能力必須適應多條線路的接入和客流的逐漸增長。

1.3? ? 更新頻繁

隨著軌道交通互聯(lián)網(wǎng)票務的快速發(fā)展，移動支付持續(xù)深化推進，近年來票務場景變化頻繁，由原“先充值、后扣費”逐漸衍生至“先過閘、后支付、信用消費”。以寧波軌道交通為例，目前移動支付比例已達到約30%。為了適應支付形式的變化，軌道交通AFC系統(tǒng)需要進行頻繁的更新，以適應新的票務規(guī)則，支持離線扣費向在線支付模式的過渡。

2? ? AFC系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1? ? 建設AFC系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

AFC系統(tǒng)的上述特點意味著系統(tǒng)建設階段面臨著如下挑戰(zhàn)：

2.1.1? ? 建設成本高

每條線路建設時需要包括車站計算機及線路中央計算機系統(tǒng)，各車站、控制中心均需要投入龐大的設備群，包括了服務器、交換機、存儲設備等。多層次、分散式系統(tǒng)設計，給AFC系統(tǒng)建設帶來了較高的成本。

2.1.2? ? 資源利用率低

在每條線路建設初期，系統(tǒng)使用率往往無法精確估算，因此一般每站采用相同的服務器和交換機硬件配置。而開通運營后，實際資源使用并不均衡，往往部分大站資源使用率居高不下，部分小站資源基本閑置，造成計算資源和網(wǎng)絡資源嚴重浪費。

2.1.3? ? 擴展性差

傳統(tǒng)計算節(jié)點架構通過不同的物理服務器與終端設備進行組建，系統(tǒng)與系統(tǒng)之間存在強關聯(lián)性，擴展性差。當需要進行對應擴容時，常常需要投入大量的人力、物力進行長時間的梳理與擴展。

2.2? ? 運維AFC系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

2.2.1? ? 系統(tǒng)故障轉移能力不足

2.2.1.1? ? ACC和LCC系統(tǒng)

為了保證后臺系統(tǒng)穩(wěn)定運行，一般ACC和LCC系統(tǒng)會部署雙機集群，但目前行業(yè)內大多數(shù)的做法是將操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫部署為雙機集群，而應用系統(tǒng)由承包商自行研發(fā)，并沒有設計成雙機熱切換。一旦發(fā)生主服務器故障，需要手工啟動備用服務器上的軟件，為維護人員的故障處理帶來了困擾，存在單點隱患。

2.2.1.2? ? SC系統(tǒng)

出于成本考慮，一般SC系統(tǒng)只部署了單服務器和單交換機，并沒有硬件上的冗余，一旦發(fā)生故障需要停機維修。故障處理和維護難度較大，存在SC系統(tǒng)崩潰的風險，造成系統(tǒng)和數(shù)據(jù)無法及時修復，影響AFC系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行。

2.2.2? ? 容災備份能力不足

傳統(tǒng)架構下，僅支持系統(tǒng)的數(shù)據(jù)級災備。數(shù)據(jù)級災備是指在不同的區(qū)域搭建一套容災機房，采用事務日志復制或鏡像的方式將數(shù)據(jù)庫進行同步，建立一套備用數(shù)據(jù)庫環(huán)境，當主機房系統(tǒng)癱瘓時，能夠啟用備用的數(shù)據(jù)庫，保證數(shù)據(jù)完整。但數(shù)據(jù)級災備存在切換復雜;應用系統(tǒng)需要完整部署，軟件更新和維護難度大;切換操作步驟繁多等問題。特別是在災難情況下，較難實現(xiàn)系統(tǒng)完整功能的切換。

3? ? AFC系統(tǒng)虛擬化優(yōu)勢與總體架構

3.1? ? 虛擬化技術概況

虛擬化技術（Virtualization）是一種資源管理（優(yōu)化）技術，將計算機的各種物理資源（如CPU、內存以及磁盤空間、網(wǎng)絡適配器等I/O設備）予以抽象、轉換，然后呈現(xiàn)出來的一個可供分割并任意組合為一個或多個（虛擬）計算機的配置環(huán)境。

虛擬化技術主要是打破了軟件與硬件之間的聯(lián)系，為建設更加動態(tài)、靈活和高效的數(shù)據(jù)中心打下基礎。隨著英特爾和AMD在處理器上對虛擬化提供了硬件支持，虛擬化技術在x86服務器上也有了更加光明的應用前景。

3.1.1? ? 虛擬化技術的優(yōu)勢

（1）更高的資源利用率：虛擬化技術可將物理服務器、網(wǎng)絡及存儲轉化為資源池，支持資源的動態(tài)分配，可以將資源利用最大化，特別是針對那些負載很低的服務器。

