一種基于云的城市軌道交通綜合自動化系統方案研究

汪 杰 李 鈺 汪 敏

一種基于云的城市軌道交通綜合自動化系統方案研究

汪 杰 李 鈺 汪 敏

摘 要：云計算是分布式計算、網絡技術以及大規模資源管理技術的融合發展。針對城市軌道交通自動化系統高度集成的要求以及傳統綜合監控系統的性能和結構均難以滿足的問題，通過分析云計算的關鍵技術和系統架構，提出了城市軌道交通綜合自動化系統的云計算系統方案，并從系統集成度、可用性和可靠性、可擴展性等角度，研究分析了該方案的系統特性，說明了基于云計算的城市軌道交通綜合自動化系統的可行性和有效性。

關鍵詞：城市軌道交通；綜合自動化系統；云計算；虛擬化

汪 杰：北京全路通信信號研究設計院有限公司，工程師，北京 100073

0　概述

城市軌道交通綜合自動化系統是以協同城市軌道交通運營調度管理為目的，在綜合監控的基礎上實現更高程度的集成化，即在統一的計算機軟件和硬件平臺上集成各專業機電系統，完成對線路行車運營的監控，并且與城市軌道交通管理系統緊密結合，形成集行車指揮、列車運行管理、設備監控、通信管理與維護管理、信息管理、決策支持于一體，可以更加有效地實現城市軌道交通節能增效、綜合智能化管理[1]。

在原綜合監控系統上進行簡單硬件設備性能擴充和設備的疊加難以滿足全線行車設備、信息管理決策于一體的綜合自動化需求，須站在系統級的高度，綜合利用目前先進計算機技術，構建新一代的綜合自動化系統[2～3]。

云計算和數據中心模式借鑒了傳統分布式計算的思想，系統的各專業機電監控系統部署在統一的計算機硬件和軟件平臺上，通過數據中心對不同系統間數據進行充分挖掘與共享，針對不同的環境自動優化控制策略，最大限度地實現多系統一體化智能運營控制[4]。

因此，本文將研究城市軌道交通綜合自動化系統和數據中心的架構，并結合綜合自動化系統的應用特點，分析驗證系統方案的可行性和有效性。

1　綜合自動化系統結構

城市軌道交通系統的各類運營管理人員，如調度員、維修人員、值班人員通過連接了綜合自動化網絡的任一臺計算機、工作站，甚至移動終端即可登錄系統進行對應的業務操作。基于云的綜合自動化系統方案物理、邏輯結構如圖1所示。

綜合自動化系統將列車自動監控（ATS）、無線系統（RADIO）、電力監控系統（PCADA）、火災自動報警系統（FAS）、環境及設備監控系統（BAS）、屏蔽門系統（PSD）、自動售檢票系統（AFC）、門禁系統（ACS）、乘客信息系統（PIS）、廣播系統（PA）、視頻監控監視子系統（CCTV）以及綜合后備控制盤（IBP）等的中心級及車站級物理設備通過前置機（FEP）以及通信骨干網實現數據的接入并匯聚至控制中心，各類業務邏輯應用和接入子系統的數據都將在云計算中心進行分析處理，各機電專業和行車及運營信息管理通過各用戶終端進行訪問。

系統分為云數據中心、應用邏輯、用戶界面3層。云數據中心存儲整個系統的元數據、靜態數據和動態監控數據，提供具有可伸縮性、滿足應用規模和性能需求的數據基礎支撐平臺；應用邏輯根據監控應用需求實現相關應用層邏輯及應用服務；用戶界面為監控用戶提供應用界面。綜合自動化系統邏輯結構見圖2。

圖1　綜合自動化系統物理結構

圖2　綜合自動化系統邏輯結構

圖3　云數據中心體系架構

因此，綜合自動化中心不再單獨地為各子系統設計單獨的中心設備和單獨的通信骨干網，而是由統一的綜合自動化中心云計算系統和通信骨干網絡實現匯聚后的系統級數據中心實時存儲和邏輯運算。各個專業的應用軟件向云數據中心申請相應的計算、存儲、網絡資源并進行相應的部署[5]。從而將原各自獨立的系統硬件和軟件設計模式轉移到專注于云計算環境下軟件開發實現模式之上。

