面向鐵路私有云的鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)遷移方案研究

李坤妃

(北京市自動化工程學(xué)校，北京 100101)

1 概述

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，中國國家鐵路集團(tuán)有限公司更加注重經(jīng)濟(jì)效益、運(yùn)營效率和服務(wù)水平。云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的快速發(fā)展，結(jié)合鐵路發(fā)展的實(shí)際運(yùn)營維護(hù)需求，急需建立彈性計(jì)算能力強(qiáng)、共享度高、資源靈活調(diào)配、按需分配的基礎(chǔ)性支撐平臺——鐵路私有云平臺，并將既有的鐵路業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)遷移到云平臺上，從而提高鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的利用率，促進(jìn)鐵路業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通，支撐鐵路業(yè)務(wù)快速發(fā)展，充分挖掘鐵路數(shù)據(jù)潛在的價(jià)值，最終在保障鐵路運(yùn)輸安全運(yùn)行的前提下，達(dá)到提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的目的。

與其他行業(yè)信息系統(tǒng)向云平臺遷移不同的是，鐵路部分業(yè)務(wù)系統(tǒng)除融合了自身的生產(chǎn)功能還具備一部分監(jiān)測功能，信號集中監(jiān)測系統(tǒng)則是鐵路信號系統(tǒng)的專職監(jiān)測系統(tǒng)，具備一定的復(fù)雜性，對云計(jì)算、云存儲、云安全提出更高級的要求。目前鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)，普遍存在管理層級多，部署分散，現(xiàn)場設(shè)備型號和廠家繁多，部分硬件資源短缺或者利用率低的情況，從而影響信號系統(tǒng)的監(jiān)測和電務(wù)人員的運(yùn)維保障工作，而信號集中監(jiān)測系統(tǒng)屬于保障鐵路正常運(yùn)營的系統(tǒng)，是不容故障和卡頓的，這就需要一個足夠穩(wěn)定和流暢的系統(tǒng)環(huán)境滿足不斷增加的業(yè)務(wù)質(zhì)量需求。

結(jié)合當(dāng)前信號集中監(jiān)測發(fā)展近況，具備上云條件的是鐵路局集團(tuán)公司/電務(wù)段層信號集中監(jiān)測子系統(tǒng)，本文就以鐵路局集團(tuán)公司/電務(wù)段層信號集中監(jiān)測子系統(tǒng)為研究對象，鐵路私有云平臺為研究平臺，進(jìn)行系統(tǒng)的遷移方案研究。

2 鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展演進(jìn)

信號集中監(jiān)測系統(tǒng)是監(jiān)測信號設(shè)備狀態(tài)、發(fā)現(xiàn)信號設(shè)備隱患、診斷分析信號設(shè)備故障原因、實(shí)現(xiàn)信號子系統(tǒng)接口信息安全監(jiān)督、輔助和指導(dǎo)現(xiàn)場維修及故障處理，提高電務(wù)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)用質(zhì)量和維護(hù)水平的重要信號設(shè)備。

信號集中監(jiān)測系統(tǒng)是信號設(shè)備的集中監(jiān)測和智能診斷分析平臺，通過全面匯集地面信號設(shè)備、車載信號設(shè)備等相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信號設(shè)備健康狀態(tài)及維護(hù)信息的集中存儲、安全監(jiān)督、智能診斷、綜合分析功能。其監(jiān)測范圍包括聯(lián)鎖、閉塞、列控中心、TDCS/CTC、RBC、TSRS、信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)、DMS、LMD、機(jī)車信號遠(yuǎn)程監(jiān)測、駝峰、電源屏、計(jì)軸、區(qū)間綜合監(jiān)控等信號設(shè)備和子系統(tǒng)。其他信號子系統(tǒng)新增自診斷設(shè)備應(yīng)通過信息接口方式納入監(jiān)測系統(tǒng)，其監(jiān)測內(nèi)容、接口方式、通信要求等應(yīng)符合中國國家鐵路集團(tuán)有限公司相關(guān)技術(shù)條件要求。

信號集中監(jiān)測系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)為“三級三層”結(jié)構(gòu)。“三級”為中國國家鐵路集團(tuán)有限公司級、鐵路局集團(tuán)公司級、站段級?！叭龑印睘橹袊鴩诣F路集團(tuán)有限公司層監(jiān)測子系統(tǒng)、鐵路局集團(tuán)公司/電務(wù)段層監(jiān)測子系統(tǒng)、車站層監(jiān)測子系統(tǒng)?！叭壢龑印苯Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。集中監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)按局集團(tuán)公司建設(shè)信號集中監(jiān)測中心，系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 “三級三層”結(jié)構(gòu)Fig.1 "Three-level three-tier" Structure

