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)。

1 傳統(tǒng)AFC系統(tǒng)存在的問題

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。

2 基于混合云平臺的AFC系統(tǒng)

2.1 混合云平臺部署模式

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。

2.2 基于混合云平臺的AFC系統(tǒng)總體架構(gòu)

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

2.3 混合云平臺架構(gòu)

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。

3 基于混合云平臺的AFC系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 混合云雙活異地災(zāi)備組網(wǎng)

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。

3.2 混合云數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)

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。

3.3 混合云資源調(diào)度系統(tǒng)

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。

4 結(jié)語

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。