城轨信息化案例 | 基于云计算的综合监控系统的实践

摘要：温州市域铁路S1线一期工程采用的综合监控系统，在国内首次采用云技术架构。本文介绍了基于云计算的综合监控系统的建设背景、建设目标，并就温州市域铁路S1线一期工程综合监控系统的云计算产品选型及方案设计过程进行了详细分析，着重描述了基于云计算的综合监控系统的集成、实现过程，并对云计算在轨道交通中的应用进行了展望。

1、建设背景

温州市域铁路S1线一期工线路全长53.507km，其中路基3.029km、桥梁7座39.112km、越岭双线隧道2座1.323km、地下线10.043km，桥隧比94.34%。全线近期设置车站19座，其中地面车站2座，高架车站14座，地下车站3座，近期工程平均站间距3.13km，远期平均站间距2.73km；于桐岭站附近设桐岭车辆段，于瓯帆站东端设灵昆车辆段，温州站附近设控制中心。

本项目创新点之一是：首次将云技术架构应用到轨道综合监控领域。

云计算是一种新兴计算模式，是分布式计算、并行计算、网络存储、虚拟化、负载均衡等计算机和网络技术发展融合的产物，利用互联网技术为用户提供动态服务。云计算在使用的过程中不会受到物理因素的限制，能够根据用户的实际需求进行动态部署，通过远程的方式将成千上万台电脑和服务器与数据中心连接在一起，按需从网络访问共享的可配置的计算资源池，并可灵活增加资源池中的资源，能够满足用户在使用过程中的个性化需求，同时最大限度地降低管理维护费用。

轨道交通综合监控总集成系统是轨道管控系统的核心组成部分。该系统是以机电设备监控为基础的大型SCADA系统；是监控线路所有机电设备的计算机工程系统。它包含了集成在其内的集成子系统，同时与其他自动化专业子系统互联，进行信息交互，构建线路的信息交换与共享平台，促进高效运营管理的实现。

随着云计算和大数据技术的日益发展，轨道交通行业结合自身特性也进行了积极探索。在这样的大背景下，轨道交通云综合监控解决方案应运而生，为国内轨道交通行业提供了新的发展和建设思路。

2、建设目标

通过云综合监控的建设，方可实现：

1)从系统角度讲，云综合监控系统将各分散孤立的自动化系统联结为一个有机的整体，实现轨道交通各专业系统间的信息互通、资源共享，提高各系统的协调配合能力，实现系统间的高效联动，提高轨道交通线整体的自动化水平，并为轨道交通运营管理提供了信息集成的平台，避免大量冗余数据和信息被重复使用、保存；同时整合线路信息为接入到更高一级网络打下基础，以实现将单一轨道交通线运营纳入到轨道交通网运营管理体系中。

2)从运营角度讲，云综合监控系统提供切实可靠、高效的技术手段，增强轨道交通对各种突发事件的应变能力和提高反应速度，增强对各种灾害的抵御能力，促进提高轨道交通的运营管理水平，改进轨道交通服务质量和服务水平，更好地为广大乘客服务，为建设数字化轨道交通打好基础，有利于改进轨道交通资源管理水平，提高经济效益。

3)从投资角度讲，云综合监控平台采用最新的云架构技术，通过动态资源调整，针对业务量大的车站，可以在典型资源配置基础上动态增加 CPU、内存、磁盘空间以及网络等资源，有效地提高资源的利用效率；同时传统需要十几个甚至几十个机柜才能部署的设备，采用高度融合的云平台后，只需要 3-5 个机柜就能满足业务服务要求，机房空间大幅减少，有效降低建设成本。

4)从实施角度讲，云综合监控平台简化了各子系统间的接口和工作协作程序，有效降低项目建设复杂性，最终减少项目投资和人力投入；云架构方案可以实现业务快速部署,以典型车站作为模板，通过克隆复制技术，30分钟内可完成20个车站实时服务器业务部署，极大简便了项目的实施中的设备管理难度；

5)从运维角度讲，将综合监控系统以云的方式部署在线路指挥中心，减少了各车站的设备数量，必然降低运维难度，提高故障处置速度，降低维护人员工作负荷强度，通过报警故障统计归类分析，运营维护从计划检修向策略检修过渡。