（2）更高的可用性：相比物理服務器，虛擬化技術可安全地遷移和備份整個虛擬環(huán)境，而不會出現(xiàn)服務中斷，進而提高了業(yè)務連續(xù)性。

（3）降低管理成本：提高資源利用率帶來的是物理設備的減少，降低物理設備的管理和監(jiān)控維護成本，易于實現(xiàn)自動實時監(jiān)控等方式來提高工作人員的效率。

（4）降低維護成本：隨著物理設備的減少，機房容量的要求和能耗均能得到降低，設備維修成本也能夠大幅下降。

（5）擴展性和靈活性：通過虛擬化可實現(xiàn)動態(tài)的資源部署，滿足不斷變化的業(yè)務需求。根據(jù)不同系統(tǒng)不同時期的負載，可通過虛擬化技術實現(xiàn)資源的重新分配和匯聚，意味著可以在不改變物理資源配置的情況下進行規(guī)模調整。

（6）安全性：平臺虛擬化技術可實現(xiàn)操作系統(tǒng)層面的隔離和劃分，可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)和服務進行可控和安全的訪問。

（7）更高的開發(fā)測試效率：減少了設置硬件和軟件的時間，降低了測試環(huán)境部署成本，從而提高了開發(fā)和測試效率。

3.1.2? ? Hyper-V的特點

通過技術選型，本文主要圍繞微軟的Hyper-V的技術應用進行說明。相比虛擬化領域內另一巨頭Vmware，微軟的Hyper-V具備以下特點：

（1）低成本：對于已經購買Windows Server 2008 R2 DC及以上版本使用許可的用戶來說，操作系統(tǒng)中已經內置了Hyper-V軟件，只需要添加相應角色功能就可以完整地使用Hyper-V軟件功能。

（2）低門檻：Hyper-V軟件學習門檻相對其他虛擬化軟件來說較低。秉承Windows交互界面一貫良好的傳統(tǒng)，Hyper-V軟件用戶界面功能清晰、明確、完整。系統(tǒng)管理員只需經過簡單的了解就可以使用Hyper-V軟件搭建自己的虛擬機。

（3）功能完善：由于是微軟自家的產品，Hyper-V軟件還擁有其他軟件無可比擬的系統(tǒng)兼容性。同時Hyper-V不僅提供了強勁的性能，還提供了穩(wěn)定、豐富的特性和功能，由于微軟產品有著高度集成的優(yōu)勢，對虛擬化的管理、備份、冗余也有多種解決方案和產品可供我們選擇。我們可以部署Hyper-V的群集，實現(xiàn)快速故障轉移，達到高可用性。通過虛擬化管理產品，可以迅速地將一個虛擬化應用遷移到另一臺Hyper-V服務器上，而不會受到硬件設備不同的影響。

3.2? ? 虛擬化總體架構

本文研究的虛擬化技術在AFC系統(tǒng)中的應用是面向城市軌道交通網(wǎng)絡化運營需求而提出的，當前主流虛擬化軟件已在政府機關、教育、醫(yī)療、海關得到廣泛應用，軌道交通實施該項應用，可以得到大量的技術資料支持，這是寧波軌道交通得以自主實施Hyper-V虛擬化應用的基礎。同時虛擬化技術的應用，無需更改現(xiàn)有物理網(wǎng)絡架構和增添網(wǎng)絡設備，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡設備“零投入”，減少重復投資。改造期內無需大量采購物理服務器，對機房空間和能耗的要求很低。遠期可大幅減少物理服務器的采購和部署，緩解機房空間不足、環(huán)控/供電能力不足的矛盾，節(jié)省機房擴建和改建成本。另一方面，將虛擬化技術引入城市軌道交通的AFC系統(tǒng)，通過合理優(yōu)化、精簡AFC系統(tǒng)設備數(shù)量，提高各類系統(tǒng)的資源利用率，減少AFC系統(tǒng)的實現(xiàn)成本、后期升級更新成本，也可為后續(xù)AFC系統(tǒng)的升級改造提供借鑒。

以寧波軌道交通為例，寧波軌道交通的清分系統(tǒng)與1號線線路中央計算機系統(tǒng)建成于2012年，至今已有9年時間，當初建設時預計的性能、容量以及擴展性隨著軌道交通的網(wǎng)絡化發(fā)展已經成為瓶頸，而設備、配件的停產導致更新成本高企，升級困難大?；诋斍癆FC系統(tǒng)存在的不足以及對虛擬化技術的分析，提出基于虛擬化技術的AFC系統(tǒng)方案，自動售檢票系統(tǒng)虛擬化技術總體架構如圖2所示。

在基于虛擬化技術的AFC系統(tǒng)架構設計中，原系統(tǒng)中的清分系統(tǒng)（ACC）與各線路的線路中央計算機系統(tǒng)被虛擬化部署，基于x86的虛擬化的服務器集群替代了原系統(tǒng)中的老舊、性能低下、不易更新升級、兼容性不高的小型機。自動售檢票虛擬化系統(tǒng)拓撲如圖3所示。

