基于云計算的智能化軌道交通系統監測與維護研究

■　蘇俊鋒　羅　茜

基于云計算的智能化軌道交通系統監測與維護研究

■蘇俊鋒羅茜

通過對智能化軌道交通系統和云計算技術深入分析，提出一種基于云計算技術的智能化軌道交通系統監測與維護方法。以虛擬化技術為基礎，將各子系統監測采集到的海量數據通過分布式數據總線傳輸至云計算平臺，在云計算平臺上實現對數據的存儲、分析和挖掘，繼而使收集到的信息資源獲得全面的共享和整合。通過智能分析，第一時間予以反饋，給出預測評估，使之達到實時監測與維護的目的。

智能化；軌道交通；云計算；監測；維護

0　引言

隨著我國經濟的快速發展，科技水平的日益創新，軌道交通逐步朝著智能化方向飛速前進，其應用領域從原來的器件與設備信息智能化擴展到海量信息智能化。在發布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》文件中，對于智能交通管理系統提出了“重點開發綜合交通運輸信息平臺和信息資源共享技術、智能技術”，智能化軌道交通建設將成為重中之重。

智能化軌道交通系統是一個龐大且復雜的體系，其中包含多個自動化子系統，如各子系統在運行過程中產生的海量信息無法及時有效處理，便會產生信息孤島［1-2］。各子系統的數據分散丟失，無法對整個系統進行實時有效的監控和維護，由此更可能導致嚴重的交通事故，甚至帶來人員傷亡和巨大的經濟損失。云計算技術是一種以數據和處理能力為中心的密集型計算模式，其采用分布式的形式架構，依托虛擬化平臺，內部新增多個服務器、網絡和存儲設備。綜合利用現有硬件資源，實現信息資源的相互共享和海量數據的整合，有效避免信息孤島問題，節省硬件存儲空間，有效提升大數據的存儲性能和計算的運行效率。通過流式計算和批處理計算等技術，實現對大數據的挖掘和實時處理，使軌道交通朝著數字化、網絡化、智能化監管模式發展。

1　智能化軌道交通系統及技術

城市軌道交通包括地鐵、輕軌、有軌電車、磁懸浮列車等多種類型。而軌道交通智能化系統由6大自動化子系統組成，包括綜合監控系統、綜合安防系統、乘客資訊系統、自動售檢票系統、通信系統和信號系統。

（1）綜合監控系統。是以現代計算機技術、網絡技術、自動化技術和信息技術為基礎的大型計算機集成系統。主要通過集成系統環境與設備監控系統、電力監控系統、火災自動報警系統，并與其他子系統互聯，為城市軌道交通現代化運營管理提供信息化基礎。

（2）綜合安防系統。由安防網絡子系統、安防集成管理子系統、綜合電視監視子系統、門禁子系統、電子圍墻系統及車站緊急報警子系統等構成。安防系統集成既可作為一個獨立的系統集成項目，也可作為一個子系統包含在智能化軌道交通系統集成中，實現對車站、車輛段、停車場、主變電所的設備和管理用房、出入口、票務室、銀行等重點區域的出入管理、登記、實時視頻監控和入侵探測等功能，有效保障地鐵運營安全。

（3）乘客資訊系統。是依托多媒體網絡技術，以計算機系統為核心，通過設置站廳、站臺、出入口、列車的顯示終端，讓乘客及時準確了解列車運營信息和公共媒體信息的多媒體綜合信息系統。

（4）自動售檢票系統。簡稱AFC系統，采用全封閉的運行方式，實現軌道交通售檢票、計費、統計、清分、管理等全過程的自動處理。

（5）通信系統。一般由傳輸網絡、公務電話、專用電話、廣播、無線通信、時鐘、電源及接地等子系統組成，構成傳送語音、數據和圖像等各種信息的綜合業務通信網。

（6）信號系統。包括4個子系統：列車自動監控系統、列車自動防護系統、列車自動運行系統、計算機連鎖系統。各子系統通過信息交換網絡構成閉環系統，實現行車指揮和列車運行的自動化控制。

2　云計算技術

云計算（Cloud Computing）是21世紀計算機技術發展推動下又一大重要進步，是一種基于因特網的超級計算模式。通過使用大量的分布式計算機，在遠程的數據中心成千上萬臺電腦和服務器連接成一片電腦云。“云”中的資源是可以無限擴展的，并且可以隨時獲取，按需使用，隨時擴展，按使用付費。云計算技術具有4個顯著特點：超大規模、高可靠性、通用性、成本低，并實現按需服務。

云計算常與網格計算、效用計算、自主計算相混淆。事實上，許多云計算部署依賴于計算機集群（但與網格的組成、體系結構、目的、工作方式大相徑庭），也吸收了自主計算和效用計算的特點。從技術上看，大數據與云計算的關系就像一枚硬幣的正反面一樣密不可分。大數據必然無法用單臺的計算機進行處理，必須采用分布式計算架構。它的特色在于對海量數據的挖掘，但必須依托云計算的分布式處理、分布式數據庫、云存儲和虛擬化技術。

云計算可以認為包括以下幾個層次的服務：基礎設施即服務（IaaS）、軟件即服務（SaaS）和平臺即服務（PaaS）。這三種服務并不是獨立的，其中存在密不可分的層次關系。

基礎設施即服務：IaaS（Infrastructure-as-a-Service），消費者通過Internet可以從完善的計算機基礎設施獲得服務。云存儲與虛擬機平臺運行的程序同時進行，提高了云計算資源管理的效率，動態的為用戶提供了及時的服務（如硬件服務器租用）。

