趙興華

0 引言

目前，國內(nèi)多數(shù)城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用“中心-車站”分層分布式架構(gòu)，并采用中心、車站冗余服務(wù)器的標(biāo)準(zhǔn)配置[1]，其系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)勢明顯，但硬件資源浪費、利用率低、擴展不便等問題較突出。隨著云計算技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域成功引入，為解決綜合監(jiān)控系統(tǒng)上述問題提供了有效的技術(shù)支撐。

1 傳統(tǒng)綜合監(jiān)控部署架構(gòu)

軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)是對軌道交通線路機電設(shè)備進行監(jiān)控的分層分布式計算機集成系統(tǒng)，集成了電力監(jiān)控、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控，并互聯(lián)火災(zāi)自動報警、視頻監(jiān)控、廣播、乘客信息、列車自動監(jiān)控等系統(tǒng)，主要實現(xiàn)輔助行車指揮、機電設(shè)備監(jiān)控和管理、防災(zāi)和安全、乘客服務(wù)、系統(tǒng)維修管理、能耗管理等功能，并且可以實現(xiàn)與各系統(tǒng)的相互協(xié)調(diào)聯(lián)動。

傳統(tǒng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)部署架構(gòu)采用“兩級管理、三級控制”的模式，主要由中央級系統(tǒng)、車站級系統(tǒng)和骨干網(wǎng)組成，系統(tǒng)架構(gòu)示意如圖1所示。中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)通常部署于控制中心，由冗余實時服務(wù)器、冗余歷史服務(wù)器、磁盤陣列、冗余FEP （前端處理器）、冗余交換機、調(diào)度工作站等構(gòu)成。在中央級系統(tǒng)中同時配置網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、設(shè)備維護管理系統(tǒng)、培訓(xùn)系統(tǒng)等功能系統(tǒng)。車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)由冗余實時服務(wù)器、冗余FEP、冗余交換機、操作員工作站等構(gòu)成。當(dāng)中央級系統(tǒng)發(fā)生故障或骨干網(wǎng)故障時，車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)可獨立運行[1]。

圖1 傳統(tǒng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

傳統(tǒng)“中心-車站”的分層分布式架構(gòu)的綜合監(jiān)控系統(tǒng)存在如下不足[2]：

（1）冗余設(shè)備成本高?？刂浦行募败囌静渴鸫罅糠?wù)器，設(shè)備購置、系統(tǒng)擴展成本較高，且無法與其他軌道線路進行資源的統(tǒng)一靈活調(diào)配，不能滿足軌道交通線網(wǎng)智能化綜合監(jiān)控的潛在需求。

（2）冗余數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)不同步。各車站與控制中心均設(shè)有冗余的主備數(shù)據(jù)庫，主備數(shù)據(jù)庫同步一般由綜合監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用層軟件實現(xiàn)，數(shù)據(jù)同步效果不理想。

（3）系統(tǒng)CPU資源利用率低。設(shè)備配置一般考慮裕量，應(yīng)用軟件正常運行時CPU資源利用率不到15%，有的不到5%，存在大量設(shè)備資源浪費情況[3]。

2 城軌云平臺架構(gòu)

2.1 城軌云平臺應(yīng)用現(xiàn)狀及部署模式

云計算是一種基于網(wǎng)絡(luò)的，可通用、方便、按需配置共享計算資源池（網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲、應(yīng)用和服務(wù)）的模式，具備虛擬化、池化和自動化的特征，可為海量信息的處理、智能計算提供重要的使能技術(shù)與服務(wù)。2020發(fā)布的《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》明確了新建城軌交通城市全部采用城軌云，已經(jīng)建成城軌交通的城市在新建線路采用城軌云及在既有線設(shè)備更新升級時移入城軌云的目標(biāo)，掀起了新一輪軌道交通產(chǎn)業(yè)的信息化、智慧化變革。

