基于云架構的線網監控系統方案研究

彭 湃

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

目前，根據智慧城軌發展綱要，需要研究線路和線網合一、日常運營調度和應急響應合一的調度指揮中心，將軌道交通的三層管控（線網指揮中心、線路控制中心和車站）優化為兩層管控（運營指揮中心和車站）；研發、部署智能城軌線網運輸組織輔助決策系統，提高運營效率，增強綜合調度（應急）指揮能力[1]。北京、上海、廣州、深圳都已建設線網控制中心，石家莊、太原、南寧等城市也在積極開展線網控制中心的建設研究。線網控制中心基本功能定位如下：線網監視與協調、線路運營控制、應急指揮及輔助決策、數據分析與決策、乘客信息服務等基礎功能[2-4]。

1 云平臺建設規劃

云計算利用分布式計算和虛擬資源管理等技術，通過網絡將分散的計算與存儲、應用運行平臺、軟件等資源集中起來形成共享的資源池，并以動態按需和度量的方式向用戶提供服務。云計算用戶可使用這些資源在任何時間和地點以靈活和按需方式運行服務和應用[5]。

云計算服務通常以特定服務類別提供，如基礎設施即服務（IaaS）、平臺即服務（PaaS）、軟件即服務（SaaS）、網絡即服務（NaaS）等。其中IaaS服務主要包括計算資源、存儲資源、網絡資源等資源池服務。

計算資源服務基于數據中心基礎設施及專業服務能力，向用戶提供共享或獨享的計算資源服務，具有快速部署、按需租用、自助服務、安全可靠的特點。用戶可以便捷地進行資源申請、資源管理與監控，快速部署應用，并根據需求動態彈性擴展資源。

存儲資源服務基于安全、高速、便捷的云存儲服務平臺，為用戶提供高速、安全、融合多業務、支持多終端的網絡存儲管理與分享服務，滿足用戶日益增長的存儲需求。同時可為第三方平臺開展高安全性、高可靠性、高可用性、高兼容性和高開發性的存儲服務提供開放的云存儲能力支持。

網絡資源服務為虛擬機提供所需的虛擬網卡、IP 地址、VLAN、內外網部署、網絡接入、虛擬負載均衡和虛擬防火墻等網絡服務。

資源池服務通過將計算、存儲、網絡等基礎資源虛擬化成相應的邏輯資源池為用戶提供資源池服務。云資源池可基于獨享或共享的物理資源，不同軌道交通業務用戶根據實際需求管理和使用云資源池，包括虛擬機的創建、使用、監控和操作等[6]。

軌道交通運營生產系統云平臺設計主要包括中心級云平臺、災備中心云平臺、車站級云平臺，通過骨干網通信傳輸網絡構建。根據各地系統功能定位、服務對象、系統架構不同，對是否云化部署的需求也不盡相同。武漢城軌信息化建設采用基于云平臺、大數據的新IT 架構，構建異地雙活的數據中心，實施新建線路和既有線的信息系統全部納入和遷移到云平臺的技術方案，實現云平臺對城軌業務的綜合承載和數據共享，為智慧城軌建設提供信息技術支撐。呼和浩特建立自主可控的城軌云平臺，實現城軌業務應用的全覆蓋和統一部署承載，突破數據共享的壁壘，為大數據應用奠定基礎，推進大數據在業務領域的深化應用，建成適應云平臺體系架構的運行維護體系和運行管理機制。深圳市城市軌道交通10 號線、太原軌道交通1、2 號線工程建設基于云計算技術的融合統一業務平臺，承載綜合監控系統、列車自動監控ATS、乘客信息系統、安防系統（含視頻監視、門禁等子系統）、車場智能化系統以及辦公自動化系統（辦公計算機部分）等子系統。

2 云平臺業務規劃

虛擬數據中心（Virtual Data Center，VDC）是IaaS 資源的邏輯抽象，提供了與物理數據中心相等體驗的專屬虛擬化資源池，可以快速自助完成虛擬數據中心申請，并可根據實際需要在線靈活調整虛擬數據中心規格。在VDC 內，可以對計算、存儲和網絡資源統一管理。

