基于虛擬化技術(shù)的鐵路調(diào)度集中系統(tǒng)體系架構(gòu)研究

宋鵬飛，許 偉，趙隨海，周宏偉

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 國家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100081）

1 基于虛擬化的調(diào)度集中系統(tǒng)分析

調(diào)度集中 (Centralized Train Control，CTC)系統(tǒng)是鐵路行車運(yùn)輸指揮的核心系統(tǒng)[1]，是通過對管轄區(qū)段內(nèi)的列車和調(diào)車作業(yè)統(tǒng)一指揮管理，實現(xiàn)調(diào)度指揮集中控制的重要技術(shù)裝備。經(jīng)過多年的發(fā)展，目前已在高速鐵路線路全面應(yīng)用，實現(xiàn)對高速鐵路列車運(yùn)行的集中控制，提高運(yùn)輸指揮效率。

隨著CTC系統(tǒng)在鐵路運(yùn)輸指揮中的地位日趨重要，如何加強(qiáng)CTC系統(tǒng)的穩(wěn)定性、提高故障應(yīng)急處置能力，是一個亟待解決的問題。劉俊[2]提出，應(yīng)提升物防水平，針對CTC系統(tǒng)不斷優(yōu)化設(shè)備性能，持續(xù)改善完善CTC系統(tǒng)功能、健全技防體系，加強(qiáng)應(yīng)急處置平臺能力。當(dāng)前運(yùn)輸調(diào)度指揮生產(chǎn)中遇到了一些問題和挑戰(zhàn)，主要反映在以下方面。

（1）既有運(yùn)輸調(diào)度臺多終端切換操作方式不易于調(diào)度員使用。目前調(diào)度臺中一般設(shè)有運(yùn)行圖終端、站場顯示終端、助理調(diào)度終端、查詢終端等多臺機(jī)器終端，調(diào)度員通過操作運(yùn)行圖終端設(shè)備，編輯運(yùn)行調(diào)整計劃、編寫調(diào)度命令并下達(dá)，在發(fā)現(xiàn)車次錯誤或站場報警時，需要切換至站場顯示終端進(jìn)行修改車次或報警消除確認(rèn)，通過查詢終端查詢相鄰調(diào)度臺或其他運(yùn)輸信息。而多臺終端的切換操作較為不便，降低調(diào)度員的工作效率。同時，散熱、噪音等問題一直困擾著調(diào)度指揮人員。除此之外，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，在狹小的調(diào)度臺機(jī)柜中維修不便，進(jìn)而影響調(diào)度員的工作進(jìn)度。

（2）既有調(diào)度集中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性較差。每一個調(diào)度臺存在多個線路接口，在設(shè)計院設(shè)計時，經(jīng)常會對接口設(shè)備進(jìn)行利舊處理。同時，高速鐵路線路開通穩(wěn)定之后，會穩(wěn)步提高線路運(yùn)力，這就對應(yīng)著調(diào)度集中系統(tǒng)管理的運(yùn)營數(shù)據(jù)、邏輯運(yùn)算處理量階段式地提高，從而可能導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)操作響應(yīng)變慢等情況。在系統(tǒng)運(yùn)用中，運(yùn)輸部門會提出更多的需求和功能，也會引起部分早期建設(shè)的系統(tǒng)面臨著設(shè)備老化、計算能力不足無法適應(yīng)軟件功能不斷擴(kuò)展的現(xiàn)象。

（3）部分調(diào)度集中系統(tǒng)設(shè)備負(fù)載不均衡。對部分新開通的線路，運(yùn)營列車較少，承擔(dān)的行車計劃、運(yùn)輸作業(yè)相應(yīng)較少，運(yùn)輸能力不緊張，而對部分滿負(fù)荷線路，大量的運(yùn)輸組織計劃、列車開行會引起系統(tǒng)的資源緊缺，主要體現(xiàn)在顯示列車狀態(tài)存在小的延時、系統(tǒng)的操作響應(yīng)速度不如之前靈敏，查詢歷史數(shù)據(jù)時緩慢遲鈍等問題，這一類現(xiàn)象亟需升級解決。與之相反的是，CTC系統(tǒng)大多數(shù)服務(wù)器均為雙機(jī)熱備冗余，此方式雖然提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，由于備機(jī)系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算較少，也會造成整體資源的浪費。

