基于云架構(gòu)的線網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)方案研究

彭 湃

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

目前，根據(jù)智慧城軌發(fā)展綱要，需要研究線路和線網(wǎng)合一、日常運(yùn)營(yíng)調(diào)度和應(yīng)急響應(yīng)合一的調(diào)度指揮中心，將軌道交通的三層管控（線網(wǎng)指揮中心、線路控制中心和車站）優(yōu)化為兩層管控（運(yùn)營(yíng)指揮中心和車站）；研發(fā)、部署智能城軌線網(wǎng)運(yùn)輸組織輔助決策系統(tǒng)，提高運(yùn)營(yíng)效率，增強(qiáng)綜合調(diào)度（應(yīng)急）指揮能力[1]。北京、上海、廣州、深圳都已建設(shè)線網(wǎng)控制中心，石家莊、太原、南寧等城市也在積極開展線網(wǎng)控制中心的建設(shè)研究。線網(wǎng)控制中心基本功能定位如下：線網(wǎng)監(jiān)視與協(xié)調(diào)、線路運(yùn)營(yíng)控制、應(yīng)急指揮及輔助決策、數(shù)據(jù)分析與決策、乘客信息服務(wù)等基礎(chǔ)功能[2-4]。

1 云平臺(tái)建設(shè)規(guī)劃

云計(jì)算利用分布式計(jì)算和虛擬資源管理等技術(shù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將分散的計(jì)算與存儲(chǔ)、應(yīng)用運(yùn)行平臺(tái)、軟件等資源集中起來(lái)形成共享的資源池，并以動(dòng)態(tài)按需和度量的方式向用戶提供服務(wù)。云計(jì)算用戶可使用這些資源在任何時(shí)間和地點(diǎn)以靈活和按需方式運(yùn)行服務(wù)和應(yīng)用[5]。

云計(jì)算服務(wù)通常以特定服務(wù)類別提供，如基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）、平臺(tái)即服務(wù)（PaaS）、軟件即服務(wù)（SaaS）、網(wǎng)絡(luò)即服務(wù)（NaaS）等。其中IaaS服務(wù)主要包括計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源等資源池服務(wù)。

計(jì)算資源服務(wù)基于數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施及專業(yè)服務(wù)能力，向用戶提供共享或獨(dú)享的計(jì)算資源服務(wù)，具有快速部署、按需租用、自助服務(wù)、安全可靠的特點(diǎn)。用戶可以便捷地進(jìn)行資源申請(qǐng)、資源管理與監(jiān)控，快速部署應(yīng)用，并根據(jù)需求動(dòng)態(tài)彈性擴(kuò)展資源。

存儲(chǔ)資源服務(wù)基于安全、高速、便捷的云存儲(chǔ)服務(wù)平臺(tái)，為用戶提供高速、安全、融合多業(yè)務(wù)、支持多終端的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)管理與分享服務(wù)，滿足用戶日益增長(zhǎng)的存儲(chǔ)需求。同時(shí)可為第三方平臺(tái)開展高安全性、高可靠性、高可用性、高兼容性和高開發(fā)性的存儲(chǔ)服務(wù)提供開放的云存儲(chǔ)能力支持。

網(wǎng)絡(luò)資源服務(wù)為虛擬機(jī)提供所需的虛擬網(wǎng)卡、IP 地址、VLAN、內(nèi)外網(wǎng)部署、網(wǎng)絡(luò)接入、虛擬負(fù)載均衡和虛擬防火墻等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

資源池服務(wù)通過(guò)將計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)資源虛擬化成相應(yīng)的邏輯資源池為用戶提供資源池服務(wù)。云資源池可基于獨(dú)享或共享的物理資源，不同軌道交通業(yè)務(wù)用戶根據(jù)實(shí)際需求管理和使用云資源池，包括虛擬機(jī)的創(chuàng)建、使用、監(jiān)控和操作等[6]。