云平臺需支持虛擬數據中心VDC 的創建和管理，通過VDC 將物理資源池化，支持通過邏輯隔離技術基于業務需要，靈活分配的邏輯數據中心，包括計算、存儲和網絡資源。

云平臺業務規劃通常有如下兩種方案。

1）按照業務劃分VDC

按照業務對VDC 進行劃分，線網控制中心的云平臺中VDC 數量相對較少，可根據業務需求進行擴展。各業務VDC 內根據需求按線路劃分虛擬私有云（Virtual Private Cloud，VPC），VDC 內的資源池按線路進行擴展。對于各業務的應用平臺，多條線路統一部署業務應用系統，業務應用類型少模式統一。

2）按照線路劃分VDC

按照線路對VDC 進行劃分，線網控制中心的云平臺中VDC 數量隨線路數量增多。各線路VDC內根據需求按業務類型劃分VPC，平臺資源池隨線路成倍擴展。對于各業務的應用平臺，各線部署各自的業務應用系統，業務應用類型和應用模式多。

按線路劃分VDC 方式與傳統軌道交通各專業建設模式相似，工程可實施性較強。同時線路中心與本線車站系統屬于同一廠家的系統，各線之間不存在業務廠家壟斷或互設壁壘的情況。

對于運營管理單位與傳統模式類似，以線路為單位進行管理。不同線路的業務應用類型不同，增加了運營及運維管理的復雜度及難度[7]。

3 線網控制系統架構分析

在城軌云建設的同時，線網級系統均可納入云管理。如圖1 所示，線網行車控制系統，與各線路信號系統接口，接收線路信號系統提供的信號設備狀態數據、列車運行信息數據、運行圖數據，將各線路的行車控制界面以統一美觀的方式集成顯示出來，并提供線路切換功能，供線網中心調度人員進行運營協調、調度決策和應急指揮使用。同時將接收到的各線路信號數據轉發給線網中心內部其他業務應用系統，供其進行統計分析和評價決策使用。

線網控制系統是一個分布式的計算機系統，為系統的關鍵設備提供了熱備冗余保護，保證系統有高度的可用性，整個系統通過冗余網絡組成一個冗余的網絡結構。

圖1 線網監控系統架構圖Fig.1 Architecture of line/network monitoring system

控制中心搭建硬件云，利用虛擬化平臺構建承載的業務系統，應用服務器、歷史服務器均采用云平臺布署，調度工作站采用云桌面。系統采用雙網設計，所有聯網的工作站和服務器都配置2 個網絡接口，分別連接到兩個LAN。在軟件的網絡接口設計中考慮了雙網自動切換功能，當軟件發現通過某個網絡接口無法連接到對方時，會自動切換到另一個網絡接口去打開連接。系統中的關鍵設備，如ATS 專用服務器、接口服務器都具有雙機切換能力。如果主機失效，備機將及時檢測到并自動升級為主機運行[8-9]。

若全網各線信號ATS 系統已納入云平臺，則與線網級控制系統變化為云內部接口。

4 結語

基于云平臺的生產業務部署后，需要立足于網絡層面，對各線路與各專業系統及各個建設與資源運作項目的管理業務進行集中管理和統一協調，制定全網必須遵循的運行標準。構建以城軌云平臺為基礎的網絡級管理平臺，通過信息化、自動化、智能化方式支撐網絡化管理業務高效運作，實現數據共享、信息交互、設備控制、綜合分析等不同管理功能。網絡化管理需要各業務層面的整合，達到標準統一，可從行車運營組織、機電資源共享、弱電互聯互通、網絡化維修平臺、網絡化智能調度等進行優化分析[10]。

各城市應隨著軌道交通線網規劃與建設遲早規劃，建立科學的路網運營指揮體系。軌道交通線網可結合線網云的建設時序，在網絡化成型階段，完成各項目的專項研究，實現統一規劃、分步實施，通過強化網絡級管理主體管控能力、統一網絡技術標準、預留互聯互通條件以及智慧地鐵建設，充分發揮后發優勢，積極探索“網絡-車站”兩級管理模式的實施路徑，部分業務系統推行兩級管理模式，提升網絡化管理水平。