地鐵運(yùn)營(yíng)中云計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用分析

王 赫

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州510030）

引言

由于國(guó)內(nèi)大力推行“互聯(lián)網(wǎng)+城市軌道公共交通”工程建設(shè)的推行，配合“新基礎(chǔ)建設(shè)”項(xiàng)目的要求和云計(jì)算、BIM、5G 網(wǎng)絡(luò)等等新興科技，搭建高質(zhì)量的智慧型城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)成為各類大中城市公共交通發(fā)展和規(guī)劃建設(shè)的關(guān)鍵。全方位監(jiān)控系統(tǒng)是地鐵運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵性工業(yè)智能控制裝置和系統(tǒng)，主流的特點(diǎn)是集中針對(duì)各類機(jī)械電子系統(tǒng)實(shí)施即時(shí)監(jiān)控、各類專業(yè)裝置間的聯(lián)動(dòng)和綜合匹配。各個(gè)領(lǐng)域?qū)ο嚓P(guān)設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)等具備匯聚效果和接口要求。與此同時(shí)，云計(jì)算相關(guān)科技作為地鐵相關(guān)系統(tǒng)裝置的基礎(chǔ)性結(jié)構(gòu)，能夠?yàn)榈罔F運(yùn)營(yíng)各個(gè)系統(tǒng)供應(yīng)龐大的計(jì)算功能、存儲(chǔ)能力及相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)管理功能，此類集中提供信息數(shù)據(jù)服務(wù)的系統(tǒng)，其能夠?yàn)槎鄺l線路、多種專業(yè)、多類業(yè)務(wù)的軌道公共交通體系供應(yīng)合理的數(shù)據(jù)支持。

1 地鐵運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的信息相關(guān)技術(shù)發(fā)展概述

伴隨著我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的不斷高速、平穩(wěn)發(fā)展，新型的城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略正在快速、平穩(wěn)、有序地持續(xù)推動(dòng)進(jìn)行，國(guó)內(nèi)各大城市的地鐵運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)正在進(jìn)入積極發(fā)展的特殊機(jī)遇時(shí)期。地鐵列車運(yùn)行高速化、車次運(yùn)行頻率密集化、運(yùn)營(yíng)形式多樣化、運(yùn)營(yíng)管理網(wǎng)絡(luò)化及智能化的特性日益突出。地鐵運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)在公共交通運(yùn)輸系統(tǒng)中扮演著愈來(lái)愈關(guān)鍵的角色、起到了愈來(lái)愈重要的作用。國(guó)內(nèi)地鐵運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的建設(shè)周期的初始階段使用的是一條線路一批復(fù)，一個(gè)批文下發(fā)建設(shè)一條線路的建設(shè)模式，因此地鐵系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)信息系統(tǒng)通常也是跟隨著相關(guān)線路的建設(shè)進(jìn)度來(lái)進(jìn)行搭建，缺乏對(duì)于整體框架的統(tǒng)籌性規(guī)劃和設(shè)計(jì)，這樣做的一個(gè)問(wèn)題就是各個(gè)地鐵線路的信息系統(tǒng)處于一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的狀況，應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)信息、網(wǎng)絡(luò)交互、各類通訊設(shè)備等相關(guān)資源和信息的集成應(yīng)用效率較為低下?，F(xiàn)階段，世界范圍內(nèi)多數(shù)國(guó)家普遍應(yīng)用的以信息化技術(shù)加強(qiáng)地鐵運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)發(fā)展的長(zhǎng)期戰(zhàn)略，信息化相關(guān)技術(shù)已經(jīng)涉及到了地鐵系統(tǒng)整體的工程建設(shè)、日常運(yùn)營(yíng)、調(diào)度管理、安全生產(chǎn)、客戶服務(wù)等等所有的相關(guān)領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)大力推行的“互聯(lián)網(wǎng)+地鐵”的主要戰(zhàn)略，信息化網(wǎng)絡(luò)的搭建工程也已經(jīng)步入到大范圍發(fā)展及實(shí)際應(yīng)用的新階段。其中云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等信息科技在地鐵運(yùn)營(yíng)行業(yè)已經(jīng)逐步取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步和實(shí)際推廣應(yīng)用，自動(dòng)化運(yùn)行、信息化管理及智能化操控現(xiàn)已成為相關(guān)地鐵運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)步的必然發(fā)展趨勢(shì)。

