基于云平臺部署的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)研究

褚紅健 李佑文 蔡一磊

摘 要：首先概述城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）云化的趨勢，并介紹云平臺技術(shù)在 ISCS中的應(yīng)用優(yōu)勢。然后提出 ISCS 云化部署的系統(tǒng)邏輯架構(gòu)，并對 3 種不同的硬件架構(gòu)展開討論。最后介紹南自軌道交通公司以 ISCS 與云平臺的有效性融合為目標(biāo)，通過云平臺實驗室將 ISCS 系統(tǒng)與某廠商的云平臺產(chǎn)品進行兼容性測試并形成有效的測試結(jié)論，這些結(jié)論能更好地為 ISCS 云化部署的現(xiàn)場實施提供支撐，為同類工程實踐提供借鑒。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;ISCS;云平臺;云化部署

中圖分類號：TP277

1 ISCS 云化的趨勢及應(yīng)用優(yōu)勢

1.1 云化趨勢

現(xiàn)今絕大部分ISCS工程項目中存在硬件資源利用率低，部署、調(diào)試、維護和升級工作量大，數(shù)據(jù)存儲周期短，硬件擴展能力弱等問題。隨著大數(shù)據(jù)、云技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)在城市軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用，采用云技術(shù)的ISCS應(yīng)運而生，其構(gòu)成方案可以選擇采用云平臺方案，云平臺方案包含ISCS控制中心（OCC）云計算中心和綜合監(jiān)控系統(tǒng)車站級云計算工作站兩大部分。當(dāng)前城市軌道交通行業(yè)核心生產(chǎn)系統(tǒng)上云率還是偏低，且主要通過外圍子系統(tǒng)嘗試上云，因此存在較大的發(fā)展空間。未來在克服實施較難、安全性相對較差等一系列問題后，城市軌道交通行業(yè)上云將迎來爆發(fā)期。

1.2 應(yīng)用優(yōu)勢

（1）降低成本，提高服務(wù)器資源利用率。利用云平臺技術(shù)實現(xiàn)服務(wù)器整合，能夠控制和減少物理服務(wù)器的數(shù)量，可明顯提高每個物理服務(wù)器及其CPU的利用率，從而降低硬件成本。

（2）提高綜合監(jiān)控系統(tǒng)可靠性。ISCS通過云平臺的動態(tài)熱遷移、負(fù)載均衡策略、主機高可用性（HA）等高級功能，結(jié)合自身的主、備冗余機制，可以在不中斷系統(tǒng)運行情況下進行數(shù)據(jù)和信息的遷移工作。這樣可以大大提升系統(tǒng)運行的可靠性。

（3）實現(xiàn)綜合監(jiān)控業(yè)務(wù)快速部署，動態(tài)擴展資源。ISCS工程技術(shù)人員通過云平臺主動提前規(guī)劃資源增長，加快新服務(wù)器和應(yīng)用部署，縮短服務(wù)器重建和應(yīng)用加載時間。

（4）提高運營效率與服務(wù)水平。管理人員可利用云平臺統(tǒng)一集中的資源監(jiān)控與管理、數(shù)據(jù)分析與可視化功能，做出更科學(xué)的輔助運營決策，最終達到提高運營效率與服務(wù)水平的目的。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)邏輯構(gòu)成

基于云平臺部署的ISCS邏輯構(gòu)成可以分為3層：云平臺基礎(chǔ)設(shè)施層、ISCS平臺層和ISCS應(yīng)用層，每層的主要構(gòu)成如圖1所示。

2.1.1 云平臺基礎(chǔ)設(shè)施層

云平臺基礎(chǔ)設(shè)施層邏輯上可劃分為硬件資源層和虛擬資源層。該層利用云平臺成熟的虛擬化技術(shù)將計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源進行資源池化，并提供云平臺統(tǒng)一管理功能，從而使管理人員更方便地管理、監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的各類虛擬資源。

