基于虚拟化技术的铁路调度集中系统体系架构研究

宋鹏飞，许 伟，赵随海，周宏伟

（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）

1 基于虚拟化的调度集中系统分析

调度集中 (Centralized Train Control，CTC)系统是铁路行车运输指挥的核心系统[1]，是通过对管辖区段内的列车和调车作业统一指挥管理，实现调度指挥集中控制的重要技术装备。经过多年的发展，目前已在高速铁路线路全面应用，实现对高速铁路列车运行的集中控制，提高运输指挥效率。

随着CTC系统在铁路运输指挥中的地位日趋重要，如何加强CTC系统的稳定性、提高故障应急处置能力，是一个亟待解决的问题。刘俊[2]提出，应提升物防水平，针对CTC系统不断优化设备性能，持续改善完善CTC系统功能、健全技防体系，加强应急处置平台能力。当前运输调度指挥生产中遇到了一些问题和挑战，主要反映在以下方面。

（1）既有运输调度台多终端切换操作方式不易于调度员使用。目前调度台中一般设有运行图终端、站场显示终端、助理调度终端、查询终端等多台机器终端，调度员通过操作运行图终端设备，编辑运行调整计划、编写调度命令并下达，在发现车次错误或站场报警时，需要切换至站场显示终端进行修改车次或报警消除确认，通过查询终端查询相邻调度台或其他运输信息。而多台终端的切换操作较为不便，降低调度员的工作效率。同时，散热、噪音等问题一直困扰着调度指挥人员。除此之外，一旦设备出现故障，在狭小的调度台机柜中维修不便，进而影响调度员的工作进度。

（2）既有调度集中系统结构可扩展性较差。每一个调度台存在多个线路接口，在设计院设计时，经常会对接口设备进行利旧处理。同时，高速铁路线路开通稳定之后，会稳步提高线路运力，这就对应着调度集中系统管理的运营数据、逻辑运算处理量阶段式地提高，从而可能导致系统出现操作响应变慢等情况。在系统运用中，运输部门会提出更多的需求和功能，也会引起部分早期建设的系统面临着设备老化、计算能力不足无法适应软件功能不断扩展的现象。

（3）部分调度集中系统设备负载不均衡。对部分新开通的线路，运营列车较少，承担的行车计划、运输作业相应较少，运输能力不紧张，而对部分满负荷线路，大量的运输组织计划、列车开行会引起系统的资源紧缺，主要体现在显示列车状态存在小的延时、系统的操作响应速度不如之前灵敏，查询历史数据时缓慢迟钝等问题，这一类现象亟需升级解决。与之相反的是，CTC系统大多数服务器均为双机热备冗余，此方式虽然提高系统的安全性和可靠性，由于备机系统的逻辑运算较少，也会造成整体资源的浪费。

（4）应急切换困难不利于调度指挥作业。目前一个铁路局集团公司高速铁路线路包含几十条的线路服务器及几百个车站，存在上千个网络设备、服务器设备、终端节点，这对故障的应急处置提出了极大的考验，如果一旦运行图终端设备故障，必须等待电务维修人员进行更换或抢修，应急处置的时间通常较长，这对调度员的行车指挥影响较大。

近年来虚拟机、云计算等技术快速发展，有专家学者考虑依托虚拟化提高服务器的并发性[3-7]。目前在铁路系统中虚拟化的应用有部分案例，刘相坤等[8]在12306双活数据中心的应用中使用虚拟化技术提高数据中心的稳定性；王奇成[9]研究在铁路信息系统运维中应用虚拟化技术降低建设成本。为此，基于虚拟化对铁路调度集中系统进行调整，构建新的调度集中体系结构，在保障设备安全的前提下，重点考虑对运输指挥人员的操作设备进行性能调优，利用虚拟化技术进行负载均衡，对行车设备故障时快速恢复，提升系统响应速度，提高作业效率，从而保障运输指挥的安全高效运行。

