城市轨道交通自动售检票系统多线共用中央计算机系统建设方案分析

冯 娟(上海申通地铁集团有限公司技术中心,201103,上海∥高级工程师)



城市轨道交通自动售检票系统多线共用中央计算机系统建设方案分析

冯 娟
(上海申通地铁集团有限公司技术中心,201103,上海∥高级工程师)

摘 要介绍了上海轨道交通自动售检票(AFC)系统的发展现状,论述了集中设置多线中央计算机(MCC)系统的必要性,分析了分立架构式、资源型架构式和云服务架构式三种集中设置MCC系统方案技术路线的优缺点。推荐采用资源型架构式方案作为上海轨道交通MCC系统的设计思路,并对MCC系统的容灾策略进行了简要说明。

关键词城市轨道交通;自动售检票系统;多线中央计算机系统

Multiple-line Sharing of Urban Rail Transit AFC System

Feng Juan

AbstractThe development situation of the AFC system in Shanghai rail transit is introduced,the necessity of MCC system design is discussed.Then the advantages and disadvantages in technical routes of 3 MCC plans:the discrete structure,virtual resource structure and cloud structure are analyzed,and the virtual resource structure is recommended for the design of MCC in Shanghai rail transit.Finally, the disaster recovery strategy of MCC is briefly illustrated. Key words urban rail transit;automatic fare collection (AFC)system;multiple-line center computer(MCC)system

Author′s address Technology Center,Shanghai Shengtong Metro Group Co.,Ltd.,201103,Shanghai,China

自动售检票(AFC)系统是由计算机集中控制的自动售票(含半自动售票)、自动检票、自动收费和统计的封闭式自动化网络系统[1]。国内城市轨道交通AFC系统已与城市公共交通卡系统接轨兼容,实现了城市内或城市间的公共交通运营票务的日常管理。

国内各城市的AFC系统,大多采用的是5层架构体系。以上海轨道交通AFC系统为例(见图1),线路中央计算机(CC)系统是每条线路AFC系统的管理控制中心,具有本线路AFC系统运营管理、票务管理、设备管理的功能,并实现与ACC(AFC系统清分中心)的清算对账和收益管理。随着城市轨道交通路网的不断扩大,采用5层架构体系、一线一中央的模式,使得网络AFC系统规模越来越庞大,系统建设、运营维护成本不断增加。为了保证系统高效、节约、健康、稳定地运行,同时适应城市轨道交通路网的发展,结合当前计算机系统技术和城市轨道交通运营管理的模式状况,对集中设置AFC多线中央计算机(MCC)系统进行深入研究[2]。

1　必要性分析

在城市轨道交通AFC系统的5层架构体系中,各层相对独立,逐级管理,完成票务业务的全部功能。但是,随着路网规模和业务功能的不断扩大,结合计算机技术的快速发展,对既有的体系结构进行适时改进,以更好地优化系统架构和组成,可以提高AFC系统的稳定性、通用性和运行效能,并节约AFC系统建设、运营和维护成本。改进既有AFC系统体系结构的必要性具体体现在以下8个方面。

(1)网络化运营的需要。上海轨道交通AFC系统在2005年建成网络票务清分系统并实现了“一票换乘”的网络化运营,在近10年的运营实践中,解决并不断完善了轨道交通与城市公共交通卡、手机银行卡之间的清分及管理,完成了运营线路间的票务清分及收益管理。但对全路网AFC系统的系统设备、终端设备的运行状况、使用率和完好率,始终未进行网络化的运营管理。因此,需要一个集中的MCC系统,以实现对其进行全面、有效的运营管理。

(2)提高资源利用率的需要。AFC系统在新线建设时,每条线路均设置一套CC系统,按双机配置数据库服务器,并配置磁盘阵列和磁带机等存储设备,硬件容量均按最高的预测客流量进行计算。除了个别客流量较大的线路外,线路的CC系统资源均未被充分利用,造成设备硬件资源、计算资源、存储资源和网络资源利用率低。若采用MCC系统的集中设置方案,可以将硬件资源进行整合,根据应用需要对资源进行动态调配。通过对全路网统一规划和设计,预留计算、网络、存储等资源,将大幅节约初期建设的投入成本[3]。