2.1.2 ISCS平臺層

ISCS平臺層分為支撐軟件層和平臺服務(wù)層，邏輯上與傳統(tǒng)ISCS平臺層相同，關(guān)鍵區(qū)別是在虛擬服務(wù)器的基礎(chǔ)上部署各類支撐軟件及ISCS服務(wù)，為應(yīng)用層提供支持。

2.1.3 ISCS 應(yīng)用層

ISCS應(yīng)用層為用戶提供綜合監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，邏輯上與傳統(tǒng)ISCS平臺層一致。特別是隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，對于ISCS分析類應(yīng)用業(yè)務(wù)來說，基于云平臺部署后的ISCS能更方便地借助大數(shù)據(jù)技術(shù)及商業(yè)智能（BI）應(yīng)用技術(shù)，并充分利用云平臺的虛擬計算、存儲及網(wǎng)絡(luò)資源完成數(shù)據(jù)計算環(huán)境的搭建、分析及展示。另外，在計算或存儲資源不足時，利用云平臺的統(tǒng)一資源管理功能在不間斷ISCS業(yè)務(wù)運行的情況下，還可方便快捷地完成資源在線擴容。構(gòu)建的城市軌道交通大數(shù)據(jù)平臺，在同等造價下其數(shù)據(jù)可以存儲3～5年，規(guī)模越大成本越低。云存儲平臺基于分布式存儲可橫向擴展，逐漸演變成線網(wǎng)級的大數(shù)據(jù)平臺，為將來大數(shù)據(jù)分析提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

2.2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

一般來說，ISCS采用分層分布式架構(gòu)，即在OCC 和各車站、車輛段都配置各自的實時、歷史服務(wù)器及其各類應(yīng)用服務(wù)器。因此，基于云平臺部署的ISCS 需要將OCC和各車站、車輛段集中在一起進行資源虛擬化，然后通過虛擬OCC服務(wù)器和車站服務(wù)器完成ISCS的業(yè)務(wù)?？紤]到系統(tǒng)的可靠性，在實際實施過程中，根據(jù)不同的要求搭建ISCS云平臺的硬件架構(gòu)至少有以下3種。

2.2.1 OCC 純虛擬化、車站部分虛擬化架構(gòu)

該方案是將ISCS的部分物理服務(wù)器進行虛擬化。如圖2所示，將OCC的服務(wù)器全部虛擬化，同時虛擬出大數(shù)據(jù)分析與可視化的服務(wù)器;各車站、車輛段的實時服務(wù)器均只在中心云平臺上虛擬出1臺主服務(wù)器，在其控制室內(nèi)仍保留1臺實際的物理服務(wù)器作為備用，云平臺上的主服務(wù)器和物理備用服務(wù)器之間的同步由ISCS自身的數(shù)據(jù)同步完成。由于該方案在車站增加了物理備用服務(wù)器，因此需要同時增加1個物理工作站，即車站工作站為1個云桌面終端加1個物理工作站。此方案可用于實際現(xiàn)場的ISCS云平臺部署。

2.2.2 主、備云平臺中心虛擬化架構(gòu)

該方案的架構(gòu)如圖3所示。首先，設(shè)立主云和備云2個云平臺集群，二者利用主干網(wǎng)絡(luò)進行連接。管理人員可通過統(tǒng)一的云平臺管理中心管理主、備云平臺，實現(xiàn)對主、備云平臺內(nèi)資源的統(tǒng)一調(diào)配和監(jiān)控。云平臺具有支持遠(yuǎn)程異地部署的優(yōu)勢，對于同城100 km以內(nèi)的光纖網(wǎng)，虛擬機和數(shù)據(jù)從一個機房遷移到遠(yuǎn)程另一個機房的速度與在同一個機房內(nèi)遷移的速度相差無幾，因此，在實際部署中可以將主、備云平臺分別放置在不同的控制中心，使備云平臺起到異地備用中心級監(jiān)控的效果。其次，主云平臺對OCC和車站（包括停車場、車輛段）的主服務(wù)器硬件資源進行虛擬化;備云平臺對OCC和車站（包括停車場、車輛段）的備服務(wù)器、2臺大數(shù)據(jù)分析與可視化服務(wù)器等應(yīng)用服務(wù)器進行虛擬化。最后，為滿足ISCS可靠性的要求，使云平臺ISCS能夠兼顧分層分布式降級運行的需求，可將各車站的 1 臺工作站兼作車站的備用服務(wù)器，當(dāng)主干網(wǎng)或云平臺出現(xiàn)故障時能兼作車站服務(wù)器使用，而當(dāng)故障恢復(fù)后，各車站虛擬服務(wù)器上的ISCS實時數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、歷史數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)從該車站備用服務(wù)器上完成實時、歷史數(shù)據(jù)的同步。

