基于云计算技术的城市轨道交通信息化平台发展探索

2019-10-21刘芽刘占英,麻永华张振义楚研

现代城市轨道交通 2019年9期

刘芽刘占英, 麻永华张振义楚?研

摘要：基于云计算技术的城市轨道交通信息化平台（以下简称“城市轨道交通云平台”）是云计算技术在城市轨道交通信息化发展过程中创新融合的成果。通过对云计算基础架构、计算资源架构、网络划分、安全策略确定、服务模式选择等内容的研究，介绍呼和浩特市城市轨道交通云平台系统架构的整体解决方案，并对城市轨道交通云平台的发展趋势进行展望，如与 AI 技术、BIM 技术结合，向 PaaS、SaaS 服务模式发展以及未来对于数据更综合的应用。

关键词：城市轨道交通;云平台;系统架构;发展趋势

中图分类号：F530.7

0 引言

近年来随着城市圈的发展，全国各地都在加快推进城市轨道交通建设。缩短城市轨道交通建设周期、提升运营效率、简化运维管理的需求越来越突出，因此对城市轨道交通信息化也提出了更高效、更节能的要求。而当前城市轨道交通信息化应用的各系统之间相互独立，即采用物理隔离方式建设，造成各系统之间数据不能充分共享。打破各系统之间的“数据孤岛”，构建信息交互更加频繁、实时性更高、可共享的城市轨道交通信息化平台成为必然趋势。而新兴的云计算技术可实现信息化资源的动态分配，提高资源利用率，而且其安全性与稳定性已得到实践证明及广泛认可。因此，城市轨道交通云平台应运而生。

1 城市轨道交通云平台发展情况

目前国内各城市已针对城市轨道交通云平台的技术应用展开深入研究，主要从以下2个方面展开探索。

（1）考虑到安全因素及既有线路改造的困难，在新建线路中针对部分业务系统，在不改变系统原有架构的基础上或者在进行微小改动后使用云化部署方案。此方案可解决单系统的资源弹性扩展与动态部署问题，但是不能实现跨系统资源动态调配。

（2）充分利用新建城市的后发优势，在建设之初就搭建基于车站和线网中心2级架构的线网级融合云平台，并且对传统模式下的城市轨道交通生产业务系统3级架构（车站、线路中心、线网中心）进行优化升级，统一云化部署，使后续新线可直接接入线网中心云平台，而且云平台可根据城市轨道交通业务系统安全等级、生产调度响应及时性等要求配置不同的资源池。代表城市有呼和浩特市。

呼和浩特市于2015年取得中华人民共和国国家发展和改革委员会一期工程建设规划批复。2016年4月，工程正式开工。2016年底，呼和浩特市城市轨道交通建设管理有限责任公司正式提出城市轨道交通云平台方案，并组织30余个业务系统供应商开展城市轨道交通云平台技术方案研究和测试，并通过国家工程实验室发布了《城轨云运营生产系统测试报告》。此外，该公司还联合中国铁路设计集团有限公司共同申报了呼和浩特市2018年重大科技专项，获得立项支持;经过2年多的研究，探索出一条“方案研究—科研测试—验证测试—工程实施”的可行之路，目前已完成验证测试、采购招标等，正在工程实施阶段。

2 城市轨道交通云平台系统架构

城市轨道交通云平台是指通过综合运用虚拟化、数据存储与管理、资源管理调度、分布式编程与计算、大数据挖掘以及安全技术等新兴信息技术，存储和加工端口资源池、存储池、计算池所包含的信息，为城市轨道交通系统提供安全、可靠、相对开放的云平台，通过云计算技术实现对系统内所有资源的统一呈现、统一运营和统一管理。

2.1 基础架构

城市轨道交通云平台基础架构由感知层、网络层、数据层、应用层、用户层构成。

（1）感知层。主要功能是信息采集。由信号控制、卡口、视频监控、安防、票务系统等智能终端构成端口资源池，按照一定的采集周期和协议标准，定时向数据层传输数据。

（2）网络层。主要功能是信息传输，及时将采集的信息和控制信息上下传达。

（3）数据层。主要功能是信息融合，对交通流、视频、交通管理、乘客信息、控制信息等各种不同来源的海量数据进行存储、计算、查询、清洗、安全管理等。

（4）应用层。主要功能是信息处理。以数据层的数据库及其计算为基础，通过实时在线的数据融合模型、数据分析模型挖掘各种深层次的指挥调度管理、决策分析、出行辅助、设备管理、站场管理等信息，以支持各种智慧应用。

