基于云计算的智能化轨道交通系统监测与维护研究

■　苏俊锋　罗　茜

基于云计算的智能化轨道交通系统监测与维护研究

■苏俊锋罗茜

通过对智能化轨道交通系统和云计算技术深入分析，提出一种基于云计算技术的智能化轨道交通系统监测与维护方法。以虚拟化技术为基础，将各子系统监测采集到的海量数据通过分布式数据总线传输至云计算平台，在云计算平台上实现对数据的存储、分析和挖掘，继而使收集到的信息资源获得全面的共享和整合。通过智能分析，第一时间予以反馈，给出预测评估，使之达到实时监测与维护的目的。

智能化；轨道交通；云计算；监测；维护

0　引言

随着我国经济的快速发展，科技水平的日益创新，轨道交通逐步朝着智能化方向飞速前进，其应用领域从原来的器件与设备信息智能化扩展到海量信息智能化。在发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》文件中，对于智能交通管理系统提出了“重点开发综合交通运输信息平台和信息资源共享技术、智能技术”，智能化轨道交通建设将成为重中之重。

智能化轨道交通系统是一个庞大且复杂的体系，其中包含多个自动化子系统，如各子系统在运行过程中产生的海量信息无法及时有效处理，便会产生信息孤岛［1-2］。各子系统的数据分散丢失，无法对整个系统进行实时有效的监控和维护，由此更可能导致严重的交通事故，甚至带来人员伤亡和巨大的经济损失。云计算技术是一种以数据和处理能力为中心的密集型计算模式，其采用分布式的形式架构，依托虚拟化平台，内部新增多个服务器、网络和存储设备。综合利用现有硬件资源，实现信息资源的相互共享和海量数据的整合，有效避免信息孤岛问题，节省硬件存储空间，有效提升大数据的存储性能和计算的运行效率。通过流式计算和批处理计算等技术，实现对大数据的挖掘和实时处理，使轨道交通朝着数字化、网络化、智能化监管模式发展。

1　智能化轨道交通系统及技术

城市轨道交通包括地铁、轻轨、有轨电车、磁悬浮列车等多种类型。而轨道交通智能化系统由6大自动化子系统组成，包括综合监控系统、综合安防系统、乘客资讯系统、自动售检票系统、通信系统和信号系统。

（1）综合监控系统。是以现代计算机技术、网络技术、自动化技术和信息技术为基础的大型计算机集成系统。主要通过集成系统环境与设备监控系统、电力监控系统、火灾自动报警系统，并与其他子系统互联，为城市轨道交通现代化运营管理提供信息化基础。

（2）综合安防系统。由安防网络子系统、安防集成管理子系统、综合电视监视子系统、门禁子系统、电子围墙系统及车站紧急报警子系统等构成。安防系统集成既可作为一个独立的系统集成项目，也可作为一个子系统包含在智能化轨道交通系统集成中，实现对车站、车辆段、停车场、主变电所的设备和管理用房、出入口、票务室、银行等重点区域的出入管理、登记、实时视频监控和入侵探测等功能，有效保障地铁运营安全。

（3）乘客资讯系统。是依托多媒体网络技术，以计算机系统为核心，通过设置站厅、站台、出入口、列车的显示终端，让乘客及时准确了解列车运营信息和公共媒体信息的多媒体综合信息系统。

（4）自动售检票系统。简称AFC系统，采用全封闭的运行方式，实现轨道交通售检票、计费、统计、清分、管理等全过程的自动处理。

（5）通信系统。一般由传输网络、公务电话、专用电话、广播、无线通信、时钟、电源及接地等子系统组成，构成传送语音、数据和图像等各种信息的综合业务通信网。

（6）信号系统。包括4个子系统：列车自动监控系统、列车自动防护系统、列车自动运行系统、计算机连锁系统。各子系统通过信息交换网络构成闭环系统，实现行车指挥和列车运行的自动化控制。

2　云计算技术

云计算（Cloud Computing）是21世纪计算机技术发展推动下又一大重要进步，是一种基于因特网的超级计算模式。通过使用大量的分布式计算机，在远程的数据中心成千上万台电脑和服务器连接成一片电脑云。“云”中的资源是可以无限扩展的，并且可以随时获取，按需使用，随时扩展，按使用付费。云计算技术具有4个显著特点：超大规模、高可靠性、通用性、成本低，并实现按需服务。

云计算常与网格计算、效用计算、自主计算相混淆。事实上，许多云计算部署依赖于计算机集群（但与网格的组成、体系结构、目的、工作方式大相径庭），也吸收了自主计算和效用计算的特点。从技术上看，大数据与云计算的关系就像一枚硬币的正反面一样密不可分。大数据必然无法用单台的计算机进行处理，必须采用分布式计算架构。它的特色在于对海量数据的挖掘，但必须依托云计算的分布式处理、分布式数据库、云存储和虚拟化技术。

云计算可以认为包括以下几个层次的服务：基础设施即服务（IaaS）、软件即服务（SaaS）和平台即服务（PaaS）。这三种服务并不是独立的，其中存在密不可分的层次关系。

基础设施即服务：IaaS（Infrastructure-as-a-Service），消费者通过Internet可以从完善的计算机基础设施获得服务。云存储与虚拟机平台运行的程序同时进行，提高了云计算资源管理的效率，动态的为用户提供了及时的服务（如硬件服务器租用）。

软件即服务：SaaS（Software-as-a-Service），这种类型的云计算是通过浏览器把程序传给成千上万的用户。用户无需购买软件，而是向提供商租用基于Web的软件，来管理企业经营活动（如Google Apps）。

