基于云計算技術的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)部署方案

周增惠，孔國權，張喜元

（溫州市鐵路與軌道交通投資集團有限公司運營分公司，浙江溫州 325000）

隨著云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術的發(fā)展，城市軌道交通機電設備和運營系統(tǒng)的智能化、信息化程度及安全性要求越來越高，綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）的規(guī)模也隨之不斷增大，其使用的服務器、存儲設備、網(wǎng)絡資源、終端數(shù)量大幅增加。而傳統(tǒng)ISCS部署方案中服務器利用率低、系統(tǒng)兼容性差、擴展不便、空間占用率高等劣勢日益凸顯，亟待解決。為解決上述問題，本文以溫州市軌道交通S1線一期工程為背景，構建基于云計算技術的城市軌道交通ISCS，并介紹其應用情況，以期為類似工程提供參考和借鑒。

1 線路概況

溫州市軌道交通S1線一期工程全長53.507 km，呈東西走向布設，西起桐嶺站，東至雙甌大道站。全線近期設置車站18座，其中地面車站2座，高架車站13座，地下車站3座；桐嶺站附近設桐嶺車輛段，甌華站東端設靈昆車輛段，溫州站附近設運行控制中心（OCC）。

2 傳統(tǒng)ISCS部署方案及其劣勢

在傳統(tǒng)部署方案中，ISCS通常采用分層分布式架構，由中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)（CISCS）、車站級（含車輛段等）綜合監(jiān)控系統(tǒng)（SISCS）、主干網(wǎng)絡等組成。SISCS一般設置車站級服務器（冗余配置）、存儲設備、綜合監(jiān)控工作站、網(wǎng)絡設備及其組建的車站級局域網(wǎng)系統(tǒng)，并提供千兆接口與主干網(wǎng)絡連接。

傳統(tǒng)ISCS部署方案的特點是數(shù)據(jù)服務采用分布式，以各車站/車輛段作為數(shù)據(jù)收集和處理的核心，各站點均配置1套冗余的實時服務器，用于對本站范圍內(nèi)的被監(jiān)控設施設備進行實時的數(shù)據(jù)采集、報警分析、運算控制、事件記錄等，而OCC負責對所有車站的數(shù)據(jù)進行匯集、處理、存儲和管理。

這種部署方案存在以下劣勢。

（1）服務器資源利用率低。在建設ISCS的過程中，通常會考慮到其未來業(yè)務發(fā)展及突發(fā)需求，因此在選擇服務器及存儲、網(wǎng)絡等硬件設備時留有一定比例的余量，以滿足其性能和容量承載需求。但實際情況是，硬件資源上線后，系統(tǒng)在一定時間內(nèi)的負載并不太大，使較高配置的硬件資源浪費嚴重。

（2）軟件系統(tǒng)兼容性差。系統(tǒng)對新增的業(yè)務需求反應不靈敏，無法靈活有效地調(diào)配系統(tǒng)資源以適應需求的不斷增加。由于不同子系統(tǒng)對所需的運行環(huán)境和硬件資源配置存在較大差異，因此要在傳統(tǒng)基礎架構上整合新、舊子系統(tǒng)，并同時兼顧其可靠性、穩(wěn)定性及運維管理等，難度非常大。而較常見的做法是新增與子系統(tǒng)配套的計算、存儲和網(wǎng)絡等硬件資源，從而導致成本的增加及硬件資源的浪費。

（3）運維成本過高。傳統(tǒng)ISCS除硬件成本較高外，其OCC和車站設備還存在占用空間大、線纜多、耗電量大、人力成本高等問題，導致其運維成本大幅提升。

（4）可管理性低。傳統(tǒng)ISCS的硬件設備數(shù)量眾多，難以進行有效管理，而且新設備和新應用的部署時間長，也增加了系統(tǒng)重建和應用的難度。

3 基于云計算技術的ISCS部署方案

在溫州市軌道交通S1線一期工程設計初期，考慮到其車站多為地面或高架車站，各子系統(tǒng)監(jiān)控模式較為簡單，全線監(jiān)控點數(shù)較少，為減少投資，降低工程實施難度，簡化系統(tǒng)結(jié)構，提高資源利用率，降低耗電量及維護成本，該工程采用了全國首創(chuàng)的基于云計算技術的ISCS部署方案，通過對資源進行一體化管理，提升系統(tǒng)的整體服務水平。

3.1 系統(tǒng)架構

在基于云計算技術的ISCS部署方案中，中央級和車站級服務器的功能均由位于OCC的云計算服務器群組通過虛擬化技術實現(xiàn)，各車站不再單獨設置車站服務器，僅設交換機和前置處理機（FEP）。全線各站被監(jiān)控設施設備的實時數(shù)據(jù)均通過主干網(wǎng)絡匯集到OCC，由OCC的云計算服務器群組統(tǒng)一進行處理、存儲和管理，云計算服務器群組除負責對中央及車站各集成、互聯(lián)子系統(tǒng)的輪詢數(shù)據(jù)進行反饋外，還需及時響應中央及各車站調(diào)度人員下發(fā)或上傳的控制指令。系統(tǒng)架構如圖 1所示。