（4）應(yīng)急切換困難不利于調(diào)度指揮作業(yè)。目前一個鐵路局集團(tuán)公司高速鐵路線路包含幾十條的線路服務(wù)器及幾百個車站，存在上千個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器設(shè)備、終端節(jié)點，這對故障的應(yīng)急處置提出了極大的考驗，如果一旦運(yùn)行圖終端設(shè)備故障，必須等待電務(wù)維修人員進(jìn)行更換或搶修，應(yīng)急處置的時間通常較長，這對調(diào)度員的行車指揮影響較大。

近年來虛擬機(jī)、云計算等技術(shù)快速發(fā)展，有專家學(xué)者考慮依托虛擬化提高服務(wù)器的并發(fā)性[3-7]。目前在鐵路系統(tǒng)中虛擬化的應(yīng)用有部分案例，劉相坤等[8]在12306雙活數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用中使用虛擬化技術(shù)提高數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定性；王奇成[9]研究在鐵路信息系統(tǒng)運(yùn)維中應(yīng)用虛擬化技術(shù)降低建設(shè)成本。為此，基于虛擬化對鐵路調(diào)度集中系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，構(gòu)建新的調(diào)度集中體系結(jié)構(gòu)，在保障設(shè)備安全的前提下，重點考慮對運(yùn)輸指揮人員的操作設(shè)備進(jìn)行性能調(diào)優(yōu)，利用虛擬化技術(shù)進(jìn)行負(fù)載均衡，對行車設(shè)備故障時快速恢復(fù)，提升系統(tǒng)響應(yīng)速度，提高作業(yè)效率，從而保障運(yùn)輸指揮的安全高效運(yùn)行。

2 基于虛擬化的調(diào)度集中系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

基于虛擬化技術(shù)，結(jié)合當(dāng)前調(diào)度集中系統(tǒng)的調(diào)度流程，基于虛擬化的鐵路調(diào)度集中系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1所示。

基于虛擬化的鐵路調(diào)度集中系統(tǒng)體系架構(gòu)分為虛擬化層、調(diào)度集中應(yīng)用層2層。其中，調(diào)度集中應(yīng)用層實現(xiàn)時，分為3個子層：虛擬化的調(diào)度集中應(yīng)用子層、資源管理子層、備份及應(yīng)急處理管理子層。調(diào)度集中應(yīng)用層是核心，承載調(diào)度指揮全部功能運(yùn)行；虛擬化層是底層硬件資源的抽象，負(fù)責(zé)提供虛擬化的數(shù)據(jù)平臺。

圖1 基于虛擬化的鐵路調(diào)度集中系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.1 CTC system architecture based on virtualization

2.1 調(diào)度集中應(yīng)用層

調(diào)度集中應(yīng)用層是CTC系統(tǒng)的虛擬化實現(xiàn)，按照一定的虛擬化規(guī)則，結(jié)合既有CTC的工作邏輯，部署CTC系統(tǒng)所需要的虛擬服務(wù)器及終端。

2.1.1 虛擬化的調(diào)度集中應(yīng)用子層

對一個調(diào)度區(qū)段包含的設(shè)備進(jìn)行虛擬化，調(diào)度集中系統(tǒng)中心調(diào)度臺設(shè)備示意圖如圖2所示。

按照一個調(diào)度臺的設(shè)備進(jìn)行分類虛擬化處理[10-11]。其中，對調(diào)度員使用的列車調(diào)度工作站及站場顯示工作站進(jìn)行合并整合，創(chuàng)建一個標(biāo)準(zhǔn)的后臺虛擬化行調(diào)臺虛擬機(jī)，部署CTC系統(tǒng)的運(yùn)行圖編輯軟件、站場顯示軟件、調(diào)度命令編輯軟件。而在調(diào)度員前臺，使用輕量級的多屏卡客戶機(jī)連接至此的行調(diào)臺虛擬機(jī)，做到“操作—顯示”分離，調(diào)度員的所有操作均在一臺客戶機(jī)上完成，減少終端切換的操作。調(diào)度員使用客戶機(jī)作為前端操作機(jī)，通過專用的虛擬化代理軟件，連接至后臺的行調(diào)臺虛擬機(jī)中，所有CTC數(shù)據(jù)軟件均部署在后臺，邏輯運(yùn)算及數(shù)據(jù)的處理由后臺虛擬機(jī)負(fù)責(zé)完成，前端的客戶機(jī)負(fù)責(zé)展示。對中心的助理調(diào)度員工作站、綜合維修工作站、維護(hù)臺，采用類似的虛擬化方案處理。