平台即服务：PaaS（Platform-as-a-Service），这种形式的云计算把开发环境作为一种服务来提供给用户，因此，PaaS也是SaaS模式的一种应用。厂商提供开发环境、服务器平台、硬件资源等服务给用户，用户在其平台上开发自己的应用程序并通过其服务器和互联网传递给其他用户。

云计算是分布式处理、并行处理和网格计算的发展，或者说是这些计算机科学概念的商业实现［3-5］。其基本原理是：在典型的云计算模式中，用户通过终端接入网络，向“云”提出需求；“云”接受请求后组织资源，通过网络为终端提供服务。用户终端的功能可以大大简化，诸多复杂的计算与处理过程都将转移到终端背后的“云”上去完成。用户所需的应用程序并不需要运行在用户的个人电脑、手机等终端设备上，而是运行在互联网的大规模服务器集群中；用户所处理的数据也无需存储在本地，而是保存在互联网上的数据中心里。提供云计算服务的第三方负责这些数据中心和服务器正常运转的管理和维护，并保证为用户提供足够强的计算能力和足够大的存储空间。在任何时间和任何地点，用户只要能够连接至互联网，就可以访问云，实现随需随用。

3　基于云计算的智能化轨道交通系统

智能化轨道交通系统作为一个庞大而复杂的系统［6］，6个子系统中每个子系统又存在诸多的传感器与信号采集终端，各子系统在运行中所产生的海量信息包含大量数据，如何对这些海量数据进行存储、分析和挖掘是一大难题。因此，通过对智能化轨道交通系统和云计算技术的研究，提出基于云计算技术的智能化轨道交通系统监测与维护方法，以虚拟化技术为基础，将各系统监测采集到的海量数据通过分布式数据总线传输至云计算平台，在云计算平台上实现对数据的存储、分析和挖掘，继而使信息资源可以获得全面的共享和整合，分析后第一时间予以反馈，给出预测评估，使其达到实时监测与维护的目的。

基于云计算的智能化轨道交通系统架构分为3层（见图1）。

第一层为设备层。设备层通过传感器和信号采集终端对各子系统的运行数据进行采集，考虑到采集的数据存在干扰和噪声，先对数据进行预处理，然后通过网络传输（如以太网、GPRS/CDMA等）传输给下一层。

第二层为云计算平台层。作为智能化轨道交通系统的平台支撑，云计算平台层起到承下启上的作用，接收设备层采集到的海量数据进行整合分析，并为上层提供计算、存储资源和大数据挖掘能力支持。

传统轨道交通系统平台需在中央级、车站及车辆段设置多台不同服务器来完成数据的采集，控制信号的上传下达，实现对各子系统中全线路各种状态的监控和故障情况的处理，这就使得设备投资费用很高，且很多设备长时间处于空闲状态，造成资源的浪费。且由于设备众多，也使得设备维修成本和人工成本增加，云计算平台的使用就使得这个问题大大简化。

云计算平台采用虚拟化技术，监控系统所需要运行的应用程序并不需要运行在各车站的服务器终端上，而是运行在“云”平台的大规模服务器集群中。各子系统所采集的海量数据也无需存储在本地，而是保存在“云”平台的数据中心里。大数据挖掘分析可通过流式处理和批处理技术等，对应用层提供技术支持，将第一层传来的数据进行综合处理和分析，得到设备的状态情况并将结果传向下一层。

第三层为应用层。接收第二层云计算平台层传输过来的设备状态情况，及时作出反馈，给出预测评估，实现对设备层各子系统设备运行状况的实时监控。

图1　基于云计算的智能化轨道交通系统架构

4　结束语

日益严峻的交通问题使城市化进程面临巨大的压力和棘手的难题，因此，大力推进轨道交通系统建设任务刻不容缓。截至目前，我国共有38座城市拥有185条线路，运营总里程达4 073 km。从我国城市轨道交通行业发展现状来看，近五六年我国城市轨道交通保持快速发展势头，若能将先进的技术运用到轨道交通系统建设中，必能节省大量的建设成本，避免资源的浪费。云计算是对IT商业模式的革命，是继水、电、气和通信之后的第五个公用平台，作为新型的计算机模式，将其应用到轨道交通中，为其提供强有力的信息技术支持，必将引领轨道交通系统朝着智能化、信息化方向发展。

［1］ 张巍，汤立.我国铁路云计算技术发展策略的思考［J］. 中国铁路，2012（10）：13-16.

［2］ 魏晓东.城市轨道交通自动化系统与技术［M］.北京：电子工业出版社，2011.

［3］ 杨迎卯.云计算对轨道交通的影响［J］.中国高新技术企业，2015（3）：115-116.

［4］ 刘阳学，王万齐，李平，等.基于云计算的铁路工程管理平台数据安全研究［J］.铁路技术创新，2015（6）：51-55.

［5］ 姚宏宇.基于云计算架构的交通智能化信息平台［J］. 信息技术与标准化，2014（10）：20-23.

［6］ 周光军.基于云计算技术的城市轨道交通信息系统统一开发测试平台应用架构浅析［J］. 信息安全与技术，2015（1）：43-47.

苏俊锋：深圳达实智能股份有限公司，高级工程师，广东 深圳，518057

罗茜：湖南大学，硕士研究生，湖南 长沙，410082

责任编辑李葳

U282；TP274+.2

A

1672-061X（2016）04-0071-03