該系統(tǒng)硬件架構(gòu)方案與第1種方案類似，也是將中心的實時/歷史服務(wù)器、培訓(xùn)系統(tǒng)的服務(wù)器全部虛擬化上云平臺，主要有以下區(qū)別。

（1）該方案能同時適用于2朵主、備云的情況。

（2）中心主服務(wù)器在主云平臺中虛擬化，備服務(wù)器在備云平臺中虛擬化。

（3）各車站、車輛段的主服務(wù)器在主云平臺中虛擬化，備服務(wù)器在備云平臺中虛擬化。車站、車輛段控制室內(nèi)使用1個操作工作站兼作備用服務(wù)器。

（4）云平臺上的主、備服務(wù)器和車站物理備用服務(wù)器（工作站）之間的數(shù)據(jù)同步由ISCS自身完成。

此種方式可用于實際現(xiàn)場的ISCS云平臺部署。

2.2.3 純虛擬化架構(gòu)

該方案將傳統(tǒng)ISCS的所有物理服務(wù)器進行虛擬化，即將OCC、培訓(xùn)系統(tǒng)和所有車站、車輛段的實時服務(wù)器與歷史服務(wù)器資源均統(tǒng)一整合到OCC，然后由OCC部署計算能力、存儲能力、網(wǎng)絡(luò)能力足夠的云平臺資源集群，通過云平臺管理將集群的資源整合后劃分出滿足性能要求的虛擬機，分別用作OCC的實時/歷史服務(wù)器、培訓(xùn)仿真服務(wù)器、車站實時服務(wù)器，以及用于大數(shù)據(jù)分析與可視化的服務(wù)器;同時安裝云桌面服務(wù)器軟件，為OCC、車站、培訓(xùn)仿真系統(tǒng)等提供云桌面終端。

虛擬的實時服務(wù)器和歷史服務(wù)器依舊采用與傳統(tǒng)物理服務(wù)器一樣的1主1備冗余配置，它們之間的數(shù)據(jù)同步由ISCS自身完成。在實際劃分虛擬機時，將虛擬主、備服務(wù)器劃分在不同的物理服務(wù)器上。當(dāng)某臺物理服務(wù)器發(fā)生故障時，其上的虛擬主或備服務(wù)器會迅速漂移至另外的物理服務(wù)器上，因此相比傳統(tǒng)方式，該方案主、備服務(wù)器的冗余可靠性能增加。但是，此種方式由于所有的OCC和車站虛擬服務(wù)器都在OCC，過于依賴主干網(wǎng)絡(luò)，一旦主干網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，OCC和各車站的服務(wù)器均不能正常采集和控制對應(yīng)的設(shè)備，車站的綜合監(jiān)控云桌面也無法使用，即車站級ISCS無法做到降級運行。此方案可用于實驗室進行ISCS云平臺的展示。

