基于云计算技术的城市轨道交通综合监控系统部署方案

周增惠，孔国权，张喜元

（温州市铁路与轨道交通投资集团有限公司运营分公司，浙江温州 325000）

随着云计算、大数据、物联网等新技术的发展，城市轨道交通机电设备和运营系统的智能化、信息化程度及安全性要求越来越高，综合监控系统（ISCS）的规模也随之不断增大，其使用的服务器、存储设备、网络资源、终端数量大幅增加。而传统ISCS部署方案中服务器利用率低、系统兼容性差、扩展不便、空间占用率高等劣势日益凸显，亟待解决。为解决上述问题，本文以温州市轨道交通S1线一期工程为背景，构建基于云计算技术的城市轨道交通ISCS，并介绍其应用情况，以期为类似工程提供参考和借鉴。

1 线路概况

温州市轨道交通S1线一期工程全长53.507 km，呈东西走向布设，西起桐岭站，东至双瓯大道站。全线近期设置车站18座，其中地面车站2座，高架车站13座，地下车站3座；桐岭站附近设桐岭车辆段，瓯华站东端设灵昆车辆段，温州站附近设运行控制中心（OCC）。

2 传统ISCS部署方案及其劣势

在传统部署方案中，ISCS通常采用分层分布式架构，由中央级综合监控系统（CISCS）、车站级（含车辆段等）综合监控系统（SISCS）、主干网络等组成。SISCS一般设置车站级服务器（冗余配置）、存储设备、综合监控工作站、网络设备及其组建的车站级局域网系统，并提供千兆接口与主干网络连接。

传统ISCS部署方案的特点是数据服务采用分布式，以各车站/车辆段作为数据收集和处理的核心，各站点均配置1套冗余的实时服务器，用于对本站范围内的被监控设施设备进行实时的数据采集、报警分析、运算控制、事件记录等，而OCC负责对所有车站的数据进行汇集、处理、存储和管理。

这种部署方案存在以下劣势。

（1）服务器资源利用率低。在建设ISCS的过程中，通常会考虑到其未来业务发展及突发需求，因此在选择服务器及存储、网络等硬件设备时留有一定比例的余量，以满足其性能和容量承载需求。但实际情况是，硬件资源上线后，系统在一定时间内的负载并不太大，使较高配置的硬件资源浪费严重。

（2）软件系统兼容性差。系统对新增的业务需求反应不灵敏，无法灵活有效地调配系统资源以适应需求的不断增加。由于不同子系统对所需的运行环境和硬件资源配置存在较大差异，因此要在传统基础架构上整合新、旧子系统，并同时兼顾其可靠性、稳定性及运维管理等，难度非常大。而较常见的做法是新增与子系统配套的计算、存储和网络等硬件资源，从而导致成本的增加及硬件资源的浪费。

（3）运维成本过高。传统ISCS除硬件成本较高外，其OCC和车站设备还存在占用空间大、线缆多、耗电量大、人力成本高等问题，导致其运维成本大幅提升。

（4）可管理性低。传统ISCS的硬件设备数量众多，难以进行有效管理，而且新设备和新应用的部署时间长，也增加了系统重建和应用的难度。

3 基于云计算技术的ISCS部署方案

在温州市轨道交通S1线一期工程设计初期，考虑到其车站多为地面或高架车站，各子系统监控模式较为简单，全线监控点数较少，为减少投资，降低工程实施难度，简化系统结构，提高资源利用率，降低耗电量及维护成本，该工程采用了全国首创的基于云计算技术的ISCS部署方案，通过对资源进行一体化管理，提升系统的整体服务水平。

3.1 系统架构

在基于云计算技术的ISCS部署方案中，中央级和车站级服务器的功能均由位于OCC的云计算服务器群组通过虚拟化技术实现，各车站不再单独设置车站服务器，仅设交换机和前置处理机（FEP）。全线各站被监控设施设备的实时数据均通过主干网络汇集到OCC，由OCC的云计算服务器群组统一进行处理、存储和管理，云计算服务器群组除负责对中央及车站各集成、互联子系统的轮询数据进行反馈外，还需及时响应中央及各车站调度人员下发或上传的控制指令。系统架构如图 1所示。