目前，軌道交通云平臺主要有專業(yè)云、線路云和線網(wǎng)云3種部署形態(tài)，包括以單專業(yè)單線路入云（溫州S1線ISCS云平臺、鄭州ANCC云平臺等）、單線路多專業(yè)入云（深圳6號線/10號線云平臺等）、打破線路和專業(yè)壁壘的線網(wǎng)云（呼和浩特、太原等城軌云平臺），已逐步形成城軌云的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系，軌道交通信號系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、AFC系統(tǒng)等核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)入云已經(jīng)從試點探索逐步推進到推廣應(yīng)用階段。

目前，城市軌道交通在建及規(guī)劃的城軌云多采用線網(wǎng)云的建設(shè)模式，新興小線網(wǎng)規(guī)模城市依托“13531”架構(gòu)構(gòu)建線網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)城軌云，部署安全生產(chǎn)、內(nèi)部管理和外部服務(wù)業(yè)務(wù)。多線網(wǎng)絡(luò)化運營城市軌道交通存在已運營、新建線、延伸線、改造等多種模式，多采用統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施，近期構(gòu)建綜合業(yè)務(wù)生產(chǎn)云，滿足核心業(yè)務(wù)接入條件，并預(yù)留企業(yè)管理和乘客服務(wù)業(yè)務(wù)擴展及遷入條件的建設(shè)模式。

2.2 城軌云平臺部署架構(gòu)

2.2.1 城軌云平臺服務(wù)模式

城軌云一般采用私有云的部署方案，并預(yù)留擴展為混合云的能力，為軌道交通運營生產(chǎn)系統(tǒng)（ISCS、ATS、AFC、ACC、PIS）、企業(yè)內(nèi)部管理系統(tǒng)（辦公自動化、人力及資產(chǎn)管理、運維管理）和外部服務(wù)系統(tǒng)（門戶網(wǎng)站、APP、智慧出行、云售票等）提供IaaS、PaaS或SaaS服務(wù)。目前，已建成的呼和浩特城軌云主要為生產(chǎn)系統(tǒng)提供IaaS層服務(wù)，太原城軌云在為生產(chǎn)系統(tǒng)提供IaaS層服務(wù)的同時也為AFC等業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供部分PaaS層的服務(wù)。

2.2.2 城軌云平臺部署架構(gòu)

城軌云平臺通常采用中心和車站兩級部署模式，由云管理平臺進行統(tǒng)一管理，同時按照冗余性原則設(shè)置災(zāi)備中心、測試中心，在災(zāi)備中心根據(jù)業(yè)務(wù)重要性選擇數(shù)據(jù)或應(yīng)用災(zāi)備模式，在測試中心對業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行入云前應(yīng)用軟件的兼容性測試、并發(fā)性測試等。

中心級云平臺包括生產(chǎn)中心、災(zāi)備中心兩部分，當(dāng)中心級云平臺故障或車站至中心間網(wǎng)絡(luò)故障，將降級到車站。一般生產(chǎn)中心設(shè)置在控制中心，災(zāi)備中心設(shè)置在車輛段或單獨選址，云節(jié)點設(shè)置在沿線各車站，車站、車輛段與中心云平臺之間通過骨干環(huán)網(wǎng)及接入交換機連接進行數(shù)據(jù)通信。對于站段云節(jié)點，目前多采用部署匯聚交換機、防火墻、車站備用服務(wù)器和桌面云/物理工作站的模式。考慮智慧車站、無感過閘、邊緣視頻分析等邊緣實時業(yè)務(wù)需求，可在站級部署匯聚交換機、防火墻、車站邊緣云資源池和桌面云/物理工作站，構(gòu)建車站邊緣云，滿足車站本地實時分析的業(yè)務(wù)需求[4]。

3 基于城軌云的綜合監(jiān)控架構(gòu)及部署模式

對于具備線網(wǎng)城軌云建設(shè)條件的城市軌道交通，綜合監(jiān)控系統(tǒng)的中心級、車站級服務(wù)器可集中部署于線網(wǎng)城軌云平臺上，綜合監(jiān)控系統(tǒng)宜采用專用VDC部署，并根據(jù)各線路接入的情況按線路為綜合監(jiān)控系統(tǒng)劃分VPC。典型基于城軌云平臺的綜合監(jiān)控系統(tǒng)部署架構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于城軌云平臺的綜合監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

