云计算在城市轨道交通行业中的应用场景探讨

杜平海

（金华市轨道交通投资建设有限公司，浙江金华 321000）

0 引言

城市轨道交通的信息化和智能化是重要的发展趋势。近年来，电子信息技术快速发展，云计算、互联网、大数据、车联网、移动互联等新兴技术的出现，在理念和内容上带来了巨大的影响。

特别是云计算技术，它是大量新兴技术与应用的底层架构基础，在技术上已形成丰富的协议栈，得到了广泛应用。如何把云计算技术和传统行业相结合，成为当前各行业的关注重点。

1 云计算的概念与架构

1.1 云计算概念

按照“美国国家标准与技术实验室”的定义：云计算是一种模型，它可以实现随时随地、便捷地从可配置计算资源共享池中获取所需的资源（例如网络、服务器、存储、应用或其他服务），相关资源能够快速供应并释放，使管理资源的工作量和与服务提供商的交互减小到最低限度。

云计算是商业模式和技术架构的双重创新。从商业模式上讲，消费者从“购买软硬件产品”向“购买信息服务”转变；从技术角度讲，云计算使用虚拟化、分布式等创新技术，将计算资源、存储资源等进行池化，进而根据业务需要灵活地调度和管理。

云计算的相关概念很多，按照服务对象不同，可划分为公有云、私有云以及介于二者之间的行业云与混合云；按照服务层次不同，可划分为三大云服务系统（其中 SaaS 为软件即服务、PaaS 为平台即服务、IaaS 为基础设施即服务）以及衍生的 BaaS（备份作为一种服务）与DRaaS（容灾作为一种服务）等，如图 1 所示。

1.2 云计算架构

私有云、公有云等在商业模式、运营管理上存在显著差别，但是从技术架构上看，云计算整体架构划分为云运营、云运维以及云平台系统（IaaS、PaaS、SaaS）这三大子系统，是完全解耦的关系。其中云平台和云运维是重用的，仅云运营子系统对于不同云模式存在一定差异。云计算的架构如图 2 所示。

IaaS 层（基础设施层）可进一步划分为物理资源层、虚拟资源层以及资源服务与调度层。

（1）物理资源层：所有支撑 IaaS 层的 IT 基础设施硬件，包括服务器、存储、数据中心交换机、防火墙、VPN 网关、路由器等网络安全设备。

（2）虚拟资源层：云计算架构中处于最为核心的位置。该层次和“资源服务与调度层”一同对来自上层操作系统及应用程序的资源访问指令进行“截获”。指令和数据被截获后进行“多虚一”的分布式资源聚合处理、“一虚多”的虚拟化隔离处理，以及必要的异构资源适配处理。这种处理可以实现在上层操作系统和应用程序基本无感知的情况下，将分散在一个或多个数据中心的基础设施资源进行统一虚拟化与池化。

（3）资源服务与调度层：相对于虚拟化层在业务执行面和数据面上的“资源聚合与分割仿真”，该层次主要实现管理平面上的“逻辑资源调度”。

考虑到和传统操作系统（OS）的作用相似，我们把 IaaS 层中的软件（包括虚拟资源层以及资源服务与调度层）称之为云 OS。

2 云计算的应用情况

云计算概念从 2006 年开始提出，经过 10 年的发展，IT 基础架构的云化比重已经越来越高，如图 3 所示。

实现云计算和传统行业的结合，应该从以下 3 方面入手。

（1）首先把握云计算的核心理念，打破各应用系统烟囱式的垂直建设和 IT 资源互相隔离的现状；在水平方向实现 IT 资源的池化，并在此基础之上实现各应用系统共享使用，提升 IT 资源的应用效率。

（2）进一步借助于云计算技术，提高沉积数据分析处理能力，让数据产生更大的商业价值，助力业务发展。

（3）还可以分析传统行业的某些业务能否以云计算 SaaS 方式通过互联网或移动互联网提供给最终客户，加强企业与客户的互动。

图1 云计算的相关概念

图2 云计算架构详细框图

图3 IT 基础架构云化比例

3 云计算在城市轨道交通行业中的应用场景

3.1 城市轨道交通行业应用现状

城市轨道交通行业在建设模式上，一般以线路为单位独立进行建设，线路间不共享，线路内各专业应用系统也是各自招标购买对应的软硬件一体化解决方案，相互之间通过接口共享必要的信息，但是在底层 IT 资源上是各自独立的，具有较大的改进空间。

另外，城市轨道交通行业在管理体系上一般也是线网-线路-车站的三级管理体系，传统应用在设计中往往采取分层设计，不同层次数据可能存在较高的重叠部分。随着大数据以及网络技术的发展，行业内倾向于采取更扁平化的架构来解决问题和降低成本，这也给云计算带来了应用机会。

经过系统性的分析，可以看到以下云计算应用场景。

3.2 场景 1：既有应用使用分布式存储等云计算架构

首先是最简单的云计算例子。前文已经提到，虚拟化、分布式是云计算架构的典型特征，某个既有应用使用了虚拟化计算、分布式存储等技术，就是一个明显的云计算场景。

以综合安防为例，如图 4 所示，从整条线路看，它需要使用不少的存储空间，考虑到摄像头可能增加，数据保存周期会提高要求，摄像头清晰度也会持续提高，这就要求更大的存储空间。而传统存储方案采用中低端存储局域网络（IP SAN）模式，单台 IP SAN 设备的最大存储空间是有限的。在存储能力不足时，就需要使用多台存储设备一起存放数据，而视频数据在多台存储设备上如何实现均衡存放，则由视频监控的平台软件来负责完成，视频数据布局与上层应用紧密耦合。

