基于云平臺(tái)的軌道交通綜合監(jiān)控部署方案研究

王 彬

（中交機(jī)電工程局有限公司，北京 100000）

0 引言

傳統(tǒng)軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)在一定程度上能夠解決交通監(jiān)控中存在的問題，但是已經(jīng)不符合當(dāng)下社會(huì)的發(fā)展需求。交通行業(yè)要更好地發(fā)展，必須要緊跟時(shí)代，更新系統(tǒng)，用新型軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)即基于云平臺(tái)的軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)替代傳統(tǒng)系統(tǒng)，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)中存在的不足，促使交通部門綜合監(jiān)控水平能夠不斷提升。

1 傳統(tǒng)軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的局限性

傳統(tǒng)軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控方式為兩級(jí)管理三級(jí)控制的分層分布式結(jié)構(gòu)。兩級(jí)管理指中央級(jí)和車站級(jí)，三級(jí)控制指中央級(jí)、車站級(jí)以及現(xiàn)場(chǎng)級(jí)。中央級(jí)的作用是通過網(wǎng)絡(luò)收集所有車站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)信息［1］。傳統(tǒng)軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)能夠?yàn)榻煌ú块T工作人員的監(jiān)控工作提供數(shù)據(jù)支撐，并在此基礎(chǔ)上為共享平臺(tái)提供信息，降低各系統(tǒng)直接接口數(shù)量，但是傳統(tǒng)軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)仍存在一定局限性，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

1.1 冗余數(shù)據(jù)庫存在差異

各級(jí)車站及控制中心可能會(huì)出現(xiàn)冗余主備數(shù)據(jù)庫存在差異的問題，主要因?yàn)楸O(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用層軟件和系統(tǒng)受技術(shù)及各方面因素的限制，主備數(shù)據(jù)庫存在差異的可能性非常大。主備數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)差異，意味著各級(jí)車站的數(shù)據(jù)可能會(huì)出現(xiàn)偏差，繼而使車站控制中心控制出現(xiàn)問題［2］。

1.2 冗余設(shè)備成本較高

傳統(tǒng)軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，車站以及控制中心的服務(wù)器主要用的是冗余配置和支持?jǐn)?shù)據(jù)，用其保存及傳輸數(shù)據(jù)，成本較高，如果監(jiān)控需求升級(jí)，交通部門需要設(shè)備擴(kuò)容，成本會(huì)增加［3］。

1.3 CPU利用率不高

傳統(tǒng)軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的軟件存在CPU性能低的問題，這一點(diǎn)是因?yàn)閭鹘y(tǒng)軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)本身配置不高，需要技術(shù)人員進(jìn)行升級(jí)。但是由于系統(tǒng)限制，即使技術(shù)人員在為服務(wù)器配置CPU的時(shí)候一般都會(huì)選擇標(biāo)準(zhǔn)比較高的CPU，CPU在實(shí)際正常運(yùn)行過程中的利用率也非常低。這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)卡頓，進(jìn)而使信息傳達(dá)出現(xiàn)滯后，對(duì)交通部門的工作效率以及工作質(zhì)量造成影響［4］。

2 基于云平臺(tái)的軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

2.1 系統(tǒng)較為可靠

傳統(tǒng)軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)使用的是雙機(jī)熱備的方式［5］，這一方式的工作原理為在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或發(fā)生問題時(shí)，工作人員能夠馬上切換到另外一臺(tái)服務(wù)器，以此確保系統(tǒng)能一直處于工作狀態(tài)［6］。

傳統(tǒng)軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，各級(jí)系統(tǒng)包括綜合服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)以及車站服務(wù)器等節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行的時(shí)候，需要兩臺(tái)服務(wù)器同時(shí)運(yùn)行，但如果因?yàn)橐恍┰驅(qū)е缕渲幸慌_(tái)設(shè)備無法輸出，則另一臺(tái)可以發(fā)揮作用。兩臺(tái)服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)同時(shí)運(yùn)行，如果主機(jī)發(fā)生故障，則系統(tǒng)會(huì)通過雙機(jī)診斷機(jī)制，將備用機(jī)進(jìn)行升級(jí)，使其成為主機(jī)，代替原先的主機(jī)完成后續(xù)工作。因?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)行處在同頻狀態(tài)，所以即使前后兩臺(tái)服務(wù)器不同，相關(guān)數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失，客觀上不會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成太大影響。但從主觀上看，因?yàn)閮膳_(tái)服務(wù)器不同，所以信息保存以及傳輸之間可能存在滯后性，這會(huì)對(duì)交通部門處理問題的效率以及速度造成一定影響［7］。