3 云平臺實驗室實施方案

3.1 云平臺實驗室環(huán)境

南京國電南自軌道交通工程有限公司（以下簡稱“南自軌道交通公司”）采用某云廠商的云平臺產(chǎn)品組建了云平臺實驗室，并采用純虛擬化架構(gòu)進行部署，在云平臺上搭建一個完整的分層分布式綜合監(jiān)控系統(tǒng)，將實驗室的6個物理節(jié)點使用超融合云平臺虛擬化軟件進行計算資源、存儲資源池化，如圖4所示。在超融合云平臺上虛擬出：2臺虛擬化服務(wù)器作為中心級ISCS服務(wù)器、2臺虛擬化服務(wù)器作為車站1的ISCS服務(wù)器、2 臺虛擬化服務(wù)器作為車站2的ISCS服務(wù)器;設(shè)置2臺版權(quán)管理服務(wù)器掛載USB加密設(shè)備，分別管理2個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的ISCS服務(wù)器。

3.2 基于云平臺部署的 ISCS 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

基于云平臺部署的ISCS系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖中展示了該ISCS系統(tǒng)典型的客戶與服務(wù)器的接口任務(wù)功能，虛擬后的服務(wù)器負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)采集處理、報警檢查及聯(lián)動執(zhí)行服務(wù)等功能，同時服務(wù)器側(cè)的設(shè)備驅(qū)動負(fù)責(zé)與現(xiàn)場的設(shè)備進行通信，將采集的實時數(shù)據(jù)寫到實時數(shù)據(jù)庫，而虛擬后的存儲資源負(fù)責(zé)歷史數(shù)據(jù)的存儲。虛擬服務(wù)器處理完數(shù)據(jù)后將相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端;系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫驅(qū)動將產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。客戶端負(fù)責(zé)人機界面的展示，包括各種類型的統(tǒng)計分析圖形展示、實時監(jiān)視畫面展示、實時報警展示、調(diào)度員聯(lián)動觸發(fā)及系統(tǒng)管理（如用戶管理、權(quán)限管理、責(zé)任區(qū)管理）等。第三方應(yīng)用程序或系統(tǒng)可以通過用于過程控制的OLE（OLE for Process Control，OPC;其中OLE是在客戶應(yīng)用程序間傳輸和共享信息的一組綜合標(biāo)準(zhǔn)）、應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API）、RESTful（一種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的設(shè)計風(fēng)格和開發(fā)方式）服務(wù)等接口獲取服務(wù)器側(cè)的實時數(shù)據(jù)，或通過開放數(shù)據(jù)庫連接（Open Database Connectivity，ODBC）、PDO（PHP 數(shù)據(jù)對象，PHP訪問數(shù)據(jù)庫所定義的一個輕量級的一致接口）獲取服務(wù)器側(cè)的歷史數(shù)據(jù)。云平臺的所有虛擬化資源及其運行參數(shù)與運行狀態(tài)全部由云平臺運維管理工具進行維護、管理和監(jiān)控。

3.3 ISCS 與云平臺有效融合測試

考慮到ISCS云化部署的通用性、版權(quán)管理問題及對外開放接口，在云平臺成熟的基本虛擬化及管理功能基礎(chǔ)上，特別需要云平臺提供如下特殊功能并加強其測試驗證。

（1）云平臺為當(dāng)前工業(yè)自動化控制領(lǐng)域內(nèi)流行的產(chǎn)品，不局限于某一云平臺提供商，服務(wù)器硬件也不能由云平臺提供商綁定。

（2）云計算平臺必須支持USB跨物理主機掛載功能，保證能夠識別綜合監(jiān)控系統(tǒng)的USB硬件加密設(shè)備。

（3）云平臺須對外開放接口（如WebService、RESTful接口），包括（但不限于）虛擬機管理接口、運管平臺資源信息接口、報警信息接口和虛擬機熱遷移接口等。

基于上述3條要求，南自軌道交通公司在云平臺實驗室完成了ISCS產(chǎn)品的云化部署，驗證了其分層分布式數(shù)據(jù)同步、進程容錯機制、數(shù)據(jù)實時監(jiān)視及控制、實時報警顯示、聯(lián)動功能等平臺核心業(yè)務(wù)版權(quán)管理服務(wù)，并基于某廠商云平臺充分測試了在線虛擬機動態(tài)遷移、資源在線擴容、快速在線部署ISCS系統(tǒng)等核心功能。

