基于混合云平臺的城市軌道交通自動售檢票系統

聶紅紅 馬殷元

(1. 蘭州交通大學機電技術研究所， 730070， 蘭州；2. 蘭州交通大學機電工程學院， 730070， 蘭州∥第一作者， 碩士研究生)

AFC(自動售檢票)系統是城市軌道交通票務管理的基礎。采用通信網絡、數據庫管理、自動化、現金識別等技術，對AFC系統進行智能化設計[1]，可取代傳統人工售票、檢票、統計、結算等工作，進而大大提高票務管理工作效率，為乘客提供優質的服務。隨著城市軌道交通的發展，票務數據容量不斷擴大，數據存儲設備數量相應不斷增加，對數據處理設備性能的要求也更高。近年來，云計算技術作為一種新型互聯網服務方式[2]，為海量數據的存儲及處理等提供了基礎平臺，這不僅能提高數據處理能力，還實現了硬件設備的高效利用與管理，減少了數據存儲設備。將云計算技術引入到AFC系統中，建設混合云平臺可實現對AFC系統架構層次的優化，具有提高資源利用率、降低建設成本等優點。

1 傳統AFC系統存在的問題

傳統AFC系統由票卡、車站終端設備、車站級服務器子系統、線路中央計算機子系統及清分子系統等5層組成[3]，如圖1所示。

圖1 傳統AFC系統架構Fig.1 Conventional AFC system architecture

傳統AFC系統存在的問題：① 可靠性和可用性方面有待加強，例如車站級服務系統(SC)計算機存在單點故障的問題；② AFC系統規模不斷擴大，且分布較分散，增大了運營管理的難度；③ 運營維護成本不斷增加；④ 數據的高速增長對數據處理能力要求更高。

隨著互聯網支付技術的發展，不少城市軌道交通引入了新型互聯網支付模式，還對AFC系統架構進行了優化。主要的優化方案有組建線路中心(MLC)與融合清分中心(ACC)等。這些方案在一定程度上簡化了AFC系統架構、降低了建設成本，但在可靠性及數據處理能力等方面仍存在許多問題。

2 基于混合云平臺的AFC系統

2.1 混合云平臺部署模式

結合城市軌道交通AFC系統架構及線網遠期發展需求，綜合考慮公有云與私有云的利弊，從建設成本和數據安全性出發，本文提出采用混合云平臺部署模式。混合云平臺由私有云和公有云組合而成，可根據AFC系統中應用程序及數據的重要性靈活部署?；旌显破脚_兼具公有云與私有云的優勢，可降低建設成本，提高存儲數據安全性及系統可靠性。

2.2 基于混合云平臺的AFC系統總體架構

在傳統AFC系統架構及云平臺部署模式的基礎上，本文提出基于混合云平臺的AFC系統總體架構，如圖2所示。由圖2可見，混合云平臺取代了傳統AFC系統架構中的車站級服務器子系統、線路中央計算機子系統及清分子系統，車站終端設備直接接入了混合云平臺，最終形成了包含車票、車站終端設備和混合云平臺的3層架構。云平臺可實現AFC業務的不間斷運行、數據的集中存儲，是統一的平臺服務，簡化了票務管理工作，進而整體提高城市軌道交通運營服務水平，降低設備維護成本。

圖2 基于混合云平臺的AFC總體架構Fig.2 Overall architecture of AFC based on hybrid cloud

2.3 混合云平臺架構

參照主流的云計算架構，基于混合云平臺的AFC系統架構可劃分為基礎層、平臺層和軟件層[4]。為了保證服務的可靠性與數據的安全性，混合云服務體系中應配置災備數據中心與云安全管理機制?；旌显品阵w系架構如圖3所示。

圖3 基于混合云平臺的AFC系統架構Fig.3 AFC system architecture based on hybrid cloud platform

基礎層是AFC系統的基礎，將服務器、數據存儲設備及網絡等硬件設備集中起來，通過虛擬化技術為上層應用平臺按需提供計算、網絡及存儲等資源。混合云架構可將部分非核心業務資源部署在公有云中，降低私有云建設成本及資源負載，便于實現基礎資源的彈性擴展。為保證公有云與私有云之間的資源互連，應在基礎層搭建專用網絡，以實現網絡互通。

平臺層主要為AFC系統提供服務管理、資源管理、業務管理及數據管理等。通過組件和接口，平臺層向下獲取基礎層中的數據，向上為軟件層支持應用構建。在混合云服務體系中，公有云與私有云的平臺層服務體系相同，服務內容不同。數據及服務業務根據其重要程度分別部署在不同的云上，例如：清分管理及票務管理等核心業務部署在私有云上，辦公應用及郵件系統等非核心業務部署在公有云上。

