云計(jì)算技術(shù)在地鐵信號(hào)系統(tǒng)的應(yīng)用研究

張志碩

（中鐵十二局集團(tuán)電氣化工程有限公司，天津 300308）

0 引 言

地鐵行業(yè)關(guān)乎人們的日常出行，是影響國計(jì)民生的重要行業(yè)。目前，地鐵中的各個(gè)信號(hào)設(shè)備由不同的供應(yīng)商來提供，而這些產(chǎn)品彼此之間的兼容性不高，因此需要投入技術(shù)力量來對這些產(chǎn)品進(jìn)行運(yùn)維維護(hù)，以此提升地鐵行業(yè)裝備的信息化水平。

Spark與Keras等云計(jì)算技術(shù)在地鐵信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用能夠進(jìn)一步管理列車開行計(jì)劃、線路配置等核心數(shù)據(jù)，是支撐地鐵正常運(yùn)營、信息安全的關(guān)鍵部分。對于系統(tǒng)的研發(fā)，其具備良好的現(xiàn)實(shí)意義，能夠?qū)⒄麄€(gè)地鐵信號(hào)處理業(yè)務(wù)與云計(jì)算進(jìn)行有效結(jié)合，運(yùn)維人員通過此系統(tǒng)及時(shí)定位通信故障，安排巡檢人員進(jìn)行處理，有效提升巡檢運(yùn)維的效率。

1 關(guān)鍵技術(shù)

隨著城市交通的快速發(fā)展，地鐵里程越來越長，與此同時(shí)，地鐵信號(hào)系統(tǒng)對應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測終端數(shù)量也越來越多，能夠?qū)崟r(shí)采集地鐵的運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境等數(shù)據(jù)信息。因此，在此場景下，需要通過大數(shù)據(jù)處理技術(shù)來完成這些海量業(yè)務(wù)信息的分析與處理，經(jīng)過選型對比后主要采用云計(jì)算技術(shù)來進(jìn)行處理。

云計(jì)算是目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，對于用戶而言，在使用云計(jì)算技術(shù)時(shí)，對整個(gè)云計(jì)算內(nèi)部的處理機(jī)制并不需要特別理解，另外也不需要了解云計(jì)算存儲(chǔ)的底層設(shè)施，主要需要關(guān)注云計(jì)算的處理過程與處理方式，以此滿足地鐵信號(hào)系統(tǒng)輸入與輸出的處理需要。對于云計(jì)算而言，結(jié)合地鐵信號(hào)系統(tǒng)業(yè)務(wù)處理的需求，用戶能夠進(jìn)行整個(gè)計(jì)算資源的配置與管理，這些計(jì)算資源包括服務(wù)器、存儲(chǔ)服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等，通過這些不同資源的配置完成整個(gè)服務(wù)的處理需要。目前，不同公司充分意識(shí)到云計(jì)算的重要性，紛紛推出自己不同的云計(jì)算平臺(tái)，如亞馬遜推出了彈性云計(jì)算平臺(tái)，微軟推出了Azure云計(jì)算平臺(tái)，國內(nèi)阿里、華為、騰訊等公司也紛紛推出自己的云計(jì)算平臺(tái)，用戶通過網(wǎng)絡(luò)就可以獲取相關(guān)的云計(jì)算服務(wù)[1]。

1.1 Spark框架

在整個(gè)地鐵信號(hào)系統(tǒng)中，主要采用的是Spark框架，此框架自身具備良好的可維護(hù)性、容錯(cuò)性與高吞吐計(jì)算能力，核心組件能夠提供快速高效的流計(jì)算能力，存儲(chǔ)的地方可以是儀表盤、文件系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫等不同地方。具體Spark組架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Spark組架結(jié)構(gòu)

在整個(gè)結(jié)構(gòu)圖中，對于輸入的數(shù)據(jù)源進(jìn)行處理后，結(jié)合業(yè)務(wù)處理的需要采用Hodoop分布式文件系統(tǒng)（Hadoop Distributed File System，HDFS）、Database、

Dashboard等不同的方式進(jìn)行存儲(chǔ)。具體Spark框架處理執(zhí)行流程如圖2所示。

圖2 Spark框架處理執(zhí)行流程

在整個(gè)Spark框架內(nèi)部的處理中，對于輸入的海量數(shù)據(jù)信息，按照時(shí)間片的方式對這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，處理后的成果是云計(jì)算計(jì)算框架內(nèi)部不同段的數(shù)據(jù)流。此種處理機(jī)制能夠提升海量數(shù)據(jù)信息的處理效率，以此完成海量數(shù)據(jù)信息的快速處理，提升數(shù)據(jù)信息處理效率[2]。

1.2 Keras深度學(xué)習(xí)框架

在整個(gè)數(shù)據(jù)信息的處理中，Keras是目前廣泛使用的深度學(xué)習(xí)框架之一，其主要采用Python語言進(jìn)行編寫完成，對外可以將其看做是高層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理的應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API），能夠快速處理輸入業(yè)務(wù)的問題，主要的技術(shù)特點(diǎn)分為以下幾個(gè)方面。

