虚拟化技术在城市轨道交通自动售检票系统中的应用研究

曾海军 许锡伟 黄孙 郑伦 陈聪

摘要：目前自动售检票系统的发展面临着诸多挑战，移动支付数据传输的实时性、人脸识别过闸、生物识别技术无感过闸以及分布式部署、应用级灾备系统架构等对自动售检票系统提出了更高的要求，传统软件架构已适应不了新的需求。鉴于此，结合自动售检票系统的特点，探索新型的信息化技术，研究虚拟化技术在自动售检票系统的应用，在传统的计算架构基础上，使用虚拟化技术实现背靠统一硬件管理的资源池下的高性能、高可用系统架构方案，做到了同样硬件下更稳定可靠的系统承载，同等负载压力下更灵活的资源调配与负载均衡，同样系统结构下更快速的故障恢复与响应能力。

关键词：城市轨道交通;自动售检票系统;虚拟化技术

0    引言

城市轨道交通自动售检票（简称AFC）系统是面向乘客的乘车计费系统，主要具备售票、进出站、乘客事务处理等功能。截至2018年底，超过20个城市的地铁AFC系统已支持二维码或银联卡过闸等移动支付业务，呈现快速发展的态势。

在此背景下，AFC系统当前的发展面临著诸多挑战：传统的AFC系统很难适应多变的“黑科技”应用场景;大数据时代和5G时代的发展，对系统处理、传输及存储性能要求更高;传统软件架构已经适应不了新的需求，例如移动支付数据传输的实时性、线网模式下的高并发性;传统软件架构无法支撑分布式部署、应用级灾备的系统架构要求。本文将结合AFC系统的特点，探索新型的信息化技术，研究虚拟化技术在AFC系统的应用，力求形成高性能、高可用的解决方案。

1    背景

AFC系统是一套网络化的交易计费系统，由五层架构组成，如图1所示。系统一方面直接面向乘客，必须兼顾性能及安全性，满足乘客的便捷购票、过闸体验;另一方面关乎地铁收入，必须确保每笔正常的交易数据能够正确上传、扣费及清算，保证票务规则的准确性及完整性。

综上所述，结合轨道交通发展特点，轨道交通AFC系统具备如下特点：

1.1    线网统一

为了实现在地铁线网范围内的票卡互联互通，保证乘客能够“一票乘车”和“无障碍换乘”，即便分期投资建设，各线路的地铁AFC系统必须符合统一的线网化接口标准，保证各线AFC系统对票卡处理能够相互兼容。

1.2    集中度高

随着轨道交通线网化的发展，AFC系统呈现“金字塔”形。需要确保所有数据、所有功能能够集中管理，这对线网清分系统提出了更高的要求。随着线网的发展，线网清分系统数据的存储和处理能力必须适应多条线路的接入和客流的逐渐增长。

1.3    更新频繁

随着轨道交通互联网票务的快速发展，移动支付持续深化推进，近年来票务场景变化频繁，由原“先充值、后扣费”逐渐衍生至“先过闸、后支付、信用消费”。以宁波轨道交通为例，目前移动支付比例已达到约30%。为了适应支付形式的变化，轨道交通AFC系统需要进行频繁的更新，以适应新的票务规则，支持离线扣费向在线支付模式的过渡。

2    AFC系统现状

2.1    建设AFC系统面临的挑战

AFC系统的上述特点意味着系统建设阶段面临着如下挑战：

2.1.1    建设成本高

每条线路建设时需要包括车站计算机及线路中央计算机系统，各车站、控制中心均需要投入庞大的设备群，包括了服务器、交换机、存储设备等。多层次、分散式系统设计，给AFC系统建设带来了较高的成本。

2.1.2    资源利用率低

在每条线路建设初期，系统使用率往往无法精确估算，因此一般每站采用相同的服务器和交换机硬件配置。而开通运营后，实际资源使用并不均衡，往往部分大站资源使用率居高不下，部分小站资源基本闲置，造成计算资源和网络资源严重浪费。

2.1.3    扩展性差

传统计算节点架构通过不同的物理服务器与终端设备进行组建，系统与系统之间存在强关联性，扩展性差。当需要进行对应扩容时，常常需要投入大量的人力、物力进行长时间的梳理与扩展。

2.2    运维AFC系统面临的挑战

2.2.1    系统故障转移能力不足

2.2.1.1    ACC和LCC系统

为了保证后台系统稳定运行，一般ACC和LCC系统会部署双机集群，但目前行业内大多数的做法是将操作系统、网络和数据库部署为双机集群，而应用系统由承包商自行研发，并没有设计成双机热切换。一旦发生主服务器故障，需要手工启动备用服务器上的软件，为维护人员的故障处理带来了困扰，存在单点隐患。

2.2.1.2    SC系统

出于成本考虑，一般SC系统只部署了单服务器和单交换机，并没有硬件上的冗余，一旦发生故障需要停机维修。故障处理和维护难度较大，存在SC系统崩溃的风险，造成系统和数据无法及时修复，影响AFC系统正常稳定运行。

