胡啟正 余立偉 謝智多

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所,100081,北京; 2.國能朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司,062350,滄州; 3.北京華鐵信息技術(shù)有限公司,100081,北京)

隨著《“十三五”國家信息化規(guī)劃》《交通運輸信息化“十三五”發(fā)展規(guī)劃》等文件對軌道交通行業(yè)信息化、標準化等要求的提出,為貫徹落實鐵路信息化建設(shè)的相關(guān)要求,中國國家鐵路集團有限公司印發(fā)《鐵路信息化總體規(guī)劃》,規(guī)范并指導“十三五”時期乃至更長一段時間內(nèi)鐵路信息化的建設(shè),以推進鐵路行業(yè)各系統(tǒng)信息化進程。以京張高鐵智能動車組和京雄高鐵智能運營信息化支撐關(guān)鍵技術(shù)研究項目為依托,我國已初步構(gòu)建出智能鐵路技術(shù)體系[1],廣泛應用云計算、人工智能等新技術(shù)對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施裝備的相關(guān)信息進行全面、科學、主動的檢測與監(jiān)測,邁出了智能鐵路的關(guān)鍵一步。

鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)歷了從無到有、由弱到強的發(fā)展歷程,從最初只能對駝峰、區(qū)間設(shè)備進行監(jiān)測,逐漸發(fā)展成為信號設(shè)備的綜合監(jiān)測平臺。隨著監(jiān)測范圍的不斷擴大、監(jiān)測精度的逐步提高、監(jiān)測功能的日益完善,對信號集中監(jiān)測系統(tǒng)也提出了更高的要求,以期逐步實現(xiàn)信號設(shè)備智能運維的總體目標。對信號集中監(jiān)測系統(tǒng)提出的要求有:①信號集中監(jiān)測系統(tǒng)在對信號設(shè)備狀態(tài)進行監(jiān)測的同時,還應具備故障診斷能力,實現(xiàn)自動分析采集接口數(shù)據(jù)功能;②當設(shè)備存在隱患時,信號集中監(jiān)測系統(tǒng)能夠提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患[2];③當設(shè)備故障時,信號集中監(jiān)測系統(tǒng)能夠診斷并定位故障范圍及故障原因。既有信號集中監(jiān)測系統(tǒng)仍依賴于依靠大量人力在實體物理機上進行系統(tǒng)環(huán)境配置、應用軟件部署和網(wǎng)絡(luò)配置,存在耗時長、硬件資源未充分利用、部署靈活性受限、成本高等問題。目前,隨著云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)在鐵路系統(tǒng)內(nèi)的應用推廣[3],原有系統(tǒng)架構(gòu)和部署方案已經(jīng)無法滿足智能化、信息化、智慧化發(fā)展的需求。將云平臺技術(shù)應用到鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)中,充分整合多臺物理服務(wù)器的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源,在中心層面形成統(tǒng)一的資源池,進行集中調(diào)度分配與管理,可以靈活進行橫向、縱向擴展,在資源池內(nèi)為不同業(yè)務(wù)需求靈活分配獨立的資源,提升硬件資源的利用率和管理效率,實現(xiàn)業(yè)務(wù)的快速部署。

隨著大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術(shù)在鐵路系統(tǒng)中的應用,鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)作為鐵路電務(wù)維修方式由計劃修向狀態(tài)修演進的關(guān)鍵系統(tǒng)之一,要求系統(tǒng)除了具備一定的智能化和自動化的新業(yè)務(wù)能力外,還要求系統(tǒng)架構(gòu)具備智能化、網(wǎng)絡(luò)化及數(shù)字化的特點,構(gòu)建海量數(shù)據(jù)采集和分析的系統(tǒng)服務(wù)體系。本文針對信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀,運用云計算技術(shù)的優(yōu)勢,在實驗室中構(gòu)建了基于云計算的信號集中監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu),并采用服務(wù)等級協(xié)議對整體架構(gòu)進行評價。本文研究可為信號集中監(jiān)測系統(tǒng)向云遷移提供試驗基礎(chǔ)和技術(shù)指導。

1 基于云計算技術(shù)的信號集中監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 現(xiàn)狀分析

鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)主要由兩部分構(gòu)成:系統(tǒng)配置的層次結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。監(jiān)測系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)為三級四層結(jié)構(gòu),主要包含:鐵路總公司、鐵路局、電務(wù)段三級;鐵路總公司監(jiān)測子系統(tǒng)、鐵路局電務(wù)監(jiān)測子系統(tǒng)、電務(wù)段監(jiān)測子系統(tǒng)、車站監(jiān)測網(wǎng)四級。在具體的實施過程中,監(jiān)測系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的具體劃分會根據(jù)電務(wù)部門維護和管理工作的實際需求進行調(diào)整。信號集中監(jiān)測系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。由圖1可知,每臺物理服務(wù)器均承載一項獨立業(yè)務(wù),若要滿足冗余性要求,則物理服務(wù)器的數(shù)量將更多。

