基于云平臺的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

劉海斌

(陜西交通職業(yè)技術學院，經(jīng)濟管理學院， 陜西，西安，710018)

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們對于生活質量的要求不斷增強，越來越多的人選擇用汽車作為代步工具，而車輛逐漸增多最終造成城市擁堵現(xiàn)象日益加重，為改善城市擁堵問題，國家對于城市軌道交通建設問題十分重視，城市軌道建設可有效改善城市擁堵問題。但城市軌道出現(xiàn)故障直接威脅乘客的生命安全,為此結合綜合監(jiān)控系統(tǒng)可保證城市軌道的安全性，利用云平臺的虛擬化技術，實現(xiàn)城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的高效運營。與傳統(tǒng)城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)相比，云平臺城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)可滿足集中化、智能化的發(fā)展需求，為城市軌道交通建設提供新的方向與思路。

1 傳統(tǒng)城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)內部服務器在功能上存在一定局限，其分布結構主要采用三級監(jiān)控兩級管理的形式針對城市軌道交通進行管理。其中三級監(jiān)控指的是該系統(tǒng)將監(jiān)控分布在中心級、車站級和車輛級，而管理權限主要分布于中心級和車站級。傳統(tǒng)城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)將監(jiān)控數(shù)據(jù)主要存儲到服務器中，通過服務器可將監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸至控制中心，控制中心和車站可針對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行甄別處理，有利于及時對城市軌道交通現(xiàn)場發(fā)生的不良狀況進行處理，以此保證生產(chǎn)運營的安全。但傳統(tǒng)城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)存在多種缺點，可造成城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)異常狀況，無法穩(wěn)定運行[1]。

1.1 冗余設備成本高

傳統(tǒng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)針對城市軌道交通配置的服務器，通常情況下采用冗余管理方式，為保證數(shù)據(jù)的保存和穩(wěn)定傳輸，對車站和控制中心布設大量服務器，該方式將在購置和擴展方面消耗大量成本。對車站和控制中心布設大量服務器將無法和其他軌道線路進行統(tǒng)一調配，造成城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)不能滿足城市軌道線網(wǎng)級智能化綜合監(jiān)控的潛在需求，而無法廣泛應用于實際生活中[2]。

1.2 冗余數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)不一致

傳統(tǒng)城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)為保證大量數(shù)據(jù)在主備服務器中實現(xiàn)同步傳輸，在每個車站以及控制中心設置有冗余主備的數(shù)據(jù)庫，該方式有利于快速實現(xiàn)冗余設備的無縫連接，但傳統(tǒng)城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的應用層軟件自身和網(wǎng)絡存在問題，導致該方式的最終效果與預期值不符，并且控制中心的主用數(shù)據(jù)庫以及備用數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)上存在差異性，該差異由于主用數(shù)據(jù)庫和備用數(shù)據(jù)庫的切換頻率小，因此可被覆蓋，當將存在缺陷的數(shù)據(jù)庫應用于城市軌道的正常運行中，隨著時間的推移，可造成地鐵無法正常運行，存在一定安全隱患。數(shù)據(jù)庫對比表如表1所示[3]。

表1 數(shù)據(jù)庫對比表

1.3 系統(tǒng)CPU資源利用率低

傳統(tǒng)城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的應用層軟件易出現(xiàn)異常情況，為保證傳統(tǒng)城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)可穩(wěn)定運行,通常情況下，大多數(shù)城市軌道運營商在其內部放置高標準的硬件配置，該方法具有一定可行性。其實現(xiàn)方法為：針對CPU選擇16～32 G的內存，通過研究表明，綜合監(jiān)控系統(tǒng)在正常運行情況下使用效率僅保持在15%～20%，大內存的使用勢必造成資源浪費情況發(fā)生。

2 基于云平臺的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)構成

2.1 城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)邏輯構成

為保證基于云平臺的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)可穩(wěn)定運行，將該系統(tǒng)的邏輯構成分為3層，分別是基礎設施層、平臺層以及應用層[4],如圖1所示。

