基于容器云平台的轨道交通自动售检票系统架构设计

林忠山 朱小莲 肖芳

（厦门轨道交通集团有限公司 福建省厦门市 361010）

城市轨道交通自动售检票（AFC，Automatic Fare Collection System）系统是实现城市轨道交通售票、检票、计费、收费和交易统计、收益清分及运营管理等全过程的自动化信息系统。随着城市轨道交通路网规模越来越复杂、互联网电子票、互联网支付及业务模式的不断变化，AFC系统产生的数据量越来越大，数据实时性要求越来越高。同时，缩短城市轨道交通建设周期、有效利用资源、简化运维管理、提升运营效率的需求越来越突出。

近年来，云计算在计算机领域飞速发展，为用户提供一种按需分配资源的模型，根据服务需求便捷地从一个共享资源池中获取计算、网络、存储等资源，以一种全新的、高效的方式来部署应用。

本文通过分析国内城市轨道交通AFC系统建设现状，结合当前容器云技术特点，提出基于容器云平台的城市轨道交通AFC系统架构设计方案，并分析应用效果，为现有或者新建的AFC系统进行系统架构和资源整合优化提供参考。

1 AFC系统现状

1.1 传统AFC系统架构

传统城市轨道交通自动售检票系统共分五个层级，第一层车票，第二层车站终端设备（SLE，Station Level Equipment），第三层车站计算机（SC，Station Computer）系统，第四层线路中央计算机（LCC，Line Central Computer）系统，第五层城市轨道交通清分（ACC，AFC Clearing Computer）系统，传统AFC系统架构见图1所示。

图1：传统AFC系统架构图

分层架构设计中各层相对独立，能够单独离线运营。分层管理各自完成下属系统、设备的运营管理和控制工作，实现城市轨道交通的票务业务。随着城市轨道交通路网规模和新业务的不断扩大，传统AFC系统架构存在以下几方面的不足：

（1）随着路网规模的扩大，系统和设备越来越多，系统越来越复杂，建设和维护成本越来越高；

（2）基于分层管理、存储的设计原则，各层都需要服务器、网络及存储等资源，造成大量数据冗余和资源浪费；

（3）层级越多，网络延迟越大，造成数据无法实时上传到清分系统，影响对实时性要求比较高的业务推广；

（4）不适应移动支付业务等互联网应用在AFC系统中的应用需求。

1.2 AFC系统优化现状

为了弥补传统AFC系统架构的存在不足及应对日益变化新业务，很多城市轨道交通通过结合自身运营实际情况提出了相应的优化方案。主要包括多条线路共享AFC系统的多线路中央计算机系统（MLC，Multi-line Central Computer）、多条线路或者多个车站组成区域管理单位使用的区域线路中心计算机系统（ZLC，Zone Line center Computer）以及城市轨道系统清分系统和线路中央计算机系统融合的自动售检票系统清分及多线路中心（ACLC，AFC Clearing & Multi-Line Center）系统等方案。北京、上海、武汉、苏州等城市均在新建线路上使用多线路中央计算机系统（MLC），南京、福州等城市采用区域线路中心计算机系统（ZLC），而像绍兴，完全新建城市轨道交通自动售检票系统且路网规模较小，则采用将清分系统和线路中央计算机系统融合的自动售检票系统清分及多线路中心（ACLC，AFC Clearing & Multi-Line Center）系统的方案进行建设。上述这些方案都是从第四层线路中央计算机系统开始考虑优化方案，一定程度降低了数据冗余和资源浪费。

2 容器云概述

目前很多的容器云平台通过Docker及Kubernetes等技术提供应用运行环境，从而实现自动化运维、应用快速部署、资源弹性伸缩和动态调整，提高资源利用率。

2.1 容器

容器化通过将应用程序代码和其他依赖项（配置文件等）打包成为一个文件，运行这个文件就会形成一个容器，在这个封闭的环境中容器提供了程序需要的一切，容器也不会捆绑应用环境所依赖的操作系统，可以看作一个轻量级的虚拟机技术。Docker是2013年发起的一个开源项目，是目前应用最广泛的容器引擎技术之一。它实现了一个容器引擎，并且为容器的创建、管理、容器镜像的生成、下载和分发提供了一套简单易用的工具栈，它的容器镜像格式已经是业界事实上的标准。

容器集群管理工具，实现容器的自动化部署、大规模可伸缩及应用容器化管理。目前主流的工具有Kubernetes、Mesos和Swarm。

2.2 云计算

云计算是指在云中运行工作负载，而云是一种能够抽象、汇集和共享整个网络中的可扩展资源的IT环境。云计算是一种提供资源（包括硬件资源和软件资源）的网络，向用户提供一种按需使用、按量付费的无限扩展服务模式。