6)从标准规范角度讲，宝信软件参与制定并实施了上海、成都、重庆等地“综合监控系统人机界面标准化”、“综合监控系统接口标准化”、“综合监控系统质量验收标准”等多个地方或企业标准，并参与审定国家标准：《城市轨道交通综合监控系统工程技术规范》。宝信软件作为集成商将其在标准规范方面的深厚积累，凭借技术和实施能力，让温州市域铁路网建设实施踏出坚实的第一步，为温州市域铁路网今后全面实施奠定基础，成为后续线路建设形成良好的规范与示范效应。

3、方案设计

3.1 基于云平台的综合监控系统与传统综合监控系统架构的区别

传统的综合监控系统车站级均设置服务器处理和存储本站数据，最终将所有车站级综合监控系统数据传输到中央级综合监控系统，车站需配置大量服务器，成本较高并且资源无法灵活高效利用和统一调配。采用传统架构的综合监控系统如下图所示：

图1 传统的综合监控系统架构

温州S1线综合监控系统硬件平台采用基于虚拟化为核心的云平台技术构建，其架构与传统综合监控系统不同，如下图所示：

图2 基于云计算的综合监控系统架构

简单来说，车站、车辆段、停车场的实时服务器迁移至中央，并通过虚拟化技术来进行搭建。即由位于中央的服务器群组虚拟出中央级和车站级服务器，综合监控系统通过全线的主干网络将各车站监控网的监控信息直接汇集到控制中心的服务器群组从而实现本线内多系统的综合监控管理。

图3 基于云架构的轨道交通综合监控解决方案

采用基于云平台的综合监控系统可以提高系统的可用度、提高系统可维修性、提高系统资源利用率及数据处理能力，但最重要的，还是要提高系统的健壮性（高可靠性）。

在云平台的架构下，车站级综合监控系统服务器由中央服务器群组提供虚拟机，那么当发生故障（如网络故障或中央服务器群组中设备故障时），为保障系统的可靠性，确保车站数据的存储和运营管理，完善的系统冗余方案就至关重要。

3.2 ISCS系统云监控服务器冗余方案

在云平台架构中，中央级综合监控系统（CISCS）中的云平台主备服务器群组，通过FusionSphere虚拟化软件对控制中心及车站级服务器进行虚拟化。采用云计算方案，ISCS系统中云监控服务器的冗余设计是保障高可靠性的重要措施。系统云监控服务器可以有如下冗余方式：

1）云双冗余方案：在云平台主、备服务器群组上各为每个车站服务器设置一台虚拟机，互为冗余。

2）上冗余下单机方案：在云平台主、备服务器群组上各为每个车站服务器设置一台虚拟机，同时在车站设置一台车站控制站（服务器或工作站），互为冗余。

3）上下冗余方案：在云平台主服务器群组上为每个车站服务器设置一台虚拟机，同时在车站设置一台车站控制站（服务器或工作站），互为冗余。

4）上下冗余+主备中心：在位于主数据中心的云平台主服务器群组上为每个车站服务器设置一台虚拟机，同时在车站设置一台车站控制站（服务器或工作站），互为冗余，再在位于备数据中心的云平台备服务器群组上为每个车站服务器设置一台备份。

5）上下冗余+主备中心+云桌面：在位于主数据中心的云平台主服务器群组上为每个车站服务器设置一台虚拟机，同时在车站设置一台车站控制站（服务器或工作站），互为冗余。车站工作站采用云桌面形式。再在位于备数据中心的云平台备服务器群组上为每个车站服务器设置一台备份。

6）纯云方案：在位于主数据中心的云平台主服务器群组上为每个车站服务器设置一台虚拟机，同时在位于备数据中心的云平台备服务器群组上为每个车站服务器设置一台虚拟机，互为冗余。车站工作站采用云桌面形式。

其中1）、6）两种冗余方案中，当发生网络故障，车站无法与中央通信时，系统无法降级使用，故不考虑。

其它几种冗余方案，结合温州S1线的项目实际，考虑到整体结构最优，并最大程度保持传统ISCS架构中稳定的特性，建议采用方案4）上下冗余+主备中心（如下图所示），主服务器群组上的车站服务器虚拟机，与车站控制站（服务器或工作站）双机冗余，同时备服务器群组上留有备份。这样除了有云平台的高可靠性保障之外，当车站和中央通信中断时，车站控制机还可以作为冗余备份管理和处理数据。利用ISCS应用级冗余，可迅速实现切换（秒级）。在采用云平台这种新技术的基础上，又充分发挥了ISCS的特点，解决了ISCS本身的需求，兼顾了创新与稳定。