3 鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)向云平臺遷移的需求

3.1 遷移方案的適用范圍

結(jié)合當(dāng)前信號集中監(jiān)測演講發(fā)展情況，具備上云條件的是鐵路局集團(tuán)公司/電務(wù)段層信號集中監(jiān)測子系統(tǒng)。鐵路局集團(tuán)公司/電務(wù)段層信號集中監(jiān)測子系統(tǒng)功能應(yīng)涵蓋通信前置服務(wù)器功能、應(yīng)用服務(wù)器功能、綜合分析服務(wù)器功能、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器功能、網(wǎng)管服務(wù)器功能、WEB 服務(wù)器功能、防病毒服務(wù)器功能、時間服務(wù)器功能、接口服務(wù)器功能、維護(hù)工作站功能。

圖2 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)Fig.2 System hierarchical structure

鐵路局集團(tuán)公司/電務(wù)段層集中監(jiān)測子系統(tǒng)配置計(jì)算資源設(shè)備、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備、電源設(shè)備、防雷設(shè)備、維護(hù)工作站；計(jì)算資源設(shè)備包括：通信前置服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、綜合分析服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、網(wǎng)管服務(wù)器、WEB 服務(wù)器、防病毒服務(wù)器、時間服務(wù)器、接口服務(wù)器等。

3.2 云平臺資源需求

針對鐵路局集團(tuán)公司/電務(wù)段層集中監(jiān)測子系統(tǒng)上云的需求（目前只考慮計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)需求，信息安全、可靠性等用戶需求不在本文中論述），大致梳理對于云平臺的資源需求如下。

1) 存儲設(shè)備

監(jiān)測系統(tǒng)的存儲設(shè)備，采用統(tǒng)一存儲系統(tǒng)，配置冗余RAID 控制器，512 GB 緩存，存儲容量為 300 TB，支持?jǐn)U展到3 PB 裸容量。

2) 服務(wù)器資源

監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用及計(jì)算服務(wù)統(tǒng)一由計(jì)算資源池提供，部署在云平臺的冗余信號及電務(wù)生產(chǎn)管理云平臺需求及架構(gòu)，虛擬機(jī)不應(yīng)在同一臺物理機(jī)。提供的服務(wù)至少包括以下內(nèi)容。

a. 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器2 套，至少16 個CPU 核，主頻不低于4.2 GHz，內(nèi)存容量不小于256 GB。

b. 應(yīng)用服務(wù)器、綜合分析服務(wù)器

應(yīng)用服務(wù)器2 套、綜合分析服務(wù)器2 套，至少32 個CPU 核、主頻不低于2.0 GHz，內(nèi)存容量不低于128 GB。

c. 通信前置服務(wù)器、網(wǎng)管服務(wù)器、WEB 服務(wù)器

通信前置服務(wù)器2 套、網(wǎng)管服務(wù)器、接口服務(wù)器、WEB 服務(wù)器，至少8 個CPU 核、主頻不低于2.0 GHz，內(nèi)存容量不低于32 GB。

d. 接口服務(wù)器組

每接口設(shè)置1 臺接口服務(wù)器，每臺至少8 個CPU 核、主頻不低于2.0 GHz，內(nèi)存容量不低于32 GB。

e. 時間服務(wù)器、防病毒服務(wù)器

時間服務(wù)器、防病毒服務(wù)器至少4 個CPU 核、主頻不低于2.0 GHz，內(nèi)存容量不低于16 GB。

4 鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)總體遷移方案

4.1 云平臺技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1）邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)

通過對底層服務(wù)器、存儲服務(wù)器虛擬化聚合部署，形成虛擬化資源池，利用海量數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，配合云計(jì)算資源管理層和資源服務(wù)層，實(shí)現(xiàn)對鐵路私有云基礎(chǔ)架構(gòu)的平臺層服務(wù)，為云計(jì)算中心提供云計(jì)算服務(wù)和良好的基礎(chǔ)平臺，并且具備很高的自適應(yīng)和擴(kuò)展性。鐵路私有云計(jì)算平臺硬件基礎(chǔ)邏輯架構(gòu)如圖3 所示。

2）物理架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 鐵路私有云平臺邏輯架構(gòu)Fig.3 Logical architecture of railway private cloud platform

利用虛擬化技術(shù)將服務(wù)、存儲、計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建為虛擬資源池，實(shí)現(xiàn)在單一物理服務(wù)器上運(yùn)行多個虛擬服務(wù)器（虛擬機(jī)），把信號集中監(jiān)測系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用對于底層的系統(tǒng)和硬件的依賴抽象出來，從而解除應(yīng)用與操作系統(tǒng)和硬件的耦合關(guān)系，使物理設(shè)備的差異性、兼容性對上層應(yīng)用透明，使不同的虛擬機(jī)之間相互隔離，互不影響，從而實(shí)現(xiàn)同時運(yùn)行不同操作系統(tǒng)，并提供不同的服務(wù)。利用分布式技術(shù)構(gòu)建鐵路信號大數(shù)據(jù)處理集群，將大量服務(wù)器計(jì)算存儲節(jié)點(diǎn)整合成統(tǒng)一的計(jì)算存儲集群，為鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)海量的業(yè)務(wù)信息，監(jiān)測數(shù)據(jù)（開關(guān)量、模擬量、接口數(shù)據(jù)）以及后續(xù)可能開放的音頻數(shù)據(jù)和視頻圖像數(shù)據(jù)的處理提供超強(qiáng)的計(jì)算能力和超大的存儲空間，突破傳統(tǒng)模式帶來的發(fā)展瓶頸問題。

