基于云原生的中老鐵路信息系統一體化方案研究

紀 偉 吳樺林 謝 鵬 陳俊峰

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031；2.中國鐵道科學研究院科學技術信息研究所， 北京 100081)

作為泛亞鐵路中線的重要組成部分，中老鐵路是第一個以中方為主投資建設并運營，采用中國技術標準，與中國鐵路網直接連通的境外鐵路項目。信息化系統作為現代化鐵路的重要標志，在中老鐵路建設及運營中發揮了重要作用。

1 國內外鐵路信息化發展現狀

目前，以數字化、網絡化、智能化為標志的信息技術革命正深刻改變著世界戰略格局，世界主要國家紛紛研究和提出了適應自身特點的信息化智能化發展戰略和舉措[1]。美國、日本與歐洲等國家和地區在本世紀初就開始了智能鐵路信息化的研究，美國提出了Smarter Railroad，利用智能化網絡化的信息系統，提高鐵路運營效率，節約運營成本。日本的CyberRail通過提供強大的信息功能，實現鐵路與其他各類運輸方式的無障礙銜接，力爭做到無縫銜接。歐洲的InteGRail以實現更高效、更高服務標準的鐵路運輸組織為目標，提出了歐盟范圍內的鐵路資源一體化和信息共享使用技術方案。雖然以上智能鐵路信息化系統的重點與思路存在一定差異，但其共同點都是利用計算機及信息技術，實現信息資源的互聯、集成與共享，通過信息資源的優化利用，提升鐵路系統的效率與服務水平。

與此同時，中國鐵路也向著信息化和智能化的方向快速邁進，鐵路工程建設、運輸服務、多元化經營、協同服務保障等企業核心業務發展對信息化智能化建設提出了新的更高需求。2017年原鐵路總公司發布了《鐵路信息化總體規劃》(簡稱“總體規劃”)，提出了信息化發展的基本原則、主要目標、總體架構、工作任務等。在總體規劃的指引下，我國全面開展智能鐵路的規劃和建設，形成了具有中國特色、全面擁有自主知識產權的成套技術裝備和技術體系，為智能鐵路建設發展提供了強有力的技術支撐。智能京張以全力打造“精品工程、智能京張”及服務奧運為目標，廣泛應用云計算、大數據、物聯網、移動互聯、人工智能、北斗導航、BIM等新技術，綜合高效利用資源，初步實現了涵蓋智能建造、智能裝備、智能運營的新一代智能化高速鐵路系統[2]。智能浩吉示范工程以智能浩吉大腦平臺為基礎支撐，以基于LKJ的機車自動駕駛、基于北斗的單線CTC、智能牽引供電、智能調度、基礎設施智能運維、綜合安全大數據等為主要的智能化應用，初步探索了貨運鐵路智能化的創新實踐[3-4]。

云計算技術從誕生至今取得了飛速的發展，被業界喻為第三次互聯網革命。云計算技術的應用，使社會的工作方式和商業模式發生了巨大的改變，國內外大型互聯網公司都推出了自己的云平臺產品[5]。目前阿里云的市場份額已經位居中國第一位，世界第三位。中國鐵路12306采用了阿里云技術經受了多個春運的考驗，給廣大旅客帶來了更加便捷的體驗和服務。中國第一條完全采用云平臺技術建設信息系統的浩吉鐵路，充分發揮了云平臺的優勢，沒有因為系統升級或者設備維修而進行過停機“要點”，既保證了業務的連續性，也給運維帶來極大的便利。因此，云計算是技術發展的主流，且具備廣泛應用的潛力，與鐵路業務結合也具有很好的成功先例，具備在中老鐵路使用的條件。

2 必要性分析

信息技術是當今經濟與社會發展的重要驅動力，信息化智能化代表新的生產力和發展方向，已成為引領創新驅動的先導力量和衡量國家及行業現代化水平的重要標志。2020年5月，國鐵集團對中老鐵路運營管理事項進行了正式批復(鐵運函〔2020〕197)，明確了中老鐵路磨萬段運營管理模式采用扁平化組織架構，并統籌考慮開通初期委托運營管理和老中鐵路公司自主運營管理兩個階段的銜接，優化崗位及人員設置[6]。充分借鑒浩吉、京張等國內近期投產運營鐵路信息化建設經驗，以系統整合、輕量化應用的設計理念，按符合老撾國情、路情與軌道交通發展實際情況的原則完成中老鐵路磨萬段信息系統設計。

(1)作為云計算未來的發展方向，云原生技術是基于分布部署和統一運管的分布式云，是基于云計算技術的一套云技術產品體系。作為一種新型技術體系，云原生技術與鐵路業務結合具備廣泛的應用潛力。

(2)云平臺是未來數據中心建設的大勢所趨，已經作為下一代計算模式全面進入實踐應用階段。各國政府紛紛推動主要廠商圍繞云計算重新布局，創新平臺、產品與應用不斷涌現，越來越多的數據和應用在向云平臺遷移。

