基于云计算技术的铁路调度集中 系统架构设计研究

王振东，齐 威，苗义烽，苗长俊

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 国家铁路智能运输系统工程技术研究中心，北京 100081；3.中国铁道科学研究院集团有限公司 北京华铁信息技术有限公司，北京 100081）

0 引言

铁路调度集中(CTC)系统是保障运输安全，提高运输生产效率的核心系统，是基于现代计算机技术、网络通信技术、信息处理技术、现场控制技术综合而成，实现对管内列车运行集中控制的自动化、智能化调度指挥系统[1]，对实现铁路安全运输和优质服务起到至关重要的作用。随着调度集中区段里程的不断增加、行车密度的加大，以及列车运行速度的提高，运输调度业务对铁路CTC 系统的功能完善性、自动化程度、系统可靠性和可维护性方面提出了更高的要求。

当前，国内对于铁路CTC 系统优化的研究，主要集中在底层硬件调整、局部功能优化及调整运用策略方面。宋鹏飞等[2]运用虚拟化技术解决了铁路CTC 系统多终端切换不易于调度员操作等问题；张涛等[3]对铁路CTC 系统告警日志功能进行了设计和优化；刘俊[4]基于CTC 系统现状，探讨了普速铁路CTC 系统的运用优化策略。重塑系统架构是铁路CTC 系统功能演进，突破现有技术瓶颈，全面提升运输组织业务保障水平的关键。为此，围绕我国铁路运输的特点与需求，按照适应生产力布局调整、行车组织优化的思路，基于云计算技术，构建智能化、高安全、高可靠的新一代铁路CTC 系统架构，为提高运输组织工作质量和行车指挥水平提供系统支撑。

1 基于云计算技术的铁路CTC 系统架构设计研究

1.1 铁路CTC 系统现状分析

铁路CTC 系统在实际运用中不断优化，已经成为行车指挥现代化的重要技术装备，能够适用于铁路客货混合运输、中低速列车共线、车站普遍存在调车作业等运用场景。CTC 系统大大促进了我国铁路运力资源调整和运输组织模式优化工作，为提升运输能力、减员增效等战略部署提供技术保障。随着我国铁路运输向着高速度、高密度、货运重载化发展，铁路CTC 系统也得到了快速优化和广泛应用。截至2018 年底，全路开通运营的调度集中区段总里程达到4.8 万km (其中高速铁路2.9 万km)[4]。但是，铁路CTC 系统因受限于系统架构的制约，在系统迭代优化方面遇到了技术瓶颈，无法跟上现代铁路运输组织的步伐，在部分方面甚至构成了制约因素[5]，主要表现在以下方面。

（1）系统功能存在区域化割裂现象。铁路CTC 系统内存在按调度台、线路、车务段管辖范围等因素划分的逻辑边界，从而造成运输数据汇总、阶段计划集中调整和分发、行车报警信息生成与发布等功能的区域化割裂。例如，铁路CTC 系统行车操作报警信息是技防辅助人防的重要技术手段，能够辅助调度员提升运行计划编制的合理性，规避人为原因导致的列车进路错办。铁路CTC 系统按线路设置区域子系统的构建模式，使得报警信息难以跨线路整合并定向、及时发布，降低了报警信息发布的可靠性和完整性。

（2）系统部署灵活性较低。①铁路CTC 系统按线路或区域枢纽设置独立的硬件基础设施，从系统层面限定了调度台管辖范围，当随着大面积调图或局部运能提升，需要及时调整调度台管辖范围时，往往受到系统的限制而被滞后或搁置。②调整列车运行计划、管理列车进路序列、设置车次号、拟定并下达调度命令、存储及调阅历史运行线等功能，独立运行在不同的服务器或终端上，当执行专运保障任务或处置突发情况，需要对部分功能加强运用时，系统无法及时调用充足资源以满足运用需求。③铁路CTC 系统的部署原则是专机专用，设备之间相互协同，功能失效的传递效应强，铁路CTC 系统局部改造往往会扩大施工影响范围，对运输业务的干扰大[6]。