軟件層基于平臺層提供的數據接口，為不同的用戶及業務提供多樣化的軟件服務。在私有云中，軟件層主要是核心業務軟件，包括清分管理軟件、票務管理軟件及設備管理軟件等；在公有云中，軟件層為非核心類應用軟件，包括辦公應用軟件、郵件系統軟件等。

3 基于混合云平臺的AFC系統關鍵技術

3.1 混合云雙活異地災備組網

為保證AFC系統數據傳輸的安全性，私有云與公有云之間應采用點到點的網絡專線來實現云之間的網絡通信[5]。為提高混合云的容災等級，保證AFC系統業務不間斷運行，AFC系統應采用業務雙活模式，并在異地建立數據災備中心，以保證發生不可抗災難時的數據安全可靠?；旌显齐p活異地災備組網架構如圖4所示。

混合云雙活異地災備組網架構具有如下特點：

1) 業務雙活模式。為解決業務故障問題，傳統云平臺系統多采用主備模式，不僅設備利用率低，而且發生故障時的業務恢復時間較長。為此，業務雙活模式被提出。在業務雙活模式下，本地AFC系統和異地AFC系統沒有主備之分，兩者互補。采用云計算技術的雙活模式AFC系統能充分利用硬件資源，提高設備利用率。由于2個AFC系統同時進行工作與災備，故在發生故障時，業務能夠自動切換，保證業務數據零丟包，極大提高了業務的可靠性與穩定性。要實現基于混合云平臺的AFC系統業務雙活，就需建立2個私有云平臺，并在基礎層、平臺層及軟件層實現2個平臺的互聯，以保證2個平臺具有相同的部署架構、設備資源、業務類型等，采用負載均衡技術以實現最佳雙活效果。私有云平臺之間采用先進的SDN技術及NFV技術，保證了平臺之間網絡、業務及數據的互通。

2) 異地數據災備中心。該災備中心主要承擔AFC系統的數據備份功能，對數據存儲要求較高，故建設時應綜合考慮AFC系統的數據存儲量與數據增長量。

3.2 混合云數據存儲架構

與傳統的AFC系統數據存儲技術相比，混合云數據存儲技術具有容量大、易擴展等優勢，通過負載均衡技術等可降低存儲設備的閑置，提高資源利用率[6]。根據當前主流的云存儲技術及AFC系統業務，基于混合云技術的AFC系統數據存儲體系架構如圖5所示。

圖5 基于混合云的AFC數據存儲體系架構Fig.5 AFC data storage architecture based on hybrid cloud

存儲層是整個AFC系統數據存儲的基礎，由存儲服務器、存儲設備及存儲網絡等組成，通過集群技術和虛擬存儲完成對數據的存儲。

管理層通過數據壓縮、存儲調度、數據加密等數據存儲技術，為存儲層提供數據容量小、存儲效率高的數據存儲服務；通過數據解壓、獲取調度、數據解密等數據獲取技術，為服務層提供高效的數據獲取服務；通過數據安全及數據遷移等技術，保證數據的存儲安全性，并提供數據遷移功能。

服務層為應用層提供統一的數據查詢、數據檢索、數據挖掘等服務接口。數據查詢服務可以讓用戶通過應用程序方便查詢數據，數據檢索服務可以方便用戶查詢AFC系統中各類設備、票卡及票務等數據信息，數據挖掘服務可幫助預測客流信息等。

應用層為用戶提供具體的應用程序，可利用服務層提供的服務接口開發各種AFC業務程序。

3.3 混合云資源調度系統

AFC系統的用戶在訂閱計算資源時，通過應用程序將任務請求提交給混合云資源調度系統?；旌显瀑Y源調度系統具有資源監測和資源調度等功能，可根據用戶任務請求和各云平臺資源使用情況來選擇調度策略。混合云資源調度系統結構如圖6所示。

圖6 混合云資源調度系統示意圖Fig.6 Hybrid cloud resource scheduling model

例如，當私有云中的計算資源負載過大時，用戶通過混合云資源調度系統向公有云申請計算資源的關鍵步驟為：

1) 任務請求。當私有云計算資源不足時，混合云資源調度系統主動向公有云申請計算資源。計算資源調度要充分考慮數據的安全性，保證數據不離開私有云。

2) 任務分配。在執行任務時，有些任務存在順序關系，有些任務可同時執行。因此，計算資源分配時應充分考慮任務之間的關系，并根據任務類型合理分配。

4 結語

隨著城市軌道交通的快速發展，傳統的AFC系統出現了數據處理能力不足、存儲設備量大等問題。AFC系統在引入云計算技術后，將大大減少硬件設備，降低建設維護成本，提高資源利用率，推動AFC系統更智能化的發展。