注:TDCS為列車調(diào)度指揮系統(tǒng);CTC為分散自律調(diào)度集中;TSRS為臨時限速服務(wù)器系統(tǒng);RBC為無線閉塞中心;CBI為計算機聯(lián)鎖。

信號集中監(jiān)測系統(tǒng)采用傳統(tǒng)信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),其示意圖如圖2所示。目前,傳統(tǒng)信號集中監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要面臨以下幾個方面的問題:

圖2 信號集中監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

1) 業(yè)務(wù)系統(tǒng)耦合度高。業(yè)務(wù)系統(tǒng)軟件開發(fā)的耦合度過高,一旦其中某項功能升級,將會涉及其余多個模塊,新增或升級功能項可能導致多個業(yè)務(wù)重新部署。

2) 業(yè)務(wù)部署耗時長。①鐵路CSM(信號集中監(jiān)測)系統(tǒng)按業(yè)務(wù)分別設(shè)立獨立的硬件基礎(chǔ)設(shè)施,例如:通信前置服務(wù)器、Web服務(wù)器和應用服務(wù)器等,各業(yè)務(wù)功能獨立運行在不同的服務(wù)器上,需要分別對不同物理服務(wù)器進行單獨的系統(tǒng)配置;②業(yè)務(wù)進行變動升級時,涉及多個物理服務(wù)器,操作便利性低。

3) 建設(shè)和運用成本高。①為滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性和隔離性要求,通常特定功能的應用程序會配屬獨立的物理服務(wù)器,且物理服務(wù)器的配置資源按應用程序峰值運行需求進行購置,單臺服務(wù)器計算資源利用率低;②磁盤陣列的使用僅用作應用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,其他服務(wù)器均使用各自獨立的硬盤資源進行存儲,存儲資源分散,系統(tǒng)對磁盤陣列的利用率不高。

4) 可擴展性較差。①分散獨立設(shè)置的CSM系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施無法對閑置資源進行整合,造成一定程度的資源浪費;②面對業(yè)務(wù)量驟增,為滿足隔離性要求,無法在原有基礎(chǔ)設(shè)施上進行業(yè)務(wù)模塊擴展。

5) 系統(tǒng)運維管理工作難度大。信號集中監(jiān)測中心子系統(tǒng)可容納多臺物理服務(wù)器,運維人員無法對物理服務(wù)器上各應用業(yè)務(wù)進行綜合管理,現(xiàn)場存在故障處置不及時的問題。

1.2 基于云計算技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計方案

云計算平臺應提供云計算基礎(chǔ)設(shè)施資源服務(wù),包括IaaS(基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù))、PaaS(平臺即服務(wù))和SaaS(軟件即服務(wù))[4]。IaaS通過虛擬化技術(shù)、軟件定義存儲和軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù),整合通用的物理服務(wù)器、存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成共享資源池,為應用系統(tǒng)提供需要的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源。PaaS根據(jù)應用系統(tǒng)需求,提供共性的、開放的、可管理的服務(wù)能力,通過開放接口或SDK(軟件開發(fā)工具包)向應用系統(tǒng)提供服務(wù)。SaaS提供經(jīng)營管理和用戶生產(chǎn)所需要的軟件服務(wù)。

云平臺部署方式如下:①私有云平臺——企業(yè)購置基礎(chǔ)設(shè)施,并部署面向企業(yè)內(nèi)部的服務(wù);②公有云平臺——由云服務(wù)商建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施,企業(yè)購買相應服務(wù);③混合云平臺——上述兩種方式均包含的一種部署方式。

結(jié)合鐵路安全生產(chǎn)相關(guān)要求,基于云平臺的鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)部署方式應當選擇鐵路專用內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)在管轄范圍內(nèi)構(gòu)建私有云平臺,在保證數(shù)據(jù)安全可靠的同時,還保障了基礎(chǔ)設(shè)施的可控性?；谠破脚_的信號集中監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于云平臺的信號集中監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

基于云平臺的信號集中監(jiān)測系統(tǒng)主要分為:

1) 數(shù)據(jù)采集層,主要由信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的車站采集設(shè)備和中心外部系統(tǒng)接口組成,是CSM系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)源。