2 基于虚拟化的调度集中系统架构设计

基于虚拟化技术，结合当前调度集中系统的调度流程，基于虚拟化的铁路调度集中系统架构示意图如图1所示。

基于虚拟化的铁路调度集中系统体系架构分为虚拟化层、调度集中应用层2层。其中，调度集中应用层实现时，分为3个子层：虚拟化的调度集中应用子层、资源管理子层、备份及应急处理管理子层。调度集中应用层是核心，承载调度指挥全部功能运行；虚拟化层是底层硬件资源的抽象，负责提供虚拟化的数据平台。

图1 基于虚拟化的铁路调度集中系统架构示意图Fig.1 CTC system architecture based on virtualization

2.1 调度集中应用层

调度集中应用层是CTC系统的虚拟化实现，按照一定的虚拟化规则，结合既有CTC的工作逻辑，部署CTC系统所需要的虚拟服务器及终端。

2.1.1 虚拟化的调度集中应用子层

对一个调度区段包含的设备进行虚拟化，调度集中系统中心调度台设备示意图如图2所示。

按照一个调度台的设备进行分类虚拟化处理[10-11]。其中，对调度员使用的列车调度工作站及站场显示工作站进行合并整合，创建一个标准的后台虚拟化行调台虚拟机，部署CTC系统的运行图编辑软件、站场显示软件、调度命令编辑软件。而在调度员前台，使用轻量级的多屏卡客户机连接至此的行调台虚拟机，做到“操作—显示”分离，调度员的所有操作均在一台客户机上完成，减少终端切换的操作。调度员使用客户机作为前端操作机，通过专用的虚拟化代理软件，连接至后台的行调台虚拟机中，所有CTC数据软件均部署在后台，逻辑运算及数据的处理由后台虚拟机负责完成，前端的客户机负责展示。对中心的助理调度员工作站、综合维修工作站、维护台，采用类似的虚拟化方案处理。

图2 调度集中系统中心调度台设备示意图Fig.2 Schematic diagram of CTC equipment in Dispatching Centre

对CTC系统的应用服务器、数据库服务器设备，创建一个高配置的虚拟机服务器，独立运行在后台，无需显示器、键盘等外设，将CTC系统的应用程序及软件所需数据迁移至该虚拟化服务器中。

对CTC系统的通信服务器及各个接口服务器，按需创建所需要的虚拟服务器终端，并将CTC系统对应的软件及数据迁移至此虚拟化服务器中。

所有的虚拟化服务器及终端均运行在总的虚拟化管理中心，如果现场需要扩展新的CTC服务器，则只需要按照性能要求，克隆一台新虚拟服务器接入，提高CTC结构的可扩展性和灵活性。对运输调度人员，前台整合了原有的多个设备，保留一台客户机的多屏界面显示和键盘外设，实现操作便捷，且能降低噪音和减少散热。

2.1.2 资源管理子层

资源管理子层包括2个模块：状态监测维护模块、资源监测调度管理模块。其中，状态监测维护模块基于虚拟化操作系统接口开发，主要负责对所有虚拟机的轮询检测，包括CPU、硬盘、内存、网络资源等的状态监测，同时监测CTC业务软件的运行状态，实时将设备的状态展示给行车维护人员，并在异常时进行报警；资源监测调度管理模块负责虚拟化的服务器及终端的负载均衡管理，虚拟化技术中存在分布式资源调度和高可用性2种负载均衡策略，可以动态调整服务器的负载，从而能够较好地解决多个设备之间的资源使用率，达到负载均衡。资源监测模块在一定时间内监测到每一个虚拟化机器的CPU或内存使用量超过阈值(如超过70%)之后，启动负载调优，提供2种策略：①数据中心平台仍有较多资源的情况下，对高负载的虚拟机器分配更多的CPU、内存；②平台本身资源紧张情况时，降低负载少的服务器资源配额，分配至负载高的虚拟机服务器中。

