基于分布式邊緣服務(wù)架構(gòu)的地鐵自動售檢票系統(tǒng)研究

曾黃宇

（福州地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司 福建省福州市 350003）

1 引言

國內(nèi)在革新現(xiàn)有地鐵AFC 體系架構(gòu)方面，陳子汝，李道全，陳楠等人探索了北京地鐵、廣州地鐵接納多線路公用線路中心的方案，南京地鐵提出地區(qū)線路中心的方案[1-3]。雷定猷等人提出了基于云謀略的AFC 體系布局的革新頭腦，大大減少了AFC 體系的龐大性[4]。潘穎芳從都市軌道交通自動票務(wù)體系技能條件的根本上分析研究了自動票務(wù)體系的組成、成果和體系布局，具體分析了AFC體系的五層布局，給出了各層布局的成果模塊組成[5]。針對現(xiàn)在運(yùn)行AFC 體系維護(hù)控制中存在的困難，李景虎等人利用AFCAZ 運(yùn)行和數(shù)據(jù)創(chuàng)建一套配置維修維護(hù)體系，根據(jù)發(fā)掘環(huán)境分析終端配置的具體方法[6]，利用車站AFC 終端配置的種種交易和狀態(tài)數(shù)據(jù)，建立裝備配置狀態(tài)非常辦理、備件辦理、維修成本分析和維修辦事進(jìn)程監(jiān)督、跟蹤體系，以開展配置維修事情，合理配置資金的投入，減少了維修成本，為地鐵站級維修辦理提供了極大的方便。該體系補(bǔ)充了現(xiàn)有AFC 維護(hù)辦理體系的不夠，使配置維護(hù)辦理越發(fā)高效、方便。

邱華瑞等人分析了都市軌道交通自動票務(wù)(AFC)體系的根本布局及其體系的演變，認(rèn)為布局設(shè)置的好壞，不僅影響AFC 體系本身的生長，而且對都市軌道交通能否實現(xiàn)多線路網(wǎng)絡(luò)化高效運(yùn)營具有決定性的作用。在AFC 體系布局上，要綜合都市軌道交通的差異運(yùn)營模式、辦理體系、新技能引進(jìn)、線路接入等諸多要素。通過分析基于合并線路中心和清分中心、多線路中心、區(qū)域中心和配置嵌入層的種種AFC 體系的布局，指出都市軌道交通可根據(jù)自身特點(diǎn)和將來籌劃設(shè)置AFC 體系布局方案[7]。為了建立軌道交通的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營和發(fā)展，王國光根據(jù)實踐經(jīng)歷，對AFC 體系的要害技能、票務(wù)體系的選擇、配置軟件和配置監(jiān)控的綜合應(yīng)用、嵌入式實時操作體系的應(yīng)用、系統(tǒng)安全等，進(jìn)行了邊緣謀略研究[8]，華镕提出了以云謀略模型為核心的大數(shù)據(jù)處理方法[9]，有效地處理邊緣方法生成的數(shù)據(jù)?；谶吘壞Ｐ偷倪吘壌髷?shù)據(jù)處理的關(guān)鍵是聯(lián)和現(xiàn)有的以云謀略模型為核心的大數(shù)據(jù)處理方法。張旺持等人探索了分布式邊緣謀略對網(wǎng)絡(luò)資源分配和體系布局的影響[10]。

2 分布式邊緣服務(wù)架構(gòu)與算法設(shè)計

2.1 邊緣服務(wù)器的部署及優(yōu)化

2.1.1 基于SDN 技術(shù)的邊緣網(wǎng)絡(luò)服務(wù)架構(gòu)

服務(wù)請求通過無線網(wǎng)絡(luò)就近連接到AP，以及邊緣網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)鏈路和邊緣服務(wù)器中的資源利用等信息通過軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）協(xié)議傳遞給軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制器。軟件定義網(wǎng)路控制器根據(jù)接收到的實時信息，對邊緣網(wǎng)絡(luò)的總體狀況智能分析，并在線測評各個邊緣服務(wù)器的負(fù)載情況，SDN 協(xié)議作為控制信息與網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)連接的橋梁，它對接收到的信息通過相應(yīng)的算法，得出最優(yōu)路徑，目的是提高邊緣網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)利用率。

圖1：系統(tǒng)總體設(shè)備層次圖

2.1.2 邊緣服務(wù)器的部署

為保證眾多數(shù)量的移動終端獲取服務(wù)的需要，特別是其在移動過程中可以隨時隨地接入邊緣網(wǎng)絡(luò)，需要部署大量的網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)。在一定程度上，服務(wù)請求數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)傳遞給邊緣服務(wù)器的傳輸時延對邊緣服務(wù)器所提供的服務(wù)質(zhì)量會產(chǎn)生影響。某種程度上，交換機(jī)接入的負(fù)載，決定著數(shù)據(jù)在AP 與邊緣服務(wù)器之間的傳輸速度，成為衡量邊緣服務(wù)器部署的關(guān)鍵指標(biāo)。

2.2 邊緣服務(wù)器部署算法

2.2.1 基于枚舉的最優(yōu)邊緣服務(wù)器部署算法

邊緣網(wǎng)絡(luò)的平均接入時延，可以通過EOESPA 算法計算多個服務(wù)器各自的部署方案，得到多個時延數(shù)據(jù)，然后求出時延平均數(shù)而得出。對所有方案的平均接入時延進(jìn)行比較，從而得到最優(yōu)邊緣服務(wù)器部署方案，該方案可為所有移動終端的服務(wù)請求提供最小邊緣服務(wù)器接入時延的。