首先，模塊設(shè)計(jì)的思路。在Keras深度學(xué)習(xí)框架中，其內(nèi)部包括多個(gè)不同的獨(dú)立模塊，這些模型能夠根據(jù)業(yè)務(wù)處理需要進(jìn)行不同的配置組合，滿足應(yīng)用程序的快速開發(fā)。常用的模塊有損失函數(shù)、初始化策略、激活函數(shù)、優(yōu)化器等，能夠進(jìn)行不同的配置處理。

其次，用戶使用友好性。整個(gè)Keras深度學(xué)習(xí)框架中，用戶的操作與使用體驗(yàn)是首選，需要重點(diǎn)考慮用戶的使用需求，給出了詳細(xì)的說明，查看這些API用戶能夠快速完成框架內(nèi)部各個(gè)函數(shù)的調(diào)用與處理操作。

再次，Keras深度學(xué)習(xí)框架能夠與Python語言進(jìn)行協(xié)作處理。此框架的內(nèi)部不具備獨(dú)立的模型配置文件類型，整個(gè)深度學(xué)習(xí)框架采用Python語言進(jìn)行編碼完成，用戶能夠進(jìn)行Python語言開發(fā)的快速擴(kuò)展開發(fā)，提升了開發(fā)效率。

最后，良好的擴(kuò)展性。Keras深度學(xué)習(xí)框架的主要思路是通過配置方式進(jìn)行處理，因此技術(shù)人員根據(jù)業(yè)務(wù)處理的需要，添加對應(yīng)的擴(kuò)展函數(shù)。

在目前的技術(shù)應(yīng)用中，常用的深度學(xué)習(xí)框架包括Keras、TensorFlow及Theano，后2個(gè)框架采用微服務(wù)處理機(jī)制，雖然總體具備良好的靈活性，但是學(xué)習(xí)難度較高；而對于Keras而言，其在具備良好靈活性的同時(shí)，學(xué)習(xí)難度也較低，能夠同時(shí)與TensorFlow及Theano進(jìn)行結(jié)合應(yīng)用，此時(shí)Keras主要作為前端，而TensorFlow及Theano作為后臺(tái)業(yè)務(wù)處理來使用。

2 物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)據(jù)采集

在整個(gè)地鐵信號(hào)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中，系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)主要來源于數(shù)據(jù)信息的采集，而采集主要由物聯(lián)網(wǎng)終端進(jìn)行操作。在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)終端的設(shè)計(jì)中，需要考慮數(shù)據(jù)采集的目標(biāo)，主要對配電信號(hào)采集設(shè)備終端進(jìn)行監(jiān)測，以此來獲取符合相關(guān)信號(hào)采集設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，主要原因在于此數(shù)據(jù)信息容易受外界的影響，因此需要更為精細(xì)化的方式獲取這部分監(jiān)測參數(shù)，從而確定整個(gè)信號(hào)采集設(shè)備周邊環(huán)境與自身的狀態(tài)信息。在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)終端的采集中，主要采集的數(shù)據(jù)信息包括電流數(shù)據(jù)、電壓數(shù)據(jù)，周邊環(huán)境信息的采集主要包括溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)等。對于物聯(lián)網(wǎng)終端而言，結(jié)合終端所處的環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)通信采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）、4G等不同的方式。對于無線網(wǎng)絡(luò)不好的環(huán)境，也可以采用有線傳輸?shù)姆绞絹磉M(jìn)行，以此來構(gòu)建整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)[3]。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測的硬件包括計(jì)量芯片、集中器等內(nèi)容，具體如圖3所示。

圖3 信號(hào)系統(tǒng)監(jiān)測終端的硬件結(jié)構(gòu)

在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)終端的硬件設(shè)計(jì)部分，主要包括傳感器、計(jì)量芯片、集中器等部分，傳感器的主要內(nèi)容是完成電流、電壓、環(huán)境數(shù)據(jù)及電源數(shù)據(jù)信息的采集、傳輸與集中處理，整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的終端結(jié)構(gòu)包括存儲(chǔ)器、液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）顯示電路、通信接口電路及有線通信備用模塊等部分。

在整個(gè)地鐵信號(hào)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)硬件終端的設(shè)計(jì)中，雖然數(shù)據(jù)信息都能夠通過數(shù)據(jù)通信模塊將整個(gè)實(shí)時(shí)采集的電壓、電流及環(huán)境數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中臺(tái)，但是數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸時(shí)容易出現(xiàn)問題，同時(shí)巡檢人員日常也需要對采集的終端進(jìn)行檢查與維護(hù)，因此數(shù)據(jù)顯示模塊是其中的重點(diǎn)模塊，方便巡檢人員現(xiàn)場查看。整個(gè)數(shù)據(jù)顯示模塊通過液晶屏的方式進(jìn)行顯示，用戶能夠直觀查看各類數(shù)據(jù)信息，及時(shí)進(jìn)行終端的維護(hù)[4]。

