王瑞宗 陸 鑫 林忠山

(廈門軌道交通集團(tuán)有限公司， 361010， 廈門∥第一作者， 高級工程師)

自動售檢票(AFC)系統(tǒng)在城市軌道交通運營和管理中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。目前，國內(nèi)AFC系統(tǒng)所采用的系統(tǒng)架構(gòu)都是五層架構(gòu)。近幾年出現(xiàn)的多條線路共享的AFC系統(tǒng)中，比如多線路中央計算機(jī)(MLC)系統(tǒng)、多條線路或者多個車站組成區(qū)域管理單位使用的區(qū)域線路中心計算機(jī)(ZLC)系統(tǒng)，以及清分系統(tǒng)和線路中央計算機(jī)系統(tǒng)融合的AFC清分及多線路中心(ACLC)系統(tǒng)等方案，都是基于五層架構(gòu)設(shè)計的。

AFC系統(tǒng)五層架構(gòu)分別為車票(實體票、乘車碼等)、車站終端設(shè)備(SLE)、車站計算機(jī)(SC)系統(tǒng)、線路中央計算機(jī)(LCC)系統(tǒng)和AFC清分中心(ACC)系統(tǒng)。

采用五層架構(gòu)的中小規(guī)模城市軌道交通線網(wǎng)AFC系統(tǒng)存在以下不足：

1) 在AFC系統(tǒng)五層架構(gòu)中，每條線路都需要建設(shè)中央機(jī)房，且至少配置5臺服務(wù)器；同時，每個車站也需要單獨建設(shè)機(jī)房，且配置1臺服務(wù)器，這大大增加了建設(shè)投資和運營維護(hù)成本。

2) 車站服務(wù)器主要承擔(dān)車站數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)上傳及設(shè)備管理工作。在實際使用中，車站服務(wù)器資源利用率長期處于比較低的水平，CPU使用率大部分處于10%以下，最大不超過20%，大多數(shù)時間處于空閑狀態(tài)。

3) 新型支付方式對AFC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能和實時性要求比較高，采用五層架構(gòu)模式的AFC系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)時延大和數(shù)據(jù)傳輸慢，很難適應(yīng)新型支付方式下的聯(lián)機(jī)業(yè)務(wù)需求。

針對以上不足，本文從AFC系統(tǒng)架構(gòu)模式、業(yè)務(wù)需求、建設(shè)成本、運營成本及資源利用率等方面進(jìn)行分析，結(jié)合AFC系統(tǒng)架構(gòu)及業(yè)務(wù)特點，提出適用于中小規(guī)模城市軌道交通線網(wǎng)的、基于云計算技術(shù)的三層架構(gòu)AFC系統(tǒng)方案。

1 三層架構(gòu)AFC系統(tǒng)設(shè)計思路

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，新型支付方式不斷涌現(xiàn)，在城市軌道交通中的使用越來越普及，使用方式也越來越多樣化。目前的使用方式可以分為互聯(lián)網(wǎng)支付購票和無卡過閘?；ヂ?lián)網(wǎng)支付購票包括二維碼支付、NFC(近距離無線通信技術(shù))支付、數(shù)字人民幣支付等，無卡過閘包括乘車碼過閘、人臉過閘等。新型支付方式對AFC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能和實時性要求比較高，在五層架構(gòu)模式下，交易數(shù)據(jù)從終端設(shè)備到中心系統(tǒng)所經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)層級比較多，數(shù)據(jù)傳輸需要經(jīng)過大量的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和安全設(shè)備，從而導(dǎo)致通信時延大和傳輸速率慢等問題，很難滿足新型支付方式的業(yè)務(wù)需求。三層架構(gòu)AFC系統(tǒng)將簡化架構(gòu)層級，減少從終端設(shè)備到中心系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)層級，從而降低通信時延，提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

在五層架構(gòu)AFC系統(tǒng)中，車站計算機(jī)系統(tǒng)、線路中央計算機(jī)系統(tǒng)和軌道交通清分中心系統(tǒng)中存在大量的重復(fù)功能，同時每條線路都需要重復(fù)建設(shè)車站計算機(jī)系統(tǒng)和線路中央計算機(jī)系統(tǒng)且各系統(tǒng)集成商開發(fā)的系統(tǒng)差異性比較大，造成建設(shè)投資和運營成本增加。三層架構(gòu)AFC系統(tǒng)將取消中間層級的系統(tǒng)，包括車站計算機(jī)系統(tǒng)和線路中央計算機(jī)系統(tǒng)，將中間層級系統(tǒng)功能和軌道交通清分中心系統(tǒng)的功能進(jìn)行重新規(guī)劃形成新系統(tǒng)。

近年來，隨著云計算技術(shù)的發(fā)展，云計算技術(shù)逐漸應(yīng)用于城市軌道交通系統(tǒng)中。2019年中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布了《智慧城市軌道交通信息技術(shù)架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)安全規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)，根據(jù)《規(guī)范》第2部分，技術(shù)架構(gòu)云計算平臺中SaaS(軟件即服務(wù))層涵蓋安全生產(chǎn)、內(nèi)部管理和外部服務(wù)。三層架構(gòu)AFC系統(tǒng)將充分利用云計算技術(shù)的能力，建立安全、可靠、穩(wěn)定的自動售檢票平臺。