2.2.2    容灾备份能力不足

传统架构下，仅支持系统的数据级灾备。数据级灾备是指在不同的区域搭建一套容灾机房，采用事务日志复制或镜像的方式将数据库进行同步，建立一套备用数据库环境，当主机房系统瘫痪时，能够启用备用的数据库，保证数据完整。但数据级灾备存在切换复杂;应用系统需要完整部署，软件更新和维护难度大;切换操作步骤繁多等问题。特别是在灾难情况下，较难实现系统完整功能的切换。

3    AFC系统虚拟化优势与总体架构

3.1    虚拟化技术概况

虚拟化技术（Virtualization）是一种资源管理（优化）技术，将计算机的各种物理资源（如CPU、内存以及磁盘空间、网络适配器等I/O设备）予以抽象、转换，然后呈现出来的一个可供分割并任意组合为一个或多个（虚拟）计算机的配置环境。

虚拟化技术主要是打破了软件与硬件之间的联系，为建设更加动态、灵活和高效的数据中心打下基础。随着英特尔和AMD在处理器上对虚拟化提供了硬件支持，虚拟化技术在x86服务器上也有了更加光明的应用前景。

3.1.1    虚拟化技术的优势

（1）更高的资源利用率：虚拟化技术可将物理服务器、网络及存储转化为资源池，支持资源的动态分配，可以将资源利用最大化，特别是针对那些负载很低的服务器。

（2）更高的可用性：相比物理服务器，虚拟化技术可安全地迁移和备份整个虚拟环境，而不会出现服务中断，进而提高了业务连续性。

（3）降低管理成本：提高资源利用率带来的是物理设备的减少，降低物理设备的管理和监控维护成本，易于实现自动实时监控等方式来提高工作人员的效率。

（4）降低维护成本：随着物理设备的减少，机房容量的要求和能耗均能得到降低，设备维修成本也能够大幅下降。

（5）扩展性和灵活性：通过虚拟化可实现动态的资源部署，满足不断变化的业务需求。根据不同系统不同时期的负载，可通过虚拟化技术实现资源的重新分配和汇聚，意味着可以在不改变物理资源配置的情况下进行规模调整。

（6）安全性：平台虚拟化技术可实现操作系统层面的隔离和划分，可实现对数据和服务进行可控和安全的访问。

（7）更高的开发测试效率：减少了设置硬件和软件的时间，降低了测试环境部署成本，从而提高了开发和测试效率。

3.1.2    Hyper-V的特点

通过技术选型，本文主要围绕微软的Hyper-V的技术应用进行说明。相比虚拟化领域内另一巨头Vmware，微软的Hyper-V具备以下特点：

（1）低成本：对于已经购买Windows Server 2008 R2 DC及以上版本使用许可的用户来说，操作系统中已经内置了Hyper-V软件，只需要添加相应角色功能就可以完整地使用Hyper-V软件功能。

（2）低门槛：Hyper-V软件学习门槛相对其他虚拟化软件来说较低。秉承Windows交互界面一贯良好的传统，Hyper-V软件用户界面功能清晰、明确、完整。系统管理员只需经过简单的了解就可以使用Hyper-V软件搭建自己的虚拟机。

（3）功能完善：由于是微软自家的产品，Hyper-V软件还拥有其他软件无可比拟的系统兼容性。同时Hyper-V不仅提供了强劲的性能，还提供了稳定、丰富的特性和功能，由于微软产品有着高度集成的优势，对虚拟化的管理、备份、冗余也有多种解决方案和产品可供我们选择。我们可以部署Hyper-V的群集，实现快速故障转移，达到高可用性。通过虚拟化管理产品，可以迅速地将一个虚拟化应用迁移到另一台Hyper-V服务器上，而不会受到硬件设备不同的影响。

3.2    虚拟化总体架构

本文研究的虚拟化技术在AFC系统中的应用是面向城市轨道交通网络化运营需求而提出的，当前主流虚拟化软件已在政府机关、教育、医疗、海关得到广泛应用，轨道交通实施该项应用，可以得到大量的技术资料支持，这是宁波轨道交通得以自主实施Hyper-V虚拟化应用的基础。同时虚拟化技术的应用，无需更改现有物理网络架构和增添网络设备，可以实现网络设备“零投入”，减少重复投资。改造期内无需大量采购物理服务器，对机房空间和能耗的要求很低。远期可大幅减少物理服务器的采购和部署，缓解机房空间不足、环控/供电能力不足的矛盾，节省机房扩建和改建成本。另一方面，将虚拟化技术引入城市轨道交通的AFC系统，通过合理优化、精简AFC系统设备数量，提高各类系统的资源利用率，减少AFC系统的实现成本、后期升级更新成本，也可为后续AFC系统的升级改造提供借鉴。

以宁波轨道交通为例，宁波轨道交通的清分系统与1号线线路中央计算机系统建成于2012年，至今已有9年时间，当初建设时预计的性能、容量以及扩展性随着轨道交通的网络化发展已经成为瓶颈，而设备、配件的停产导致更新成本高企，升级困难大。基于当前AFC系统存在的不足以及对虚拟化技术的分析，提出基于虚拟化技术的AFC系统方案，自动售检票系统虚拟化技术总体架构如图2所示。