（5）用户层。主要功能是通过人机交互等方式将信息展示出来，为用户进行智能决策提供依据。

2.2 计算资源架构

城市轨道交通云平台的计算资源架构由中心云平台、站段云节点构成，同时根据应用系统的灾备需求建设灾备中心，其系统构成如图1所示。灾备中心一般有数据级和应用级灾备2个系统，可根据不同业务的特点及需要，选择不同的灾备方式。呼和浩特市根据工程实施的实际情况，设置了数据级灾备中心，在紧急情况下可启动车站云节点，进入应急处置模式。此外，内蒙古是國家大数据综合试验基地（基础设施类），为了充分发挥当地丰富的公有云资源，呼和浩特市适时地将视频系统部署在移动公有云上，可大大降低城市轨道交通工程建设成本，预计可节约投资额3000万元。

2.3 网络划分及应用

根据各类业务应用系统的功能定位和应用、管理需求，云平台网络划分为安全生产网、内部管理网、外部服务网，如图2所示。安全生产网主要用于部署运营生产类业务应用，包括线网运营指挥、安全生产大数据平台、列车自动控制（ATS）、自动售检票、综合监控、门禁、乘客信息、车辆智能运维等系统。内部管理网主要用于部署面向企业内部用户的业务应用，包括运营管理系统、企业管理系统、建设管理系统、企业管理信息系统大数据平台等。外部服务网主要用于部署面向外部或公众用户的乘客服务类业务应用，包括乘客服务管理系统、互联网购票平台、线网智慧客流组织系统、视频监视系统、企业门户网站、公务电话系统等。此外，为了便于网络管理，提高网络维护效率，还需构建运维管理网，以实现云平台运维管理、IT设备管理、安全管理及运维审计等功能。

2.4 服务模式及应用

城市轨道交通云平台服务模式包括基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）3类，如图3所示。IaaS服务模式提供逻辑化/池化后的计算、存储、网络、安全等软硬件资源池以及封装后的多种IaaS服务。用户可在IaaS服务基础上部署和运行操作系统和各种应用软件。PaaS服务模式为客户提供部署、管理和运行应用程序所需的环境和服务，包括数据管理、中间件、并行计算、流程管理、面向服务架构（SOA）、开发测试平台等服务。SaaS服务模式可为客户提供城市轨道交通信息化相关业务应用。

目前呼和浩特市正在实施的云平台一期工程，主要实现IaaS服务模式。按照中国城市轨道交通协会“一网打尽”的原则，云平台可以承载安全生产网、内部管理网、外部服务网的多业务应用系统，可为上述3网单独划分逻辑独立的计算、存储和网络资源，并进行相应的安全隔离;可在网内实现资源动态调配，并建立统一的运维管理平台，以对整个平台进行监测管理。

2.5 安全管理体系

在并行计算、分布式计算、虚拟化等技术基础上发展起来的云计算技术，具有按需自助服务以及快速弹性对网络、存储和计算资源做出反应的特点，但同时也会造成信息资源、数据流动、应用访问的高度集中，带来一系列安全隐患。因此，针对云平台的技术特点，遵循“系统自保、平台统保、边界防护、等保达标、安全确保”的总原则，从管理和技术2方面提出相应安全策略，以保障平台安全稳定运行。

在管理方面，应根据城市轨道交通云平台的新业务架构优化传统运营管理组织架构，并在此组织架构中充分考虑运营管理的授权、复合流程及分配，从而在管理上确保系统安全。技术安全策略主要有虚拟化、网络、主机及应用、数据安全策略。对于安全生产网、内部管理网和外部服务网，按功能区和业务系统2个维度进行逻辑隔离防护，可根据区域权限划分网络，也可根据业务系统划分网络。在安全生产网、内部管理网和外部服务网中分别部署安全设备，对功能区之间、业务系统之间的流量进行访问控制，及时发现并阻断网络入侵、病毒传播、拒绝服务（DoS）等各类网络攻击。