（3）系统建设和运用成本高。为满足铁路CTC 系统软件的稳定性及隔离性需求，通常为承载特定功能的应用程序独立配属服务器，且依据程序峰值运行需求配置资源，服务器常态下的资源利用率较低。同时，为保证铁路CTC 系统业务的连续性，系统硬件设备均具备双机自动倒切的安全冗余机制，处于闲置状态的备份资源与生产资源对等设置，备份资源占系统总资源的比例为50%。因此，较低的资源利用率引起了设备数量增多、能耗增加、机房使用面积扩大，直接提高了系统建设和运用成本。

（4）系统运维管理工作难度较大。铁路CTC系统所含硬件设备数量多、种类繁杂且位置分布较为分散，铁路局集团公司电务段均设置专业车间或工区对铁路CTC 系统设备进行维护，维护人员数量多、专业技术水平高且劳动强度大。备品库构建与人员分布，需要结合实际需求不断调整，给运维管理工作造成了较大的压力，也存在着故障处置不及时的安全风险。

（5）系统可扩展性较差。分散设置的铁路CTC 系统基础设施，难以承载高度一体化、综合化的纵深防御体系，无法在更高层面上保障系统的安全运行。离散存储的列车运行计划、在途列车运行信息、车站站细等宝贵数据资源，没有得到有效整合，无法为数据挖掘、大数据分析等衍生功能提供支撑。

1.2 基于云计算技术的铁路CTC 系统架构设计

云计算技术是新一轮IT 革命最重要的标志性创新，是引领未来信息产业创新发展的关键技术，其核心思想是整合及统一管理大量计算、存储、网络资源，并将这些资源以实时调度、按需分配的方式提供给用户。我国政府高度重视云计算技术产业的发展和应用，发布了一系列政策鼓励并规范云计算技术的发展[7-8]。云计算技术商业化平台在我国政务、电力、通信等行业已经取得了良好的应用效果，在铁路物流中心、信息化建设、系统状态监测、大数据处理等方面的研究工作也取得了一些成果。用云计算技术整合系统资源并构建高可用、高安全、低成本、易维护的系统架构，是铁路CTC系统合理化发展的全新理念，能够为降低系统综合运用成本、优化系统性能，以及支持新兴技术应用奠定基础。

图1 基于云计算技术的铁路CTC 系统架构示意图Fig.1 Railway CTC system architecture based on cloud computing technology

基于节约建设成本，充分利用现有硬件基础的原则，以确保运输安全、提升运输组织效率为目标，采用云计算技术，对铁路CTC 系统进行架构设计。基于云计算技术的铁路CTC 系统架构示意图如图1 所示。该系统架构分为云平台资源层、云平台服务层，以及云平台用户与接口层。云平台资源层是基础，为铁路CTC 系统运行提供平台支撑。云平台服务层是核心，承担铁路CTC 系统的调度指挥、行车操作、列车运行数据存储及调阅等功能。云平台用户与接口层是信息展示和对外提供服务的主要部分，具有较强的部署灵活性和安全性。

2 基于云计算技术的铁路CTC 系统架构 服务层级分析

2.1 云平台资源层

云平台资源层由硬件基础层和虚拟资源层组成。硬件基础层包含中心设备和车站设备。管理服务器将分散的硬件设备按策略组织成为底层硬件群集[9]。通过自动汇总及智能分发机制将分散的计算资源虚拟为整体计算资源；应用网络虚拟策略将通信链路按需求进行逻辑划分，形成动态调整的整体网络资源；通过虚拟存储管理软件，将分散的存储设备整合为统一的存储资源。计算资源、网络资源和存储资源相互协作，为云平台服务层提供资源 支撑。

铁路CTC 系统总机设备部署于高等级的中心机房，设备位置较为集中，并且相互之间通过千兆以太网实现高速通信，可以作为云计算技术平台的资源主承载区，用于系统核心业务及全局业务的资源供给。车站设备设置于沿线车站的信号机房内，位置分散且由于建设年代不统一，关键性能及可靠性差别较大，将其构建为资源辅助承载区，作为主承载区的补充，并自主供给区域运输业务所需的 资源。