本節(jié)將對基于城軌云平臺的綜合監(jiān)控系統(tǒng)部署架構(gòu)的幾種方案進行比選分析。

3.1 方案一：中心級、車站級中心集中入云

（1）方案1：中心、車站服務(wù)器集中部署在中心云平臺。綜合監(jiān)控系統(tǒng)中央級2臺實時服務(wù)器、2臺歷史服務(wù)器、2臺冗余FEP均集中部署在中心云平臺。中心云平臺為實時服務(wù)器、FEP提供雙機冗余的虛擬機資源，不同虛擬機部署在云平臺不同物理機上，以保證高可靠性。中心云平臺為2臺歷史服務(wù)器提供雙機冗余的物理服務(wù)器資源，并為網(wǎng)管服務(wù)器、設(shè)備維護管理服務(wù)器提供單臺虛擬機資源。綜合監(jiān)控系統(tǒng)的存儲采用云平臺提供的集中式存儲資源。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)每個車站2臺實時服務(wù)器均集中部署在中心云平臺，由中心云平臺為車站實時服務(wù)器提供雙機冗余虛擬機資源，不同虛擬機部署在云平臺不同物理機上，以保證高可靠性。綜合監(jiān)控系統(tǒng)在車站部署2臺FEP用于互聯(lián)系統(tǒng)接口，部署2臺接入交換機上聯(lián)至云平臺車站云節(jié)點匯聚交換機。綜合監(jiān)控系統(tǒng)骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)通過云平臺網(wǎng)絡(luò)進行組網(wǎng)。

（2）方案2：中心服務(wù)器和車站1臺服務(wù)器集中在中心部署，車站另1臺服務(wù)器部署在車站云節(jié)點。綜合監(jiān)控系統(tǒng)中央級及主干網(wǎng)入云部署與方案1相同。綜合監(jiān)控車站級部署2臺實時服務(wù)器：其中1臺實時服務(wù)器集中部署在中心云平臺，由中心云平臺為其提供虛擬機資源；另外1臺車站服務(wù)器部署在云平臺的車站云節(jié)點（冷備或熱備），由車站云節(jié)點為綜合監(jiān)控提供虛擬機資源。同時，綜合監(jiān)控在車站部署2臺FEP用于互聯(lián)系統(tǒng)接口， 部署2臺接入交換機上聯(lián)至云平臺車站云節(jié)點匯聚交換機。

3.2 方案二：中心級、車站級分層分布入云

綜合監(jiān)控系統(tǒng)中央級及主干網(wǎng)入云部署與方案一相同。城軌云平臺采用分層分布架構(gòu)，具備 “云-邊”協(xié)同功能，支持在站級為站段獨立運行業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供邊緣計算資源。結(jié)合綜合監(jiān)控集中監(jiān)控和管理、分層分布式控制及資源共享的要求，綜合監(jiān)控系統(tǒng)每個車站2臺實時服務(wù)器均部署在車站云節(jié)點，由車站云節(jié)點為綜合監(jiān)控提供虛擬機資源，同時，綜合監(jiān)控在車站部署2臺FEP用于互聯(lián)系統(tǒng)接口，部署2臺接入交換機上聯(lián)至云平臺車站云節(jié)點匯聚交換機。

3.3 方案三：中心級入云，車站級不入云

綜合監(jiān)控系統(tǒng)中央級入云部署方案與方案一相同。綜合監(jiān)控系統(tǒng)車站級采用傳統(tǒng)架構(gòu)，配置冗余實時服務(wù)器、冗余FEP、冗余交換機、操作員工作站等設(shè)備。綜合監(jiān)控系統(tǒng)骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)可獨立組網(wǎng)或利用通信系統(tǒng)提供的以太網(wǎng)通道組網(wǎng)。綜合監(jiān)控在中央級配置接入交換機，上聯(lián)至中心云平臺業(yè)務(wù)分區(qū)的接入交換機。綜合監(jiān)控的骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)也可通過云平臺網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，組網(wǎng)方案與方案一相同。