2　綜合自動化系統云數據中心方案

云數據中心是系統的核心，針對城市軌道交通綜合自動化應用需求，研究設計具有可擴展性及可伸縮性的數據中心的體系架構。

針對來自不同的子專業應用的需求，數據中心提供具有靈活擴展能力的數據訪問能力，能夠應對多種訪問的需求，諸如從數據中心提取需要的數據，對數據進行特定的加工，以及發現數據中存在的關聯，支持對結構化數據和非結構化數據的高效分發；實時存儲所有車站所產生的海量過程數據，提供實時的數據查詢和信息監控，并為進一步的數據挖掘和分析提供數據支持。

云數據中心主要包括數據清洗與預處理單元、負載平衡系統、數據服務器集群系統等（圖3）。其中數據清洗與預處理單元將主要負責對存儲數據進行數據清洗和進一步的預處理，檢查和規范數據格式，排除異常數據。負載平衡系統將根據后臺數據服務器集群中各服務器資源的忙閑狀態、輸入數據流的狀態、其他系統狀態，優化確定輸入數據流在各個數據服務器的流量分配，實現系統整體資源的優化利用和負載平衡[6～7]。數據服務器集群系統負責將輸入數據流快速正確地存入實時數據庫中，并提供歷史數據的查詢、修改、增刪等數據庫功能。

3　綜合自動化系統特性分析3.1　高度集成性

利用云計算平臺實現各子系統的匯聚后，云數據中心通過實時存儲所有子系統所產生的海量過程數據，提供實時的數據查詢和信息監控和篩選預處理。從系統的底層向上層，數據價值逐漸增加。因而，從車站級中心向線路級中心傳遞的數據根據具體的應用需求和應用特點進行適當的過濾和聚集，提高網絡帶寬和上層數據中心資源的利用效率。

通過對數據中心的數學建模與分析優化之后確定數據清洗與預處理單元的參數配置和實現方式，并對負載平衡系統的調度策略分析優化，并對數據服務器集群的數量、結構和工作模式等參數設置和算法進一步優化。

由上所述，基于云計算數據中心的綜合自動化系統從根本上解決原有綜合監控系統偽集成的缺陷，通過統一的云平臺實現各子系統的高度集成，支持各相關子系統在各種普通和應急情況下的業務邏輯的聯動，并為進一步的數據挖掘和分析提供數據支持，為智能的綜合運營管理提供了可能。

3.2系統的可用性和可靠性

傳統的城市軌道交通運營管理系統一般通過雙機熱備的方式來提高系統的可用性和可靠性，使系統能在出現故障時及時地切換至另一臺服務器，保證系統持續不間斷工作。

在傳統的系統中，在每一級的系統，如中心服務器、網絡、前置機、車站服務器等節點在系統運行時，2臺服務器同時運行，但其中1臺熱備不輸出，雙機間通過網絡進行系統的心跳和同步，如主機出現故障，通過雙機診斷機制，備機升級為主機，接替原主機進行工作。而在基于云的綜合自動化系統中卻不是通過上述的雙機熱備來保證系統的可用性，而是通過其自身數據中心備份和虛擬機遷移機制來實現。通過實現虛擬機遷移，靈活調度服務器集群的資源，提供冗余保護機制，實現不中斷的服務器維護和業務升級。

圖4　云數據中心冗余切換

由圖4可以看出，與傳統的硬件至硬件的遷移不一樣，通過云數據中心虛擬機遷移技術能將虛擬機的資源連同虛擬機所運行的應用一并遷移到另外1臺虛擬機中，系統的狀態數據、內存數據通過共享存儲進行遷移,從而實現系統無縫切換，保證系統的可用性和可靠性。

3.3云架構可擴展性

與傳統的城市軌道交通系統中的各IT系統相比，云架構方案也大大提高了系統的可擴展性。

在原有系統中，所開發的程序和架構皆依賴于固定的資源和網絡結構，應用程序運行于固定的資源實體上。當系統軟件升級或系統擴容時，都面臨系統擴展的難題：要么原有的硬件資源不能滿足擴容的要求，導致系統的體系架構重新設計，或者再采購相應規模的設備；要么在系統設計時，預留相當程度的系統裕量，從而導致初期出現大規模的系統資源的浪費，從而導致無謂的投資和資源的閑置。

而采用云架構方案之后，系統面臨擴展時顯得相當的靈活。由于系統中的各類資源作為基礎設備由云平臺進行整合，對應用與資源直接進行了解耦，應用程序所需要的資源可伸縮地由云平臺進行分配和釋放。

當系統的總容量需要擴展時，只需對基礎設施進行補充，增加計算資源服務器存儲空間，或增加網絡節點資源，擴展后的資源將由云平臺進行統一的管理和再分配。不影響已經設計好的應用程序。