图1　上海轨道交通AFC系统总体架构图

(3)降低维护成本的需要。随着路网线路规模的不断扩大,网络AFC系统的CC系统节点越来越多。按照当前上海申通地铁集团有限公司的设备维修规程,设备大修尚未进入状态维修时,凡是使用年限10年的系统就需进行大修。对于许多硬件资源利用率不高的系统而言,很早地进入维修流程,使得CC系统的维护成本越来越高。如采用集中设置方案,可将线路CC系统进行集中,将硬件维护和系统维护进行分离,这样可降低系统的维护难度和成本。同时,本期同步考虑对运营线路CC系统的大修方案,可减少总体运营费用。

(4)提高系统可靠性的需要。随着上海轨道交通路网规模的不断扩大,线路CC系统的硬件数量越来越多,采用集中方案后,各类硬件设备集中配置与维护,将大大降低单机故障的发生率,并通过资源池技术提高整个系统的可靠性。

(5)降低新线建设难度的需要。采用MCC系统集中设置方案,可以保持线路中央软件版本的统一性和稳定性。任何新线接入时,在线路中央层面只需在MCC系统中进行相关调试工作,涉及范围小,实施相对容易,也能把控路网运营的稳定性。

(6)提高系统安全性的需要。线路设计与建设时,进行了多种安全保护设计,但线路CC系统的工作人员、设备维修人员及承包商的维护人员等都可以对系统设备进行操作。随着路网规模的扩大,网络中布设有多个CC系统,可以操作系统的人员越来越多,任何一点的误操作或恶意破坏都会给CC系统运营造成巨大的损失。采用线路CC系统集中设置方案,将所有线路CC系统集中在一个中心,可以集中建设一个安全子系统,统一进行管理权限的分配,统一进行系统硬件的维护管理[4]。

(7)提高可扩展性的需要。既有线路CC系统建设时,立足于单线系统,其扩展性仅局限于硬件升级,软件功能也局限于服务于本线工程。采用MCC系统设置方案时,按全网络进行系统设计,为后续线路建设预留足够的扩展空间,系统功能升级、新线接入及老线改造,均都在一个基础平台上进行,集中设置方案可以提高整个系统的可扩展性。

(8)提高数据服务质量的需要。网络AFC系统的核心价值是为网络里的票务交易数据进行了一定程度上的冗余。交易数据在线路CC系统及SC系统层逐级存储和备份。每个层级都设置数据库系统,需要定时进行数据库维护管理。由于线路建设周期的不同,不同集成商或同一集成商不同时期建设的系统,对应的备份策略或许不同。不同厂商及年代等因素的综合叠加,使系统的数据管理越来越复杂。采用集中设置方案,对数据存储集中设计和管理,将提供统一的数据管理服务,利于网络海量交易数据的统一应用和维护。

2　设计方案

上海轨道交通AFC系统按5层架构设计,线路中央位于其中的第4层,MCC系统的建设不改动AFC系统的5层架构体系。在所有线路SC系统接入MCC系统之前,上海轨道交通AFC系统将呈现MCC系统与各线路CC系统并存的局面,如图2所示。

图2　建设MCC系统后上海轨道交通AFC系统总体架构图

MCC系统按功能需要由生产系统、备用系统和测试系统组成。其中,生产系统是MCC系统的核心,接收ACC系统的各种运行参数及指令,实现所管辖线路AFC系统的运营管理、票务管理及设备管理,以及与ACC的清算对账和收益管理。备用系统是生产系统的灾难备份系统,当生产系统故障瘫痪时,备用系统应能及时有效地接管生产系统的所有功能,确保线路车站系统和各类设备的正常运转。接管期间,其系统功能与MCC系统功能相同。测试系统负责新线联网和既有线改造升级接入测试,通过与新线或既有线改造升级SC系统进行联网测试,确保新线或既有线改造升级SC系统顺利接入到生产系统。

整个MCC系统遵循“统一规划、分步实施”的原则,系统架构按全网络整体设计,软件一次实现,硬件分布实现。在总体上分为两阶段进行系统建设。第一阶段为搭建验证测试系统(POC系统)的阶段,构建一套采用资源型技术的MCC系统验证系统,以验证系统技术满足MCC系统的业务功能需求和技术性能指标。第二阶段为MCC系统的实际建设阶段,计划分三步实施。即:系统软件按照整个网络规模进行MCC系统的一次性完整设计;系统硬件按照2017年具有接入10条线路AFC系统、2020年年底硬件扩容后具有接入16条线路AFC系统、后续MCC系统二次硬件扩容后能接入所有线路AFC系统(暂21条线路)的处理能力。