基于云平臺(tái)的軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行方式并不是雙機(jī)熱備，而是依照系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)中心備份以及虛擬機(jī)遷移機(jī)制。通過完成虛擬機(jī)遷移，對(duì)服務(wù)器集群的資源進(jìn)行調(diào)度及調(diào)整，觸發(fā)冗余保護(hù)機(jī)制，確保服務(wù)器運(yùn)行不會(huì)中斷以及業(yè)務(wù)水平不斷提升［8］。

2.2 云架構(gòu)的擴(kuò)展性

基于云平臺(tái)的軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)使用云架構(gòu)的方式，與傳統(tǒng)軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)相比，云架構(gòu)方案在一定程度提升了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

傳統(tǒng)軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)受信息以及技術(shù)的限制，其程序和架構(gòu)完全依靠固定資源以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用程序運(yùn)行需要建立在固定的資源實(shí)體上，系統(tǒng)要進(jìn)行軟件升級(jí)以及擴(kuò)容比較困難。如果原先硬件資源無法實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容需求，則只能由專業(yè)技術(shù)人員重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)或再次購買相應(yīng)規(guī)模設(shè)備或在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候，預(yù)備足夠程度余量，但是無論是哪種解決方式，都會(huì)存在系統(tǒng)資源浪費(fèi)的情況。系統(tǒng)運(yùn)行是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，相關(guān)人員只能對(duì)可能發(fā)生的問題進(jìn)行預(yù)設(shè)，至于問題之后是否會(huì)發(fā)生，發(fā)生之后應(yīng)當(dāng)如何解決只能具體問題具體分析。所以傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)這一問題在短時(shí)間無法解決。軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的云架構(gòu)如表1所示。

表1 軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的云架構(gòu)

軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的云架構(gòu)

基于云平臺(tái)的軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)使用云架構(gòu)的方式，意味著系統(tǒng)在擴(kuò)展時(shí)非常靈活。因?yàn)樵破脚_(tái)是系統(tǒng)中各類資源的運(yùn)行基礎(chǔ)，技術(shù)人員通過平臺(tái)能夠了解數(shù)據(jù)，依靠云平臺(tái)靈活地分配應(yīng)用程序需要的資源。在擴(kuò)展系統(tǒng)的總?cè)萘繒r(shí)，技術(shù)人員只需補(bǔ)充基礎(chǔ)設(shè)施，適當(dāng)擴(kuò)大計(jì)算資源服務(wù)器存儲(chǔ)空間以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，即使是擴(kuò)展之后的資源，也是完全依靠云平臺(tái)完成管理及再分配。這種形式下，擴(kuò)展資源無法影響已經(jīng)設(shè)計(jì)好的應(yīng)用程序。因?yàn)樾滦偷能壍澜煌ňC合監(jiān)控系統(tǒng)擴(kuò)展性非常靈活，所以能夠滿足當(dāng)下城市軌道交通運(yùn)營系統(tǒng)的發(fā)展需求，并發(fā)揮相當(dāng)重要的作用。

2.3 高度集成性

基于云平臺(tái)的軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)利用云計(jì)算，能夠保證各子系統(tǒng)在匯聚后，云數(shù)據(jù)中心通過實(shí)時(shí)存儲(chǔ)保存子系統(tǒng)的各類數(shù)據(jù)，為交通部門提供數(shù)據(jù)查詢及信息監(jiān)控的同時(shí)處理相關(guān)數(shù)據(jù)。從底層數(shù)據(jù)向上，數(shù)據(jù)價(jià)值不斷增加。因此，從車站級(jí)向線路級(jí)傳遞的數(shù)據(jù)依照應(yīng)用需求和特征適當(dāng)進(jìn)行過濾及聚集，這意味著網(wǎng)絡(luò)帶寬以及數(shù)據(jù)中心的資源利用率會(huì)不斷增加。依靠數(shù)學(xué)建模以及分析優(yōu)化，可以完善數(shù)據(jù)單元的參數(shù)配置，實(shí)現(xiàn)發(fā)展路徑的同時(shí)升級(jí)負(fù)載平衡系統(tǒng)的調(diào)度方法，繼而提升數(shù)據(jù)服務(wù)器集群數(shù)量，完善工作方法。因此，基于云平臺(tái)的軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)能夠從根本上解決問題。