2 地鐵運(yùn)營(yíng)自動(dòng)化管理系統(tǒng)簡(jiǎn)述

地鐵運(yùn)營(yíng)自動(dòng)化管理系統(tǒng)的主要組成部分包含信號(hào)傳輸系統(tǒng)、全方位監(jiān)控系統(tǒng)、電力控制系統(tǒng)、能源優(yōu)化管理系統(tǒng)、外部環(huán)境和相關(guān)裝置監(jiān)控系統(tǒng)、火情全自動(dòng)警報(bào)系統(tǒng)、圖像監(jiān)控系統(tǒng)、各個(gè)路口的門禁系統(tǒng)、乘客詳細(xì)信息跟蹤系統(tǒng)、全自動(dòng)售票系統(tǒng)、全自動(dòng)檢票系統(tǒng)、廣播通訊系統(tǒng)、有線電話通訊系統(tǒng)、專門線路的電話通訊系統(tǒng)、安全屏蔽門相關(guān)系統(tǒng)等等。經(jīng)過(guò)針對(duì)上述自動(dòng)化運(yùn)行系統(tǒng)的深入研究和系統(tǒng)分析，可以發(fā)現(xiàn)從本質(zhì)上來(lái)講，它們均為針對(duì)不同裝置的相關(guān)監(jiān)控框架體系，其中以針對(duì)機(jī)械電子裝置的監(jiān)控系統(tǒng)為核心結(jié)構(gòu)，也可以針對(duì)和相關(guān)地鐵工程結(jié)構(gòu)主體有關(guān)的各類裝置、檢測(cè)系統(tǒng)的儀器儀表實(shí)施有效的監(jiān)控任務(wù)。電腦視頻監(jiān)控系統(tǒng)目前是地鐵運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)控體系的常規(guī)表現(xiàn)方式。

隨著國(guó)內(nèi)各大城市地鐵運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的管理能力的大幅度提高及新興科技的持續(xù)投入實(shí)際應(yīng)用，地鐵運(yùn)營(yíng)自動(dòng)化管理系統(tǒng)的應(yīng)用范圍持續(xù)加大，功能也更加完善，帶來(lái)了計(jì)算機(jī)等相關(guān)電子設(shè)備的應(yīng)用數(shù)量的大量使用。電腦等相關(guān)裝置作為一類商用級(jí)別的專業(yè)設(shè)備，其網(wǎng)絡(luò)管理的能力較差，系統(tǒng)的相關(guān)配置、綜合管理的操作比較復(fù)雜，而且因?yàn)橄嚓P(guān)的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)通常是單獨(dú)進(jìn)行設(shè)置的，這樣的情況為地鐵運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的機(jī)電裝置的綜合系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)營(yíng)、日常維護(hù)保養(yǎng)及管理調(diào)控帶來(lái)了許多的障礙和影響。例如地鐵運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)中的線路信號(hào)傳輸方案，地鐵運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）、地鐵運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)圖監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）、地鐵運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)自動(dòng)售票、檢票系統(tǒng)（AFC）、地鐵運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)乘客綜合信息系統(tǒng)（PIS）、地鐵運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)停車場(chǎng)智能化管理系統(tǒng)、地鐵運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)資產(chǎn)管理等等系統(tǒng)全網(wǎng)共需要配置PC 服務(wù)器多達(dá)200 臺(tái)以上，臺(tái)式電腦多達(dá)200 臺(tái)以上，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置30 多套。相關(guān)工程技術(shù)人員需要處在地鐵運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的全方位視角考慮自動(dòng)化信息系統(tǒng)的搭建工作，實(shí)現(xiàn)更大區(qū)域內(nèi)的信息數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，更大程度的系統(tǒng)功能的集成化，這樣操作將會(huì)提升整體地鐵系統(tǒng)工程的建造水準(zhǔn)，云計(jì)算技術(shù)的廣泛使用現(xiàn)階段已經(jīng)成為地鐵運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展趨勢(shì)[1]。

3 地鐵運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)原有線路各類自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)