在调度集中系统功能逐渐增多，线路运行列车数目、作业数量饱和等状况下，资源管理子层能够解决或缓解既有调度集中系统资源消耗高、行车操作响应慢等问题。通过虚拟化的资源管理层动态调度调优，调整各个设备的负载均衡，能够提高行车人员的操作响应速度，提升运输效率。

2.1.3 备份及应急处理子层

备份及应急处理子层由2个模块构成：动态备份模块、应急处置模块。在虚拟平台构建之后或虚拟机器发生变化时，可对虚拟机进行快捷的动态备份。而当某个虚拟化服务器或终端发生故障时，通过应急处置模块可迅速将CTC应用软件迁移到未发生故障的虚拟机上，或者便捷地替换成新的虚拟机，提高了故障处理的响应度及便捷性，缩短故障处置时间，从而减少故障对运输指挥人员的作业影响。

2.2 虚拟化层

虚拟化层是整个体系架构的基层，为调度集中系统提供虚拟化的数据平台。

当前虚拟化技术大致可分为5种：CPU虚拟化、网络虚拟化、应用虚拟化、服务器虚拟化、存储虚拟化。其中前2种偏向于硬件CPU、网络设备的虚拟，应用虚拟化重点是对软件层面的远程交付、远程接入。服务器虚拟化是将物理硬件和操作系统分开，从而提高整个设备的资源利用率和灵活性，此技术允许不同操作系统(Windows、Linux、Unix等)的多个虚拟机在同一个物理主机(数据平台)上独立运行，每台虚拟机都有自己的一套虚拟硬件(网卡、CPU、硬盘、内存等)。每台虚拟机是封装在一个独立的文件中，可以快速的保存、克隆、部署。在调度集中系统虚拟化中，重点使用服务器虚拟化技术及存储虚拟化技术。

在一个高性能的数据中心上，安装部署一套虚拟化操作系统，该虚拟化操作系统将各式各样的硬件进行抽象封装，形成一组一致的、标准化的硬件，实现对不同物理硬件的无差别化接口管理，管理员无需直接面向物理的硬件，而通过管理中心提供的接口集中管理协调整个虚拟服务器的所有资源，包括硬盘、CPU、内存、网络等。管理员通过虚拟化服务管理中心统一汇总管理底层各种物理硬件资源，打破操作系统与硬件的互相依赖，为用户提供大量整合后的虚拟资源；虚拟化服务管理中心聚合多台虚拟化操作系统的物理资源，实现对虚拟化服务器和终端实行群集式、并发式的集中控制。管理中心还提供包括虚拟机器的迁移、分布式服务、虚拟机的克隆部署等功能；同时向上一层提供集中的管理接口和维护接口，并具备集中化管理、操作自动化、资源优化的服务编程接口。

通过虚拟化层，能够解决调度集中系统整合困难、可扩展性差的问题。在调度集中系统硬件设备增设、线路升级改造等情况时，通过虚拟化层的统一封装抽象，可便捷地创建新的虚拟机、或动态地对既有虚拟化环境不停机扩容，从而提升调度集中系统的扩展性。

3 结束语

基于虚拟化技术，通过对铁路局集团公司中心调度区段的CTC系统服务器和终端的虚拟化，分层次设计调度集中系统体系架构，满足既有运输生产需要，提高CTC系统的可扩展性。基于虚拟化技术的调度集中系统体系架构可以简化调度台的设备布局，减少调度人员频繁切换的操作；动态调整各个服务器的资源使用，达到负载均衡的目的，提高用户操作的响应速度；在设备故障应急处置时，利用虚拟化的动态监测及备份恢复技术，大幅缩短系统的故障处置时间。随着“智能调度集中”的提出，当前CTC系统的接口不断增多，通过虚拟化技术的应用，将来CTC系统可以通过适当调整系统体系架构，容纳更多的信息系统，承载更多的数据中心，同时虚拟化是云计算的基础，能够为CTC系统引入云计算等先进技术奠定坚实的基础。