聶紅紅 馬殷元
(1. 蘭州交通大學(xué)機(jī)電技術(shù)研究所, 730070, 蘭州;2. 蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 730070, 蘭州∥第一作者, 碩士研究生)
AFC(自動售檢票)系統(tǒng)是城市軌道交通票務(wù)管理的基礎(chǔ)。采用通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫管理、自動化、現(xiàn)金識別等技術(shù),對AFC系統(tǒng)進(jìn)行智能化設(shè)計[1],可取代傳統(tǒng)人工售票、檢票、統(tǒng)計、結(jié)算等工作,進(jìn)而大大提高票務(wù)管理工作效率,為乘客提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。隨著城市軌道交通的發(fā)展,票務(wù)數(shù)據(jù)容量不斷擴(kuò)大,數(shù)據(jù)存儲設(shè)備數(shù)量相應(yīng)不斷增加,對數(shù)據(jù)處理設(shè)備性能的要求也更高。近年來,云計算技術(shù)作為一種新型互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)方式[2],為海量數(shù)據(jù)的存儲及處理等提供了基礎(chǔ)平臺,這不僅能提高數(shù)據(jù)處理能力,還實現(xiàn)了硬件設(shè)備的高效利用與管理,減少了數(shù)據(jù)存儲設(shè)備。將云計算技術(shù)引入到AFC系統(tǒng)中,建設(shè)混合云平臺可實現(xiàn)對AFC系統(tǒng)架構(gòu)層次的優(yōu)化,具有提高資源利用率、降低建設(shè)成本等優(yōu)點(diǎn)。
傳統(tǒng)AFC系統(tǒng)由票卡、車站終端設(shè)備、車站級服務(wù)器子系統(tǒng)、線路中央計算機(jī)子系統(tǒng)及清分子系統(tǒng)等5層組成[3],如圖1所示。
圖1 傳統(tǒng)AFC系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Conventional AFC system architecture
傳統(tǒng)AFC系統(tǒng)存在的問題:① 可靠性和可用性方面有待加強(qiáng),例如車站級服務(wù)系統(tǒng)(SC)計算機(jī)存在單點(diǎn)故障的問題;② AFC系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大,且分布較分散,增大了運(yùn)營管理的難度;③ 運(yùn)營維護(hù)成本不斷增加;④ 數(shù)據(jù)的高速增長對數(shù)據(jù)處理能力要求更高。
隨著互聯(lián)網(wǎng)支付技術(shù)的發(fā)展,不少城市軌道交通引入了新型互聯(lián)網(wǎng)支付模式,還對AFC系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。主要的優(yōu)化方案有組建線路中心(MLC)與融合清分中心(ACC)等。這些方案在一定程度上簡化了AFC系統(tǒng)架構(gòu)、降低了建設(shè)成本,但在可靠性及數(shù)據(jù)處理能力等方面仍存在許多問題。
結(jié)合城市軌道交通AFC系統(tǒng)架構(gòu)及線網(wǎng)遠(yuǎn)期發(fā)展需求,綜合考慮公有云與私有云的利弊,從建設(shè)成本和數(shù)據(jù)安全性出發(fā),本文提出采用混合云平臺部署模式?;旌显破脚_由私有云和公有云組合而成,可根據(jù)AFC系統(tǒng)中應(yīng)用程序及數(shù)據(jù)的重要性靈活部署?;旌显破脚_兼具公有云與私有云的優(yōu)勢,可降低建設(shè)成本,提高存儲數(shù)據(jù)安全性及系統(tǒng)可靠性。
在傳統(tǒng)AFC系統(tǒng)架構(gòu)及云平臺部署模式的基礎(chǔ)上,本文提出基于混合云平臺的AFC系統(tǒng)總體架構(gòu),如圖2所示。由圖2可見,混合云平臺取代了傳統(tǒng)AFC系統(tǒng)架構(gòu)中的車站級服務(wù)器子系統(tǒng)、線路中央計算機(jī)子系統(tǒng)及清分子系統(tǒng),車站終端設(shè)備直接接入了混合云平臺,最終形成了包含車票、車站終端設(shè)備和混合云平臺的3層架構(gòu)。云平臺可實現(xiàn)AFC業(yè)務(wù)的不間斷運(yùn)行、數(shù)據(jù)的集中存儲,是統(tǒng)一的平臺服務(wù),簡化了票務(wù)管理工作,進(jìn)而整體提高城市軌道交通運(yùn)營服務(wù)水平,降低設(shè)備維護(hù)成本。
圖2 基于混合云平臺的AFC總體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of AFC based on hybrid cloud