3.3.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

基于云平臺部署的ISCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 5所示。

3.3.2 硬件環(huán)境

基于云平臺部署的ISCS系統(tǒng)硬件配置具體如下。

（1）中心虛擬服務(wù)器。CPU采用Intel（R） Xeon（R）型號，主頻及緩存分別為2.40 GHz和8 MB，個數(shù)為8 個;內(nèi)存采用DDR3 SDRAM類型，實配容量為20GB;硬盤容量為4 TB。

（2）車站虛擬服務(wù)器。CPU采用Intel（R） Xeon（R） 型號，主頻及緩存分別為2.40 GHz和8 MB，個數(shù)為6 個;內(nèi)存采用DDR3 SDRAM類型，實配容量為12GB;硬盤容量為4 TB。

（3）管理服務(wù)器。CPU采用Intel（R） Xeon（R） 型號，主頻及緩存分別為2.40 GHz和8 MB，個數(shù)為2個;內(nèi)存采用DDR3 SDRAM類型，實配容量為4 GB;硬盤容量為1 TB。

（4）客戶端。CPU采用Intel（R） Xeon（R） 型號，主頻及緩存分別為2.40 GHz和8 MB，個數(shù)為2個;內(nèi)存采用DDR3 SDRAM類型，實配容量為4 GB;硬盤容量為200 GB。

3.3.3 軟件環(huán)境

基于云平臺部署的ISCS系統(tǒng)軟件配置具體如下。

（1）服務(wù)器。采用Linux Redhat 7.2操作系統(tǒng)、Sybase15.7和Mysql數(shù)據(jù)庫，監(jiān)控軟件采用南自軌道交通公司的ISCS監(jiān)控系統(tǒng) 5.8.1.0X64。

（2）工作站。采用Linux Redhat 7.2操作系統(tǒng)、Google Chrome 45.0.2454.85 （64bit）瀏覽器。監(jiān)控軟件采用南自軌道交通公司的ISCS監(jiān)控系統(tǒng)5.8.1.0X64。

3.3.4 主要測試內(nèi)容

主要完成下列關(guān)鍵測試項的測試驗證并通過第三方評測機構(gòu)評測（這里的ISCS系統(tǒng)是指南自軌道交通公司的ISCS系統(tǒng)）。

（1）云平臺的虛擬機生命周期管理功能測試。主要包括虛擬機的創(chuàng)建、刪除、導(dǎo)入、導(dǎo)出及克隆功能測試。

（2）云平臺的快照、備份恢復(fù)方案測試。包括虛擬機的快照備份、恢復(fù)、克隆及管理功能測試。特別是虛擬機克隆功能可幫助現(xiàn)場工作人員快速完成ISCS系統(tǒng)升級部署，從而避免現(xiàn)場重裝系統(tǒng)或重裝ISCS軟件、重新進行ISCS配置及調(diào)試。

（3）云平臺的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能測試。主要針對虛擬子網(wǎng)VLAN劃分、虛擬網(wǎng)卡的創(chuàng)建與管理功能進行測試。

（4）云平臺的虛擬存儲功能測試。主要針對云平臺的虛擬存儲、存儲容器及存儲池的管理功能進行測試。

（5）云平臺的在線資源修改功能測試。主要包括虛擬機名稱、描述信息在線修改，虛擬機CPU的數(shù)量及核數(shù)在線修改，虛擬機內(nèi)存在線修改，虛擬機硬盤在線增加、刪除，以及虛擬機網(wǎng)卡在線增加、刪除功能的測試。

（6）云平臺虛擬機在線熱遷移功能測試。測試在熱遷移過程中ISCS系統(tǒng)關(guān)鍵的數(shù)據(jù)采集等業(yè)務(wù)應(yīng)用是否會中斷。