圖1 城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)邏輯

2.1.1 基礎設施層

對基礎設施層的構成主要按照邏輯思維進行劃分，將基礎設施層分為硬件資源層和虛擬資源層。通過云平臺的統(tǒng)一管理功能，有利于管理人員更加便捷地管理基礎設施層內部包含的各類虛擬資源。

2.1.2 ISCS平臺層

對ISCS平臺層按照邏輯思維進行劃分時，可將其分為支撐軟件層和平臺服務層，該層的邏輯結構與傳統(tǒng)城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)中的平臺層一致，但ISCS平臺層的建立在一定意義上可為ISCS應用層提供支持作用。

2.1.3 ISCS應用層

ISCS應用層為綜合監(jiān)控系統(tǒng)的核心組成部分，隨著大數(shù)據(jù)技術的不斷進步，基于云平臺部署的ISCS可借助大數(shù)據(jù)技術的優(yōu)勢，并結合云平臺的虛擬技術搭建綜合監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)計算環(huán)境,在保證ISCS應用層穩(wěn)定運行的前提下，為ISCS應用層完成資源的在線擴容。通常情況下，基于云平臺建立的城市軌道交通大數(shù)據(jù)平臺可在同等造價下將數(shù)據(jù)存儲3～5年，并具有規(guī)模越大成本越低的優(yōu)勢，為大數(shù)據(jù)分析提供有效的數(shù)據(jù)支撐[5]。

2.2 城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)硬件架構

2.2.1 OCC純虛擬化、車站部分虛擬化架構

為保證綜合監(jiān)控系統(tǒng)可穩(wěn)定運行，對該系統(tǒng)的硬件組成部分進行分析，將該系統(tǒng)的硬件組成部分進行虛擬化處理，其中OCC的服務器全部虛擬化，而車站采用部分虛擬化部署結構。OCC在虛擬化過程中可利用自身優(yōu)勢將服務器虛擬化形成大數(shù)據(jù)分析與可視化的服務器，而車站在虛擬化過程中虛擬出1臺主服務器，但留有1臺實際的物理服務器作為備用服務器，主服務器與備用服務器之間可通過ISCS進行數(shù)據(jù)同步。

2.2.2 云平臺中心虛擬化架構

對云平臺中心架構進行虛擬化時，主要將云平臺中心設立為主云和備云2個云平臺集群，主云與備云之間主要利用主干網(wǎng)絡進行連接，為實現(xiàn)對主云平臺和備云平臺內部資源的統(tǒng)一調控和監(jiān)控，可通過云平臺主控中心進行資源管理，在云平臺的作用下，綜合監(jiān)控系統(tǒng)中的虛擬機和數(shù)據(jù)進行遠程遷移的速度與同機房內遷移的速度基本一致。由此可證明，主云與備云可放置于不同的控制中心，為保證ISCS的可靠性，可通過備用服務器暫時替代云平臺，在故障恢復后，車站虛擬服務器的監(jiān)控系統(tǒng)可將數(shù)據(jù)進行實時同步[6]。

2.2.3 純虛擬化架構

純虛擬化架構可將該系統(tǒng)內部存在的全部物理服務器虛擬化后統(tǒng)一整合到OCC，利用OCC中能力足夠的云平臺資源集群，將綜合監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息進行整合，通過整合完畢的數(shù)據(jù)信息可劃分出滿足性能要求的虛擬機，并將其運用在綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，在此基礎上進行云桌面服務器的安裝。對虛擬的服務器仍采用主云和備云的冗余配置，而數(shù)據(jù)的同步主要依靠ISCS自身完成，有利于在物理服務器發(fā)生故障時，以最快的速度進行填補，相比于傳統(tǒng)方式，該方式更具優(yōu)勢。