3 城市轨道交通云平台技术发展趋势

轨道交通云平台的新发展方向是利用城市轨道交通云平台的新架构更高效、安全地指导运营生产调度和维护维修，以及促进其与建筑信息模型（BIM）和人工智能（AI）技术融合。

3.1 IaaS 向 PaaS、SaaS 服务模式发展

目前，城市轨道交通云平台技术的应用主要集中于IaaS服务模式。下一阶段，将依托云平台、大数据平台向PaaS、SaaS服务模式发展。通过深度挖掘平台数据，进一步将运维信息反馈给建设部门，实现建设—运营—运维—指导建设的闭环智慧化发展，以及各业务系统数据的智能联动，真正提升城市轨道交通行业的信息化、智能化水平。

3.2 云计算与 AI 结合

AI是研究开发用于模拟、延伸和扩展人智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新技术科学，可以对人类意识和思维的信息过程进行模拟。它是计算机科学的一个分支，致力于掌握智能的实质，并生产出能以类似于人类智能的方式做出反应的新智能机器。该领域的研究内容包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。目前，AI的理论和技术日益成熟，应用领域也不断扩大。可以设想，未来AI带来的科技产品将会是人类智慧的“容器”。

城市轨道交通云平台打破了传统业务系统数据壁垒。其大数据平台可以通过收集海量数据，并结合AI技术对数据进行充分挖掘，实现城市轨道交通的智能分析、智能运维。因此，随着海量数据的汇聚，将云计算技术与AI技术相结合是城市轨道交通云平台下一步建设的核心方向。

3.3 私有云与公有云共存的融合云模式

运用公有云平台，企业不需要自己建设数据中心，只需选择信得过的云计算服务提供商，直接使用其最终产品，省去了云平台维护维修的技术和人才成本。而私有云考虑更多的是“云”本身的建设，更关注构建云平台的技术以及规模超大、可用性高、成本低廉的数据中心。对于中小企业来说，公有云是一个较好的选择;对于想利用云计算平台特性、对安全性要求比较高的大型企业来说，通常需要构建私有云平台。

城市轨道交通主要为市民提供市内交通出行解决方案，对安全性要求极高。所以目前国内几乎所有的城市轨道交通建设企业都在构建私有云平台。

随着城市轨道交通信息系统架构及关键业务系统架构的优化，也出现了根据业务内容将私有云与公有云配合使用的混合云模式。例如，呼和浩特市目前正在尝试将与城市轨道交通生产安全和调度指挥相关的业务系统部署到私有云平台，将视频、安防等信息部署到公有云平台。采用混合云模式，既可以充分利用已完成建设的公有云基础设施，又可以降低云计算基础设施的维护、保障成本。该方案目前正在实施中。

3.4 云计算与 BIM 技术结合

BIM技术使用以三维可视化为主导的设计手段，将规划、设计、施工、运营阶段的全生命周期工程数据融合到设计中，从而为建造的工程构件标注了造价、生产时间、型号、规格、材料、质量等工程信息。这些工程数据信息相互关联且可重复利用，经过各种深入的再分析，可在施工、运营等建设过程的各个阶段传递。利用这些既有工程数据，可在城市轨道交通正式运营后更好地规划和安排维护维修工作，也可以更好地指导新建线路工程的规划设计。城市轨道交通云平台是建设整体信息化平台的核心，因此将工程数据与运行数据有效融合也是未来重要的发展方向之一。

4 结语

当前城市轨道交通云平台技术尚处于起步阶段，基于云平台的城市轨道交通信息化系统建设还没有形成固定模式，而云平台架构下的传统生产业务系统技术架构尚处于验证阶段。中国城市轨道交通协会也在积极推进城市轨道交通云平台相关顶层规范的编制。呼和浩特市以其新颖的创新模式得到协会的高度认可，并被列为试点城市。它针对城市轨道交通特有的安全等级要求，提出站段云节点实施方案;并面向综合监控、城市轨道交通自动售检票（AFC）、闭路电视监控（CCTV）、乘客信息（PIS）、门禁、ATS等系统，以存储、网络和计算资源为基础，提出IaaS服务模式。期待在工程项目开通运营之后，积累更多经验，从而为城市轨道交通云平台的发展提供更多的解决方案。

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