图4 上下冗余+主备中心方案

4、产品选型

4.1 云平台

基于温州市域铁路S1线一期工线路综合监控系统的实际情况，结合云综合监控系统的建设目标，本项目采用华为FusionCloud云计算解决方案，提供资源池化、融合云等场景下的解决方案。满足用户需求，帮助用户实现业务的云化，推进行业数字化转型。

FusionCloud采用华为FusionSphere虚拟化技术来构建，将应用服务部署到虚拟化的高性能物理服务器FusionCube一体机上，达到高可靠、自动化运维的目标。

FusionCube一体机于12U机框中融合刀片服务器、分布式存储及网络交换机为一体，无需外置存储、交换机等设备，并预集成了分布式存储引擎、虚拟化平台及云管理软件，资源可按需调配、线性扩展。FusionCube内众多物理刀片服务器虚拟化成计算资源池（集群），保障虚拟化平台的业务在出现计划外和计划内停机的情况下能够持续运行。

采用华为FusionSphere虚拟化计算技术可实现：

截至2017年12月，华为云计算服务于全球144个国家和地区超过4000家客户，覆盖政府及公共事业、运营商、能源、金融、交通、制造、媒资、医疗、教育等多个行业。

4.2 综合监控

在华为云平台的基础上，综合监控系统采用宝信轨道交通综合监控平台软件。它是一个拥有诸多优势的全生命周期项目解决方案，系统设计围绕“面向调度、面向设备、服务乘客”的特点及有利于工程管理和实施的方向展开，使调度人员使用方便，使设备维护管理直观高效，同时便于为乘客提供服务。

5、应用系统及实施过程

5.1 综合监控各个子系统

轨道交通综合监控系统是监控线路所有机电设备的计算机工程系统。它包含了集成在其内的集成子系统，同时与其他自动化专业子系统互联，进行信息交互与共享，促进高效运营管理的实现。

本次温州S1线云综合监控系统集成火灾自动报警系统（FAS）、环境与设备监控系统（BAS）、站台门（PSD）等子系统，同时与变电所自动化系统（SCADA）、广播系统（PA）、视频监视系统（CCTV）、乘客信息系统（PIS）、自动售检票系统（AFC）、信号系统（SIG）、时钟系统（CLK）、门禁系统（ACS）等互联。

5.2 重点云监控的集成

5.2.1 功能概述

基于云平台的综合监控系统中各车站虚机在中央群组中虚拟化实现，资源可以统一调配。一般由云平台厂家提供统一的云平台配置管理系统，但是从综合监控的工作站切换登录云平台管理系统到查看操作对应内容需要若干步骤，无疑增加了运维人员的工作量及工作难度。综合以上角度分析，将云平台的相关功能集成到综合监控系统中，能够更加简洁直观的对云平台功能进行操作及展示。

5.2.2 功能需求分析

首先，综合监控的单个车站使用两台以上的服务器互作冗余。在云架构条件下，考虑当发生云平台主机、网络等故障时，综合监控功能仍能够降级到车站运行，因此会在车站至少配置一台控制站实现冗余。以最简单的双冗余为例，一台为云平台服务器群组中的虚拟机服务器，另一台是指车站的控制站。因此，在工作站界面需能够实现实时监控各车站的主备状态，并记录主备切换事件，从而能够直观的查看当前活动机的位置，及时排除问题。同时对主备切换历史事件的查询和统计分析，对云综合监控的架构方案研究有着重要的意义。另外界面上需具备手动切换主备功能，方便主备恢复及自主切换。

其次，在云综合监控项目实际运行中，需要对云平台的集群、主机以及虚机的性能指标有直观的了解，能够查看云平台中各主机以及主机上各车站虚机的cpu、内存、网络和磁盘资源使用率。当服务器群组有故障需维修时，需要对相关虚机进行迁移、关闭或者暂停恢复等操作，服务器恢复后需要重新开启各虚机，所以需要能够实现通过综合监控界面控制云平台中各车站的开启、关闭、暂停、恢复以及迁移功能。同时工作站监控界面中需可以查询云平台的历史控制任务信息，能够查看控制任务开始和完成时间以及任务执行的最终状态。云平台功能需求如下表所示。