（7）云平臺虛擬機高可用性（HA）功能測試。主要通過測試確認(rèn)云平臺虛擬機的高可用性。

（8）云平臺物理節(jié)點擴容、縮容測試。通過測試確認(rèn)云平臺擴容、縮容功能的可用性。

（9）云平臺資源負(fù)載均衡測試。通過測試確認(rèn)云平臺中節(jié)點資源的負(fù)載均衡策略。

（10）基于云平臺部署的ISCS系統(tǒng)版權(quán)管理測試。主要包括版權(quán)管理服務(wù)器的自動檢測、人工設(shè)定和狀態(tài)監(jiān)視以及版權(quán)報警功能的測試。

（11）基于云平臺部署的ISCS系統(tǒng)的并行實時數(shù)據(jù)管理核心業(yè)務(wù)（OMS）功能測試。通過該測試主要驗證虛擬服務(wù)器間的實時數(shù)據(jù)同步功能是否可以正常工作。

（12）檢驗ISCS系統(tǒng)與云平臺網(wǎng)絡(luò)接口的兼容性。ISCS系統(tǒng)軟件主要通過標(biāo)準(zhǔn) TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行通信，完成數(shù)據(jù)采集。通過測試車站與搭建仿真服務(wù)進程的通信，檢驗其與云平臺網(wǎng)絡(luò)硬件接口的兼容性，進一步驗證與云平臺的兼容性。

（13）高可靠性測試。主要包括物理主機故障和虛擬機故障對ISCS業(yè)務(wù)系統(tǒng)影響的測試。

（14）驗證管理網(wǎng)絡(luò)故障及存儲網(wǎng)絡(luò)故障的高可靠性測試。

總體而言，云平臺監(jiān)控、管理功能完善，界面友好，虛擬機的熱遷移性能表現(xiàn)突出。搭建的綜合監(jiān)控系統(tǒng)中心、車站分層分布式測試環(huán)境運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)同步正常，在虛擬機熱遷移過程中業(yè)務(wù)不中斷等都體現(xiàn)了云平臺與南自軌道交通公司ISCS平臺的良好兼容性。云平臺的虛擬機生命周期管理、擴容縮容、在線資源修改等功能的完善和穩(wěn)定能大大提升工程現(xiàn)場ISCS系統(tǒng)升級和部署的效率，降低運營維護的成本。測試還表明，云平臺與Redhat7.2操作系統(tǒng)、第三方軟件也能很好地兼容。

4 結(jié)語

云平臺技術(shù)在ISCS系統(tǒng)中的應(yīng)用符合ISCS的技術(shù)發(fā)展趨勢，相對于ISCS系統(tǒng)傳統(tǒng)架構(gòu)，能有效降低運營和維護成本?；谠破脚_部署的ISCS系統(tǒng)可將ISCS應(yīng)用層主、備冗余機制與云平臺虛擬化技術(shù)的高級功能（如動態(tài)熱遷移、負(fù)載均衡策略、主機HA等功能）相結(jié)合，使ISCS業(yè)務(wù)系統(tǒng)脫離單臺物理硬件的束縛，可以實現(xiàn)更高級別的業(yè)務(wù)連續(xù)性要求，提升了系統(tǒng)的安全性、可靠性。通過虛擬化技術(shù)，降低了物理硬件的故障影響力，減少了硬件的安全隱患。通過虛擬化整合，減少了設(shè)備的接入數(shù)量，安全防范的范圍能夠得到更有效的控制。

此外，云平臺還可與乘客服務(wù)緊密聯(lián)系的PA、PIS等業(yè)務(wù)系統(tǒng)整合，進一步提升公眾信息查詢、乘客信息服務(wù)的能力;同時，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)還能夠不斷完善和改進客流分析及突發(fā)事件預(yù)警等應(yīng)用業(yè)務(wù)。因此，將云技術(shù)與城市軌道交通應(yīng)用業(yè)務(wù)相結(jié)合，是實現(xiàn)城市軌道交通智能化的重要手段。云平臺技術(shù)在城市軌道交通自動化系統(tǒng)的不斷融合及應(yīng)用，必定會為其信息化建設(shè)帶來新的方向。

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收稿日期 2020-03-07

責(zé)任編輯 黨選麗