2) 云平臺資源層,主要由物理資源和虛擬資源池組成,其中硬件資源必須選用支持虛擬化技術(shù)的服務(wù)器、存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。云平臺資源層主要實現(xiàn)過程為:①在物理服務(wù)器上安裝VMware ESXi軟件,在硬件資源上構(gòu)建虛擬機監(jiān)視器Hypervisor,完成服務(wù)器的IP(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)配置,并在此基礎(chǔ)上進行嵌入式安裝vCenter虛擬機,將所有ESXi宿主機納入vCenter數(shù)據(jù)中心進行集中管理;②將磁盤陣列以FC(網(wǎng)狀通道)協(xié)議接入ESXi服務(wù)器,構(gòu)建共享存儲資源池;③運用vCenter軟件定義通信鏈路功能,按業(yè)務(wù)需求對虛擬標準交換機的端口進行邏輯劃分,構(gòu)建出業(yè)務(wù)網(wǎng)和管理網(wǎng),形成動態(tài)調(diào)整的整體網(wǎng)絡(luò)資源。形成統(tǒng)一的計算資源池、網(wǎng)絡(luò)資源池和存儲資源池,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對平臺資源的統(tǒng)一調(diào)度,為云平臺服務(wù)層提供基礎(chǔ)資源,還能簡化外部設(shè)備,提升現(xiàn)場人員的管理效率。管理服務(wù)器能對宿主機和虛擬機進行統(tǒng)一資產(chǎn)管理和集群管理[5]。

3) 云平臺服務(wù)層,主要負責承載信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的中心業(yè)務(wù),實現(xiàn)中心分析、管理、報警等功能。云平臺服務(wù)層的主要實現(xiàn)過程為:①信號集中監(jiān)測系統(tǒng)中心設(shè)備統(tǒng)一從虛擬資源池中進行資源劃分,構(gòu)建相互協(xié)作的虛擬機,各虛擬機之間通過虛擬標準交換機實現(xiàn)對轄管終端、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、通信前置服務(wù)器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)[6];②在云平臺的基礎(chǔ)上,采用自動化部署將業(yè)務(wù)模塊部署到各對應的虛擬機上;③數(shù)據(jù)存儲包含關(guān)系數(shù)據(jù)庫和大數(shù)據(jù)存儲方式,可實現(xiàn)管轄范圍內(nèi)車站監(jiān)測數(shù)據(jù)的全生命周期存儲,為智能診斷、數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支撐。

4) 交互層,主要負責為用戶和運維人員提供B/S(瀏覽器/服務(wù)器模式)或C/S(客戶端/服務(wù)器模式)架構(gòu)的展示界面,能夠高效展示系統(tǒng)的總體資源利用率和動態(tài)資源調(diào)度發(fā)生率。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 分布式架構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)中心前置軟件及中心應用軟件采用分布式結(jié)構(gòu)進行開發(fā),前后端分離部署,并借鑒SOA(面向服務(wù)的架構(gòu))設(shè)計模式,將中心前置作為通信服務(wù)總線,便于統(tǒng)一控制業(yè)務(wù)流向及協(xié)議格式,能夠使監(jiān)測業(yè)務(wù)實現(xiàn)內(nèi)部流程標準化,并能夠應對未來多變的接入場景。各模塊之間松耦合,根據(jù)應用場景靈活選擇部署,模塊間除了部分業(yè)務(wù)有關(guān)聯(lián)性外,各程序運行互不干擾,以降低故障傳遞性。

1.3.2 集群模式

為了提高分布式結(jié)構(gòu)中單節(jié)點軟件的高可用性及并行處理能力,中心前置軟件、中心應用軟件均采用集群模式,并支持在線橫向擴展。集群模式具備以下重要機制:

1) 高可用性。當集群中部分節(jié)點失效后,能夠正常提供集群服務(wù),由Zookeeper應用程序協(xié)調(diào)機制,進行業(yè)務(wù)遷移。

2) 橫向擴展。集群通過在Zookeeper應用程序上注冊節(jié)點信息,集群中的主控節(jié)點負責監(jiān)控節(jié)點變化,在節(jié)點發(fā)生變化時,推送原數(shù)據(jù)到其他節(jié)點及中心通信組件,各節(jié)點根據(jù)通知進行相應的策略調(diào)整。

3) 負載均衡。根據(jù)業(yè)務(wù)量的大小動態(tài)均衡各節(jié)點業(yè)務(wù)處理量,在保障負載均衡的同時,提高整體并發(fā)能力和響應速度。

1.3.3 自動化部署

在云平臺上,業(yè)務(wù)系統(tǒng)部署對象從物理服務(wù)器轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M機,當面對業(yè)務(wù)量大的場景時,人工進行業(yè)務(wù)部署將面臨低效率窘境。為了簡化部署流程,提升部署效率,采用Java與Shell混合編程的方式實現(xiàn)業(yè)務(wù)部署的自動化。自動化部署選項主要包含初始化節(jié)點、新增節(jié)點和刪除節(jié)點。