3 基于云平臺(tái)的軌道交通綜合監(jiān)控部署方案

3.1 綜合自動(dòng)化系統(tǒng)云數(shù)據(jù)中心方案

基于云平臺(tái)的軌道交通綜合監(jiān)控的核心是云數(shù)據(jù)中心，從城市軌道交通綜合自動(dòng)化發(fā)展要求出發(fā)，研究設(shè)計(jì)需要兼具可擴(kuò)展性以及可伸縮性的云數(shù)據(jù)體系架構(gòu)。

不同專業(yè)應(yīng)用的要求不同，這意味著數(shù)據(jù)中心需要有較高的靈活性、較強(qiáng)的擴(kuò)展以及訪問能力，確保系統(tǒng)可以應(yīng)對(duì)多種訪問的需求。這一點(diǎn)主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心有效數(shù)據(jù)及特殊加工，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的關(guān)聯(lián)，對(duì)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分等，云數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)涵蓋范圍一定要非常廣，其需要包含所有系統(tǒng)涵蓋車站的海量過程數(shù)據(jù)，做好實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)更新和信息監(jiān)控工作，更好地為交通部門工作提供數(shù)據(jù)支撐。

云數(shù)據(jù)中心的主要功能包括數(shù)據(jù)清洗和預(yù)處理單元、負(fù)載平衡系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)服務(wù)器集群系統(tǒng)等。其中數(shù)據(jù)清洗和預(yù)處理單元指處理和清洗存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)處理，確保數(shù)據(jù)符合規(guī)范，數(shù)據(jù)格式符合要求。負(fù)載平衡系統(tǒng)需要依照后臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器集群和服務(wù)器資源狀態(tài)，實(shí)時(shí)讀取資源信息，明確系統(tǒng)狀態(tài)，合理分配數(shù)據(jù)的流量，確保系統(tǒng)整體資源的優(yōu)化以及相關(guān)資源的利用。數(shù)據(jù)服務(wù)器集群系統(tǒng)需要將相關(guān)數(shù)據(jù)流存儲(chǔ)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，并確保相關(guān)人員能夠查詢歷史數(shù)據(jù)的同時(shí)更改相關(guān)信息。

3.2 兩種基于云平臺(tái)的軌道交通綜合監(jiān)控部署方案

3.2.1 集中式綜合監(jiān)控云平臺(tái)

綜合監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)χ行?、車站、?chǎng)段等的所有服務(wù)器進(jìn)行控制并實(shí)現(xiàn)虛擬化，同時(shí)由控制中心的資源池進(jìn)行資源劃分。計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力、信息能力到達(dá)一定水平的云平臺(tái)資源集群，可以依靠云平臺(tái)管理找到滿足不同要求的信息群。車站和場(chǎng)段不需要配置車站服務(wù)器。云平臺(tái)數(shù)據(jù)中心資源池包括綜合監(jiān)控系統(tǒng)虛擬化兩臺(tái)實(shí)時(shí)服務(wù)器和兩臺(tái)歷史服務(wù)器，控制中心配置與此相同。每個(gè)車站都有虛擬化兩臺(tái)實(shí)時(shí)服務(wù)器，二者互為主備。數(shù)據(jù)中心以及車站的工作站部署云桌面，需要安裝相關(guān)服務(wù)器軟件。集中式綜合監(jiān)控云平臺(tái)優(yōu)勢(shì)和不足之處主要表現(xiàn)如下：

(1）成本不高。傳統(tǒng)架構(gòu)下車站物理服務(wù)器需要進(jìn)行精密部署，部署會(huì)耗費(fèi)大量人力以及物力，以云數(shù)據(jù)為支撐的系統(tǒng)不再需要進(jìn)行相關(guān)部署，相應(yīng)的資源消耗也會(huì)降低。