經(jīng)過(guò)對(duì)原有地鐵運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的線路控制中心和重點(diǎn)車站、換乘車站所屬的相關(guān)信號(hào)系統(tǒng)、全方位監(jiān)控系統(tǒng)、乘客詳細(xì)信息記錄系統(tǒng)、圖像監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器、服務(wù)器的CPU 型號(hào)、內(nèi)存負(fù)載、硬盤的磁盤利用效率、增長(zhǎng)率實(shí)行相關(guān)的統(tǒng)計(jì)，能夠得出如下結(jié)論：

3.1 中央處理器使用率偏低

各個(gè)地鐵站點(diǎn)都可能獨(dú)立配備相關(guān)服務(wù)器，相關(guān)車站級(jí)的服務(wù)器必須占比達(dá)到總服務(wù)器數(shù)目的90%以上，然而其CPU 的實(shí)際利用效率不高，甚至有部分地鐵站點(diǎn)的車站級(jí)服務(wù)器的CPU 的實(shí)際占用效率低于6%。并且由于相關(guān)系統(tǒng)級(jí)別是“容錯(cuò)級(jí)”，即相關(guān)信息系統(tǒng)能夠容忍單點(diǎn)類型的設(shè)備故障，相關(guān)服務(wù)器等等核心設(shè)備都使用1+1 類型的數(shù)據(jù)備份模式，使得其CPU 資源受到比較嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。

3.2 某些裝置中央處理器負(fù)載率偏高

某些裝置中央處理器負(fù)載率偏高，平均數(shù)值已經(jīng)大于65%，該裝置長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在高負(fù)載率條件下會(huì)導(dǎo)致使用壽命下降。但是常規(guī)硬件框架沒(méi)有性能動(dòng)態(tài)調(diào)整性能，只能通過(guò)更換高性能硬件裝置來(lái)提高計(jì)算能力，該做法投資金額較大實(shí)施難度較高。

4 云平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體框架規(guī)劃

4.1 云平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框架和層級(jí)

依據(jù)城市地鐵系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)步，從相關(guān)試驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析得出，適合使用線網(wǎng)等級(jí)平臺(tái)體系的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，并且保證具備優(yōu)良的系統(tǒng)軟件與硬件的兼容性及相關(guān)數(shù)據(jù)端口的可擴(kuò)展性。在服務(wù)方式層面進(jìn)行分析研究得出，可以考慮初期設(shè)置安全生產(chǎn)私有云系統(tǒng)的管理模式，伴隨著相關(guān)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息技術(shù)高速發(fā)展，進(jìn)而再設(shè)置集團(tuán)集中式混合云系統(tǒng)的工作模式[2]。

4.2 云平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主備中心使用的技術(shù)方案

主備中心使用的技術(shù)方案除去云平臺(tái)系統(tǒng)的基本框架體系以外，還需要考慮主備中心使用的技術(shù)方案。能夠使用的技術(shù)方案一般有下述兩種：第一種技術(shù)方案是異地及同城雙活災(zāi)備，主備中心都入云系統(tǒng)進(jìn)行集中部局；第二種技術(shù)方案是單活中心配備常規(guī)物理災(zāi)備（依照系統(tǒng)具體技術(shù)要求實(shí)現(xiàn)相關(guān)業(yè)務(wù)或者數(shù)據(jù)信息災(zāi)備）。技術(shù)方案對(duì)比選擇：第一種技術(shù)方案在系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)投資、系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)、系統(tǒng)存儲(chǔ)利用及系統(tǒng)穩(wěn)定性等層面擁有較大優(yōu)勢(shì)。短期線路建議使用第二種技術(shù)方案，長(zhǎng)期建議使用第一種技術(shù)方案。根據(jù)城市地鐵系統(tǒng)現(xiàn)階段建設(shè)的先后順序，推薦使用第二種技術(shù)方案，并且預(yù)留第一種方案過(guò)渡的有關(guān)裝置用地用房區(qū)域和系統(tǒng)端口。