在整個(gè)數(shù)據(jù)顯示模塊的分析與設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮體積、耗電量及成本因素，以此方便用戶進(jìn)行整個(gè)數(shù)據(jù)顯示模塊的安裝。對目前的模塊綜合對比分析后采用LCD12864型數(shù)據(jù)顯示模塊，此型號(hào)產(chǎn)品能夠綜合反饋用戶的操作需要，內(nèi)部集成中文字庫，功耗低的特點(diǎn)使得每一次數(shù)據(jù)顯示模塊都可以使用較長的時(shí)間，這點(diǎn)是其最大的優(yōu)勢，另外良好的中文交互界面也方便用戶使用，能夠與當(dāng)前信號(hào)采集設(shè)備監(jiān)測終端進(jìn)行良好的適配。

3 體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

在整個(gè)地鐵信號(hào)管理系統(tǒng)的總體分析設(shè)計(jì)中，其核心采用的是Spark、Keras等云計(jì)算技術(shù)，整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)分為3個(gè)層次來進(jìn)行操作，以此滿足總體巡檢運(yùn)維人員的操作需要，具體體系架構(gòu)如圖4所示。巡檢人員主要在顯示層進(jìn)行操作。

圖4 系統(tǒng)體系架構(gòu)

體系架構(gòu)中，整個(gè)功能的操作自上而下分為3個(gè)部分進(jìn)行，用戶在最上層進(jìn)行操作，整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的處理在最底層，業(yè)務(wù)邏輯程序處理在中間層，以此完成整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建。這樣的設(shè)計(jì)模式主要是降低系統(tǒng)不同層次架構(gòu)的耦合度，有效提升總體系統(tǒng)后續(xù)的可擴(kuò)展性，具體內(nèi)容如下。

3.1 顯示層

這一層的主要作用是為用戶提供操作接口，地鐵信號(hào)系統(tǒng)采用Spark等云計(jì)算技術(shù)，整個(gè)系統(tǒng)操作的功能分為信號(hào)的采集、傳輸與處理等。這些功能的對外接口由用戶進(jìn)行操作，每一次用戶操作后系統(tǒng)都需要給出相應(yīng)的提示信息。

3.2 業(yè)務(wù)邏輯層

在整個(gè)地鐵信號(hào)管理系統(tǒng)中，這一層的主要作用是存儲(chǔ)整個(gè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)代碼，其與Spark云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)中報(bào)警、信號(hào)、巡檢等數(shù)據(jù)的分析與處理。通過此大規(guī)模并行計(jì)算的方式有效提升數(shù)據(jù)的處理效率，發(fā)揮數(shù)據(jù)的價(jià)值。

3.3 數(shù)據(jù)層

此層主要是完成各類數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理，負(fù)責(zé)分析系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)。每一次系統(tǒng)采集的信號(hào)、巡檢、報(bào)警等數(shù)據(jù)信息都需要存儲(chǔ)到相應(yīng)的表格中，后續(xù)采用云計(jì)算技術(shù)能夠?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的挖掘分析，以便提升系統(tǒng)中總體數(shù)據(jù)信息的價(jià)值[5]。

4 結(jié) 論

在整個(gè)地鐵信號(hào)管理系統(tǒng)的發(fā)展中，采用信息化技術(shù)來推動(dòng)整個(gè)地鐵裝備新的發(fā)展進(jìn)程，使得地鐵裝備能夠與信息技術(shù)進(jìn)行深度融合。為此政府應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)性政策的扶持力度以及對物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計(jì)算、區(qū)塊鏈等前沿技術(shù)的科研力量，建立開放、包容、互信的氛圍，以此有效縮短科研周期，創(chuàng)造更高的應(yīng)用價(jià)值。依托地區(qū)優(yōu)勢，打造良好的地鐵裝備產(chǎn)業(yè)集群。政府應(yīng)打破現(xiàn)有的管理機(jī)制體制，根據(jù)地鐵裝備發(fā)展的特點(diǎn)，對整個(gè)產(chǎn)業(yè)集群內(nèi)部上下游企業(yè)相關(guān)的物流、供應(yīng)商進(jìn)行整合與管理，對整個(gè)傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行提升處理，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)企業(yè)之間的競爭，有效提升企業(yè)之間的倍增效應(yīng)，進(jìn)一步激發(fā)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展的動(dòng)力。此外，政府鼓勵(lì)各個(gè)企業(yè)依托自己的發(fā)展需求，與高校、科研院所共同制定地鐵裝備人才培養(yǎng)計(jì)劃，使得學(xué)生專業(yè)技術(shù)的發(fā)展更好地依托于企業(yè)的需求，同時(shí)為人才創(chuàng)造良好的工作、生活空間。