另外一种方案选择是采取分布式文件系统的存储方案，更契合视频数据的存放需求，比如 DELLEMC 的Isilon，华为的 OceanStor 9000。它通过使用分布式文件系统最大可以实现对几百个服务器存储空间的整合，形成了巨大的存储资源池，而且存储空间、出口带宽、内置数据处理性能与服务器节点数呈线性增长。视频数据存储与上层应用也实现了完全的松耦合，因为视频数据布局是由存储来自行管理的，这样也可以有多个应用一起使用这个资源池，实现了业务应用种类的自然扩展。

3.3 场景 2：以线路为单位构建多应用的统一云计算资源池

这是最常见的云计算应用场景，如图 5 所示。城市轨道交通一般以线路为单位进行建设，各线路之间相对独立。从节省 IT 资源投入、便于统一管理为出发点，可以考虑把以线路为单位构建云平台作为多应用的统一云计算资源池。各应用厂家主要提供软件和终端设备，不再提供服务端的 IT 设备（如服务器、存储、网络），从而给出对 IT 资源的具体要求，由云平台进行分配。

方案主要由 OCC 数据中心、车辆段灾备数据中心、骨干传输网络以及车站等构成。

（1）在 OCC 设置生产数据中心部署统一的云平台，承载各业务系统及运维管理系统。

（2）在车辆段设置灾备数据中心，实现各业务系统的业务级容灾。

图4 视频监控分布式存储方案

图5 运行控制中心（OCC）云平台方案

（3）车站是业务数据的主要来源，需要考虑车站网络单点故障下能够保障业务系统正常运行的情况。因此，在车站设置 1 台服务器，纳入云平台统一管理，平时生产中心主用，网络故障时启用车站备用服务器。

3.4 场景 3：面向企业员工办公以及生产应用的桌面云方案

前文讨论的云计算场景集中在服务端的技术架构上，但是对于用户而言，要获得并使用 IT 资源，就要解决如何高效访问云计算系统以获取所需 IT 资源的问题。对于企业内的办公系统及部分生产系统，可以采用桌面云的方式进行访问。在这种模式下，用户通过终端云接入协议连接到数据中心，应用程序都在云数据中心运行, 而无须在终端上安装。桌面云方案具备资源共享、高效管理、信息安全、绿色环保的优势，非常适合传统Windows 应用软件的云化，具体如图 6 所示。

图6 桌面云方案

图7 城市轨道交通行业 SaaS 云方案

3.5 场景 4：面向城市轨道交通行业的行业云方案构想

3.4 节中提到本企业员工可以使用桌面云方案访问办公应用以及部分生产应用，特别是传统 Windows 应用。伴随着大量应用开始广泛地使用浏览器/服务器模式（B／S架构）以及移动互联网架构，通过浏览器或者移动 APP 访问云端获取服务的模式开始普及，特别是对于办公系统，更是一种普遍现象。

在这种情况下，由某主管部门或者先驱企业建设能够满足城市轨道交通企业主要 IT 应用的 SaaS 服务，这是可以探讨的构想，因为行业内企业在这方面需求大同小异。在运作模式上可以采取“应用市场模式”，充分调动行业内领先企业以及独立软件开发商（ISV）的积极性，从而把不同企业所积累的管理经验和优秀实践以软件服务的方式固化下来，带动整个行业的良性发展，提高我国城市轨道交通行业整体的信息化和智能化水平。例如，广州地铁结合多年的工程实施经验，将土建工程的 8 类工法分解为 572 道工序，每道工序均明确了业主 、施工单位和监理单位的职责分工与交付件，实现了地铁建设管理的规范化、标准化、精细化和信息化。

该行业云甚至可以考虑进一步延伸到大数据的 PaaS层以及 IaaS 层，引入更多的第三方合作伙伴，实现行业内跨企业大数据的分析和挖掘以及 IT 基础资源的共享，从而更好地助力行业投资与决策判断，如图 7 所示。

3.6 场景 5：面向乘客的移动互联网 SaaS 方案

对于乘客来讲，使用地铁公司提供的移动 APP，可以获得交通资讯等信息，并实现手机购票甚至直接刷APP 过闸机。地铁 APP 的大概功能如图 8 所示。

通过地铁 APP 实现企业和公众乘客之间的良好互动，既提高服务质量，方便公众乘客，也促进地铁商业本身的引流和增值。

图8 城市轨道交通 APP 构想

4 结语

云计算在不同行业中应用，遇到的问题可能不仅仅是技术问题，还会遇到作业流程以及管理体制和云计算不匹配的问题。在推广云计算的过程中，需要仔细分析对应影响，逐一解决，为云计算应用扫清障碍。云计算是IT发展的大势所趋，它也为大数据、智能化搭建了基础，必然会在城市轨道交通行业中逐步推广。