基于云計(jì)算的列車調(diào)度指揮系統(tǒng)構(gòu)建方案及其可行性研究

王振東，齊 威，宋 毅，苗義烽

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號(hào)研究所，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 北京華鐵信息技術(shù)有限公司，北京 100081）

列車調(diào)度指揮系統(tǒng)（TDCS，Train operation Dispatching Command System）是我國(guó)鐵路運(yùn)輸企業(yè)開展行車指揮工作的重要裝備，承載著運(yùn)行計(jì)劃編制、調(diào)度命令下發(fā)、進(jìn)路排列狀態(tài)監(jiān)控、列車位置監(jiān)控、運(yùn)輸數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等重要功能。在我國(guó)鐵路快速發(fā)展的新形勢(shì)下，TDCS 的線路覆蓋率、系統(tǒng)完善度和功能重要性持續(xù)提高，傳統(tǒng)分布式結(jié)構(gòu)逐漸成為TDCS 在高效運(yùn)用、靈活部署和低成本維護(hù)方面迭代優(yōu)化的技術(shù)瓶頸。

云計(jì)算具有彈性計(jì)算、資源虛擬化、容錯(cuò)度高、數(shù)據(jù)共享及資源動(dòng)態(tài)分配等基礎(chǔ)特性，對(duì)于提升大型復(fù)雜系統(tǒng)的安全性、促進(jìn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)互聯(lián)互通及挖掘系統(tǒng)潛在價(jià)值優(yōu)勢(shì)明顯。云計(jì)算在通信、銀行、電力等行業(yè)的系統(tǒng)構(gòu)建中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。在鐵路領(lǐng)域，相關(guān)研究工作主要集中在客貨營(yíng)銷、經(jīng)營(yíng)管理、遠(yuǎn)程辦公等信息化建設(shè)方面，運(yùn)用云計(jì)算構(gòu)建核心信號(hào)系統(tǒng)的研究相對(duì)較少[3-5]。本文結(jié)合TDCS 的運(yùn)用需求和發(fā)展現(xiàn)狀，研究基于云計(jì)算TDCS 構(gòu)建方案并分析其可行性，為TDCS 創(chuàng)新發(fā)展提供技術(shù)參考和決策支持。

1 需求分析

1.1 TDCS 結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

TDCS 由中心總機(jī)系統(tǒng)和車站子系統(tǒng)組成。中心總機(jī)系統(tǒng)由專用服務(wù)器、調(diào)度臺(tái)終端和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成，承載計(jì)劃編制、命令擬定、信息轉(zhuǎn)發(fā)、接口通信、協(xié)議轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)維護(hù)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。中心總機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備通過千兆以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)高速通信。車站子系統(tǒng)由自律機(jī)、車務(wù)終端、維修機(jī)和接口設(shè)備組成，承載本站的命令接收、行車日志展示、閉塞辦理、車次號(hào)追蹤及進(jìn)路錯(cuò)辦判定等功能。車站子系統(tǒng)通過百兆以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)車站內(nèi)部通信，并通過冗余環(huán)網(wǎng)接入中心總機(jī)。

1.2 云計(jì)算

云計(jì)算是信息技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。云計(jì)算也得到了眾多科技型企業(yè)的關(guān)注。國(guó)外的亞馬遜、Google 等公司的云計(jì)算已經(jīng)進(jìn)行了近十年的商業(yè)化應(yīng)用。我國(guó)的阿里巴巴、百度、華為等公司也相繼推出了自己的云平臺(tái)產(chǎn)品。按照應(yīng)用模式劃分，云計(jì)算平臺(tái)可以分成私有云、公共云和混合云[6]。

（1）私有云通常是基于企業(yè)內(nèi)部的IT 資源進(jìn)行部署，訪問權(quán)限較為集中和可控。

（2）公共云是通過互聯(lián)網(wǎng)向不同的用戶提供應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等服務(wù)，用戶無需自己投資建設(shè)，使用成本較低。