圖1 溫州市軌道交通S1線一期工程ISCS架構

在CISCS中部署2套云計算服務器群組，1套主用，1套備用，均連接中央交換機，二者之間通過冗余鏈路互聯(lián)。這2套云計算服務器群組利用華為FusionSphere云平臺管理軟件對中央及車站級服務器進行虛擬化，形成彈性的數(shù)據(jù)中心資源池，從而可實現(xiàn)對資源的自動化調(diào)配和統(tǒng)一管理，提高服務器的資源利用率和計算效率，以及降低維護成本。其分別搭建如下虛擬服務器設備：2 臺中央級實時服務器、2臺中央級歷史服務器、20座車站（包括2座地面車站、13座高架車站、3座地下車站和2座車輛段）的車站級實時服務器。

為確保SISCS的可靠性，在各地下車站均配置1臺車站級服務器，在高架和地面車站中各配置1套工作站，實現(xiàn)主用服務器群組上的車站級虛擬服務器與車站級控制站（即地下車站中的服務器與高架或地面車站中的工作站）的雙機冗余。在CISCS或主干網(wǎng)絡發(fā)生故障時，車站級控制站可作為冗余備份，管理和處理相關數(shù)據(jù)，保證SISCS的正常運行。

3.2 軟件配置

溫州市軌道交通S1線一期工程采用的ISCS軟件平臺是在上海寶信軟件股份有限公司iRail軟件基礎上開發(fā)出來的，具有分布式、基于客戶/服務器結(jié)構的特點。該軟件與云計算服務器虛擬化軟件（即華為FusionSphere云平臺管理軟件）具備良好的兼容性，可滿足城市軌道交通ISCS對實時性、安全性、可靠性、易運維部署等的需求。系統(tǒng)的實時服務器安裝操作系統(tǒng)（含虛擬化軟件）、虛擬機組（組內(nèi)各虛擬機均含操作系統(tǒng)及iRail軟件）；其歷史服務器安裝操作系統(tǒng)（含虛擬化軟件）、實時歷史數(shù)據(jù)庫iHyperDB及關系數(shù)據(jù)庫MySQL。

3.3 硬件配置

本工程中的云計算服務器群組采用華為FusionCube 9000融合基礎設施一體機（由模塊化可插拔刀片服務器組成），其配置如下，詳見表1、表2。

表1 云計算服務器群組資源分布

表2 單個節(jié)點配置

（1）共配置3個刀片服務器機框，其中主用服務器群組配置2個，備用服務器群組配置1個。

（2）共配置計算刀片（即計算節(jié)點）11個，其中主用服務器群組配置6個，備用服務器群組配置5個。

（3）共配置計算存儲融合型刀片（即存儲節(jié)點）6個，其中主用和備用服務器群組各配置3個。

（4）實配10K SAS硬盤的裸容量總和為59.4 TB，其中主用和備用服務器群組各29.7 TB。

4 應用效果

基于云平臺技術的ISCS自2019年9月在溫州市軌道交通S1線一期工程中開始應用至今，取得了良好的效果，降低了ISCS業(yè)務與服務器硬件資源的高度耦合，使其由傳統(tǒng)的雙機熱備向集群分布式發(fā)展，解決了海量數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)碰撞、數(shù)據(jù)挖掘方面的瓶頸問題，為建立線路級和線網(wǎng)級數(shù)據(jù)中心奠定了基礎。其具體體現(xiàn)在以下方面。

（1）投資方面。由于該系統(tǒng)采用最新的云計算技術，能夠?qū)Y源進行動態(tài)調(diào)配（如針對業(yè)務量大的車站，可在典型資源配置的基礎上動態(tài)增加CPU、內(nèi)存、磁盤空間及網(wǎng)絡等資源的分配），并提高各服務器的平均利用率（實際從5%～15%提高到60%～80%），因此使系統(tǒng)軟、硬件設備的投資成本減少了約20%，并同時減少了用房、耗電、空調(diào)和人力等隱性成本。

（2）項目實施方面。①通過簡化ISCS各子系統(tǒng)間的接口和工作協(xié)作程序，實現(xiàn)業(yè)務的快速部署,減少項目投資；②以典型車站作為模板，通過克隆復制技術，可在30 min內(nèi)完成20個車站級實時服務器的業(yè)務部署；③將服務器重建和應用加載的時間從120～140 h縮短到30～50 min，從而可實現(xiàn)零宕機硬件維護和升級，大幅降低項目的部署難度；④云計算技術可支持系統(tǒng)業(yè)務的彈性并行擴展，有利于城市軌道交通線路的分段建設開通和新業(yè)務的部署。

（3）運營維護方面。①該系統(tǒng)可對服務器資源進行統(tǒng)一管理及動態(tài)調(diào)配，數(shù)據(jù)遷移效率高，有利于保護數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)的兼容性和易維護性；②可減少各車站的設備數(shù)量，從而降低運維難度，減少運維的人力成本；③可在系統(tǒng)軟件平臺上直觀顯示服務器群組、虛擬機、主備切換等的性能指標，如CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡流入流出量、讀寫速率等，便于維護人員在出現(xiàn)故障時應急處理，從而提高其故障處置速度；④通過報警故障統(tǒng)計歸類分析，促進城市軌道交通運營維護模式從計劃檢修向策略檢修過渡。

5 結(jié)語

基于云計算技術的ISCS在溫州市軌道交通S1線一期工程中的成功應用，為該方案走向市場創(chuàng)造了條件，相信該方案將會在城市軌道交通行業(yè)中得到廣泛應用。