基于云平臺的綜合監(jiān)控系統(tǒng)建設方案

胡 波 路紅娟 李 冰 徐 超

(1.南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司，210003，南京；2.國電南瑞科技股份有限公司，210061，南京//第一作者，高級工程師)

城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)需求呈快速升上趨勢，2017年全國有29個城市共計36條線路進行了綜合監(jiān)控系統(tǒng)招標，市場需求將達66.17億元。然而，城市軌道交通地下空間有限，需要安裝的設備卻越來越多，城市軌道交通各系統(tǒng)運維難度和成本越來越高的問題急需解決。綜合監(jiān)控系統(tǒng)的云平臺方案能很好地解決上述問題。

1 綜合監(jiān)控云平臺解決方案

1.1 云平臺及其虛擬化

云平臺采用資源池構成數據中心，為用戶提供服務，能根據工作負載的大小動態(tài)調整資源[1]。云計算服務主要包括IaaS(Infrastructure as a Service，基礎設施即服務)、PaaS(Platform as a Service，平臺即服務)和SaaS(Software as a Service，軟件即服務)3種模式[2]。綜合監(jiān)控業(yè)務對實時性要求高，對管理及分析功能需求較少，因此用不到高層次的大數據挖掘等功能，故采用IaaS服務。IaaS層將計算設備、網絡設備、存儲設備等基礎設施進行虛擬化和封裝，向用戶提供服務。

本文選擇KVM(Kernel-based Virtual Machine)虛擬化技術。KVM是已嵌入Linux操作系統(tǒng)標準內核中的一個虛擬化模塊，提供CPU(中央處理器)和內存虛擬化，通過QEMU(純軟件實現的虛擬化模擬器)的輔助實現虛擬機的創(chuàng)建。Linux內核具有虛擬化管理軟件(Hypervisor)的條件，并作為虛擬機管理器(Virtual machine monitor，簡稱“VMM”) 。VMM能夠支持KVM工具來進行加載虛擬機(Virtual Machine，簡稱“VM”)。圖1為云平臺基礎架構圖。

圖1中第一層為硬件基礎設施層，選用性能較好的服務器，擔任本平臺的硬件實體資源；第二層為虛擬化層，將第一層基礎設施進行抽象，形成虛擬資源，同時擔任虛擬機管理；第三層為虛擬機層，根據需求生成虛擬機，通過虛擬機封裝用戶各自的運行環(huán)境，配置私有服務器，指定CPU數目、內存容量、磁盤空間，創(chuàng)建云平臺的資源池。此層虛擬機的創(chuàng)建、遷移、內存擴容及安全隔離等均由第二層作技術支持。第四層為應用平臺層即綜合監(jiān)控系統(tǒng)所在層。本文提出了基于云平臺的綜合監(jiān)控集中式和分布式2種解決方案。

圖1 云平臺基礎架構圖

1.2 綜合監(jiān)控解決方案

1.2.1 集中式解決方案

集中式解決方案(見圖2)，是在中心部署多臺服務器，分為主備2個服務器組集群，每個服務器組集群部署2臺中心實時服務器(互為主備)、2臺歷史服務器及每個車站的1臺實時服務器，通過虛擬化技術形成中心虛擬化平臺，服務器之間通過虛擬網絡進行通信。FEP(前端處理器)設備等部署在車站，通過交換機與中心通信，中心和車站工作站部署桌面云終端。

圖2 集中式解決方案構架圖

由于云平臺的自動遷移技術，形成了此方案除綜合監(jiān)控系統(tǒng)的主備之外，又擁有云服務器的主備，形成了雙重冗余，增強了系統(tǒng)的可靠性。由于車站服務器部署在中心集群中，車站不再部署機柜，只部署云終端，因此，減少了建設成本，節(jié)約了空間，同時減少了車站工作人員數量。當虛擬機故障或者內存不足時，通過云平臺的自動遷移和擴容技術可以在短時間內實現擴容，而且不影響系統(tǒng)運行，既保證了系統(tǒng)的可靠性，又節(jié)省了運維成本。然而所有服務器均部署在控制中心，增加了網絡的數據流量，對骨干網本身帶寬有一定要求。此種方案若發(fā)生極端情況，系統(tǒng)將無法降級運行，適用于規(guī)模小、站點少、造價較低的工程。

1.2.2 分布式解決方案

分布式解決方案，是在中心部署虛擬化平臺，車站的主服務器均部署在中心，車站備用服務器部署在車站，中心的客戶端采用云桌面的方式。當出現中心癱瘓或斷網等突發(fā)狀況時，各車站服務器接管監(jiān)控業(yè)務，降級運行。車站工作站采用PC(個人電腦)加桌面云的方式。

如圖3所示，正常情況下，車站PC、云終端和FEP數據來源于控制中心的虛擬車站服務器；當網絡中斷，車站PC和FEP數據來源于車站服務器。此種方案適用于規(guī)模較大、站點較多的線路。

圖3 車站數據流示意圖

2 云平臺方案的優(yōu)勢

(1)提高資源利用率，節(jié)約成本。傳統(tǒng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)，中心部署6臺服務器、6臺臺式計算機和2臺存儲設備，車站部署2臺服務器和3臺工作站。以某線20座車站、1個中心為例，全線需服務器46臺、臺式機66臺和存儲設備2臺。車站服務器占比達90%，然而車站級CPU利用率較低，甚至低于5%，而中心服務器長期處于高負載。云平臺中1臺2路服務器可虛擬20個云桌面，1臺4路高配服務器可虛擬50個車站服務器，考慮到容錯、負載可滿足40座車站的正常運行需求，資源利用率明顯提升。云平臺還可將地鐵各業(yè)務統(tǒng)一部署管理，能大大降低管理和運營成本，明顯降低工程總造價。

(3)數據安全。分布式共享存儲，數據分片在資源池內打散，硬盤故障后，在全資源池內自動并行重建。虛擬機導出導入機制，以文件形式將數據導出至外部存儲，能夠快速恢復虛擬機中數據，做到安全備份。當需要多個數據備份時，在傳統(tǒng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，數據冗余遵循業(yè)務主備機互斥原則，而云平臺可以更好地提供數據冗余服務。在云平臺中管理、業(yè)務和存儲通信平面獨立，從根本上保證了綜合監(jiān)控系統(tǒng)的數據安全。

(4)簡化部署和運維。通過虛擬鏡像方便地創(chuàng)建多個虛擬機，省去了工程裝機和配置的大量工作，且保證運行環(huán)境的高度一致。當物理節(jié)點故障時虛擬機自動遷移并且重啟，減少了人工干預，也縮短了恢復時間。云平臺可實現控制中心集中化運維，車站工作量大幅減少，運維人員減少，只需增加少量的云平臺運維人員。云平臺管理方便快速，提高了運維效率，降低了運維成本。

3 結語

云平臺方案除可以應用于綜合監(jiān)控系統(tǒng)外，還可以擴展到整體線路中的CCTV(閉路電視)、ATS(列車自動監(jiān)視)、PA(廣播)等專業(yè)所有的服務，生成包括綜合監(jiān)控在內的各種專業(yè)的數據中心，給地鐵運行信息化建設帶來新的方向。云平臺方案采用先進的技術和理念，能夠有效減少設備數量及空間要求，減少運維人員，降低運維成本，提高運維效率，提高軌道交通整體運營水平，適合軌道交通發(fā)展方向，將引導整個軌道交通的新未來，會引起地鐵招標方式、建設模式、運營方式的變革。