基于云平台的轨道交通综合监控部署方案研究

赵兴华

0 引言

目前，国内多数城市轨道交通综合监控系统采用“中心-车站”分层分布式架构，并采用中心、车站冗余服务器的标准配置[1]，其系统架构优势明显，但硬件资源浪费、利用率低、扩展不便等问题较突出。随着云计算技术在轨道交通领域成功引入，为解决综合监控系统上述问题提供了有效的技术支撑。

1 传统综合监控部署架构

轨道交通综合监控系统是对轨道交通线路机电设备进行监控的分层分布式计算机集成系统，集成了电力监控、环境与设备监控，并互联火灾自动报警、视频监控、广播、乘客信息、列车自动监控等系统，主要实现辅助行车指挥、机电设备监控和管理、防灾和安全、乘客服务、系统维修管理、能耗管理等功能，并且可以实现与各系统的相互协调联动。

传统综合监控系统部署架构采用“两级管理、三级控制”的模式，主要由中央级系统、车站级系统和骨干网组成，系统架构示意如图1所示。中央级综合监控系统通常部署于控制中心，由冗余实时服务器、冗余历史服务器、磁盘阵列、冗余FEP （前端处理器）、冗余交换机、调度工作站等构成。在中央级系统中同时配置网络管理系统、设备维护管理系统、培训系统等功能系统。车站级综合监控系统由冗余实时服务器、冗余FEP、冗余交换机、操作员工作站等构成。当中央级系统发生故障或骨干网故障时，车站级综合监控系统可独立运行[1]。

图1 传统综合监控系统架构示意图

传统“中心-车站”的分层分布式架构的综合监控系统存在如下不足[2]：

（1）冗余设备成本高。控制中心及车站部署大量服务器，设备购置、系统扩展成本较高，且无法与其他轨道线路进行资源的统一灵活调配，不能满足轨道交通线网智能化综合监控的潜在需求。

（2）冗余数据库数据不同步。各车站与控制中心均设有冗余的主备数据库，主备数据库同步一般由综合监控系统应用层软件实现，数据同步效果不理想。

（3）系统CPU资源利用率低。设备配置一般考虑裕量，应用软件正常运行时CPU资源利用率不到15%，有的不到5%，存在大量设备资源浪费情况[3]。

2 城轨云平台架构

2.1 城轨云平台应用现状及部署模式

云计算是一种基于网络的，可通用、方便、按需配置共享计算资源池（网络、服务器、存储、应用和服务）的模式，具备虚拟化、池化和自动化的特征，可为海量信息的处理、智能计算提供重要的使能技术与服务。2020发布的《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》明确了新建城轨交通城市全部采用城轨云，已经建成城轨交通的城市在新建线路采用城轨云及在既有线设备更新升级时移入城轨云的目标，掀起了新一轮轨道交通产业的信息化、智慧化变革。

目前，轨道交通云平台主要有专业云、线路云和线网云3种部署形态，包括以单专业单线路入云（温州S1线ISCS云平台、郑州ANCC云平台等）、单线路多专业入云（深圳6号线/10号线云平台等）、打破线路和专业壁垒的线网云（呼和浩特、太原等城轨云平台），已逐步形成城轨云的规范标准体系，轨道交通信号系统、综合监控系统、AFC系统等核心业务系统入云已经从试点探索逐步推进到推广应用阶段。

目前，城市轨道交通在建及规划的城轨云多采用线网云的建设模式，新兴小线网规模城市依托“13531”架构构建线网标准城轨云，部署安全生产、内部管理和外部服务业务。多线网络化运营城市轨道交通存在已运营、新建线、延伸线、改造等多种模式，多采用统一规划、分步实施，近期构建综合业务生产云，满足核心业务接入条件，并预留企业管理和乘客服务业务扩展及迁入条件的建设模式。

2.2 城轨云平台部署架构

2.2.1 城轨云平台服务模式

城轨云一般采用私有云的部署方案，并预留扩展为混合云的能力，为轨道交通运营生产系统（ISCS、ATS、AFC、ACC、PIS）、企业内部管理系统（办公自动化、人力及资产管理、运维管理）和外部服务系统（门户网站、APP、智慧出行、云售票等）提供IaaS、PaaS或SaaS服务。目前，已建成的呼和浩特城轨云主要为生产系统提供IaaS层服务，太原城轨云在为生产系统提供IaaS层服务的同时也为AFC等业务系统提供部分PaaS层的服务。

2.2.2 城轨云平台部署架构

城轨云平台通常采用中心和车站两级部署模式，由云管理平台进行统一管理，同时按照冗余性原则设置灾备中心、测试中心，在灾备中心根据业务重要性选择数据或应用灾备模式，在测试中心对业务系统进行入云前应用软件的兼容性测试、并发性测试等。

中心级云平台包括生产中心、灾备中心两部分，当中心级云平台故障或车站至中心间网络故障，将降级到车站。一般生产中心设置在控制中心，灾备中心设置在车辆段或单独选址，云节点设置在沿线各车站，车站、车辆段与中心云平台之间通过骨干环网及接入交换机连接进行数据通信。对于站段云节点，目前多采用部署汇聚交换机、防火墙、车站备用服务器和桌面云/物理工作站的模式。考虑智慧车站、无感过闸、边缘视频分析等边缘实时业务需求，可在站级部署汇聚交换机、防火墙、车站边缘云资源池和桌面云/物理工作站，构建车站边缘云，满足车站本地实时分析的业务需求[4]。