圖2 調(diào)度集中系統(tǒng)中心調(diào)度臺設(shè)備示意圖Fig.2 Schematic diagram of CTC equipment in Dispatching Centre

對CTC系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器設(shè)備，創(chuàng)建一個高配置的虛擬機(jī)服務(wù)器，獨立運(yùn)行在后臺，無需顯示器、鍵盤等外設(shè)，將CTC系統(tǒng)的應(yīng)用程序及軟件所需數(shù)據(jù)遷移至該虛擬化服務(wù)器中。

對CTC系統(tǒng)的通信服務(wù)器及各個接口服務(wù)器，按需創(chuàng)建所需要的虛擬服務(wù)器終端，并將CTC系統(tǒng)對應(yīng)的軟件及數(shù)據(jù)遷移至此虛擬化服務(wù)器中。

所有的虛擬化服務(wù)器及終端均運(yùn)行在總的虛擬化管理中心，如果現(xiàn)場需要擴(kuò)展新的CTC服務(wù)器，則只需要按照性能要求，克隆一臺新虛擬服務(wù)器接入，提高CTC結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展性和靈活性。對運(yùn)輸調(diào)度人員，前臺整合了原有的多個設(shè)備，保留一臺客戶機(jī)的多屏界面顯示和鍵盤外設(shè)，實現(xiàn)操作便捷，且能降低噪音和減少散熱。

2.1.2 資源管理子層

資源管理子層包括2個模塊：狀態(tài)監(jiān)測維護(hù)模塊、資源監(jiān)測調(diào)度管理模塊。其中，狀態(tài)監(jiān)測維護(hù)模塊基于虛擬化操作系統(tǒng)接口開發(fā)，主要負(fù)責(zé)對所有虛擬機(jī)的輪詢檢測，包括CPU、硬盤、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)資源等的狀態(tài)監(jiān)測，同時監(jiān)測CTC業(yè)務(wù)軟件的運(yùn)行狀態(tài)，實時將設(shè)備的狀態(tài)展示給行車維護(hù)人員，并在異常時進(jìn)行報警；資源監(jiān)測調(diào)度管理模塊負(fù)責(zé)虛擬化的服務(wù)器及終端的負(fù)載均衡管理，虛擬化技術(shù)中存在分布式資源調(diào)度和高可用性2種負(fù)載均衡策略，可以動態(tài)調(diào)整服務(wù)器的負(fù)載，從而能夠較好地解決多個設(shè)備之間的資源使用率，達(dá)到負(fù)載均衡。資源監(jiān)測模塊在一定時間內(nèi)監(jiān)測到每一個虛擬化機(jī)器的CPU或內(nèi)存使用量超過閾值(如超過70%)之后，啟動負(fù)載調(diào)優(yōu)，提供2種策略：①數(shù)據(jù)中心平臺仍有較多資源的情況下，對高負(fù)載的虛擬機(jī)器分配更多的CPU、內(nèi)存；②平臺本身資源緊張情況時，降低負(fù)載少的服務(wù)器資源配額，分配至負(fù)載高的虛擬機(jī)服務(wù)器中。

在調(diào)度集中系統(tǒng)功能逐漸增多，線路運(yùn)行列車數(shù)目、作業(yè)數(shù)量飽和等狀況下，資源管理子層能夠解決或緩解既有調(diào)度集中系統(tǒng)資源消耗高、行車操作響應(yīng)慢等問題。通過虛擬化的資源管理層動態(tài)調(diào)度調(diào)優(yōu)，調(diào)整各個設(shè)備的負(fù)載均衡，能夠提高行車人員的操作響應(yīng)速度，提升運(yùn)輸效率。

2.1.3 備份及應(yīng)急處理子層

備份及應(yīng)急處理子層由2個模塊構(gòu)成：動態(tài)備份模塊、應(yīng)急處置模塊。在虛擬平臺構(gòu)建之后或虛擬機(jī)器發(fā)生變化時，可對虛擬機(jī)進(jìn)行快捷的動態(tài)備份。而當(dāng)某個虛擬化服務(wù)器或終端發(fā)生故障時，通過應(yīng)急處置模塊可迅速將CTC應(yīng)用軟件遷移到未發(fā)生故障的虛擬機(jī)上，或者便捷地替換成新的虛擬機(jī)，提高了故障處理的響應(yīng)度及便捷性，縮短故障處置時間，從而減少故障對運(yùn)輸指揮人員的作業(yè)影響。