2 三層架構(gòu)AFC系統(tǒng)設(shè)計方案

三層架構(gòu)AFC系統(tǒng)的架構(gòu)采用三層設(shè)計，包括云平臺層、車站終端設(shè)備層和票卡層，將傳統(tǒng)五層架構(gòu)中的車站計算機(jī)系統(tǒng)、線路中央計算機(jī)系統(tǒng)、軌道交通清分中心系統(tǒng)及互聯(lián)網(wǎng)電子票務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行融合形成基于云計算技術(shù)的AFC數(shù)據(jù)管理云平臺(ADMC)。三層架構(gòu)AFC系統(tǒng)終端設(shè)備直連云平臺，減少了設(shè)備與平臺之間的網(wǎng)絡(luò)層級，有效降低了網(wǎng)絡(luò)時延，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，有利于新型支付方式的應(yīng)用。三層架構(gòu)AFC系統(tǒng)從多層級向扁平化轉(zhuǎn)變，在保留系統(tǒng)的功能性、穩(wěn)定性和可用性的前提下，簡化了系統(tǒng)架構(gòu)，使系統(tǒng)運行更敏捷，管理更方便。AFC系統(tǒng)三層技術(shù)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 AFC系統(tǒng)三層架構(gòu)圖Fig.1 Diagram of three-tier architecture for AFC system

ADMC是AFC系統(tǒng)的核心，依托云計算中心提供的強(qiáng)大的計算能力完成大量的數(shù)據(jù)計算并存儲，承載著所有終端設(shè)備接入及與其他行業(yè)清算中心系統(tǒng)進(jìn)行清算分賬等功能，負(fù)責(zé)采集終端設(shè)備產(chǎn)生的交易數(shù)據(jù)并進(jìn)行清分清算、下發(fā)終端控制命令、參數(shù)管理及監(jiān)控所有終端設(shè)備的狀態(tài)。

根據(jù)AFC系統(tǒng)業(yè)務(wù)特點，結(jié)合車站計算機(jī)系統(tǒng)和線路中心計算機(jī)系統(tǒng)、城市軌道交通清分系統(tǒng)及互聯(lián)網(wǎng)電子票務(wù)系統(tǒng)現(xiàn)有業(yè)務(wù)功能，ADMC將對業(yè)務(wù)功能進(jìn)行整合，減少冗余業(yè)務(wù)功能，抽離出包括統(tǒng)一接入網(wǎng)關(guān)服務(wù)、聯(lián)機(jī)交易服務(wù)、文件處理服務(wù)、參數(shù)管理服務(wù)、清分清算服務(wù)、清分規(guī)則服務(wù)、電子票服務(wù)、日終批處理服務(wù)及報表統(tǒng)計服務(wù)，通過云平臺提供的高可用服務(wù)集群及負(fù)載均衡能力對外提供上述服務(wù)。ADMC邏輯架構(gòu)如圖2所示。

3 三層架構(gòu)與五層架構(gòu)AFC系統(tǒng)對比分析

3.1 技術(shù)對比分析

三層架構(gòu)AFC系統(tǒng)優(yōu)點在于系統(tǒng)的可靠性高、系統(tǒng)擴(kuò)展性好及資源利用率高，缺點是系統(tǒng)復(fù)雜度高、維護(hù)難度大。三層架構(gòu)與五層架構(gòu)AFC系統(tǒng)技術(shù)對比如表1所示。

3.2 建設(shè)成本分析

新線建設(shè)時，只需采購終端設(shè)備并接入ADMC即可滿足運營條件，無需重復(fù)建設(shè)LCC和SC，可大量節(jié)約硬件采購、軟件研發(fā)、機(jī)房建設(shè)、施工安裝和軟件調(diào)試等費用。以廈門地鐵1號線、2號線、3號線(共86個車站)為例，硬件成本大約為1 486萬元，機(jī)房建設(shè)成本大約為6 880萬元。詳細(xì)的硬件采購清單如表2所示。

注：PaaS——平臺即服務(wù)；IaaS——基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)。

表1 三層架構(gòu)與五層架構(gòu)AFC系統(tǒng)技術(shù)對比

3.3 運營成本分析

以上文廈門地鐵3條線路的86個車站為例，采用三層架構(gòu)的AFC系統(tǒng)，取消了3個LCC和86個SC，運營成本變化分析如下：

1) 對設(shè)備進(jìn)行集中管理和運維，機(jī)房數(shù)量從89個減少到1個，維護(hù)成本大幅降低。但是，由于云平臺的技術(shù)復(fù)雜度高、維護(hù)難度大，需增加的運營成本約為云平臺造價的15%。

表2 廈門地鐵線網(wǎng)三層架構(gòu)AFC系統(tǒng)的硬件采購成本清單

2) 取消了SC服務(wù)器，由此極大弱化了車站AFC設(shè)備維護(hù)職能，減少了維護(hù)人員配置，降低了人力成本。

采用三層架構(gòu)后，AFC系統(tǒng)的管理模式轉(zhuǎn)向以ADMC為核心的、車站終端設(shè)備在線服務(wù)的“互聯(lián)網(wǎng)+大票務(wù)”管理模式，維保模式采取“自主維護(hù)為主、軟件開發(fā)委外為輔”的模式。

4 結(jié)語

綜合考慮中小型規(guī)模城市軌道交通線網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求、建設(shè)成本、運營成本及云平臺技術(shù)等因素的基礎(chǔ)上，提出了基于云計算技術(shù)的三層架構(gòu)AFC系統(tǒng)設(shè)計方案，構(gòu)建了“云”+“端”的扁平化AFC系統(tǒng)。該架構(gòu)在大幅提升系統(tǒng)資源利用效率的同時，很好地平衡了交易速度和交易安全。本文介紹的三層構(gòu)架AFC系統(tǒng)設(shè)計方案可為國內(nèi)中小規(guī)模城市軌道交通線網(wǎng)的AFC系統(tǒng)建設(shè)提供參考。