2.1技术路线选择

为实现MCC系统的功能,结合当前计算机硬件技术、软件技术及其系统组网技术,可以选择的MCC系统实现技术路线方案有分立架构式、资源型架构式和云服务架构式三种。

2.1.1分立架构式方案

如图3所示,分立架构式是传统的系统架构模式,系统的主应用服务器与数据库服务器集中为一个业务处理中心,统一处理完成系统中所有的业务需求,如所有车站系统的接入、所有交易数据的上传等。在系统结构上,主应用服务器和数据库服务器都分别进行热备设置,以保证服务不会因硬件故障停止。根据所有线路的交易数量以及每个服务器承担的业务,事先分配并管理各服务器的线程数量和进程数量。每台服务器内的内存、处理器和I/O(输入/输出)各自独立使用,各服务器间互不共享使用。当网络客流量增加,系统需要进行资源扩展时,只能通过增加主应用服务器和数据库服务器的内存、处理器等部件,实现纵向扩展;若要再增加服务器以实现纵向扩展,存在较大的难度。

图3　上海轨道交通分立架构式MCC系统拓扑图

2.1.2资源型架构式方案

如图4所示,资源型架构式是通过虚拟化技术、负载均衡技术和系统管理技术,将系统的服务器、磁盘阵列等设备,按照存储和业务处理的需要,分别形成存储、数据库、通信处理的资源池,统一外部接口,统一处理数据。即:通过使用服务器虚拟化软件,将MCC系统中所使用的多台主服务器整合起来,将所有业务统一归入存储、数据库、通信处理资源池内,由资源池统一处理所有线路的对应业务。每个资源池所有服务器的线程数量和进程数量及每台服务器内的内存、处理器和I/O都由资源池管理平台统一管理、动态分配。通过虚拟存储软件与物理硬盘等存储设备建立一个相对独立的抽象层进行工作,将MCC系统中所有的存储空间集中起来,通过地址空间映射关系,在不中断硬盘I/O的情况下设置数据存放的地点,无中断地在数据中心内部迁移数据,组成可用的逻辑存储单元,大大提高存储资源的利用率和灵活性。

图4　上海轨道交通资源型架构式MCC系统拓扑图

当网络客流量增加,系统需要进行资源扩展时,通过增加主应用服务器和数据库服务器的内存、处理器,实现纵向扩展;在单台服务器达到满配后,在资源池中再增加主应用服务器或数据库服务器,实现设备的横向扩展。

2.1.3云服务架构式方案

如图5所示,在云服务架构式下,整个服务平台形成统一平台,实现交易数据的处理、系统监控和票务管理软件统一化服务。

图5　上海轨道交通云服务架构式MCC系统拓扑图

2.2方案比较

表1为三种技术方案特点比较表。

由表1可知,资源型架构式在扩展能力、建设难度等方面具有明显的优势,在全国也有较多的实际案例;分立架构式属于传统架构,存在一定的技术瓶颈,一旦服务器纵向扩展达到满配后,再要进行横向扩展难度较大,实际案例也较少;云服务架构式在AFC系统,尤其是CC系统中的应用尚处在探索阶段,各地均没有实际的案例。推荐采用资源型架构式方案。

表1　集中设置MCC系统三种不同技术方案特点比较表

2.3资源池组成

MCC系统采用资源型架构模式时,设计为通信资源池、数据库资源池和存储资源池等3个资源池。根据一期工程对应线路的车站数量、运营客流量和业务功能需要,MCC系统配置由通信资源池2台主应用服务器(X86服务器)、数据库资源池2台数据库服务器(小型机),以及存储资源池1套磁带库、1套磁盘阵列、2套存储交换机等设备组成。