（3）混合云是私有云和公共云相結(jié)合的模式。

1.3 應(yīng)用云計(jì)算的需求分析

TDCS 龐大，系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)分布廣泛且功能聯(lián)動(dòng)。傳統(tǒng)分布式結(jié)構(gòu)下，硬件節(jié)點(diǎn)孤立分布，局部系統(tǒng)資源固化，難以滿足TDCS 動(dòng)態(tài)部署、實(shí)時(shí)平滑演進(jìn)的新需求。TDCS 的系統(tǒng)現(xiàn)狀及其優(yōu)化目標(biāo)，如圖1 所示。

TDCS 以龐大而繁雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，承載著高安全性、高準(zhǔn)確度和高復(fù)雜性的業(yè)務(wù)，系統(tǒng)呈現(xiàn)出以下3個(gè)方面的問題。

（1）系統(tǒng)可擴(kuò)展性低。系統(tǒng)的新建和升級(jí)改造難度大，對(duì)運(yùn)輸業(yè)務(wù)影響大。我國(guó)鐵路高速發(fā)展，既有TDCS 面臨著大范圍、高頻次的升級(jí)改造工作。分布式結(jié)構(gòu)下的設(shè)備功能聯(lián)動(dòng)，局部升級(jí)改造引起的特定設(shè)備停用，會(huì)導(dǎo)致與其通信的其它設(shè)備功能失效，即功能失效的傳遞效應(yīng)強(qiáng)，對(duì)運(yùn)輸業(yè)務(wù)干擾大。

圖1 TDCS 現(xiàn)狀及優(yōu)化目標(biāo)

（2）系統(tǒng)資源利用率不均衡。由于建設(shè)時(shí)期不同，同類型設(shè)備的處理能力存在差異；由于干線和支線運(yùn)輸業(yè)務(wù)量不同，同等處理能力的設(shè)備所承載的業(yè)務(wù)量存在差異。因此，TDCS 硬件資源分布與業(yè)務(wù)量分布不匹配，部分設(shè)備的計(jì)算資源運(yùn)用不充分，造成了資源浪費(fèi)。

（3）系統(tǒng)的維護(hù)成本高。TDCS 所含硬件設(shè)備種類多且分布在鐵路沿線，備品庫(kù)的存儲(chǔ)成本高、巡檢難度大，對(duì)維護(hù)人員的專業(yè)技術(shù)水平要求高。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

TDCS 作為鐵路核心信號(hào)系統(tǒng)，系統(tǒng)重構(gòu)不能降低其安全性；TDCS 內(nèi)部存儲(chǔ)了大量的運(yùn)輸計(jì)劃及運(yùn)輸統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，內(nèi)容涵蓋特貨運(yùn)輸計(jì)劃、軍事運(yùn)輸計(jì)劃等，具有一定的涉密性，即部分設(shè)備需專機(jī)專用。從安全性和專用化程度兩個(gè)方面，TDCS 所含設(shè)備可以劃分為4個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)不同的部署方案，其差別化部署方案下的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

2.1.1 泛在接入

運(yùn)用泛在接入方案部署低安全性且高專用度的設(shè)備。此類設(shè)備包括復(fù)視終端、大屏控制器、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)等，具備較強(qiáng)的專用度，以定制化硬件資源承載特定功能，其故障或停機(jī)狀態(tài)的影響范圍不擴(kuò)散。因此，不對(duì)其資源進(jìn)行虛擬化，使此類設(shè)備以獨(dú)立單元靈活接入TDCS 云計(jì)算主系統(tǒng)，身份驗(yàn)證業(yè)務(wù)由主系統(tǒng)承擔(dān)。

2.1.2 公有云

低安全性且低專用度的設(shè)備，采用公有云構(gòu)建。此類設(shè)備主要包括TDCS 網(wǎng)管工作站、系統(tǒng)維護(hù)工作站、對(duì)外信息提供服務(wù)器等，采用旁路接入方式與主系統(tǒng)連接，并且信息交互是單向的，即只從主系統(tǒng)獲取信息，而不向主系統(tǒng)發(fā)送信息。基于公有云重構(gòu)此類設(shè)備，以最大限度提高其部署的靈活性。