3 城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)云平臺方案與傳統(tǒng)方案對比分析

通過對比分析可知，當綜合監(jiān)控系統(tǒng)需要擴容時，云平臺可通過自身計算能力和存儲資源能力針對綜合監(jiān)控系統(tǒng)的擴容情況，進行相應的資源調度，實現(xiàn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的擴容，為保證城市軌道交通在后續(xù)發(fā)展過程中可容納線路系統(tǒng)的不斷加入，應采用“以小拼大”的方案，該方案僅是城市軌道交通信息化建設的第一步，為確保云計算技術可為城市軌道交通提供更全面的信息資源，實現(xiàn)城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的自動化發(fā)展，應進一步對該系統(tǒng)進行測試與對接。云平臺綜合監(jiān)控方案與傳統(tǒng)綜合監(jiān)控方案對比如表2所示。

表2 云平臺綜合監(jiān)控方案與傳統(tǒng)綜合監(jiān)控方案對比

4 基于云平臺的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)勢分析

4.1 城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)應用優(yōu)勢

4.1.1 提高服務器資源利用率

城市軌道綜合監(jiān)控系統(tǒng)具有多種優(yōu)勢，為保證該系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，應對建設成本進行控制。在云平臺基礎上進行系統(tǒng)建立可最大限度地降低系統(tǒng)建設成本，并在一定程度上提高服務器資源利用率，其根本方法是利用云平臺技術對城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)內部服務器進行資源整合。

4.1.2 提高綜合監(jiān)控系統(tǒng)可靠性

城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)利用云平臺的動態(tài)熱遷移等功能，與自身的冗余機制充分結合，在保證系統(tǒng)正常運行的情況下，可完成數(shù)據(jù)信息的遠程遷移，通過云平臺的利用，可在極大程度上提升城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)運行的可靠性，避免安全隱患的發(fā)生[7]。

4.1.3 實現(xiàn)動態(tài)擴展資源

基于云平臺的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)綜合監(jiān)控業(yè)務以最快的速度進行部署，該過程主要由城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)通過云平臺對資源增強情況進行提前規(guī)劃，該方法可最大限度地加快服務器的應用部署，并縮短服務器的重建周期，實現(xiàn)動態(tài)擴展綜合監(jiān)控系統(tǒng)的資源。

4.1.4 提高運營效率與服務水平

在云平臺的基礎上針對城市軌道交通進行綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設計具有一定優(yōu)勢，可體現(xiàn)在運營效率與服務水平中，相關管理人員可利用云平臺對該系統(tǒng)的資源數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一集中處理，處理內容主要包括各服務器內部資源數(shù)據(jù)，將資源進行整合，并利用云平臺對該系統(tǒng)進行資源管理、數(shù)據(jù)分析以及可視化功能，有利于更加科學地針對綜合監(jiān)控系統(tǒng)進行輔助運營決策，最終實現(xiàn)提高運營效率的目的[8]。

4.2 城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術優(yōu)勢

云平臺技術為該系統(tǒng)的核心技術，其實現(xiàn)方式為：云平臺作用于城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)時，首先對系統(tǒng)內部數(shù)據(jù)進行資源劃分以及全局調度處理，通過該方式在一定程度上可為用戶提供最優(yōu)的服務，并根據(jù)系統(tǒng)工作負載的大小以動態(tài)的方式對資源進行調整。該技術的主要優(yōu)勢包括作業(yè)連續(xù)性、資源集中性,其中云平臺技術的作業(yè)連續(xù)性優(yōu)勢體現(xiàn)在系統(tǒng)主要采用冗余架構，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，將站點服務器以虛擬云的形式安置于系統(tǒng)內部，支持系統(tǒng)在線升級硬件擴容，以此實現(xiàn)對綜合監(jiān)控作業(yè)的實時監(jiān)控，保證系統(tǒng)可持續(xù)性的提升自身能力。云平臺技術的資源集中優(yōu)勢體現(xiàn)在通過云平臺技術可將系統(tǒng)內部硬件資源進行整合，對各個站點的數(shù)據(jù)池進行實時共享和讀取，并判斷已讀取的數(shù)據(jù)進行負載大小，根據(jù)各部分數(shù)據(jù)的耗能程度進行資源空間的分配[9]。