參照主流的云計算架構(gòu),基于混合云平臺的AFC系統(tǒng)架構(gòu)可劃分為基礎(chǔ)層、平臺層和軟件層[4]。為了保證服務(wù)的可靠性與數(shù)據(jù)的安全性,混合云服務(wù)體系中應(yīng)配置災(zāi)備數(shù)據(jù)中心與云安全管理機(jī)制?;旌显品?wù)體系架構(gòu)如圖3所示。
圖3 基于混合云平臺的AFC系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 AFC system architecture based on hybrid cloud platform
基礎(chǔ)層是AFC系統(tǒng)的基礎(chǔ),將服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)等硬件設(shè)備集中起來,通過虛擬化技術(shù)為上層應(yīng)用平臺按需提供計算、網(wǎng)絡(luò)及存儲等資源。混合云架構(gòu)可將部分非核心業(yè)務(wù)資源部署在公有云中,降低私有云建設(shè)成本及資源負(fù)載,便于實現(xiàn)基礎(chǔ)資源的彈性擴(kuò)展。為保證公有云與私有云之間的資源互連,應(yīng)在基礎(chǔ)層搭建專用網(wǎng)絡(luò),以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互通。
平臺層主要為AFC系統(tǒng)提供服務(wù)管理、資源管理、業(yè)務(wù)管理及數(shù)據(jù)管理等。通過組件和接口,平臺層向下獲取基礎(chǔ)層中的數(shù)據(jù),向上為軟件層支持應(yīng)用構(gòu)建。在混合云服務(wù)體系中,公有云與私有云的平臺層服務(wù)體系相同,服務(wù)內(nèi)容不同。數(shù)據(jù)及服務(wù)業(yè)務(wù)根據(jù)其重要程度分別部署在不同的云上,例如:清分管理及票務(wù)管理等核心業(yè)務(wù)部署在私有云上,辦公應(yīng)用及郵件系統(tǒng)等非核心業(yè)務(wù)部署在公有云上。
軟件層基于平臺層提供的數(shù)據(jù)接口,為不同的用戶及業(yè)務(wù)提供多樣化的軟件服務(wù)。在私有云中,軟件層主要是核心業(yè)務(wù)軟件,包括清分管理軟件、票務(wù)管理軟件及設(shè)備管理軟件等;在公有云中,軟件層為非核心類應(yīng)用軟件,包括辦公應(yīng)用軟件、郵件系統(tǒng)軟件等。
為保證AFC系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?,私有云與公有云之間應(yīng)采用點(diǎn)到點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)專線來實現(xiàn)云之間的網(wǎng)絡(luò)通信[5]。為提高混合云的容災(zāi)等級,保證AFC系統(tǒng)業(yè)務(wù)不間斷運(yùn)行,AFC系統(tǒng)應(yīng)采用業(yè)務(wù)雙活模式,并在異地建立數(shù)據(jù)災(zāi)備中心,以保證發(fā)生不可抗災(zāi)難時的數(shù)據(jù)安全可靠?;旌显齐p活異地災(zāi)備組網(wǎng)架構(gòu)如圖4所示。
混合云雙活異地災(zāi)備組網(wǎng)架構(gòu)具有如下特點(diǎn):
1) 業(yè)務(wù)雙活模式。為解決業(yè)務(wù)故障問題,傳統(tǒng)云平臺系統(tǒng)多采用主備模式,不僅設(shè)備利用率低,而且發(fā)生故障時的業(yè)務(wù)恢復(fù)時間較長。為此,業(yè)務(wù)雙活模式被提出。在業(yè)務(wù)雙活模式下,本地AFC系統(tǒng)和異地AFC系統(tǒng)沒有主備之分,兩者互補(bǔ)。采用云計算技術(shù)的雙活模式AFC系統(tǒng)能充分利用硬件資源,提高設(shè)備利用率。由于2個AFC系統(tǒng)同時進(jìn)行工作與災(zāi)備,故在發(fā)生故障時,業(yè)務(wù)能夠自動切換,保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)零丟包,極大提高了業(yè)務(wù)的可靠性與穩(wěn)定性。要實現(xiàn)基于混合云平臺的AFC系統(tǒng)業(yè)務(wù)雙活,就需建立2個私有云平臺,并在基礎(chǔ)層、平臺層及軟件層實現(xiàn)2個平臺的互聯(lián),以保證2個平臺具有相同的部署架構(gòu)、設(shè)備資源、業(yè)務(wù)類型等,采用負(fù)載均衡技術(shù)以實現(xiàn)最佳雙活效果。私有云平臺之間采用先進(jìn)的SDN技術(shù)及NFV技術(shù),保證了平臺之間網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)的互通。