軌道交通運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)系統(tǒng)云平臺(tái)設(shè)計(jì)主要包括中心級(jí)云平臺(tái)、災(zāi)備中心云平臺(tái)、車站級(jí)云平臺(tái)，通過(guò)骨干網(wǎng)通信傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。根據(jù)各地系統(tǒng)功能定位、服務(wù)對(duì)象、系統(tǒng)架構(gòu)不同，對(duì)是否云化部署的需求也不盡相同。武漢城軌信息化建設(shè)采用基于云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)的新IT 架構(gòu)，構(gòu)建異地雙活的數(shù)據(jù)中心，實(shí)施新建線路和既有線的信息系統(tǒng)全部納入和遷移到云平臺(tái)的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)對(duì)城軌業(yè)務(wù)的綜合承載和數(shù)據(jù)共享，為智慧城軌建設(shè)提供信息技術(shù)支撐。呼和浩特建立自主可控的城軌云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)城軌業(yè)務(wù)應(yīng)用的全覆蓋和統(tǒng)一部署承載，突破數(shù)據(jù)共享的壁壘，為大數(shù)據(jù)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，推進(jìn)大數(shù)據(jù)在業(yè)務(wù)領(lǐng)域的深化應(yīng)用，建成適應(yīng)云平臺(tái)體系架構(gòu)的運(yùn)行維護(hù)體系和運(yùn)行管理機(jī)制。深圳市城市軌道交通10 號(hào)線、太原軌道交通1、2 號(hào)線工程建設(shè)基于云計(jì)算技術(shù)的融合統(tǒng)一業(yè)務(wù)平臺(tái)，承載綜合監(jiān)控系統(tǒng)、列車自動(dòng)監(jiān)控ATS、乘客信息系統(tǒng)、安防系統(tǒng)（含視頻監(jiān)視、門禁等子系統(tǒng)）、車場(chǎng)智能化系統(tǒng)以及辦公自動(dòng)化系統(tǒng)（辦公計(jì)算機(jī)部分）等子系統(tǒng)。

2 云平臺(tái)業(yè)務(wù)規(guī)劃

虛擬數(shù)據(jù)中心（Virtual Data Center，VDC）是IaaS 資源的邏輯抽象，提供了與物理數(shù)據(jù)中心相等體驗(yàn)的專屬虛擬化資源池，可以快速自助完成虛擬數(shù)據(jù)中心申請(qǐng)，并可根據(jù)實(shí)際需要在線靈活調(diào)整虛擬數(shù)據(jù)中心規(guī)格。在VDC 內(nèi)，可以對(duì)計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源統(tǒng)一管理。

云平臺(tái)需支持虛擬數(shù)據(jù)中心VDC 的創(chuàng)建和管理，通過(guò)VDC 將物理資源池化，支持通過(guò)邏輯隔離技術(shù)基于業(yè)務(wù)需要，靈活分配的邏輯數(shù)據(jù)中心，包括計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源。

云平臺(tái)業(yè)務(wù)規(guī)劃通常有如下兩種方案。

1）按照業(yè)務(wù)劃分VDC

按照業(yè)務(wù)對(duì)VDC 進(jìn)行劃分，線網(wǎng)控制中心的云平臺(tái)中VDC 數(shù)量相對(duì)較少，可根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行擴(kuò)展。各業(yè)務(wù)VDC 內(nèi)根據(jù)需求按線路劃分虛擬私有云（Virtual Private Cloud，VPC），VDC 內(nèi)的資源池按線路進(jìn)行擴(kuò)展。對(duì)于各業(yè)務(wù)的應(yīng)用平臺(tái)，多條線路統(tǒng)一部署業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，業(yè)務(wù)應(yīng)用類型少模式統(tǒng)一。

2）按照線路劃分VDC

按照線路對(duì)VDC 進(jìn)行劃分，線網(wǎng)控制中心的云平臺(tái)中VDC 數(shù)量隨線路數(shù)量增多。各線路VDC內(nèi)根據(jù)需求按業(yè)務(wù)類型劃分VPC，平臺(tái)資源池隨線路成倍擴(kuò)展。對(duì)于各業(yè)務(wù)的應(yīng)用平臺(tái)，各線部署各自的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，業(yè)務(wù)應(yīng)用類型和應(yīng)用模式多。

按線路劃分VDC 方式與傳統(tǒng)軌道交通各專業(yè)建設(shè)模式相似，工程可實(shí)施性較強(qiáng)。同時(shí)線路中心與本線車站系統(tǒng)屬于同一廠家的系統(tǒng)，各線之間不存在業(yè)務(wù)廠家壟斷或互設(shè)壁壘的情況。

對(duì)于運(yùn)營(yíng)管理單位與傳統(tǒng)模式類似，以線路為單位進(jìn)行管理。不同線路的業(yè)務(wù)應(yīng)用類型不同，增加了運(yùn)營(yíng)及運(yùn)維管理的復(fù)雜度及難度[7]。