這種靈活的擴展性在當前城市軌道交通智能運營系統的應用需求越來越多變、規模越來越大的形勢下，顯得尤為重要。

4　綜合自動化系統的挑戰

云計算將海量數據在云數據中心進行集中存放，對數據密集型計算應用提供強有力的支持。目前許多數據密集型計算應用需要在端到云之間進行大數據量的傳輸，需要將這些數據傳輸到云數據中心存儲和處理，并將處理后的數據分發到各地研究中心進行下一步分析。面對至少需要450 Mbit/s的網絡帶寬（綜合監控系統極限情況下的帶寬要求），端到云數據中心的海量數據傳輸將耗費大量的時間開銷[8]。由于網絡性價比的增長速度遠遠落后于云計算技術的發展速度，目前傳輸主要通過網絡將存儲數據直接放入云數據中心。為了支持更加高效快捷的端到云的海量數據傳輸，需要從基礎設施層入手研究下一代網絡體系結構，改變網絡的組織方式和運行模式，提高網絡吞吐量。

另外，由于軌道交通領域存在安全完整度等級的認證要求，而國際安全評估標準（EN50126，EN50128，EN50129）等標準皆在傳統的系統硬件和軟件設計的基礎上進行評估。還未建立對云計算平臺的軌道交通體系結構的評估實例，云平臺所支持的行車相關應用如何獲得安全完整度等級（SIL）的評估認可，將是基于云計算的綜合自動化系統的一大挑戰。在本設計中將通過軟件的冗余和運算比較方式解決SIL認證的適應性，以期獲得SIL的評估認證。

5　總結

云計算作為一種新興的信息技術發展迅速，通過分析和總結該領域的應用與研究成果，結合城市軌道交通智能運營管理系統的具體應用，提出了基于云計算的城市軌道交通綜合自動化系統方案，討論并分析了此方案的集成性、可用性和可靠性、可擴展性，較傳統的綜合監控系統有明顯的技術優勢。

結合當前云計算的發展趨勢，其開發部署工具越來越成熟，基于云計算的城市軌道交通綜合自動化系統將是可行及有效的。在方案的實施過程中，重點關注SIL在云架構方案中的具體實現，從而滿足國際安全認證機構對云計算技術在軌道交通領域的評估。

參考文獻

[1] 戴琳. 軌道交通綜合監控系統運行模式研究[J]. 鐵道工程學報，2008（2）：73-76.

[2] 譚熙靜，何正友，于敏，等. 基于DFTA的地鐵車站級綜合監控系統可靠性分析[J]. 鐵道學報，2011，33（7）：52-60.

[3] 于敏，何正友，錢清泉. 基于HSRN的地鐵綜合監控系統可靠性分析[J]. 鐵道學報，2012，34 （2）：70-79.

[4] 濮衛興，車兆建，李全飛. 基于城市軌道交通綜合監控系統的Web方案設計[J]. 城市軌道交通研究，2013（5）：69-71.

[5] 郭煜，吳清列. 基于云計算的大規模定制客戶需求響應模型及其節點的選擇與分布[J]. 系統工程理論與實踐，2011，31（S2）：1-6.

[6] 丁澤柳，郭得科，申建偉. 面向云計算的數據中心網絡拓撲研究[J]. 國防科技大學學報，2011，33（6）：1-6.

[7] 羅軍舟，金嘉暉，宋愛波，等.云計算：體系架構與關鍵技術[J].通信學報，2011，32（7）：3-19.

[8] 胡春生，許承東，張鵬飛，等.云計算環境下仿真模型資源虛擬化研究[J]. 華中科技大學：自然科學版，2012（S1）：135-140.

責任編輯 冒一平

Study on Cloud Computing based Integrated Automation System Solution for Transit

Wang Jie, Li Yu, Wang Min

Abstract:Cloud computing is the integration of distributed computing, network technology and large-scale resource management technology development. Aiming at the requirements of transit highly integrated automation system and problems of integrated supervisory control system in the structure and performance, the paper puts forward the cloud computing system solution in the integrated automation system for transit through the analysis of cloud computing key technology and system architecture. From the aspects of system integration, availability and reliability, expansion capacity etc, the paper also makes analysis of the system characteristics of the solutions, description of the feasibility and effectiveness of the cloud computing based integrated automation system in transit.

Keywords:urban rail transit, integrated automation system, cloud computing, virtualization

收稿日期2014-11-15

中圖分類號：U231.7∶TP3