5 云平臺實驗室實施方案布局設計

5.1 基于云平臺部署的ISCS系統(tǒng)功能結構

對ISCS系統(tǒng)功能結構進行部署時，可將系統(tǒng)內典型的客戶與服務器相連接，并將采集成功的數(shù)據(jù)實時上傳至數(shù)據(jù)庫。虛擬服務器處理完畢后，將相應的數(shù)據(jù)發(fā)送至客戶端，對綜合監(jiān)控系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)庫驅動，將數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫中，云平臺內的虛擬化資源可參數(shù)數(shù)據(jù)將由運維管理工具進行維護，同時實施管理與監(jiān)控功能?；谠破脚_部署的ISCS系統(tǒng)功能結構[10]如圖2所示。

圖2 基于云平臺部署的ISCS系統(tǒng)功能結構

5.2 ISCS與云平臺有效融合測試

為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，對綜合監(jiān)控系統(tǒng)云化部署的通用性、版權管理等問題進行測試，并對云平臺提出3條要求，分別是服務器硬件不接受云平臺運營商的綁定、云平臺需支持綜合監(jiān)控系統(tǒng)的USB跨物理主機掛載功能、云平臺應存在對外開放接口。滿足上述3條要求，即可對綜合監(jiān)控系統(tǒng)的硬件環(huán)境以及軟件環(huán)境進行融合測試[11]。

測試環(huán)境部署：硬件配置過程中，CPU采用Intel(R)Xeon(R)型號，主頻為2.40 GHz，緩存為8 MB，其配置個數(shù)分別為8個中心虛擬服務器、6個車站虛擬服務器、2個管理服務器及2個客戶端；內存均采用DDR3 SDRAM類型，各部分內存實配容量按照CPU配置順序依次為20 GB、12 GB、4 GB、4 GB，硬盤容量依次為4 TB、4 TB、1 TB、200 GB。軟件配置過程中均采用型號為Linux Redhat 7.2的操作系統(tǒng)，監(jiān)控軟件為5.8.1.0X64，服務器的數(shù)據(jù)庫為Sybase 15.7和MySQL，工作站的瀏覽器為Google Chrome 45.0.2454.85(64 bit)。

測試的主要內容及方法為：①云平臺的虛擬機生命周期管理功能包括虛擬機的創(chuàng)建、刪除等測試；②快照備份恢復功能是利用虛擬機的功能對系統(tǒng)進行升級部署；③虛擬網(wǎng)絡功能是對云平臺的存儲及管理功能進行測試；④資源遠程在線熱遷移是判斷數(shù)據(jù)采集是否會隨著熱遷移而出現(xiàn)中斷現(xiàn)象；⑤實時數(shù)據(jù)管理核心業(yè)務功能測試的主要目的是驗證系統(tǒng)是否能正常工作，通過測試系統(tǒng)虛擬機服務器的數(shù)據(jù)同步功能即可完成驗證；⑥系統(tǒng)與云平臺網(wǎng)絡接口兼容性測試是通過對系統(tǒng)硬件接口兼容性進行測試，驗證系統(tǒng)與云平臺的兼容性是否完善。

6 總結

基于云平臺建立的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)高效性、高擴展性、高安全性的監(jiān)控功能，而傳統(tǒng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)在性能方面具有一定缺陷，將二者進行對比可知，基于云平臺建立的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)可最大限度地降低運營與維護成本，通過對該系統(tǒng)進行分析可知，該系統(tǒng)利用冗余機制與云平臺的虛擬化技術進行融合，提升了綜合監(jiān)控系統(tǒng)的安全性以及可靠性。在未來發(fā)展中，云平臺技術前景十分良好，可將該技術廣泛應用于城市軌道建設之中，為城市軌道交通信息化建設帶來新的方向。