在基于虚拟化技术的AFC系统架构设计中，原系统中的清分系统（ACC）与各线路的线路中央计算机系统被虚拟化部署，基于x86的虚拟化的服务器集群替代了原系統中的老旧、性能低下、不易更新升级、兼容性不高的小型机。自动售检票虚拟化系统拓扑如图3所示。

在此虚拟化架构中，清分系统与各线路中央计算机系统通过虚拟服务器集群下的专用网络设备与车站计算机系统进行直接连接，各线路系统与清分系统共享虚拟化平台的服务器资源与网络设备资源，依托Hyper-V动态进行各虚拟机的资源调配，可依据实际业务情况与资源占用程度对各线路中央计算机系统和清分系统的资源进行动态调整，并具备应用级的热备功能。与车站计算机系统相连的通信网络仍采用原系统网络。

清分系统与各线路中央计算机系统的服务器、存储设备、网络设备等基础设施资源虚拟化后，可避免小型机升级扩容使用的设备停产、兼容性差、价格高等问题，不再受终端设备异构性的限制，虚拟服务器的数量和资源也可依据实际业务需求灵活配置，最终实现减少设备数量，降低更新成本，降低能耗等实际的节流目标。

4    向云计算的演进

虚拟化技术是私有云架构的基础，私有云平台均支持虚拟化产品的管理。实现虚拟化技术的应用，一方面可以实现最低成本的IT运维管理提升，另一方面可以作为向云计算的过渡，无需额外增加迁移成本。

在对AFC系统的虚拟化应用基础之上，可进一步提出基于私有云的AFC系统架构。与虚拟化技术的应用相类似，在AFC系统中应用私有云平台，一方面由于平台的基础设施设备都由城市轨道交通拥有和管理，利于后续的发展，其数据存储的安全性和可靠性能够得到保障;另一方面，私有云初期的运营投资成本虽然较高，但总体呈现下降趋势，故后续的部署升级较为灵活。自动售检票系统私有云平台架构如图4所示。

在上述的平台结构中，私有云平台取代了原系统中的清分系统层和线路中央系统层。车站计算机系统可直接通过AFC系统网络与平台相连，各车站共享私有云平台提供的计算资源池和存储资源池，车站可只保留操作终端。整个AFC系统网络依然具备自愈功能，保证车站与平台之间的数据传输，车站设备仍可工作在离线模式下。

传统的AFC系统各级基础设施数量大、成本高。基于私有云平台的AFC系统则相反，平台将服务器、存储设备及网络设备集中管理，组建新的计算资源中心，应用虚拟化技术将所有的资源抽象为资源池，按需为业务系统提供计算、存储和网络资源，从而减少基础设施的数量，降低后续的建设成本。同时，基础设施的集中建设和管理，为将来的AFC系统业务整合及统一管理提供了基础支持。

5    结语

在如今城市轨道交通网络化运营的环境下，优化AFC系统架构，提高AFC系统设备资源利用效率势在必行。本文从AFC系统面临的痛点入手，提出了虚拟化技术在AFC系统中进行应用的切入点与架构的设计，并在此基础上提出了一种从单纯虚拟化技术向私有云平台演进的架构方案，最终实现资源按需分配、提高升级便利性、降低能耗等目标。在AFC系统中应用虚拟化技术，架构简单，资源利用效率提高，有助于降低未来的投资与运营成本。

[参考文献]

[1] 郑大威，马琳，燕飞.地铁设备智能维修管理研究及展望[J].都市快轨交通，2018，31（5）：111-115.

[2] 吴敏.基于RFID技术在轨道交通中的应用[J].自动化博览，2017，34（4）：100-103.

[3] 胡旸，龚云海.轨道交通虚拟票务支付模式探讨[J].都市快轨交通，2016，29（3）：52-54.

[4] 李雪.基于RFID的城市軌道交通客流诱导系统设计[J].无线互联科技，2016（2）：66-67.

[5] 陈波.地铁车站大客流组织措施[J].都市快轨交通，2015，28（3）：20-23.

[6] 顾炯炯.云计算架构技术与实践[M].北京：清华大学出版社，2014.

[7] 邱华瑞，张宁，徐文，等.城轨交通自动售检票系统架构体系研究[J].都市快轨交通，2014，27（2）：86-89.

[8] 陈冰清.RFID技术在地铁自动售票机中的应用[D].南京：南京理工大学，2013.

[9] 龚迥.手机RFID技术在轨道交通票务系统的应用[D].上海：上海交通大学，2012.

收稿日期：2020-08-14

作者简介：曾海军（1979—），男，江西吉安人，工程硕士，高级工程师，宁波市轨道交通集团有限公司副总工程师，宁波市轨道交通集团有限公司运营分公司副总经理，研究方向：交通运输。

许锡伟（1982—），男，浙江宁波人，工程硕士，高级工程师，宁波市轨道交通集团有限公司运营分公司票务中心经理，研究方向：计算机科学与技术。

黄孙（1984—），男，浙江湖州人，工程硕士，高级工程师，研究方向：软件工程。