基于云平台的中低速磁浮票务系统

陈柯行，黄志伟，李广智，吴 昊

（北京全路通通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

1 概述

在日益扩展和完善的城市轨道交通运营网络中，城市轨道交通票务系统实现了售检票业务的自动化，满足了乘客快速购票检票乘车的需求，是保障运营的重要支撑系统[1]。传统城市轨道交通的票务系统通常采用“一线一中心”的单线建设模式。如图1所示，地铁票务系统由清分中心、线路中央计算机系统、车站计算机系统、车站终端设备、车票5层结构组成，每条线设置一套控制系统，整个线网设置一个清分中心[2]。

中低速磁浮系统是一种采用车载电磁悬浮技术和短定子直线感应电机驱动车辆的城市轨道交通系统，具有噪音污染小、建设成本低等优点，在国内多用于旅游观光和近距离城市间的交通连接，可与地铁等线路互补。国内正在运营的中低速磁浮线路有长沙磁浮快线、北京地铁S1线、凤凰磁浮旅游专线和清远磁浮旅游专线等[3-6]，其票务系统具有以下特点。

1）中低速磁浮客流以外地乘客为主[7]。例如凤凰磁浮旅游专线开通初期预测年均客运量1 518万人次，其中80%以上为外地乘客。该类乘客通常初次乘坐磁浮列车，车站购票时容易出现找零、票卡回收、现金回收、储值卡充值等操作不熟练的情况，导致排队阻塞。因此，为了减少乘客时间成本，票务系统采用“互联网多元化支付为主，储值票为辅，现金支付补充”的支付方式，这对票务系统的网络安全性和实时性提出了更高的要求[8]。

2）中低速磁浮多用于旅游观光等线路，节假日高峰期面临大规模客流，乘客在出行前倾向于提前通过网络购票。因此，票务系统需要提供电子二维码等无需现场取票的非实体卡车票。与实体卡车票相比，非实体卡车票制作成本低且不易丢失，提高了通行效率和乘客体验，但同时这也对票务系统的数据存储和计算能力提出了新的要求。

3）地铁线网规模较大，其票务系统采用五层结构是便于各线路、车站能够独立运行，但需要在每个线路中心和车站都设置服务器。而中低速磁浮线网规模较小，沿用地铁票务系统5层结构会造成基础设施分散和建设成本过高等问题。

基于以上特征，沿用传统票务系统的设计原则无法很好的适应中低速磁浮票务系统的网络、存储和计算等能力要求，并且建设成本高昂。因此，本文将结合微服务化思想搭建基于云平台的中低速磁浮票务系统，实现计算、存储、网络等资源按需分配，提高资源利用率，便于业务快速部署和扩展。

2 云平台和微服务架构介绍

2.1 云平台

云平台指的是基于软硬件资源提供计算、网络和存储能力的云计算平台，在数据存储、处理和资源调度等多方面具有优势[9]。中低速磁浮系统云平台为票务系统、综合监控系统、综合运维系统、乘客信息中心系统等业务系统提供基础资源，架构如图2所示。

图2 中低速磁浮云平台架构Fig.2 Diagram of cloud platform architecture for medium and low speed maglev lines

1）数据采集层

由业务系统负责，完成各类数据采集上报。云平台提供控制中心的各类数据的网络汇聚交换机和配套的安全防护设备，各业务系统负责控制中心网络接入交换机、通信处理机并负责接入云平台的汇聚交换机。

2）网络传输层

由通信传输系统提供线网骨干网网络通道，云平台负责实现控制中心与线路网的连通。

3）IT设施层

由服务器、存储、安全、网络等物理基础设施构成融合资源池的基础架构。

4）资源池层

通过虚拟化软件，对计算、存储、安全、网络等物理资源进行虚拟化，提供统一的计算、存储、安全和网络资源池。

5）基础设施服务层（IaaS）

通过划分不同虚拟数据中心（VDC）以及在VDC内部进一步划分不同虚拟私有云（VPC），为各应用提供资源的灵活分配。VDC/VPC内部通过云主机服务、云存储服务、弹性IP服务、物理机服务和GPU服务器服务等，提供自助资源发放，实现基础设施即服务。

6）平台服务层（PaaS）

向下管理IaaS的基础架构资源，向上为SaaS提供包括基础资源、数据库、操作软件和应用中间件等平台软件服务。

7）应用服务层（SaaS）

提供中心级应用服务。

2.2 微服务架构

票务系统通常有两种开发架构模式：单体架构和微服务架构。如图3所示，使用传统单体架构是将票务系统所有的业务功能编写在一个项目中，最终会打包成一个WAR包并部署运行。这种方式部署简单，但在对某个功能模块进行修改或者开发新功能模块时需要对系统整体修改和部署，可伸缩性较差。

图3 单体架构Fig.3 Single architecture

微服务是一种新型开发架构模式，使用微服务架构开发票务系统能够简化票务系统业务体系。其架构如图4所示，开发人员将票务系统不同的功能模块拆分为不同的微服务，每个微服务之间松耦合，其更新或扩展不会对别的微服务造成影响，易于开发和维护。

图4 微服务架构Fig.4 Micro-service architecture

3 基于云平台的中低速磁浮票务系统

3.1 框架

地铁票务系统由清分中心计算机系统、线路中央计算机系统、车站计算机系统、车站终端设备、车票5层结构组成。其中，清分中心计算机系统负责统筹全局性管理功能，线路中央计算机系统负责当前线路的集中管理功能并上传数据至清分中心，车站计算机系统负责管理当前车站的数据并上传数据至线路中心。如图5所示，中低速磁浮票务系统取消中间层级系统，重新规划线路中央计算机系统和车站计算机系统功能，使传统5层结构精简为3层结构：中心云平台、车站终端设备和车票。