2.2 云平台服务层

云平台服务层承载着编制阶段计划、管理调度命令、施工报批、运输数据管理、列车作业管理等铁路CTC 系统核心业务，是实现统一而协调的运输调度指挥业务、系统资源实时调整、监控模式优化、主动安全防御的关键区域。

（1）统一而协调的运输调度指挥业务。云平台服务层通过对资源池的有效管理，对关键业务进行整体部署，基于全域数据共享和信息同步，提高运输业务协调性和全局统一性，体现在以下3 个方面。①实现台间计划的实时同步和协同优化。铁路CTC 系统云平台服务层通过整体拟合、定向分发的方式，将多台共管车站或多方向口车站的列车运行计划拼接为整体计划，进行集中调整并分发给特定车站，实现车流组织的协调统一。②消除信息传输壁垒。云平台服务层具有集中的信息产生源，基于对全域运输调度业务的监控，发布单一而准确的行车操作信息和报警信息，从而保障调度员和车站值班员获取信息的准确性，同时避免无关信息的干扰。③集中管理、高效调阅海量数据。铁路CTC系统数据具有多源性，包括线路连接关系、区间运行时分、列车基本径路等静态基础数据，以及运输人员输入或系统产生的动态数据。云平台服务层收集铁路CTC 系统多源数据，将其提取、转化为结构化数据，并建立数据基础字典表，提高了按径路铺画运行线、计划查询、站存车查询、小编组信息查询、早晚点数据统计的响应速度和准确性，为将来大数据分析、数据挖掘技术的运用奠定数据 基础。

（2）实时调整系统资源。按需分配系统资源是云计算技术的典型功能。基于铁路CTC 系统指令信息及时可达、数据传输高度可靠、通信网络实时平衡、业务功能重要且连续、服务多点协同、故障联动的运用特点，设计高效率、智能化的资源调配策略，是云平台服务层支撑运输业务的重要保障。高效的系统资源调整策略包括3 个方面。①静态分配与动态调度相协调。铁路CTC 系统运输调度指挥业务的分布具有规律性，同时兼具突发性。从地域、业务、时间3 个维度，以满足需求、适量冗余为原则，静态布局系统资源，实现铁路CTC 系统资源分布与业务分布的整体协调。运用基于启发式算法的调度策略，寻求资源调度时间和调度效果的综合最优解，保障突发业务能够在短时间内获取够用的系统资源。②划分资源配属优先级。云平台资源总量存在边界，不同运输业务对资源的需求存在竞争关系，当运输组织突发情况引起调度指挥业务量骤增，或者由于底层硬件故障导致系统资源量骤减时，存在需求大于供给的可能性。基于安全为基础、效率为导向、局部服从全局的原则，划分资源配属优先级，确保涉及运输安全和重点列车运行的系统资源充足供给，进一步提升系统可用性和安全性。③设置专家辅助系统。基于海量的列车运行数据和系统状态数据，构建运输人员行车操作记录和系统资源调度结果的映射关系列表，为系统依据实际运用情况，快速合理化配属资源提供专家库决策支持。

（3）高效的系统监控模式。云计算技术铁路CTC 系统的监控重点是总体资源使用率、重要业务响应时间，以及动态资源调度发生率。①云平台总体资源使用率体现的是系统总体可用性和备用资源量，展示的指标简洁而直观，数据采集量小，几乎不占用系统信道资源。②重要业务响应时间体现的是系统安全性和资源动态调配的合理性，数据指标贴近运输需求，便于解读并为系统精准优化提供数据支持。③动态资源调度发生率体现的是静态资源分布与运输业务量的匹配程度，执行动态资源调度较为频繁的区域，说明静态资源分布与业务量有较大偏差，该信息可以纳入资源调度专家库，为依据资源流向调整静态资源分布提供专家决策。