4.2 總體遷移方案

在借鑒其他行業(yè)信息化系統(tǒng)向云平臺遷移經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的特點(diǎn)，定制了一套系統(tǒng)總體遷移方案。本遷移方案分為6 個階段，分別為：需求調(diào)研、評估與分析階段，遷移方案設(shè)計(jì)階段，虛擬化環(huán)境準(zhǔn)備階段，業(yè)務(wù)應(yīng)用遷移階段，遷移后測試驗(yàn)證階段和遷移后業(yè)務(wù)割接階段?？傮w遷移方案如圖4 所示。

1）需求調(diào)研、評估與分析階段

在需求調(diào)研，評估與分析階段，應(yīng)確定用戶的需求，遷移系統(tǒng)的范圍和目標(biāo)，利用調(diào)查問卷、系統(tǒng)評估工具（MAP）和訪談等評估形式，對集中監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行評估，分析和匯總用戶需求和系統(tǒng)需求，形成調(diào)研報(bào)告和評估分析報(bào)告。

2）遷移方案設(shè)計(jì)階段

圖4 應(yīng)用系統(tǒng)遷移方案Fig.4 Migration solution of application system

在遷移方案設(shè)計(jì)階段，針對待遷移系統(tǒng)范圍內(nèi)的物理服務(wù)器進(jìn)行虛擬化適用性分析，設(shè)計(jì)遷移場景和云平臺架構(gòu)方案。在云平臺方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行資源競爭設(shè)計(jì)、遷移順序、遷移方法等內(nèi)容的設(shè)計(jì)，形成總體遷移方案。

3) 虛擬化環(huán)境準(zhǔn)備階段

在虛擬化環(huán)境準(zhǔn)備階段，應(yīng)判斷現(xiàn)有的鐵路私有云平臺環(huán)境是否能容納被遷移的所有對象、所有業(yè)務(wù)應(yīng)用，以及檢查計(jì)算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源以及數(shù)據(jù)庫資源等，建立遷移所需的環(huán)境準(zhǔn)備，如虛擬機(jī)、虛擬化網(wǎng)絡(luò)等。

4) 業(yè)務(wù)應(yīng)用遷移階段

在集中監(jiān)測系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用遷移階段，應(yīng)根據(jù)既定的遷移方案嚴(yán)格的執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)遷移，將物理機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)移植到虛擬機(jī)內(nèi)，有工具自動遷移和手工部署兩種方式，應(yīng)對系統(tǒng)遷移失敗制定詳盡的回退方案。

5) 遷移后測試驗(yàn)證階段

對遷移到鐵路私有云平臺上的集中監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行功能性測試、性能測試和穩(wěn)定性測試，并進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，以便預(yù)先排除隱患，使應(yīng)用系統(tǒng)成功的運(yùn)行在云平臺環(huán)境下。

6) 遷移后業(yè)務(wù)割接階段

制定割接方案，依照割接方案進(jìn)行割接操作，割接完成后進(jìn)入割接后觀察期，通過割接驗(yàn)收后將原系統(tǒng)下線。

5 結(jié)束語

通過對鐵路局集團(tuán)公司/電務(wù)段層信號集中監(jiān)測子系統(tǒng)的需求調(diào)研實(shí)踐，詳細(xì)闡述信號集中監(jiān)測系統(tǒng)面向鐵路私有云平臺的整體架構(gòu)、遷移實(shí)施方案的整體步驟和策略要點(diǎn)，構(gòu)建基于鐵路私有云計(jì)算平臺環(huán)境下的信號集中監(jiān)測系統(tǒng)新平臺。新系統(tǒng)借鑒其他行業(yè)應(yīng)用云計(jì)算平臺的成熟經(jīng)驗(yàn)，并依托鐵路私有欲的獨(dú)特優(yōu)勢和特點(diǎn)，將信號集中監(jiān)測系統(tǒng)整合到私有云平臺環(huán)境下。系統(tǒng)應(yīng)用模型在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下分別運(yùn)行1 個月、3 個月后，根據(jù)詳細(xì)的測試記錄和遷移后的分析報(bào)告，證明信號集中監(jiān)測系統(tǒng)向私有云平臺的遷移方案安全、可靠，高效，并為后期的鐵路監(jiān)測檢測系統(tǒng)向云平臺遷移，提供智能化服務(wù)打好了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。