基于私有云平台的城市轨道交通自动售检票系统架构及关键技术

赵圣娜 张 宁 王 健 张义鑫

(1.东南大学ITS研究中心轨道交通研究所，210018，南京；2.中铁上海设计院集团有限公司，200070，上海； 3.南京地铁建设有限责任公司，210024，南京；4.北京城建设计发展集团股份有限公司，100037，北京//第一作者，硕士研究生)

城市轨道交通自动售检票(AFC)系统，是实现城市轨道交通售票、检票、计费、清分结算及运营管理等全过程的自动化系统[1]。随着城市轨道交通线网规模的不断扩大，AFC系统结构越来越复杂[2]，大客流情况也已成为常态，AFC系统对海量数据(客流数据、交易数据及票务数据等)的高效率存储、读写和计算需求越来越高，后期线路接入的扩展性需求也越来越高。

近年来，云计算作为一种新型的计算模式，被逐渐应用于城市轨道交通系统中，以降低建设与运营成本[3-4]。云计算是一种基于互联网的计算方式，融合了分布式计算、虚拟化技术、网络存储、负载均衡和网络通信等技术，采用计算机集群构成数据中心，通过整合分布的网络、存储和应用软件等基础设施资源，使用户能够根据工作负载的大小按需获取网络上的资源，且不受时空的限制[5-6]。本文在分析国内城市轨道交通AFC系统建设现状的基础上，构建基于私有云平台的城市轨道交通AFC系统架构，并对系统关键技术进行探讨，为优化AFC系统架构、提高系统资源利用率提供参考。

1 AFC系统现状

1.1 AFC系统基本架构

GB/T 20907—2007《城市轨道交通自动售检票系统技术条件》中提出：AFC系统架构分为5个层次[7]。这种架构具有层次分明、安全性高、不受其他线路建设工期影响等优点，已在国内多地采用。其系统结构见图1。其中，第一层为车票，第二层为车站终端设备(SLE),第三层为车站计算机(SC)系统,第四层为线路中央计算机(LCC)系统,第五层为城市轨道交通的中央清分(ACC)系统。

1.2 AFC系统架构优化现状

目前，AFC系统多采用“一线一中心”的单线建设模式。随着城市轨道交通快速发展，运营经验不断积累，单线建设模式的不足逐渐显现：①AFC系统接入节点越来越多，系统结构越来越复杂。②接入新线增加了车站级和中央级设备的采购、维护和保养费用，同时也增加了房屋、电源、人力等资源的费用。③AFC系统承担了多运营商和多线路的清分任务，故系统应具备数据量大、计算持续及实时反馈等特点[8]；而传统的AFC系统受服务器性能的限制，无法满足使用要求。

图1 AFC系统架构图

为了弥补传统AFC系统的不足，不少城市轨道交通结合自身实际情况对AFC系统架构进行了优化。北京地铁采用了多线共用AFC系统线路中心(MLC)的建设方案[9]。南京地铁以几条线路或多个车站组成的区域集合为建设管理单位，构建了基于区域线路中心(ZLC)的线网AFC系统架构[10]。此外，国内很多线网规模较小的城市，如其近期规划建设的城市轨道交通线路不超过5条，可尝试通过合并ACC和LCC的方式达到系统优化的目标[11]。上述建设方案在一定程度上精简了系统架构，但未将车站级系统的优化考虑在内，且无法应对大规模客流带来的海量数据处理，对海量数据的存储能力与计算能力存在不足。

2 基于私有云平台的AFC系统

2.1 AFC系统云部署模式

根据所有权和服务对象的不同，云计算可分为公有云、私有云和混合云。公有云是由第三方拥有和管理，并通过互联网向普通用户开放的应用、存储和其他资源集[12]；私有云是由企业自己构建的专有资源，其企业拥有基础设施，并可控制在此基础设施上部署的应用程序。将两种云组合的部署模式就是混合云。

综合考虑AFC系统现状及运营管理需要，可选择私有云模式。一方面，尽管私有云平台比公有云平台需要更大规模的基础设施，其初始成本较高；但从长远角度考虑，公有云平台运营过程中的平均成本逐渐增加，而私有云平台的平均成本呈现由高变低的趋势[13]。另一方面，由于私有云平台的基础设施由城市轨道交通公司自己拥有并管理，其数据存储的安全性与可靠性较高；故只需少量的投资，管理部门便可根据业务需要部署私有云平台架构及定制服务，其部署灵活性较高。

2.2 基于私有云平台的AFC系统总体架构

基于对当前AFC系统存在的不足以及云部署模式的分析，提出基于私有云平台的AFC系统方案，其系统结构如图2所示。

图2 基于私有云平台的AFC系统结构图

在基于私有云平台的AFC系统中，私有云平台取代了原系统中的ACC层和LCC层。车站计算机系统直接通过专用通信传输系统提供的以太网通道与私有云平台互连，各车站共享私有云平台计算机服务器资源池，车站只保留操作终端。通信网采用光纤自愈环网技术对传输系统进行网络级的保护。当光纤切断时,AFC系统能实时、自行恢复其所承载的业务，保证了传输系统的高可靠性。当车站终端设备与SC或SC与私有云平台之间通信中断或无网络连接时，设备可在离线模式下工作，并在本机上保存相关的参数设置。断网故障期间可通过外部专用设备上传数据、下载参数；当恢复通信时，AFC系统自动检测未完成上传的数据，并自动上传至私有云平台。