2.2 虛擬化層

虛擬化層是整個體系架構(gòu)的基層，為調(diào)度集中系統(tǒng)提供虛擬化的數(shù)據(jù)平臺。

當(dāng)前虛擬化技術(shù)大致可分為5種：CPU虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、應(yīng)用虛擬化、服務(wù)器虛擬化、存儲虛擬化。其中前2種偏向于硬件CPU、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的虛擬，應(yīng)用虛擬化重點是對軟件層面的遠(yuǎn)程交付、遠(yuǎn)程接入。服務(wù)器虛擬化是將物理硬件和操作系統(tǒng)分開，從而提高整個設(shè)備的資源利用率和靈活性，此技術(shù)允許不同操作系統(tǒng)(Windows、Linux、Unix等)的多個虛擬機(jī)在同一個物理主機(jī)(數(shù)據(jù)平臺)上獨立運(yùn)行，每臺虛擬機(jī)都有自己的一套虛擬硬件(網(wǎng)卡、CPU、硬盤、內(nèi)存等)。每臺虛擬機(jī)是封裝在一個獨立的文件中，可以快速的保存、克隆、部署。在調(diào)度集中系統(tǒng)虛擬化中，重點使用服務(wù)器虛擬化技術(shù)及存儲虛擬化技術(shù)。

在一個高性能的數(shù)據(jù)中心上，安裝部署一套虛擬化操作系統(tǒng)，該虛擬化操作系統(tǒng)將各式各樣的硬件進(jìn)行抽象封裝，形成一組一致的、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件，實現(xiàn)對不同物理硬件的無差別化接口管理，管理員無需直接面向物理的硬件，而通過管理中心提供的接口集中管理協(xié)調(diào)整個虛擬服務(wù)器的所有資源，包括硬盤、CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)等。管理員通過虛擬化服務(wù)管理中心統(tǒng)一匯總管理底層各種物理硬件資源，打破操作系統(tǒng)與硬件的互相依賴，為用戶提供大量整合后的虛擬資源；虛擬化服務(wù)管理中心聚合多臺虛擬化操作系統(tǒng)的物理資源，實現(xiàn)對虛擬化服務(wù)器和終端實行群集式、并發(fā)式的集中控制。管理中心還提供包括虛擬機(jī)器的遷移、分布式服務(wù)、虛擬機(jī)的克隆部署等功能；同時向上一層提供集中的管理接口和維護(hù)接口，并具備集中化管理、操作自動化、資源優(yōu)化的服務(wù)編程接口。

通過虛擬化層，能夠解決調(diào)度集中系統(tǒng)整合困難、可擴(kuò)展性差的問題。在調(diào)度集中系統(tǒng)硬件設(shè)備增設(shè)、線路升級改造等情況時，通過虛擬化層的統(tǒng)一封裝抽象，可便捷地創(chuàng)建新的虛擬機(jī)、或動態(tài)地對既有虛擬化環(huán)境不停機(jī)擴(kuò)容，從而提升調(diào)度集中系統(tǒng)的擴(kuò)展性。

3 結(jié)束語

基于虛擬化技術(shù)，通過對鐵路局集團(tuán)公司中心調(diào)度區(qū)段的CTC系統(tǒng)服務(wù)器和終端的虛擬化，分層次設(shè)計調(diào)度集中系統(tǒng)體系架構(gòu)，滿足既有運(yùn)輸生產(chǎn)需要，提高CTC系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。基于虛擬化技術(shù)的調(diào)度集中系統(tǒng)體系架構(gòu)可以簡化調(diào)度臺的設(shè)備布局，減少調(diào)度人員頻繁切換的操作；動態(tài)調(diào)整各個服務(wù)器的資源使用，達(dá)到負(fù)載均衡的目的，提高用戶操作的響應(yīng)速度；在設(shè)備故障應(yīng)急處置時，利用虛擬化的動態(tài)監(jiān)測及備份恢復(fù)技術(shù)，大幅縮短系統(tǒng)的故障處置時間。隨著“智能調(diào)度集中”的提出，當(dāng)前CTC系統(tǒng)的接口不斷增多，通過虛擬化技術(shù)的應(yīng)用，將來CTC系統(tǒng)可以通過適當(dāng)調(diào)整系統(tǒng)體系架構(gòu)，容納更多的信息系統(tǒng)，承載更多的數(shù)據(jù)中心，同時虛擬化是云計算的基礎(chǔ)，能夠為CTC系統(tǒng)引入云計算等先進(jìn)技術(shù)奠定堅實的基礎(chǔ)。