(1)通信资源池。在MCC系统中,基于主应用服务器,通过使用虚拟技术以及通信处理平台整合系统资源组成通信资源池。

(2)数据库资源池。数据库资源池通过整合数据库服务器资源,使数据库资源对于MCC系统来说成为黑盒,实现集中化的资源分配和监控管理,实现数据库资源的弹性扩展。

(3)存储资源池。存储资源池在MCC系统中的物理存储与服务器之间,通过虚拟化来管理和控制所有存储并对服务器提供存储服务。使用这种存储方式,是将资源的逻辑映像与物理存储分开。用户存储时,由存储资源池动态分配各个应用系统的存储资源;同时,虚拟化技术可以用磁盘阵列模拟磁带库,为应用系统提供速度像磁盘、容量却像磁带库一样的存储资源,从而进一步提高对存储的使用效率,节约存储容量。

2.4容灾策略

(1)备用系统功能定位。备用系统采用应用级进行建设,相对于数据级备用系统,可以进一步提供业务接管和恢复能力。具有数据同步和应用接管功能。数据同步是应用接管的前提。在保证数据同步基础上,不仅实现应用接管,还能实现灾难发生时的网络切换和应用切换。

(2)数据库灾备技术选择。数据是企业级用户最重要的IT资产,保障数据的高可用性成为关键。因此,作为数据资产核心管理系统的数据库,按照最大可用性体系架构来进行部署,防止单点故障而导致停机。关键业务系统数据库结合线路既有系统和ACC,拟采用Oracle并行集群数据库(RAC)技术来防止服务器系统本身的单点故障;通过ASM(自动存储管理)或其它磁盘冗余技术实现对存储层面单点故障的保护;通过RMAN(备份管理工具)或其它备份工具提供数据备份;还可以通过闪回数据库技术实现对短时间人为错误恢复以及快速的数据库故障恢复。

(3)灾备切换。灾备切换是在主数据库上出现计划外的灾难性故障,且不可能及时恢复主数据库时将一个联机的备用数据库用作新的主数据库的操作。系统设计为灾备切换功能。

3　与CC系统比较

建设MCC系统后,与以往各线路单独设置CC系统相比,在运营实际使用方面,存在以下优势:

(1)业务管理方面的优势。集中设置MCC系统后,对各线路运营主体的日常业务管理不会带来任何影响。MCC系统根据各线路运营使用单位需求,在各线路控制中心设置MCC系统线路监控工作站,安装MCC系统线路监控软件,并为各线路操作员分配不同的权限,使其只能管理本线路的AFC系统设备。

(2)维护管理方面的优势。集中设置MCC系统后,以往分散在各线路的服务器、存储设备等硬件集中到一处场所,进行硬件集中维护管理,且系统使用异地容灾技术降低系统发生故障的风险。

(3)信息综合处理方面的优势。MCC系统使用资源池技术,针对轨道交通票务系统的潮汐现象,通过动态资源伸缩和服务容量管理功能,实现资源有效利用与轨道交通实际运营过程中不同场景的有效对接。系统具有资源的自动分配及自动回收机制。通过这种动态的资源伸缩管理,系统内的物理资源分配单元将得到更细化的处理,提高了系统内处理进程的分布密度,从而提升了系统的使用效率。此外,通过对系统中服务使用计量和容量管理的处理,对于系统资源进行合理分配及使用,对当前系统运行及系统的后续升级都有重要的指导意义。

4　结语

当城市轨道交通线路达到一定规模的情况下,使用资源池虚拟化技术,建设AFC系统的MCC系统,可以减少系统的硬件数量,提高系统资源的利用率,将客流繁忙线路和空闲线路的CC系统合并,方便日常维护。随着该研究成果的进一步应用,将有利于我国城市轨道交通AFC系统的可持续性发展。

参考文献

[1] 陈鹏辉.城市轨道交通自动售检票系统的现状与发展趋势[J].城市轨道交通研究,2009(5):10.

[2] 李道全,赵华伟.多线共用AFC系统线路中心设计探讨[J].都市快轨交通,2012,5(25):71.

[3] 胡冬,杨洋.南京地铁AFC系统区域线路中心建设需求分析[J].科技信息,2011(35):51.

[4] 丁树奎.北京轨道交通AFC多线共用线路中心应用研究[J].科技通报,2012,12(28):176.

[5] 黎江.轨道交通自动售检票系统可靠性设计探讨[J].城市轨道交通研究,2014(8):28.

(收稿日期:2015-06-17)

DOI:10.16037/j.1007-869x.2016.02.007

中图分类号U 293.22