表1 监控指标及控制功能

5.2.3 方案设计

结合功能需求分析，主要设计了三张画面，并将此三张画面加入到综合监控系统画面中。在画面一中能够查看当前主备活动状态，具备手动切换主备及查询主备切换累计次数功能。画面二可查看集群及各主机的性能指标数据。通过画面三可监控各车站虚机的性能指标数据，同时具备对各虚机下发控制功能并且能够查询控制任务信息。其中画面一中的功能是通过使用宝信轨道交通综合监控平台软件（简称：iRail）提供的相关功能实现。

5.2.4 界面效果

初步实现的画面效果如以下各图所示。图5所示为主备切换次数监视的统计，从图中可看出发生主备切换的节点及主备切换累计发生的次数。图6所示界面可查看当前活动机位置是在群组还是降级到了车站运行，并且可通过切换按钮实现活动机位置的切换。

图5 主备切换次数监视

图6 车站当前活动机位置

图7 云平台中主机各性能指标数据

图8 云平台中各虚机性能指标数据

如图7所示为各主机的cpu、内存、网络流入流出的性能数据，图8所示为各虚机的cpu、内存、网络流入流出及磁盘读写速率性能数据。

5.3 实施过程

温州S1线现阶段已完成云平台单体调试，包含平台搭建、综合监控软件和云平台软件适配测试、服务器群组冗余测试、主机、虚拟机测试、负载均衡测试等。进入设备综合联调阶段。

该线路由于采用基于云平台架构的综合监控系统，实施过程中与传统方案有所区别，为保障系统的顺利实施，在设计阶段通过搭建模拟环境对云综合监控系统就服务器性能、网络带宽、延迟等核心参数进行测试，在实施阶段，尤其是全网通后各专业数据接入后进行验证，实际情况明显优于实验室阶段测试数据。

表2 实施阶段与实验室阶段测试数据对比

据实际数值反馈，中央虚拟单个高架站配置为8核心，16G内存，服务器CPU占用率、内存占用率单月基本上在3%左右，考虑到极端情况的极限性能，最终得出设备配置选型的优化，最终估算得出还有30%的配置优化空间。

6、成效及总计

温州市域铁路S1线一期工程采用的基于云计算的综合监控系统，目前已取得初步成效。创新性的实现了云构架的综合监控系统的建立，系统稳定，满足轨道交通综合监控系统要求的各项指标，有效提高了各系统的协调配合能力，并实现系统间的高效联动，可提升轨道交通线整体的自动化水平。

综合监控平台采用了最新的云架构技术，通过动态资源调整，针对业务量大的车站，可以在典型资源配置基础上动态增加 CPU、内存、磁盘空间以及网络等资源，有效地提高资源的利用效率。由于在中央集中部署了云平台服务器群组，在车站取消车站服务器及机柜，降低了设备采购成本，为后续线路接入预留了降本增效的空间，机柜的取消有效的节省了机房面积，降低了建设成本。

在实施过程中，云构架的综合监控系统可集中部署并调试，形成针对云平台相关的调试方案及记录，采集并汇总实施阶段数据后，通过系统分析对整个设计方案形成有效闭环。

对于集中在中央的云构架综合监控设备，运营过程中降低了运维难度，提高了故障处置速度，降低了维护人员工作负荷强度，通过报警故障统计归类分析，运营维护从计划检修向策略检修过渡。

7、展望

当前，轨道交通的建设是以“分期规划，按线报批”的模式进行。因此轨道交通传统IT系统也是“按线、分专业”独立设计、分期实施、逐步形成的。其优点是实施难度小，但缺点是没有统筹规划、基础设施分散、平台兼容性差。

采用基于云计算的系统架构可以将各线路各系统的IT资源统一规划，可以为轨道交通综合监控系统带来高可靠性、易扩展性、能够节约投资、高效管理。未来更可以用云的方式部署，融合若干朵云。各线路各系统在云中获取相应资源池，用以系统的部署和实施。

云计算在轨道交通的应用还有利于轨道交通行业大数据中心技术的发展。各机电系统通过建立统一的云计算、云存储、云网络平台，实际上为后期业务的大数据业务发展提供了一套完善的硬件基础设备。

同时，无人驾驶作为综合监控集成信号的综合自动化技术，目前主流采用方案为界面集成，优点为相互独立，互不影响，实施性强。缺点为仅限于界面集成，主要靠专业间联动实现功能，但其发展趋势必为统一平台、统一网络、统一设备，因而也可以纳入云平台。

此外，在轨道融合云方案中还有望配合使用基于容器的综合监控服务端、基于H5的组态展示、

3D、VR等等高新技术，让我们预期这一天的到来。

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