云计算不是一种全新的网络技术，而是一种全新的网络应用概念，以互联网为中心，提供快速且安全的云计算服务与数据存储，让每一个使用互联网的人都可以使用网络上的庞大计算资源与数据中心。

云计算具有以下优势与特点：虚拟化技术、动态可扩展、按需部署、灵活性高、可靠性高、性价比高、可扩展性等。

云计算提供的服务类型分为三类：基础设施即服务(IaaS)、平台即服务(PaaS)和软件即服务(SaaS)。

云计算体系结构图见图2所示。

图2：云计算体系结构图

2.2.1 基础设施即服务（IaaS）

向用户提供虚拟化计算资源，如虚拟机、存储、网络、安全和操作系统。

2.2.2 平台即服务（PaaS）

向用户提供部署、管理和运行应用程序按需配置的环境和服务，同时提供编译打包、持续集成、持续部署和代码管理等开发运维一体化按需配置的服务。

2.2.3 软件即服务（SaaS）

向用户提供按需软件付费的应用程序，云计算平台托管和管理软件应用程序，并允许用户通过网络访问应用程序。

结合城市轨道交通业务场景，云计算平台现阶段可提供基于IaaS的虚拟化服务、存储服务、网络服务、备份服务等IaaS层服务，以及消息中间件、缓存中间件、通讯中间件、数据库、大数据等PaaS层服务。

2.3 容器云

容器云，即CaaS（Container as a Service，容器即服务），是一种云服务计算的模型，它允许用户使用内部数据中心或云，通过基于容器的抽象来部署和管理应用。容器可以创建一致的环境，以便快速开发和交付可在任何地方运行的云原生应用。CaaS被认为是基础架构即服务（IaaS）的一种子集，介于IaaS和平台即服务（PaaS）之间。

3 基于容器云平台的AFC系统

3.1 容器云平台总体架构

容器云平台总体架构图如图3所示。

图3：容器云平台总体架构图

基于容器云平台的AFC系统利用云计算技术优化资源管理和配置，设备进行集中化管理和监控，充分利用现有资源。新线建设仅需新增车站终端，大大降低建设和运营成本，集群服务模式下系统故障能够快速恢复。因此具有系统可靠性高、系统扩展性好、资源利用率高等优点。

3.2 新型AFC系统架构

根据对城市轨道交通自动售检票系统传统五层架构存在的不足进行分析，结合容器云平台的技术特点，提出基于容器云平台的新型AFC系统架构设计方案，新型架构采用三层设计，包括容器云平台层、车站终端设备层和票卡层，新型AFC系统架构图见图4所示。

图4：新型AFC系统架构图

其中，AFC数据管理平台（ADMC）是将清分中心、线路中央系统、车站计算机系统、互联网票务平台等系统的业务功能进行归纳和整合以后形成，汇聚了AFC系统的数据和应用。将AFC数据管理应用进行分布式微服务改造，以微服务的方式进行发布。同时对系统架构进行集群化改造，支持横向拓展，动态部署，支持跨服务器，集群部署等。

车站终端设备直接通过专用通信传输系统提供以太网通道与容器云平台互连。通信网采用光纤自愈型以太网技术组网，对通信传输系统进行可靠性保护。当发生网络故障时，云平台能够实时、自行恢复其所承载的业务，极大地提高了传输网络的生存性和可靠性。当车站终端设备与云平台之间通信中断或无网络连接时，车站终端设备进入离线运行模式，离线运行期间，可以通过离线导入的形式更新参数，需本地存储交易数据，对于需要联机才能做的业务应该允许降级实现。当通信恢复后，车站终端设备自动将未上传的交易数据上传至容器云平台。

采用“中心—边缘”的融合型架构，中心是承载各个模块系统的中心级数据处理，边缘是承载终端设备及实时数据的计算。如清分处理、线路数据解析、互联网的支付计算这些属于中心计算范畴，车站终端设备属于边缘范畴，提高中心和边缘强大的运算能力、弹性、高可用、可靠、安全等技术特性。

针对城市轨道交通票务业务需求，构建统一的数据中台，统一数据管理，保障数据一致，告别数据冗余。

4 结论

城市轨道交通网络化运营条件下，优化AFC系统架构是提高资源利用率的有效措施与必然趋势。本文分析了传统AFC系统架构存在的不足，以及目前国内主要城市针对不足做的优化，总结了AFC系统架构还有待解决的问题，在此基础上提出了一种基于容器云平台的新型AFC系统架构设计方案，方案采用三层设计，将城市轨道交通清分系统、线路中央计算机系统、车站计算机系统融合通过云平台提供服务。基于容器云平台的AFC系统架构简单，系统可靠性高，系统扩展性好，资源利用率较高，有助于降低投资及运营成本。