2.3 私有云平台架构

私有云平台由基础设施层、平台层、软件层、安全管理模块和用户访问接口层等5个部分组成，其具体架构如图3所示。

2.3.1 基础设施层

基础设施层是AFC系统私有云平台的基础。传统AFC系统各级基础设施数量多、成本较大。私有云平台将服务器、存储器及网络等硬件设备集中，组建新的数据中心，并采用虚拟化技术将这些设施抽象为虚拟化资源池，按需为上层应用提供计算、存储和网络等服务。这一特色不仅减少了基础设施数量，降低了成本，而且通过基础设施的集中建设，为AFC系统的业务整合及统一管理提供了基础支持，保障了AFC系统的正常运行。

图3 私有云平台架构示意图

2.3.2 平台层

平台层是AFC系统私有云平台的核心层。它通过应用程序接口将调用的底层基础资源开放给软件层用户，并向上层提供业务服务。平台层按功能不同可划分为开发测试、部署运行和业务管理等3个子平台。

开发测试子平台为用户提供各类开发及测试工具，以及语言执行环境，便于用户完成应用软件的配置、开发、调试等工作。部署运行子平台主要负责实时监控平台的各种资源与运行状态。对于AFC系统的任务请求，特别是多任务或多用户并发任务请求，部署运行子平台能自动快速地部署、分配资源，达到自动负载均衡和故障恢复的目标。在开发测试与部署运行子平台的配合下，业务管理子平台能高效地实现参数管理、票务管理、清分管理及信息发布等业务功能。业务功能明细如表1所示。在业务管理子平台内还特别集成了数据挖掘功能，能对隐藏在数据库中的客流及交易信息等进行统计与分析，为城市轨道交通运营管理提供辅助决策信息。

表1 业务管理子平台的业务功能明细表

2.3.3 软件层

软件层主要提供相关部门办公和公共信息发布等所需的软件服务。软件层通过提供1种统一标准的互连通信方式，来屏蔽各组件间的结构功能差异。软件层集合了参数管理、票务管理、清分管理、客流分析和数据挖掘等软件，满足了网络环境下业务集成的需求。

2.3.4 安全管理模块

为保障私有云平台服务高效安全地运行，需由安全管理模块提供相应的技术加以支持。在安全管理模块中，对服务管理保证机制、身份验证与访问权限、安全审计等内容作了详细规定。

2.3.5 用户访问接口层

用户访问接口定义了各种可能的用户接口类型，实现了用户对云平台服务的泛在访问。不同级别的用户根据访问权限请求服务接入。

3 系统关键技术

3.1 虚拟化技术

虚拟化技术在硬件层与上层之间引入虚拟层，将繁杂多样的物理资源经虚拟化抽象后呈现为虚拟资源[14]。虚拟化技术体系结构如图4所示。

图4 虚拟化技术体系结构示意图

车站服务器、存储器、网络等基础设施资源虚拟化后可不再受终端设备异构性的限制，车站虚拟服务器等虚拟机的数量也可根据实际业务需求灵活配置。因此，在保证计算能效的前提下，在基于私有云平台的AFC系统中,车站实体设备数量可减少，从而提升了车站设备的资源利用率。

3.2 分布式存储技术

AFC系统负责城市轨道交通全网运营数据的管理。随着线网规模的扩大，AFC系统数据量不断增长，现多采用分布式存储技术进行数据管理。分布式存储系统包含了负责管理AFC数据系统的管理节点及负责各类数据存储的存储节点。通常情况下，管理节点可同时监管多个存储节点，管理节点数量的设置由运营管理者决定。各车站数据直接上传至私有云平台中，管理节点根据数据类型自动将其分配到存储节点，各车站数据被集中存储在私有云平台中，车站工作人员直接通过终端查询数据并执行相关操作，而无需知道数据的具体存储形式与位置。这种存储方式较好地满足了AFC系统的实际需求，也实现了运营管理者集中管理的操作需要，具有一定的适用性与可行性。

3.3 负载均衡技术

AFC系统是1个计算密集型的系统。成网运营以后接入私有云平台的车站数量很大，其终端数据采集到云平台的清分结算全过程涉及大量数据存储、备份与计算，尤其在节假日等井喷式客流出现时，对服务器性能更是极大的挑战。

负载均衡技术充分利用每台服务器的处理能力，将到达的任务分割为多个小任务；根据运营管理部门的需求制定分配原则，将小任务分配到多台空闲服务器中处理；待处理完后将各台机器的计算结果合并汇总，从而得到最终的任务结果[15]。以清分结算任务为例，在运营结束后处理当天交易数据时，交易清算任务将被分配给多个计算节点，当某个节点负载过高而导致该节点清算任务队列较长时，可及时将该节点上的任务转移至负载较轻节点上。这样既减少了闲置资源，又缩短了清结算时间，一定程度上保证了系统的经济性。负载均衡原理示意如图5所示。

图5 负载均衡原理示意图

4 结语

在城市轨道交通网络化运营条件下，优化AFC系统架构是提高AFC系统资源利用效率的有效措施与必然趋势。本文分析了AFC系统基本架构和目前国内城市AFC系统架构优化方案，总结了建设及运营过程中有待完善的方面，在此基础上提出了一种基于私有云平台的AFC系统架构方案，以私有云平台取代ACC系统和LCC系统。对其包含的基础设施层、平台层、软件层、用户访问接口层和安全管理模块进行分析，并探讨了所涉及的虚拟化、分布式存储和负载均衡等关键技术。基于私有云平台的AFC系统架构简单，资源利用率较高，有助于降低投资及运营成本。

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