2.2.2 基于深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的近似最優(yōu)邊緣服務(wù)器部署算法

基于深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)可以根據(jù)自己需求，來尋求最高合適度的邊緣服務(wù)器，而這種合適度由移動網(wǎng)絡(luò)用戶發(fā)起的服務(wù)請求有關(guān)。系統(tǒng)總體設(shè)備層次圖如圖1 所示。

RBM 網(wǎng)絡(luò)有三個常用參數(shù)：一是可視層與隱藏層之間的權(quán)重矩陣Wn×m；二是可視節(jié)點(diǎn)偏移量b=b(b1，b2，…，bn)；三是隱藏節(jié)點(diǎn)的偏移量c=(c1，c2，…，cm)，通過這三個參數(shù)，可以將n維樣本編譯成m 維樣本，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的隱藏。

采用對比散度算法更新權(quán)重矩陣，主要步驟如下：

輸入：可視層向量v，隱藏單元個數(shù)m,學(xué)習(xí)效率ε，最大的訓(xùn)練周期T；

輸出：連接權(quán)重矩陣W、可視層的偏置向量b、隱藏層的偏置向量c；

初始化：連接權(quán)重矩陣W、可視層的偏置向量b、隱藏層的偏置向量c 為隨機(jī)的較小數(shù)值；

For t = 1,2,3，...，T

For j = 1,2,3，...，m（對所有隱藏層神經(jīng)元）

End For

For i = 1,2,3，...，n（對所有可視層神經(jīng)元）

End For

For j = 1,2,3，...，m（對所有隱藏層神經(jīng)元）

End For

更新各個參數(shù)：

End For

在有限狀態(tài)馬爾科夫模型中，定義初始分布參數(shù)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換概率矩陣參數(shù)來分析與評價當(dāng)前狀態(tài)的概率特征，而在隱藏的馬爾科夫模型,只能分析與評價狀態(tài)的過程概率，相應(yīng)的隱藏馬爾科夫結(jié)構(gòu)描述為：

根節(jié)點(diǎn)Si的概率密度函數(shù)；給定父狀態(tài)為r，子狀態(tài)Si為m 的條件概率；和描述狀態(tài)參數(shù)Si在m 時的設(shè)定小波系數(shù)Wi的均值和方差參數(shù)。參數(shù)向量θ 表示為：

針對M=2，μ=0 的情況，多尺度隱馬爾可夫模型（Multi-scale Hidden Markov Model）包括訓(xùn)練：基于相關(guān)小波系數(shù)，可以定義參數(shù)θ。多尺度隱馬爾可夫模型采用EM（Ex pectation Maximization）算法計算與分析訓(xùn)練和相似度參數(shù)。EM 算法可以實現(xiàn)對多尺度隱馬爾可夫模型參數(shù)θ 的評價與分析，同時分析與計算小波系數(shù)下隱狀態(tài)變量S 的概率特征。

3 邊緣服務(wù)器與AFC系統(tǒng)的結(jié)合

隨著5G 通信和物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，傳統(tǒng)意義上的云計算很難滿足數(shù)據(jù)吞吐量和數(shù)據(jù)鏈路的需求，通過邊緣計算可以有效的緩解這種現(xiàn)狀，并很大程度上提高系統(tǒng)運(yùn)行的效率。由于邊緣計算的數(shù)據(jù)源更加接近數(shù)據(jù)源本身，可以對數(shù)據(jù)的處理實現(xiàn)本地化，這樣不但可以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬，而且可以幫助中心服務(wù)器，盡可能少處理無用數(shù)據(jù)，使得服務(wù)器進(jìn)一步實現(xiàn)低時延、高可靠服務(wù)。

對于目前AFC 系統(tǒng)而言，主要處理傳統(tǒng)意義上的業(yè)務(wù)，主要工作是對用戶請求的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，再發(fā)送給中央分布式處理器，進(jìn)行匯總；匯總完成后，再反饋給移動終端，如在線購票業(yè)務(wù)和在線路線查詢業(yè)務(wù)；功能可升級和擴(kuò)展的邊緣計算AFC 系統(tǒng)，應(yīng)能夠承擔(dān)物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化等物理環(huán)境。后者不但需要選擇合適的邊緣計算框架，二者更應(yīng)該選擇功能完善的配套硬件設(shè)施。同時，移動邊緣服務(wù)器應(yīng)該具備處理處理交易、清算、賬戶等模塊的數(shù)據(jù)處理和分析功能，并且完成部門決策和配置。

4 結(jié)束語

本文通過分布式邊緣計算的分析，結(jié)合地鐵AFC 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性網(wǎng)絡(luò)化的需求，開展自動售檢票系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架、運(yùn)行流程和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究與分析，并探索地鐵自動售檢票系統(tǒng)的系統(tǒng)總體架構(gòu)模型，從而為地鐵AFC 系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用提供了一種指導(dǎo)與參考，在提升乘客的體驗和降低系統(tǒng)復(fù)雜度及提升系統(tǒng)安全性方面有重要意義。