2.1.3 私有云

高安全性且低專用度的設(shè)備，采用私有云構(gòu)建。TDCS 調(diào)度臺(tái)工作站、應(yīng)用服務(wù)器、通信服務(wù)器等屬于此類設(shè)備，其硬件資源充足，但資源分布不合理，局部業(yè)務(wù)量隨時(shí)間波動(dòng)。運(yùn)用私有云，可以將現(xiàn)有計(jì)算和存儲(chǔ)資源整合為資源池，按需求為不同業(yè)務(wù)提供動(dòng)態(tài)支持。私有云平臺(tái)部署在高安全等級(jí)的TDCS 調(diào)度中心，以利于平臺(tái)擴(kuò)容、安全保障和數(shù)據(jù)保密。

2.1.4 控制性接入

高安全性且高專用度的設(shè)備，控制性接入TDCS云計(jì)算主系統(tǒng)。在既有體系結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)安全、通信質(zhì)量監(jiān)督等設(shè)備是以高安全性為導(dǎo)向進(jìn)行部署的，具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性和獨(dú)立性，且計(jì)算資源高度可控，便于全面監(jiān)測(cè)分析其運(yùn)行狀態(tài)。由于云平臺(tái)的資源是動(dòng)態(tài)變化的，信息突變和端口漂移的情況實(shí)時(shí)發(fā)生，在安全性、可控性方面無法滿足此類設(shè)備的需求。因此，高安全性且高專用度的設(shè)備仍維持既有部署方式，并固定其對(duì)外交互接口，與云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)限速限量的控制性交互。

2.2 系統(tǒng)資源分配策略

云計(jì)算TDCS 資源分配機(jī)制包括動(dòng)態(tài)調(diào)度和按預(yù)設(shè)策略分配。云計(jì)算平臺(tái)具備較為成熟的資源動(dòng)態(tài)調(diào)度算法，能夠快速均衡TDCS 多種業(yè)務(wù)的突發(fā)瞬時(shí)需求，進(jìn)而得出云平臺(tái)資源調(diào)度的最優(yōu)解[7-8]。

資源分配預(yù)設(shè)策略需要結(jié)合系統(tǒng)資源需求模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。TDCS 各項(xiàng)業(yè)務(wù)功能對(duì)系統(tǒng)資源的需求具有一定規(guī)律性，基于合理化的需求模型設(shè)計(jì)資源分布預(yù)設(shè)策略，能有效避免資源頻繁遷移，進(jìn)而縮短資源分配的收斂時(shí)間。

3 可行性研究

3.1 模型適用性

云計(jì)算TDCS 模型需要滿足2個(gè)方面的要求，即業(yè)務(wù)與資源之間具有相關(guān)關(guān)系且系統(tǒng)邊界清晰[9]。

（1）TDCS 業(yè)務(wù)與系統(tǒng)資源有較明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而具備云計(jì)算抽象化虛擬資源池支撐多任務(wù)的資源分配基礎(chǔ)。TDCS 業(yè)務(wù)類型可以分為5 類，即數(shù)據(jù)采集、信息轉(zhuǎn)發(fā)或過濾、人機(jī)交互、協(xié)議轉(zhuǎn)換及運(yùn)維協(xié)助；TDCS 資源可以分為4 類，即數(shù)據(jù)處理資源、監(jiān)測(cè)及分析資源、校驗(yàn)資源和存儲(chǔ)資源。TDCS 業(yè)務(wù)與資源的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖3 所示。

由圖3 可知，TDCS 業(yè)務(wù)與資源具有較為明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，能夠適用于云計(jì)算模型。

（2）資源規(guī)模是資源調(diào)度算法的邊界和基礎(chǔ)，系統(tǒng)資源規(guī)模必須是確定的。TDCS 是鐵路核心信號(hào)系統(tǒng)，具有自身的專用網(wǎng)絡(luò)，雖然系統(tǒng)體量龐大，但系統(tǒng)界限分明。TDCS 全部設(shè)備都由維護(hù)單位登記造冊(cè)，與外圍系統(tǒng)的接口均有安全邊界防護(hù)。因此，TDCS 資源規(guī)模是穩(wěn)定的，系統(tǒng)邊界是明確的，符合云計(jì)算模型的構(gòu)建要求。