軟件即服務：SaaS（Software-as-a-Service），這種類型的云計算是通過瀏覽器把程序傳給成千上萬的用戶。用戶無需購買軟件，而是向提供商租用基于Web的軟件，來管理企業經營活動（如Google Apps）。

平臺即服務：PaaS（Platform-as-a-Service），這種形式的云計算把開發環境作為一種服務來提供給用戶，因此，PaaS也是SaaS模式的一種應用。廠商提供開發環境、服務器平臺、硬件資源等服務給用戶，用戶在其平臺上開發自己的應用程序并通過其服務器和互聯網傳遞給其他用戶。

云計算是分布式處理、并行處理和網格計算的發展，或者說是這些計算機科學概念的商業實現［3-5］。其基本原理是：在典型的云計算模式中，用戶通過終端接入網絡，向“云”提出需求；“云”接受請求后組織資源，通過網絡為終端提供服務。用戶終端的功能可以大大簡化，諸多復雜的計算與處理過程都將轉移到終端背后的“云”上去完成。用戶所需的應用程序并不需要運行在用戶的個人電腦、手機等終端設備上，而是運行在互聯網的大規模服務器集群中；用戶所處理的數據也無需存儲在本地，而是保存在互聯網上的數據中心里。提供云計算服務的第三方負責這些數據中心和服務器正常運轉的管理和維護，并保證為用戶提供足夠強的計算能力和足夠大的存儲空間。在任何時間和任何地點，用戶只要能夠連接至互聯網，就可以訪問云，實現隨需隨用。

3　基于云計算的智能化軌道交通系統

智能化軌道交通系統作為一個龐大而復雜的系統［6］，6個子系統中每個子系統又存在諸多的傳感器與信號采集終端，各子系統在運行中所產生的海量信息包含大量數據，如何對這些海量數據進行存儲、分析和挖掘是一大難題。因此，通過對智能化軌道交通系統和云計算技術的研究，提出基于云計算技術的智能化軌道交通系統監測與維護方法，以虛擬化技術為基礎，將各系統監測采集到的海量數據通過分布式數據總線傳輸至云計算平臺，在云計算平臺上實現對數據的存儲、分析和挖掘，繼而使信息資源可以獲得全面的共享和整合，分析后第一時間予以反饋，給出預測評估，使其達到實時監測與維護的目的。

基于云計算的智能化軌道交通系統架構分為3層（見圖1）。

第一層為設備層。設備層通過傳感器和信號采集終端對各子系統的運行數據進行采集，考慮到采集的數據存在干擾和噪聲，先對數據進行預處理，然后通過網絡傳輸（如以太網、GPRS/CDMA等）傳輸給下一層。

第二層為云計算平臺層。作為智能化軌道交通系統的平臺支撐，云計算平臺層起到承下啟上的作用，接收設備層采集到的海量數據進行整合分析，并為上層提供計算、存儲資源和大數據挖掘能力支持。

傳統軌道交通系統平臺需在中央級、車站及車輛段設置多臺不同服務器來完成數據的采集，控制信號的上傳下達，實現對各子系統中全線路各種狀態的監控和故障情況的處理，這就使得設備投資費用很高，且很多設備長時間處于空閑狀態，造成資源的浪費。且由于設備眾多，也使得設備維修成本和人工成本增加，云計算平臺的使用就使得這個問題大大簡化。

云計算平臺采用虛擬化技術，監控系統所需要運行的應用程序并不需要運行在各車站的服務器終端上，而是運行在“云”平臺的大規模服務器集群中。各子系統所采集的海量數據也無需存儲在本地，而是保存在“云”平臺的數據中心里。大數據挖掘分析可通過流式處理和批處理技術等，對應用層提供技術支持，將第一層傳來的數據進行綜合處理和分析，得到設備的狀態情況并將結果傳向下一層。

第三層為應用層。接收第二層云計算平臺層傳輸過來的設備狀態情況，及時作出反饋，給出預測評估，實現對設備層各子系統設備運行狀況的實時監控。

圖1　基于云計算的智能化軌道交通系統架構

4　結束語

日益嚴峻的交通問題使城市化進程面臨巨大的壓力和棘手的難題，因此，大力推進軌道交通系統建設任務刻不容緩。截至目前，我國共有38座城市擁有185條線路，運營總里程達4 073 km。從我國城市軌道交通行業發展現狀來看，近五六年我國城市軌道交通保持快速發展勢頭，若能將先進的技術運用到軌道交通系統建設中，必能節省大量的建設成本，避免資源的浪費。云計算是對IT商業模式的革命，是繼水、電、氣和通信之后的第五個公用平臺，作為新型的計算機模式，將其應用到軌道交通中，為其提供強有力的信息技術支持，必將引領軌道交通系統朝著智能化、信息化方向發展。

［1］ 張巍，湯立.我國鐵路云計算技術發展策略的思考［J］. 中國鐵路，2012（10）：13-16.

［2］ 魏曉東.城市軌道交通自動化系統與技術［M］.北京：電子工業出版社，2011.

［3］ 楊迎卯.云計算對軌道交通的影響［J］.中國高新技術企業，2015（3）：115-116.

［4］ 劉陽學，王萬齊，李平，等.基于云計算的鐵路工程管理平臺數據安全研究［J］.鐵路技術創新，2015（6）：51-55.

［5］ 姚宏宇.基于云計算架構的交通智能化信息平臺［J］. 信息技術與標準化，2014（10）：20-23.

［6］ 周光軍.基于云計算技術的城市軌道交通信息系統統一開發測試平臺應用架構淺析［J］. 信息安全與技術，2015（1）：43-47.

蘇俊鋒：深圳達實智能股份有限公司，高級工程師，廣東 深圳，518057

羅茜：湖南大學，碩士研究生，湖南 長沙，410082

責任編輯李葳

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