图1 温州市轨道交通S1线一期工程ISCS架构

在CISCS中部署2套云计算服务器群组，1套主用，1套备用，均连接中央交换机，二者之间通过冗余链路互联。这2套云计算服务器群组利用华为FusionSphere云平台管理软件对中央及车站级服务器进行虚拟化，形成弹性的数据中心资源池，从而可实现对资源的自动化调配和统一管理，提高服务器的资源利用率和计算效率，以及降低维护成本。其分别搭建如下虚拟服务器设备：2 台中央级实时服务器、2台中央级历史服务器、20座车站（包括2座地面车站、13座高架车站、3座地下车站和2座车辆段）的车站级实时服务器。

为确保SISCS的可靠性，在各地下车站均配置1台车站级服务器，在高架和地面车站中各配置1套工作站，实现主用服务器群组上的车站级虚拟服务器与车站级控制站（即地下车站中的服务器与高架或地面车站中的工作站）的双机冗余。在CISCS或主干网络发生故障时，车站级控制站可作为冗余备份，管理和处理相关数据，保证SISCS的正常运行。

3.2 软件配置

温州市轨道交通S1线一期工程采用的ISCS软件平台是在上海宝信软件股份有限公司iRail软件基础上开发出来的，具有分布式、基于客户/服务器结构的特点。该软件与云计算服务器虚拟化软件（即华为FusionSphere云平台管理软件）具备良好的兼容性，可满足城市轨道交通ISCS对实时性、安全性、可靠性、易运维部署等的需求。系统的实时服务器安装操作系统（含虚拟化软件）、虚拟机组（组内各虚拟机均含操作系统及iRail软件）；其历史服务器安装操作系统（含虚拟化软件）、实时历史数据库iHyperDB及关系数据库MySQL。

3.3 硬件配置

本工程中的云计算服务器群组采用华为FusionCube 9000融合基础设施一体机（由模块化可插拔刀片服务器组成），其配置如下，详见表1、表2。

表1 云计算服务器群组资源分布

表2 单个节点配置

（1）共配置3个刀片服务器机框，其中主用服务器群组配置2个，备用服务器群组配置1个。

（2）共配置计算刀片（即计算节点）11个，其中主用服务器群组配置6个，备用服务器群组配置5个。

（3）共配置计算存储融合型刀片（即存储节点）6个，其中主用和备用服务器群组各配置3个。

（4）实配10K SAS硬盘的裸容量总和为59.4 TB，其中主用和备用服务器群组各29.7 TB。

4 应用效果

基于云平台技术的ISCS自2019年9月在温州市轨道交通S1线一期工程中开始应用至今，取得了良好的效果，降低了ISCS业务与服务器硬件资源的高度耦合，使其由传统的双机热备向集群分布式发展，解决了海量数据存储、数据碰撞、数据挖掘方面的瓶颈问题，为建立线路级和线网级数据中心奠定了基础。其具体体现在以下方面。

（1）投资方面。由于该系统采用最新的云计算技术，能够对资源进行动态调配（如针对业务量大的车站，可在典型资源配置的基础上动态增加CPU、内存、磁盘空间及网络等资源的分配），并提高各服务器的平均利用率（实际从5%～15%提高到60%～80%），因此使系统软、硬件设备的投资成本减少了约20%，并同时减少了用房、耗电、空调和人力等隐性成本。

（2）项目实施方面。①通过简化ISCS各子系统间的接口和工作协作程序，实现业务的快速部署,减少项目投资；②以典型车站作为模板，通过克隆复制技术，可在30 min内完成20个车站级实时服务器的业务部署；③将服务器重建和应用加载的时间从120～140 h缩短到30～50 min，从而可实现零宕机硬件维护和升级，大幅降低项目的部署难度；④云计算技术可支持系统业务的弹性并行扩展，有利于城市轨道交通线路的分段建设开通和新业务的部署。

（3）运营维护方面。①该系统可对服务器资源进行统一管理及动态调配，数据迁移效率高，有利于保护数据，提高系统的兼容性和易维护性；②可减少各车站的设备数量，从而降低运维难度，减少运维的人力成本；③可在系统软件平台上直观显示服务器群组、虚拟机、主备切换等的性能指标，如CPU、内存、网络流入流出量、读写速率等，便于维护人员在出现故障时应急处理，从而提高其故障处置速度；④通过报警故障统计归类分析，促进城市轨道交通运营维护模式从计划检修向策略检修过渡。

5 结语

基于云计算技术的ISCS在温州市轨道交通S1线一期工程中的成功应用，为该方案走向市场创造了条件，相信该方案将会在城市轨道交通行业中得到广泛应用。