3.2 系統(tǒng)可擴(kuò)展性

TDCS 功能包括核心功能、報(bào)警提示、網(wǎng)絡(luò)通信和系統(tǒng)運(yùn)維4個(gè)大類，核心功能有列車作業(yè)管理、調(diào)車作業(yè)管理、站場(chǎng)信息展示與存儲(chǔ)、接口、施工管理和仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，如圖4 所示。

各類功能之間具有緊密的協(xié)同關(guān)系，支撐各類功能的硬件設(shè)備相互聯(lián)動(dòng)。在信息交互如此復(fù)雜的情況下，現(xiàn)有架構(gòu)TDCS 的擴(kuò)容及改造難度大，極易造成對(duì)運(yùn)輸業(yè)務(wù)的大面積影響。

云計(jì)算支持資源動(dòng)態(tài)伸縮，通過資源調(diào)度機(jī)制，動(dòng)態(tài)遷移系統(tǒng)資源，局部集中處理相關(guān)業(yè)務(wù)，從而簡(jiǎn)化功能實(shí)現(xiàn)的協(xié)同機(jī)制。例如調(diào)度臺(tái)所需的顯示信息可以從云資源池內(nèi)獲取，而不是僅從某臺(tái)接口服務(wù)器獲取；新建線路TDCS 接入調(diào)度中心總機(jī)系統(tǒng)，不需要對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，只用按需擴(kuò)展資源池即可，能夠有效地降低局部升級(jí)或改造對(duì)運(yùn)輸業(yè)務(wù)的干擾。

3.3 資源利用率

傳統(tǒng)分布式結(jié)構(gòu)下，TDCS 硬件設(shè)備自成體系，硬件資源固化。硬件資源部署必須滿足自身峰值需求，大量資源被短時(shí)調(diào)用后，即長(zhǎng)期處于靜默狀態(tài)，從而導(dǎo)致資源浪費(fèi)。以中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司的TDCS 中心為例，運(yùn)輸調(diào)度管理系統(tǒng)（TDMS，Transportation Dispatching Management System）接口服務(wù)器在調(diào)度員交班的時(shí)間段內(nèi)（每日8：00、18：00 各一次，通常時(shí)間不超過20 min），需要集中接收、轉(zhuǎn)存日班計(jì)劃，設(shè)備資源占用率最高可達(dá)82%；而在其它時(shí)間，TDMS 接口服務(wù)器只需要在接收臨時(shí)調(diào)整計(jì)劃時(shí)調(diào)用少量資源，資源占用率僅為7%，大量資源被閑置。云計(jì)算TDCS 中的虛擬資源具備動(dòng)態(tài)部署、實(shí)時(shí)調(diào)配的能力，系統(tǒng)資源部署方案在保證安全冗余的前提下，實(shí)現(xiàn)資源部署和資源需求的總量平衡即可，可減少常態(tài)下的靜默資源，提升資源利用率。

3.4 維護(hù)成本

TDCS 所含業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)種類較多，不同業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)依據(jù)功能特性對(duì)資源有不同的需求。例如應(yīng)用服務(wù)器需要實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)并緩存信息，對(duì)存儲(chǔ)能力及資源配屬穩(wěn)定性有較高的要求；運(yùn)行圖代理服務(wù)器的功能是接收查詢請(qǐng)求，從數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)取數(shù)據(jù)并定時(shí)發(fā)送，其功能特點(diǎn)是接收瞬時(shí)請(qǐng)求并快速處置，對(duì)計(jì)算能力要求較高。

按照各類業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)的功能特性進(jìn)行多樣化的資源部署，會(huì)提高硬件維護(hù)和建立備品庫(kù)的難度；若為了降低維護(hù)成本，追求資源部署的標(biāo)準(zhǔn)化，則只能依據(jù)具有最高性能需求的業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行部署，從而造成投資浪費(fèi)。因此，在分布式結(jié)構(gòu)TDCS 的構(gòu)建過程中，減少投資浪費(fèi)和降低維護(hù)成本是互相制約的兩種需求，難以實(shí)現(xiàn)同步優(yōu)化。