(3)云平臺有利于大大降低企業運營成本。云平臺可讓所有計算資源得到充分利用，其中包括服務器、存儲以及各種網絡設備，工作人員的共享使用成本降低，特別是小到中等規模的應用和原型。同時，具備反應迅速準確，動態可擴展，維護簡化等優勢，節約企業二次開發的投入，減低維護難度及維護人員成本。

(4)云平臺有利于資源共享。采用云平臺一體化方案統一規劃中老鐵路信息化整體架構，集中建設企業級信息系統，構建統一公共技術平臺，可以避免分散建設和出現新的“信息孤島”，從而實現信息跨區域、跨部門、跨業務綜合應用[7-8]。同時為國內外互聯互通奠定了良好的基礎，是實現“一帶一路”“五通”目標的必要手段。

(5)基于云平臺的信息系統有利于業務流程再造，實現面向運輸組織全過程的一體化。結合中老鐵路的特點，以簡化作業模式、提升作業效率為目標，面向整個運輸組織過程，進行一體化設計。一是能夠實現調度一體化；二是能夠實現“局站”一體化；三是能夠實現站內各工種作業一體化。

(6)云平臺有利于提升系統的可重塑性與可操作性。云平臺一體化方案充分利用了微服務、云平臺、大數據、中臺等技術，對傳統應用改造進行深入的探索。一是采用基于微服務架構的一體化云原生技術；二是從傳統CS模式跨代到基于微服務架構的B/S結構。三是采用大數據應用技術，支撐后期基于大數據的綜合應用開發。

3 系統方案

中老鐵路磨萬段信息系統通過采用云平臺(IaaS/PaaS)構建信息化體系，實現了集約化、精細化管理軟、硬件資源；采用微服務架構設計“平臺+模塊”的一體化應用架構，可靈活配置系統功能、實現崗位的動態調整，支持多崗合一；通過整合調度、辦公網絡資源，減少因網絡架構帶來的數據壁壘問題，為國內外互聯互通奠定良好基礎；通過使用云平臺、微服務架構，可以帶來更高的服務質量、更低的開發運維成本，實現業務的快速迭代，最終實現一個中心、一個平臺、一套系統，調度一體、局(公司級)站一體、站內作業一體，提高作業效率，節省人員成本。

3.1 系統功能

信息系統云平臺的建設以需求為導向，以運輸能力為基礎，以安全有序為原則，以提質增效為目標，實現高效精準調度和運輸組織過程深度融合。通過業務流程的再造，實現局站一體的扁平化運輸組織和生產指揮模式，覆蓋了TDMS調度系統、現車系統、95306營銷系統、貨票系統、貨運站系統、集裝箱管理，口岸站系統等國鐵既有系統的功能，基于“調度指揮一體化、調度車站一體化、車站作業一體化”，主要實現以下功能和目標：

(1)基于“全程調度”的理念，將運輸計劃貫通供應鏈全程，精準銜接上下游企業作業，將鐵路調度指揮范圍延伸到整個運輸過程，更好規范行車秩序，提高作業效率。

(2)優化既有的調度計劃編制模式，實現基本計劃、日班計劃、作業計劃一體化編制，構建綜合調度計劃協同編制平臺，構建計劃優先級調整和沖突檢測模型，做到綜合計劃協同編制、聯動卡控、預警提示，結合效率效益綜合評價。

(3)貨運作業全過程管理，包含需求收集、配空排空、裝卸安排、貨運編組、技檢作業等全過程。通過構建動態現車庫和車流推算，預測車流去向，動態調整貨運工作計劃。結合區段通過能力、裝車能力、卸車能力等能力管理，提示預警，自動停限裝卡控。

(4)動態調整客運開行方案；建立統一的客運編組管理庫、車底交路管理庫，動態調整車底交路計劃。

(5)基于一體化計劃，實現機車工作計劃、車輛工作計劃與列車工作計劃的一體化，機務和車站作業的協同聯動，實現對機車車輛的智能運用和全程監理、動態調整，并動態生成機車日產量、機車日車公里、運用車輛公里、空車走行率等運用指標。

(6)施工綜合管理。實現施工維修月計劃、日計劃、作業計劃、登銷記全過程管理，提供施工過程巡檢、進度盯控、現場復示手段，加強施工安全防護。

(7)車站作業智能管控。實現局站銜接、車機銜接，提高車站作業計劃智能編制、自動調整水平，提高作業效率和計劃兌現率。

(8)調度命令智能一體化管理。調度命令錄入方式多樣化、內容標準化、格式化、傳輸過程透明化，調度命令與調度綜合計劃協同編制，關聯卡控，著重沖突檢測、安全檢查。

(9)構建運輸調度數據處理中心，實現橫向各相關專業、縱向各級機構數據全面融合，加工挖掘，形成客貨運數據集市，提供個性化、定制化數據服務，提供多維度的追蹤服務。實現貨物定位追蹤、車輛軌跡跟蹤、列車全程追蹤，掌握實際動態。