图5 基于云平台的票务系统框架Fig.5 Ticketing system architecture based on the cloud platform

中心云平台层由业务服务层、平台服务层和基础设施服务层组成。传统票务清分系统、线路中央计算机系统、车站计算机系统合称为中央计算机系统，与新增的互联网票务平台统一部署到中心云平台业务服务层。中央计算机系统与云平台内部其他系统（如综合监控系统、综合运维系统等）通过云平台核心网络进行通信，完成设备监控等功能。互联网票务平台与外部系统（支付系统、分销系统、发票系统等）通过接口服务器实现数据交互，同时应接入防火墙确保云平台数据安全。

在云平台架构基础上，系统结合微服务架构将应用服务层细分为接入层、网关层、业务服务层。其中，接入层又叫负载均衡层，通过云平台提供的负载均衡服务能够将外部流量引入系统中。网关层主要包含内部和外部接口的认证、安全、鉴权、过滤和限流等服务，这一层将内部服务接口做一层安全隔离，实现保护内部服务、鉴权、黑名单过滤等需求。业务服务层则根据票务系统实际业务需求划分为多个微服务。

车站终端指自动售票机和自动检票机等车站级设备。云平台中心层通过通信传输系统提供线网骨干网网络通道完成与车站终端的网络连通，中央计算机系统能够直接监视车站终端设备运行状态并收集各类运营数据。反之，车站终端设备也能够直接接收中央计算机系统下发的参数和其他指令。

车票是乘客进/出站时持有的包含购票信息的乘车凭证。为提高通行效率，中低速磁浮系统主要采用非实体卡车票形式，缓解高峰期购票压力，方便乘客出行。

中低速磁浮线网规模较小，使用3层结构可以极大地降低建设和运行成本，提高响应速度，降低系统部署难度。

3.2 功能模块设计

中低速磁浮系统中心云平台层分为中央计算机系统和互联网票务系统两部分，根据功能分别拆分为不同的微服务。每个微服务独立开发部署，提供不同的功能。

中央计算机系统由以下微服务支持。

1）用户管理：负责用户信息管理和权限管理等。

2）车票管理：负责票种种类及使用规则定义、票价表定义与下发、车票发行等。

3）车票发售：发售票务系统车票。

4）清分清算：根据清分规则对票务收益进行清分、根据分账规则与外部系统进行对账。

5）运营管理：客流统计与分析、运营设备注册、运营模式管理和黑名单管理。

6）订单管理：负责系统订单查询等管理功能。

7）票务管理：管理车票库存，处理各终端设备上传的交易数据。

8）设备管理：实时监控车站终端设备运行状态和紧急情况下控制终端设备。

9）安全管理：负责密钥生成和下载。

10）参数管理：负责向车站终端设备下发系统运行参数和控制命令信息。

11）系统维护：负责数据库的备份和恢复。

12）测试平台：负责新票种、新支付方式等开发测试。

互联网票务系统由以下微服务支持。

1）第三方发售：APP、微信小程序等第三方互联网售票平台的车票发售。

2）第三方支付：与支付产品（银行、支付宝等）对接，实现支付功能。

3）第三方分销：与携程等第三方分销平台对接，实现分销功能。

4）二维码发码：生成动态二维码，供乘客进出站使用。

5）实名认证：提供身份证和人脸实名认证功能，支持开通人脸乘车服务。

3.3 用户权限管理功能设计

中低速磁浮票务系统的微服务架构可选择采用Spring Cloud Alibaba框架，其常用组件包括注册中心（Nacos）、监控中心（Admin）、网关（Gateway）、流量控制与服务降级（Sentinel）、分布式解决方案（Seata）等。

以设计用户权限管理功能为例，说明微服务架构中注册中心和网关等模块是如何工作的。如图6所示，服务注册中心Nacos能够通过服务注册和服务发现来实现微服务之间的服务调用。网关服务、用户管理服务、订单服务、支付服务等均需要向Nacos注册，并且订阅Nacos中的所有已注册服务。

图6 用户权限管理功能示意Fig.6 Diagram of the user access management function

网关服务是服务访问的统一入口，客户端和网页端所有的用户请求都会统一通过网关服务进入，适合承担鉴权这种切面类型的功能服务。因此，将用户鉴权模块设置在网关服务中。网关保持开放登录注册接口，用户发送登录注册请求时，网关转发请求给用户服务，用户输入账号、密码等信息完成登录注册功能，同时用户服务缓存当前登录用户信息和对应权限列表。用户再次发起业务请求时，网关进行拦截，并获取请求中附带的用户身份信息，然后调用缓存中信息对请求用户做鉴权操作，确认当前用户是否有访问该业务服务的权限，实现统一鉴权功能。若网关服务鉴定当前用户具有权限，那么网关服务再次转发请求给对应的业务服务。由于网关服务和各个业务服务都进行了服务注册，因此在网关层面不需要将节点ip配置在转发路径上，注册中心Nacos会提供服务与节点的关系。网关服务可以根据接受到的不同请求参数来决定路由到不同业务服务中。

4 结论

本文重新规划传统城市轨道交通线路采用的票务系统5层结构，提出一种基于云平台的中低速磁浮票务系统。引入云平台为票务系统提供计算、存储、网络等硬件基础资源，实现软硬件资源统一管理、合理动态分配和集中监测，提高资源利用率。同时在云平台基础上采用微服务架构代替传统单体架构开发票务系统，能够将复杂的票务系统拆分为可独立部署的简单微服务，使票务系统能够根据需求快速扩展，有助于提高开发效率，为中低速磁浮票务系统结合云技术和微服务架构提供参考依据。