業(yè)務(wù)自動化部署程序主要由配置文件讀取、文件分發(fā)和進程操作三個腳本組成?；玖鞒虨槌绦蛲ㄟ^讀取配置文件,獲取待部署機器的相關(guān)信息,包括IP信息、部署業(yè)務(wù)信息及登錄賬戶密碼等,然后調(diào)用分發(fā)腳本對目標機器進行業(yè)務(wù)程序拷貝,最后通過用戶的選擇對業(yè)務(wù)程序進行相關(guān)進程操作,實現(xiàn)業(yè)務(wù)自動化部署。以初始化節(jié)點為例,其自動部署流程如圖4所示。

圖4 初始化節(jié)點自動部署流程圖

自動化部署的操作界面主要通過Java語言內(nèi)嵌tomcat程序啟動DeployWEB包,其主要負責展示和交互數(shù)據(jù),并處理主體業(yè)務(wù)邏輯。配置文件的讀取主要通過shell腳本調(diào)用ConfigFile函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫配置文件庫表的讀取。文件分發(fā)腳本主要是由except和scp命令來實現(xiàn)遠程登錄和文件拷貝。進程操作過程主要是由watchDogDeploy.sh和KillOrDeleteObj.sh腳本實現(xiàn)。

2 方案應用及評價指標

實驗室環(huán)境配置8 TiB磁盤陣列、6臺32核256 GiB內(nèi)存服務(wù)器、2臺光纖交換機、1臺三層交換機構(gòu)建基于云平臺的鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng),其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5所示。

注:VM為虛擬機。

虛擬機采用64位CentOS 7操作系統(tǒng),每臺配置4個虛擬網(wǎng)卡,分別用于業(yè)務(wù)網(wǎng)及管理網(wǎng),通過在業(yè)務(wù)網(wǎng)部署的一臺虛擬機運行自動化部署工具對業(yè)務(wù)網(wǎng)內(nèi)虛擬機下發(fā)命令,以實現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)自動化部署。

自動化部署業(yè)務(wù)和人工部署業(yè)務(wù)耗時對比如圖6所示。測試方式為同一個人分別采用兩種方式進行系統(tǒng)部署,共重復5次,部署時間取均值。

圖6 自動化部署與人工部署業(yè)務(wù)耗時對比

采用SLA(服務(wù)等級協(xié)議)對云平臺進行質(zhì)量評估,評估原則主要有以下幾個方面:

1) 可用性。在所需要的資源得到保證的前提下,云計算服務(wù)提供者能夠在規(guī)定的條件下,在給定的時間間隔內(nèi),依據(jù)云服務(wù)SLA向用戶提供相應云計算服務(wù)的能力。

2) 可靠性。在面臨網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的動態(tài)不確定性、服務(wù)交互通信可靠性改變、服務(wù)遭遇惡意攻擊拒絕、服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施故障等問題時,其服務(wù)質(zhì)量是否能夠得到保障的評估指標。

3) 效率性。服務(wù)的及時響應性、服務(wù)互動溝通機制、服務(wù)投訴解決率、計算資源配置及時性及虛擬機遷移時間[7]。

4) 可維護性。例如平均故障維修時間、擴展性、兼容性。

結(jié)合CSM業(yè)務(wù)特點,提出如下服務(wù)質(zhì)量評價指標:

1) IaaS的SLA參數(shù)主要包括虛擬機和服務(wù)器,以及用戶需求的響應時間等,如表1所示。

表1 IaaS的SLA參數(shù)及說明

2) PaaS的SLA參數(shù)主要包括云服務(wù)平臺和平臺環(huán)境的相關(guān)參數(shù),包括平臺的整合能力和可擴展性等,如表2所示。

表2 PaaS的SLA參數(shù)及說明

3) 依托實驗室搭建條件,并結(jié)合CSM業(yè)務(wù)需求,對IaaS進行服務(wù)質(zhì)量測評,測評結(jié)果如表3所示。

表3 IaaS的服務(wù)質(zhì)量測評結(jié)果

3 結(jié)語

云計算技術(shù)充分利用了現(xiàn)有的硬件基礎(chǔ),不僅節(jié)約了鐵路各系統(tǒng)的建設(shè)成本,還將對既有分散的各系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和部署服務(wù)模式產(chǎn)生積極影響。作為鐵路電務(wù)設(shè)備監(jiān)測及管理的重要系統(tǒng)之一,基于云平臺的鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)對系統(tǒng)資源進行了優(yōu)化配置,其部署靈活性、性能穩(wěn)定性及可靠性均有顯著提升。

基于云平臺的鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)研究,符合鐵路信息化、智能化的發(fā)展理念,能夠支撐鐵路電務(wù)系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析功能,對于推進信號設(shè)備的修程、修制及改革具有重要的意義。