(10)提供正晚點預測和推送服務。對內建立正晚點信息聯動推送機制，對外實現客運列車的正晚點信息全程主動即時推送。

3.2 系統架構

(1)總體架構

中老鐵路磨萬段信息系統云平臺基于云計算平臺架構開展設計，部署于萬象調度中心通信信息機房。中老鐵路信息系統云平臺總體架構如圖1所示，其中IaaS層提供基礎資源保障；PaaS層為整個信息化體系提供便捷靈活的資源調度；SaaS層部署辦公系統、貨物運輸管理信息系統、口岸站管理信息系統和綜合調度系統，實現各應用系統功能。

圖1 中老鐵路信息系統云平臺總體架構圖

(2)網絡架構

信息系統云平臺配置服務器、存儲、網絡及安全設備，組建基于云計算的運行環境，使用云管理平臺統一進行管理及資源分配。信息中心系統承載鐵路信息系統核心業務，在中心設置內網計算資源，主要運行運輸生產和經營管理應用。通過核心防火墻與CTC、旅客服務信息系統進行互連，完成必要的數據交換。各車站級信息系統通過通信IP數據網提供的主備通道接入萬象調度中心信息系統云平臺。中老鐵路信息系統云平臺組網如圖2所示。

圖2 中老鐵路信息系統云平臺組網示意圖

(3)主要設備配置方案

①數據庫服務器配置方案

整體硬件建構同時為后臺Oracle數據庫提供高可用的安全架構支撐。系統配置2臺unix小型機、2臺光纖存儲交換機，3臺存儲、2臺高速心跳交換機。2臺小型機搭建Oracle RAC集群，可實現實時并行對外提供服務，任何一臺出現故障，另一臺可繼續工作，并不影響業務，且無需切換數據庫，業務中斷時間為零。

②云平臺服務器配置方案

云平臺服務器配置20臺2路的x86服務器構成基礎資源池，另外由相同的3臺服務器構成管理集群，云平臺服務器通過光纖連接共享存儲作為存儲資源池，基礎資源與管理集群分別連接不同的存儲資源池。每臺資源服務器配置為32核心處理器和256 GB內存，20臺資源服務器構成的資源池可以提供 1 200 vCPU和5 TB以上內存用來部署虛擬機。同時設置單獨的管理群集，將云平臺管理系統獨立于計算資源之外，計算資源故障時不會影響云平臺管理系統。

③存儲設備配置方案

系統共配置3臺存儲設備：主存儲A、主存儲B和仲裁存儲。使用存儲資源池A和存儲資源池B分別創建兩個文件組，保證其中任何一臺存儲出現故障，還有一份數據可用。另外設置一臺仲裁存儲，與存儲資源池A、存儲資源池B一起組成表決磁盤組，并保證3份表決文件存放在3臺不同的存儲上，其中任何一臺存儲故障，可保證還有半數以上的表決文件可訪問，數據庫系統不會宕機。

④系統安全防護方案

信息安全設備參照中國信息安全技術網絡安全等級保護的相關要求配置。系統制定了明確的網絡安全方針、策略，建立了完整的網絡安全框架，可實現對信息系統全生命周期安全管控，對業務應用安全穩定運行形成有力支撐。信息安全設備包括防火墻、入侵檢測系統、防病毒系統和日志審計系統。

4 建設效果分析

通過基于云原生的中老鐵路信息系統一體化方案的應用，實現了調度指揮智能化和運行生產精準化，提高了站段運輸安全生產水平和運輸調度指揮效率。在縮短貨車周轉時間和降低能源消耗等方面發揮重要作用，達到減員增效的目標。

(1)通過云平臺一體化信息系統合并各調度工種，實現一崗多人到一人多崗的轉變；通過設置綜合臺，大幅減少調度員數量；通過車站作業集中化可實現車站無人或者少人管理。

(2)通過云平臺一體化信息系統的應用，統一提供接入數據的匯集、治理功能，減少數據治理人員；系統提供統一的系統接口，各業務系統無需再專門開發接口，減少接口開放和接口維護人員。

(3)通過云平臺一體化信息系統的應用，讓所有計算資源得到充分利用，包括服務器、存儲以及各種網絡設備，減少設備維護周期及設備維護費用。

5 結束語

中老鐵路信息化建設中充分考慮中老兩國國情，制定適合中老鐵路發展的信息化建設方案，主要目的是能夠適應中老鐵路整體發展戰略目標要求，全面滿足中老鐵路核心業務需求，保證信息化戰略目標與業務戰略目標相互關聯、相互促進、協調發展[9-10]。研究業務功能齊全、技術架構先進、系統運行高效、安全保障全面的信息系統建設體系，可以全面提升國際鐵路的信息化水平，創造新的經濟增長點，實現更多的社會效益。我們始終堅信中老鐵路這條綠色發展之路將會開花結果，造福沿線國家人民，帶動經濟文化高速發展。