2) 異地數(shù)據(jù)災(zāi)備中心。該災(zāi)備中心主要承擔(dān)AFC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)備份功能,對數(shù)據(jù)存儲要求較高,故建設(shè)時應(yīng)綜合考慮AFC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲量與數(shù)據(jù)增長量。
與傳統(tǒng)的AFC系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲技術(shù)相比,混合云數(shù)據(jù)存儲技術(shù)具有容量大、易擴(kuò)展等優(yōu)勢,通過負(fù)載均衡技術(shù)等可降低存儲設(shè)備的閑置,提高資源利用率[6]。根據(jù)當(dāng)前主流的云存儲技術(shù)及AFC系統(tǒng)業(yè)務(wù),基于混合云技術(shù)的AFC系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲體系架構(gòu)如圖5所示。
圖5 基于混合云的AFC數(shù)據(jù)存儲體系架構(gòu)Fig.5 AFC data storage architecture based on hybrid cloud
存儲層是整個AFC系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲的基礎(chǔ),由存儲服務(wù)器、存儲設(shè)備及存儲網(wǎng)絡(luò)等組成,通過集群技術(shù)和虛擬存儲完成對數(shù)據(jù)的存儲。
管理層通過數(shù)據(jù)壓縮、存儲調(diào)度、數(shù)據(jù)加密等數(shù)據(jù)存儲技術(shù),為存儲層提供數(shù)據(jù)容量小、存儲效率高的數(shù)據(jù)存儲服務(wù);通過數(shù)據(jù)解壓、獲取調(diào)度、數(shù)據(jù)解密等數(shù)據(jù)獲取技術(shù),為服務(wù)層提供高效的數(shù)據(jù)獲取服務(wù);通過數(shù)據(jù)安全及數(shù)據(jù)遷移等技術(shù),保證數(shù)據(jù)的存儲安全性,并提供數(shù)據(jù)遷移功能。
服務(wù)層為應(yīng)用層提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)挖掘等服務(wù)接口。數(shù)據(jù)查詢服務(wù)可以讓用戶通過應(yīng)用程序方便查詢數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)檢索服務(wù)可以方便用戶查詢AFC系統(tǒng)中各類設(shè)備、票卡及票務(wù)等數(shù)據(jù)信息,數(shù)據(jù)挖掘服務(wù)可幫助預(yù)測客流信息等。
應(yīng)用層為用戶提供具體的應(yīng)用程序,可利用服務(wù)層提供的服務(wù)接口開發(fā)各種AFC業(yè)務(wù)程序。
AFC系統(tǒng)的用戶在訂閱計算資源時,通過應(yīng)用程序?qū)⑷蝿?wù)請求提交給混合云資源調(diào)度系統(tǒng)?;旌显瀑Y源調(diào)度系統(tǒng)具有資源監(jiān)測和資源調(diào)度等功能,可根據(jù)用戶任務(wù)請求和各云平臺資源使用情況來選擇調(diào)度策略?;旌显瀑Y源調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。
圖6 混合云資源調(diào)度系統(tǒng)示意圖Fig.6 Hybrid cloud resource scheduling model
例如,當(dāng)私有云中的計算資源負(fù)載過大時,用戶通過混合云資源調(diào)度系統(tǒng)向公有云申請計算資源的關(guān)鍵步驟為:
1) 任務(wù)請求。當(dāng)私有云計算資源不足時,混合云資源調(diào)度系統(tǒng)主動向公有云申請計算資源。計算資源調(diào)度要充分考慮數(shù)據(jù)的安全性,保證數(shù)據(jù)不離開私有云。
2) 任務(wù)分配。在執(zhí)行任務(wù)時,有些任務(wù)存在順序關(guān)系,有些任務(wù)可同時執(zhí)行。因此,計算資源分配時應(yīng)充分考慮任務(wù)之間的關(guān)系,并根據(jù)任務(wù)類型合理分配。
隨著城市軌道交通的快速發(fā)展,傳統(tǒng)的AFC系統(tǒng)出現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理能力不足、存儲設(shè)備量大等問題。AFC系統(tǒng)在引入云計算技術(shù)后,將大大減少硬件設(shè)備,降低建設(shè)維護(hù)成本,提高資源利用率,推動AFC系統(tǒng)更智能化的發(fā)展。