圖4 TDCS 功能分類及關(guān)聯(lián)關(guān)系

云計(jì)算TDCS 通過資源虛擬化技術(shù)，弱化硬件特性與業(yè)務(wù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而可以在標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的硬件基礎(chǔ)上，均衡承載多樣化的業(yè)務(wù)，并滿足不同業(yè)務(wù)定制化的資源需求。硬件設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)模式，能降低維護(hù)門檻、簡(jiǎn)化備品庫(kù)、規(guī)范故障處置流程，從而降低維護(hù)成本。因此，云計(jì)算TDCS 打破了減少投資浪費(fèi)和降低維護(hù)成本之間的制約關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)雙目標(biāo)的帕累托最優(yōu)奠定了基礎(chǔ)。

3.5 系統(tǒng)能耗

定義1：云計(jì)算TDCS 業(yè)務(wù)是一個(gè)二元組 (M,?)。其中，M=(mi|1 ≤i≤z)表 示系統(tǒng)中的任務(wù)集，mi表示第i類任務(wù)。TDCS 業(yè)務(wù)的產(chǎn)生具有隨機(jī)性，例如調(diào)度命令的下達(dá)，服務(wù)器主備狀態(tài)變化信息的轉(zhuǎn)發(fā)等。為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，定義 ?=(φi|1 ≤i≤z)表示任務(wù)的產(chǎn)生率集合， φi表示mi類任務(wù)在單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)生概率，mi∈M,φi∈?。

云計(jì)算TDCS 全域范圍內(nèi)，所有z類任務(wù)的總產(chǎn)生概率為：假設(shè)不同計(jì)算任務(wù)被分配給TDCS 內(nèi)某臺(tái)設(shè)備的概率是可知的（可以通過遺傳迭代類的學(xué)習(xí)算法，獲取此類概率集），設(shè)hij表示mi類任務(wù)被分配到硬件設(shè)備rj的概率。則rj被分配到z類任務(wù)的總體概率（任務(wù)被分配給某硬件設(shè)備的期望概率）為：

加入任務(wù)分配的隨機(jī)性因素，硬件設(shè)備rj對(duì)所有z類 任務(wù)的期望工作功率表示為：

公式（2）中的hi jφi·W(rj)<1。同時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，假設(shè)TDCS 硬件設(shè)備rj完成不同任務(wù)的工作功率相同，即是一個(gè)常數(shù)，且則即：z類任務(wù)總量不變的情況下，云計(jì)算TDCS 所含硬件設(shè)備rj的期望工作功率小于硬件資源固化狀態(tài)下的工作功率。

此外，TDCS 不同設(shè)備對(duì)不同任務(wù)的處理性能存在差異[10]，合理化的資源調(diào)度算法以硬件的個(gè)性化計(jì)算能力作為重要參數(shù)，將某項(xiàng)具體任務(wù)分配給最適合的硬件設(shè)備，可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)能耗。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)TDCS 運(yùn)用現(xiàn)狀及優(yōu)化需求的分析，提出了基于云計(jì)算構(gòu)建TDCS 的技術(shù)路線，設(shè)計(jì)了云計(jì)算TDCS 的差別化部署方案，就其可行性進(jìn)行探討。結(jié)果表明，云計(jì)算TDCS 在降低部署難度、提高資源利用率、降低能耗方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，能更好地滿足我國(guó)鐵路運(yùn)輸組織需求，具有良好的應(yīng)用前景。基于云計(jì)算構(gòu)建TDCS 將是TDCS 創(chuàng)新研究的重要領(lǐng)域。云計(jì)算TDCS 的設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究尚處于起步階段，從云平臺(tái)可用性、可靠性和運(yùn)用成本和異構(gòu)數(shù)據(jù)挖掘等方面，仍需要進(jìn)行深入探索。