4.3 站級(jí)云平臺(tái)配置解決方案

關(guān)于站段云節(jié)點(diǎn)的作業(yè)解決方案，從整體上建議下述三種方案。

a 方案：部局聚集交換裝置、網(wǎng)絡(luò)安全防火墻及桌面云/物理工作站（見(jiàn)圖1）。

圖1 云平臺(tái)站段a 方案

b 方案：部局聚集交換裝置、網(wǎng)絡(luò)安全防火墻及車站備用服務(wù)器及桌面云/物理工作站（見(jiàn)圖2）。

圖2 云平臺(tái)站段b 方案

c 方案：部局聚集交換裝置、網(wǎng)絡(luò)安全防火墻及車站邊緣云資源及桌面云/物理工作站（見(jiàn)圖3）。

圖3 云平臺(tái)站段c 方案

如果在已經(jīng)招標(biāo)線路使用云平臺(tái)系統(tǒng)，可以考慮中心入云模式，站段維持傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)。如果在未招標(biāo)線路使用云平臺(tái)系統(tǒng)，對(duì)于具有條件的業(yè)務(wù)工作，能夠把車站業(yè)務(wù)在中心集中部局，搭建兩層架構(gòu)的體系平臺(tái)架構(gòu)，使用b 方案：站級(jí)部局匯聚交換裝置、網(wǎng)絡(luò)安全防火墻及車站備用服務(wù)器系統(tǒng)及桌面云或者物理工作站，待雙中心體系投入應(yīng)用以后，能夠改進(jìn)取消車站級(jí)的備用裝置，用在擴(kuò)大中心云資源。如果考慮智能車站、無(wú)感通過(guò)閘機(jī)及邊緣視頻監(jiān)控和業(yè)務(wù)分級(jí)排布等邊緣即時(shí)業(yè)務(wù)的需求，則建議使用c 方案：站級(jí)部局匯聚交換裝置、網(wǎng)絡(luò)安全防火墻及車站邊緣云資源及桌面云或者物理工作站，符合車站本地化即時(shí)業(yè)務(wù)的需求。對(duì)于桌面云和物理工作站的挑選，車站關(guān)鍵業(yè)務(wù)推薦使用物理工作站；針對(duì)輔助車輛運(yùn)行業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)等推薦使用桌面云[3]。

5 云計(jì)算技術(shù)在地鐵系統(tǒng)中使用的緊迫性

使用云計(jì)算技術(shù)能夠顯著提升系統(tǒng)硬件資源配置的工作效率，可以大幅節(jié)約耗電成本及空間存儲(chǔ)成本，減少工程整體造價(jià)。與此同時(shí)，如果地鐵系統(tǒng)內(nèi)各種業(yè)務(wù)使用的系統(tǒng)均依照云計(jì)算技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一實(shí)行開發(fā)實(shí)施、注冊(cè)部局，能夠非常便利地針對(duì)各種業(yè)務(wù)工作實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化管控與監(jiān)督，從統(tǒng)一運(yùn)維的層面對(duì)相關(guān)體系進(jìn)行規(guī)范化把控，在大幅減少系統(tǒng)管理成本的同時(shí)，也能夠最大限度地的節(jié)省系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本[4]，可以明顯提升地鐵項(xiàng)目的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。今后基于現(xiàn)階段結(jié)合的云平臺(tái)框架，能夠搭建基于云平臺(tái)的信息數(shù)據(jù)服務(wù)，達(dá)成各種業(yè)務(wù)體系數(shù)據(jù)信息的智慧互動(dòng)，行之有效地提高了城市軌道行業(yè)的信息化及智能化，為構(gòu)建智慧地鐵打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，現(xiàn)階段我國(guó)城市軌道交通系統(tǒng)云平臺(tái)的建設(shè)仍處于規(guī)劃制定及逐漸實(shí)施的層面，需要從多個(gè)層面、多種角度及多項(xiàng)維度進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的規(guī)劃[5]。對(duì)于地鐵系統(tǒng)各種業(yè)務(wù)體系參數(shù)信息孤島化嚴(yán)重、基礎(chǔ)技術(shù)裝置分散、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)缺失等實(shí)際狀況，以云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)中心共享為核心技術(shù)的云平臺(tái)及中國(guó)城市協(xié)會(huì)聯(lián)盟牽頭的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編制能夠很順利地解決上述難題。伴隨著未來(lái)各種新型技術(shù)的持續(xù)出現(xiàn)，有關(guān)行業(yè)重點(diǎn)亟待突破的技術(shù)難題將逐一被攻破。以地鐵云平臺(tái)技術(shù)為代表的項(xiàng)目已經(jīng)對(duì)于云平臺(tái)技術(shù)在地鐵行業(yè)的使用進(jìn)行了論證，隨著我國(guó)對(duì)于云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)中心技術(shù)的推廣及使用，地鐵行業(yè)云計(jì)算技術(shù)將得到越來(lái)越多的使用。