3.4 綜合監(jiān)控操作工作站入云

基于城軌云的綜合監(jiān)控中心級操作工作站一般采用云桌面部署，三屏顯示工作站采用傳統(tǒng)物理工作站部署。車站級操作工作站可采用“2臺云桌面”或“1臺云桌面+1臺傳統(tǒng)物理工作站”的部署模式。為保證車站與中心離線后云桌面可以繼續(xù)使用，車站可選擇IDV、VOI類型云桌面。

3.5 綜合監(jiān)控入云部署分析

對上述基于城軌云的綜合監(jiān)控系統(tǒng)部署架構(gòu)從可靠性、資源利用率、運維效率及適用場景進行分析，如表1所示。

表1 基于城軌云的綜合監(jiān)控系統(tǒng)部署架構(gòu)分析

4 發(fā)展展望

4.1 基于云平臺的綜合監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化

隨著云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)的發(fā)展，未來，城市軌道交通新建線路及在既有線設(shè)備更新升級的綜合監(jiān)控系統(tǒng)均將基于城軌云平臺進行部署設(shè)計。城軌云平臺在為綜合監(jiān)控系統(tǒng)提供IaaS層資源的基礎(chǔ)上，將進一步向提供容器、數(shù)據(jù)庫等PaaS層服務(wù)及SaaS層服務(wù)演進，而綜合監(jiān)控系統(tǒng)自身也將結(jié)合云平臺的優(yōu)勢對其架構(gòu)進行優(yōu)化，充分利用云平臺提供的容器、負載均衡、資源管理等服務(wù)，采用“云-邊”協(xié)同的理念，基于微服務(wù)的架構(gòu)進行設(shè)計，弱化弱電系統(tǒng)設(shè)計和軟件開發(fā)邊界，構(gòu)建業(yè)務(wù)中臺、技術(shù)中臺、數(shù)據(jù)中臺，實現(xiàn)弱電系統(tǒng)云端融合、協(xié)同開發(fā)的良好生態(tài)，以適應(yīng)軌道交通新的智慧化業(yè)務(wù)的快速發(fā)展。

4.2 基于云平臺的綜合監(jiān)控智慧應(yīng)用開發(fā)

綜合監(jiān)控在系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)上，將充分利用綜合監(jiān)控系統(tǒng)多系統(tǒng)集成的優(yōu)勢，對接入的供電、機電、通信、信號、站臺門、視頻、客流等多源數(shù)據(jù)的集成、海量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲與治理、數(shù)據(jù)建模與分析提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問接口，實現(xiàn)多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)共享應(yīng)用和信息的互聯(lián)互通，在實現(xiàn)PSCADA、BAS等基礎(chǔ)功能的同時，基于人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，結(jié)合智慧地鐵的實際需求，開發(fā)智能電力調(diào)度、智能能源調(diào)度、節(jié)能管控、智能運維、智慧票務(wù)、智慧乘客客服等智慧地鐵應(yīng)用，為智慧地鐵賦能。

5 結(jié)語

隨著城軌云在軌道交通的廣泛應(yīng)用，基于城軌云的綜合監(jiān)控系統(tǒng)也迎來了新的發(fā)展機遇。本文在對傳統(tǒng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)和優(yōu)缺點分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前軌道交通城軌云平臺的應(yīng)用情況和城軌云的部署架構(gòu)的分析，對目前基于城軌云的綜合監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)方案進行了比選分析，提出在信息化和工業(yè)化融合的時代背景下，基于城軌云的綜合監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化方案，并進行智慧應(yīng)用展望，對于智慧城市軌道交通建設(shè)具有很好的參考價值。