（4）主动安全的防御体系。云平台服务层铁路CTC 系统业务节点之间的边界划分被消除，硬件设备相对集中且资源高度共享，具备构建综合防御体系的条件。云平台服务层综合防御体系具备边界防护、分层防御、动态感知威胁及预警功能，能够保障系统核心功能区的安全、高效运行。构建安全管理中心，对系统安全防护业务进行集中管理。云平台用户与接口层是铁路CTC 系统输入信息的主要来源，云平台服务层对其设置安全防护边界，进行权限认证、信息加密并按策略过滤交互信息。对云平台服务层整体和局部业务节点进行安全加固，加强虚拟机之间的逻辑隔离。构建病毒库、黑名单、安全知识库，在全系统内识别、分析异常信息，动态感知安全威胁并主动防御。

2.3 云平台用户与接口层

云平台用户及接口层是展示行车日志、获取行车操作指令、提供语音报警、交换运输辅助信息的功能承载区，由于其面向用户的特性，需要结合运用需求、业务重要性及功能特点进行差别化部署。

（1）车站值班员终端部署于车站运转室，具备接收调度命令、管理行车日志、接收车站报警信息、办理站间预告、上报列车实绩点等车站行车指挥业务。在云计算技术资源池的支持下，用轻量级瘦客户机构建车站值班员终端，以C/S (客户机/服务器，Client/Server)架构与铁路CTC 系统云平台服务层进行信息交互，从而满足车站值班员行车指挥的操作需求。车站瘦客户机存储着所属车站的站细、进路表、信号设备平面图等静态数据，能够支撑通道中断状态下的铁路CTC 系统部分功能，以满足非常站控模式下的车站基本作业需求。瘦客户机稳定性高、结构简单且便于更换，在沿线车站大量部署瘦客户机以替代功能复杂且昂贵的图形工作站，能够提高车站行车设备的稳定性，并降低维护人员的劳动强度。

（2）铁路CTC 系统调度台终端是列车调度员的主要作业装备，设置于调度中心。维护终端是设备管理单位掌握系统运行状态、处理故障、升级系统的技术平台，多设置于调度中心、电务段调度室等处。调度台终端和维护终端的部署位置靠近调度中心或区域维护中心，通信链路集中、简单、可靠，通道故障风险较小。将其逻辑功能全部划拨至云平台服务层，用户通过浏览器接入云平台服务层，以B/S (浏览器/服务器，Browser/Server)架构与云平台服务层交互信息。浏览器可以运行于多样化的终端上，以用户名和安全口令界定用户权限，便于调度员、电务维护人员办公处所的迁移和故障处置。例如，调度中心局部通信链路故障，故障区域内的调度员可以快速迁移至其他区域，登录系统并及时恢复工作秩序。同时，电务人员可以在故障临近区域登录系统，在故障现场获取系统运行数据并排查故障原因。这种部署方式能够提高系统运用灵活度，减少故障处置时间。

（3）外围辅助信息包括限速状态、列车速度信息、运输管理信息、进路排列状态、无线调度命令、车次号校准、集中授时等信息。接收和发送外围辅助信息是铁路CTC 系统获取线路动态数据、监控列车实时运行状态、辅助运输人员进行集中控制的重要手段。为保证信息流向的清晰可控、信息交换的实时高效以及系统间的安全隔离，由边界清晰、资源独立的工业级服务器集中承载特定信息的发送和接收业务。为降低信息安全风险并减少无效信息，设置协议转换服务器，对外围辅助信息进行安全校验和过滤。

3 结束语

云计算技术不仅为国内外市场贡献了巨大的商业价值，也深刻地改变着大型关键系统的体系结构和服务模式。作为结构复杂、功能联动、覆盖面广的铁路核心信号系统，铁路CTC 系统能够较好地适用于云计算技术。基于云计算技术的铁路CTC系统架构设计研究，符合铁路CTC 系统合理化发展的全新理念，能够为提高运输组织工作质量和行车指挥水平提供系统支撑，对于提升计划编制及行车指挥业务的整体协调性、保障运输安全、提高系统资源利用率、降低维护成本等具有重要意义，能够较好地适应我国铁路运输发展，具有良好的应用前景。以云计算技术为基础的大数据共享与分析、智能高铁自动控制技术可以有效促进运输调度指挥向智能化与自动化发展。