(2）業(yè)務(wù)部署速度快。依照云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)遷移以及系統(tǒng)技術(shù)，車站相關(guān)業(yè)務(wù)能夠在數(shù)據(jù)中心迅速完成部署，無論是項(xiàng)目實(shí)施難度還是設(shè)備管理，其難度會(huì)相對(duì)降低。

(3）降級(jí)能力不高。在車站進(jìn)入降級(jí)模式的時(shí)候，工作站需進(jìn)行必要功能，系統(tǒng)穩(wěn)定程度比較低。

3.2.2 分布式綜合監(jiān)控云平臺(tái)

分布式綜合監(jiān)控云平臺(tái)部署方案仍然是由中心的資源池作為控制中心，場(chǎng)段和車站分配服務(wù)器資源，虛擬化的服務(wù)器數(shù)量與集中式方案相同。分布式綜合監(jiān)控云平臺(tái)部署方案與集中式綜合監(jiān)控云平臺(tái)的不同之處主要在于：分布式綜合監(jiān)控系統(tǒng)云平臺(tái)在車站有云節(jié)點(diǎn)，云節(jié)點(diǎn)在每個(gè)車站都有1臺(tái)虛擬服務(wù)，它是作為車站備用服務(wù)器存在的。分布式綜合監(jiān)控云平臺(tái)的特點(diǎn)如下：

(1）車站級(jí)綜合監(jiān)控系統(tǒng)降級(jí)能力高。

在車站綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用降級(jí)模式的時(shí)候，云節(jié)點(diǎn)的主用服務(wù)器成為備用服務(wù)器，原本需要虛擬服務(wù)器進(jìn)行的工作在這種模式下需要依靠車站自身進(jìn)行。車站、場(chǎng)段的工作站仍采用終端加云桌面的方法，在降級(jí)模式時(shí)，相關(guān)人員需要通過服務(wù)終端訪問車站云節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)服務(wù)器。

(2）車站內(nèi)數(shù)據(jù)采集和控制不受其他因素干擾。

在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，集成互聯(lián)的系統(tǒng)會(huì)停止實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新以及歷史數(shù)據(jù)錄入，但是其仍舊能夠聯(lián)系虛擬服務(wù)器進(jìn)行通信，在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后車站服務(wù)器和中心實(shí)時(shí)服務(wù)器會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。同時(shí)，車站的控制命令是受云節(jié)點(diǎn)的車站服務(wù)器控制的，控制機(jī)制在這個(gè)過程中不會(huì)被影響。

4 基于云平臺(tái)的軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的未來發(fā)展方向

云計(jì)算需要將海量數(shù)據(jù)于云數(shù)據(jù)中集中存放，基于云平臺(tái)的軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)屬于密集型計(jì)算應(yīng)用，云計(jì)算在這類系統(tǒng)中起著相當(dāng)關(guān)鍵的作用。當(dāng)下大部分?jǐn)?shù)據(jù)密集型計(jì)算應(yīng)用都需要完成大量數(shù)據(jù)的傳輸，同時(shí)將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)中心存儲(chǔ)系統(tǒng)，同時(shí)分析處理后的數(shù)據(jù)。面對(duì)傳輸量巨大的網(wǎng)絡(luò)寬帶流量，云數(shù)據(jù)中心的傳輸數(shù)據(jù)需要耗費(fèi)大量的時(shí)間以及物力，因?yàn)楫?dāng)下網(wǎng)絡(luò)發(fā)展速度往往跟不上時(shí)代對(duì)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展速度要求。所以未來發(fā)展需要從基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)出發(fā)，更改網(wǎng)絡(luò)組織方式和運(yùn)行模式，不斷提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量，容納更多數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

因此，在當(dāng)下交通部門發(fā)展進(jìn)入新階段、信息技術(shù)在部門發(fā)展過程中的地位越來越關(guān)鍵的背景下，交通部門需要在發(fā)展過程中融入信息技術(shù)，軌道交通綜合監(jiān)控部署作為部門發(fā)展重點(diǎn)。相關(guān)人員要找到其與信息技術(shù)的融合點(diǎn)，做出基于云平臺(tái)的軌道交通綜合監(jiān)控部署方案，從形式及內(nèi)容上提高交通部門的監(jiān)控水平以及監(jiān)控效率，繼而促進(jìn)交通部門更好地發(fā)展。