在此虛擬化架構中，清分系統(tǒng)與各線路中央計算機系統(tǒng)通過虛擬服務器集群下的專用網(wǎng)絡設備與車站計算機系統(tǒng)進行直接連接，各線路系統(tǒng)與清分系統(tǒng)共享虛擬化平臺的服務器資源與網(wǎng)絡設備資源，依托Hyper-V動態(tài)進行各虛擬機的資源調配，可依據(jù)實際業(yè)務情況與資源占用程度對各線路中央計算機系統(tǒng)和清分系統(tǒng)的資源進行動態(tài)調整，并具備應用級的熱備功能。與車站計算機系統(tǒng)相連的通信網(wǎng)絡仍采用原系統(tǒng)網(wǎng)絡。

清分系統(tǒng)與各線路中央計算機系統(tǒng)的服務器、存儲設備、網(wǎng)絡設備等基礎設施資源虛擬化后，可避免小型機升級擴容使用的設備停產、兼容性差、價格高等問題，不再受終端設備異構性的限制，虛擬服務器的數(shù)量和資源也可依據(jù)實際業(yè)務需求靈活配置，最終實現(xiàn)減少設備數(shù)量，降低更新成本，降低能耗等實際的節(jié)流目標。

4? ? 向云計算的演進

虛擬化技術是私有云架構的基礎，私有云平臺均支持虛擬化產品的管理。實現(xiàn)虛擬化技術的應用，一方面可以實現(xiàn)最低成本的IT運維管理提升，另一方面可以作為向云計算的過渡，無需額外增加遷移成本。

在對AFC系統(tǒng)的虛擬化應用基礎之上，可進一步提出基于私有云的AFC系統(tǒng)架構。與虛擬化技術的應用相類似，在AFC系統(tǒng)中應用私有云平臺，一方面由于平臺的基礎設施設備都由城市軌道交通擁有和管理，利于后續(xù)的發(fā)展，其數(shù)據(jù)存儲的安全性和可靠性能夠得到保障;另一方面，私有云初期的運營投資成本雖然較高，但總體呈現(xiàn)下降趨勢，故后續(xù)的部署升級較為靈活。自動售檢票系統(tǒng)私有云平臺架構如圖4所示。

在上述的平臺結構中，私有云平臺取代了原系統(tǒng)中的清分系統(tǒng)層和線路中央系統(tǒng)層。車站計算機系統(tǒng)可直接通過AFC系統(tǒng)網(wǎng)絡與平臺相連，各車站共享私有云平臺提供的計算資源池和存儲資源池，車站可只保留操作終端。整個AFC系統(tǒng)網(wǎng)絡依然具備自愈功能，保證車站與平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸，車站設備仍可工作在離線模式下。

傳統(tǒng)的AFC系統(tǒng)各級基礎設施數(shù)量大、成本高。基于私有云平臺的AFC系統(tǒng)則相反，平臺將服務器、存儲設備及網(wǎng)絡設備集中管理，組建新的計算資源中心，應用虛擬化技術將所有的資源抽象為資源池，按需為業(yè)務系統(tǒng)提供計算、存儲和網(wǎng)絡資源，從而減少基礎設施的數(shù)量，降低后續(xù)的建設成本。同時，基礎設施的集中建設和管理，為將來的AFC系統(tǒng)業(yè)務整合及統(tǒng)一管理提供了基礎支持。

5? ? 結語

在如今城市軌道交通網(wǎng)絡化運營的環(huán)境下，優(yōu)化AFC系統(tǒng)架構，提高AFC系統(tǒng)設備資源利用效率勢在必行。本文從AFC系統(tǒng)面臨的痛點入手，提出了虛擬化技術在AFC系統(tǒng)中進行應用的切入點與架構的設計，并在此基礎上提出了一種從單純虛擬化技術向私有云平臺演進的架構方案，最終實現(xiàn)資源按需分配、提高升級便利性、降低能耗等目標。在AFC系統(tǒng)中應用虛擬化技術，架構簡單，資源利用效率提高，有助于降低未來的投資與運營成本。

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收稿日期：2020-08-14

作者簡介：曾海軍（1979—），男，江西吉安人，工程碩士，高級工程師，寧波市軌道交通集團有限公司副總工程師，寧波市軌道交通集團有限公司運營分公司副總經理，研究方向：交通運輸。

許錫偉（1982—），男，浙江寧波人，工程碩士，高級工程師，寧波市軌道交通集團有限公司運營分公司票務中心經理，研究方向：計算機科學與技術。

黃孫（1984—），男，浙江湖州人，工程碩士，高級工程師，研究方向：軟件工程。