3 線網(wǎng)控制系統(tǒng)架構(gòu)分析

在城軌云建設(shè)的同時(shí)，線網(wǎng)級(jí)系統(tǒng)均可納入云管理。如圖1 所示，線網(wǎng)行車控制系統(tǒng)，與各線路信號(hào)系統(tǒng)接口，接收線路信號(hào)系統(tǒng)提供的信號(hào)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、列車運(yùn)行信息數(shù)據(jù)、運(yùn)行圖數(shù)據(jù)，將各線路的行車控制界面以統(tǒng)一美觀的方式集成顯示出來(lái)，并提供線路切換功能，供線網(wǎng)中心調(diào)度人員進(jìn)行運(yùn)營(yíng)協(xié)調(diào)、調(diào)度決策和應(yīng)急指揮使用。同時(shí)將接收到的各線路信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給線網(wǎng)中心內(nèi)部其他業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，供其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和評(píng)價(jià)決策使用。

線網(wǎng)控制系統(tǒng)是一個(gè)分布式的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，為系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備提供了熱備冗余保護(hù)，保證系統(tǒng)有高度的可用性，整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)冗余網(wǎng)絡(luò)組成一個(gè)冗余的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖1 線網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture of line/network monitoring system

控制中心搭建硬件云，利用虛擬化平臺(tái)構(gòu)建承載的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，應(yīng)用服務(wù)器、歷史服務(wù)器均采用云平臺(tái)布署，調(diào)度工作站采用云桌面。系統(tǒng)采用雙網(wǎng)設(shè)計(jì)，所有聯(lián)網(wǎng)的工作站和服務(wù)器都配置2 個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，分別連接到兩個(gè)LAN。在軟件的網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)中考慮了雙網(wǎng)自動(dòng)切換功能，當(dāng)軟件發(fā)現(xiàn)通過(guò)某個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口無(wú)法連接到對(duì)方時(shí)，會(huì)自動(dòng)切換到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口去打開連接。系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，如ATS 專用服務(wù)器、接口服務(wù)器都具有雙機(jī)切換能力。如果主機(jī)失效，備機(jī)將及時(shí)檢測(cè)到并自動(dòng)升級(jí)為主機(jī)運(yùn)行[8-9]。

若全網(wǎng)各線信號(hào)ATS 系統(tǒng)已納入云平臺(tái)，則與線網(wǎng)級(jí)控制系統(tǒng)變化為云內(nèi)部接口。

4 結(jié)語(yǔ)

基于云平臺(tái)的生產(chǎn)業(yè)務(wù)部署后，需要立足于網(wǎng)絡(luò)層面，對(duì)各線路與各專業(yè)系統(tǒng)及各個(gè)建設(shè)與資源運(yùn)作項(xiàng)目的管理業(yè)務(wù)進(jìn)行集中管理和統(tǒng)一協(xié)調(diào)，制定全網(wǎng)必須遵循的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。構(gòu)建以城軌云平臺(tái)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)級(jí)管理平臺(tái)，通過(guò)信息化、自動(dòng)化、智能化方式支撐網(wǎng)絡(luò)化管理業(yè)務(wù)高效運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、信息交互、設(shè)備控制、綜合分析等不同管理功能。網(wǎng)絡(luò)化管理需要各業(yè)務(wù)層面的整合，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，可從行車運(yùn)營(yíng)組織、機(jī)電資源共享、弱電互聯(lián)互通、網(wǎng)絡(luò)化維修平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)化智能調(diào)度等進(jìn)行優(yōu)化分析[10]。

各城市應(yīng)隨著軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃與建設(shè)遲早規(guī)劃，建立科學(xué)的路網(wǎng)運(yùn)營(yíng)指揮體系。軌道交通線網(wǎng)可結(jié)合線網(wǎng)云的建設(shè)時(shí)序，在網(wǎng)絡(luò)化成型階段，完成各項(xiàng)目的專項(xiàng)研究，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)劃、分步實(shí)施，通過(guò)強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)級(jí)管理主體管控能力、統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、預(yù)留互聯(lián)互通條件以及智慧地鐵建設(shè)，充分發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢(shì)，積極探索“網(wǎng)絡(luò)-車站”兩級(jí)管理模式的實(shí)施路徑，部分業(yè)務(wù)系統(tǒng)推行兩級(jí)管理模式，提升網(wǎng)絡(luò)化管理水平。