3 基于城轨云的综合监控架构及部署模式

对于具备线网城轨云建设条件的城市轨道交通，综合监控系统的中心级、车站级服务器可集中部署于线网城轨云平台上，综合监控系统宜采用专用VDC部署，并根据各线路接入的情况按线路为综合监控系统划分VPC。典型基于城轨云平台的综合监控系统部署架构如图2所示。

图2 基于城轨云平台的综合监控系统架构

本节将对基于城轨云平台的综合监控系统部署架构的几种方案进行比选分析。

3.1 方案一：中心级、车站级中心集中入云

（1）方案1：中心、车站服务器集中部署在中心云平台。综合监控系统中央级2台实时服务器、2台历史服务器、2台冗余FEP均集中部署在中心云平台。中心云平台为实时服务器、FEP提供双机冗余的虚拟机资源，不同虚拟机部署在云平台不同物理机上，以保证高可靠性。中心云平台为2台历史服务器提供双机冗余的物理服务器资源，并为网管服务器、设备维护管理服务器提供单台虚拟机资源。综合监控系统的存储采用云平台提供的集中式存储资源。

综合监控系统每个车站2台实时服务器均集中部署在中心云平台，由中心云平台为车站实时服务器提供双机冗余虚拟机资源，不同虚拟机部署在云平台不同物理机上，以保证高可靠性。综合监控系统在车站部署2台FEP用于互联系统接口，部署2台接入交换机上联至云平台车站云节点汇聚交换机。综合监控系统骨干传输网络通过云平台网络进行组网。

（2）方案2：中心服务器和车站1台服务器集中在中心部署，车站另1台服务器部署在车站云节点。综合监控系统中央级及主干网入云部署与方案1相同。综合监控车站级部署2台实时服务器：其中1台实时服务器集中部署在中心云平台，由中心云平台为其提供虚拟机资源；另外1台车站服务器部署在云平台的车站云节点（冷备或热备），由车站云节点为综合监控提供虚拟机资源。同时，综合监控在车站部署2台FEP用于互联系统接口， 部署2台接入交换机上联至云平台车站云节点汇聚交换机。

3.2 方案二：中心级、车站级分层分布入云

综合监控系统中央级及主干网入云部署与方案一相同。城轨云平台采用分层分布架构，具备 “云-边”协同功能，支持在站级为站段独立运行业务系统提供边缘计算资源。结合综合监控集中监控和管理、分层分布式控制及资源共享的要求，综合监控系统每个车站2台实时服务器均部署在车站云节点，由车站云节点为综合监控提供虚拟机资源，同时，综合监控在车站部署2台FEP用于互联系统接口，部署2台接入交换机上联至云平台车站云节点汇聚交换机。

3.3 方案三：中心级入云，车站级不入云

综合监控系统中央级入云部署方案与方案一相同。综合监控系统车站级采用传统架构，配置冗余实时服务器、冗余FEP、冗余交换机、操作员工作站等设备。综合监控系统骨干传输网络可独立组网或利用通信系统提供的以太网通道组网。综合监控在中央级配置接入交换机，上联至中心云平台业务分区的接入交换机。综合监控的骨干传输网络也可通过云平台网络组网，组网方案与方案一相同。

3.4 综合监控操作工作站入云

基于城轨云的综合监控中心级操作工作站一般采用云桌面部署，三屏显示工作站采用传统物理工作站部署。车站级操作工作站可采用“2台云桌面”或“1台云桌面+1台传统物理工作站”的部署模式。为保证车站与中心离线后云桌面可以继续使用，车站可选择IDV、VOI类型云桌面。

3.5 综合监控入云部署分析

对上述基于城轨云的综合监控系统部署架构从可靠性、资源利用率、运维效率及适用场景进行分析，如表1所示。

表1 基于城轨云的综合监控系统部署架构分析

4 发展展望

4.1 基于云平台的综合监控系统架构优化

随着云计算、大数据、人工智能等信息技术的发展，未来，城市轨道交通新建线路及在既有线设备更新升级的综合监控系统均将基于城轨云平台进行部署设计。城轨云平台在为综合监控系统提供IaaS层资源的基础上，将进一步向提供容器、数据库等PaaS层服务及SaaS层服务演进，而综合监控系统自身也将结合云平台的优势对其架构进行优化，充分利用云平台提供的容器、负载均衡、资源管理等服务，采用“云-边”协同的理念，基于微服务的架构进行设计，弱化弱电系统设计和软件开发边界，构建业务中台、技术中台、数据中台，实现弱电系统云端融合、协同开发的良好生态，以适应轨道交通新的智慧化业务的快速发展。

4.2 基于云平台的综合监控智慧应用开发

综合监控在系统架构优化基础上，将充分利用综合监控系统多系统集成的优势，对接入的供电、机电、通信、信号、站台门、视频、客流等多源数据的集成、海量数据的统一存储与治理、数据建模与分析提供统一的数据访问接口，实现多业务数据共享应用和信息的互联互通，在实现PSCADA、BAS等基础功能的同时，基于人工智能、大数据分析等技术，结合智慧地铁的实际需求，开发智能电力调度、智能能源调度、节能管控、智能运维、智慧票务、智慧乘客客服等智慧地铁应用，为智慧地铁赋能。

5 结语

随着城轨云在轨道交通的广泛应用，基于城轨云的综合监控系统也迎来了新的发展机遇。本文在对传统综合监控系统架构和优缺点分析的基础上，结合目前轨道交通城轨云平台的应用情况和城轨云的部署架构的分析，对目前基于城轨云的综合监控系统架构方案进行了比选分析，提出在信息化和工业化融合的时代背景下，基于城轨云的综合监控系统架构优化方案，并进行智慧应用展望，对于智慧城市轨道交通建设具有很好的参考价值。