基于云計(jì)算的智能化軌道交通系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與維護(hù)研究

■　蘇俊鋒　羅　茜

基于云計(jì)算的智能化軌道交通系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與維護(hù)研究

■蘇俊鋒羅茜

通過(guò)對(duì)智能化軌道交通系統(tǒng)和云計(jì)算技術(shù)深入分析，提出一種基于云計(jì)算技術(shù)的智能化軌道交通系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與維護(hù)方法。以虛擬化技術(shù)為基礎(chǔ)，將各子系統(tǒng)監(jiān)測(cè)采集到的海量數(shù)據(jù)通過(guò)分布式數(shù)據(jù)總線傳輸至云計(jì)算平臺(tái)，在云計(jì)算平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析和挖掘，繼而使收集到的信息資源獲得全面的共享和整合。通過(guò)智能分析，第一時(shí)間予以反饋，給出預(yù)測(cè)評(píng)估，使之達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與維護(hù)的目的。

智能化；軌道交通；云計(jì)算；監(jiān)測(cè)；維護(hù)

0　引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，科技水平的日益創(chuàng)新，軌道交通逐步朝著智能化方向飛速前進(jìn)，其應(yīng)用領(lǐng)域從原來(lái)的器件與設(shè)備信息智能化擴(kuò)展到海量信息智能化。在發(fā)布的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》文件中，對(duì)于智能交通管理系統(tǒng)提出了“重點(diǎn)開發(fā)綜合交通運(yùn)輸信息平臺(tái)和信息資源共享技術(shù)、智能技術(shù)”，智能化軌道交通建設(shè)將成為重中之重。

智能化軌道交通系統(tǒng)是一個(gè)龐大且復(fù)雜的體系，其中包含多個(gè)自動(dòng)化子系統(tǒng)，如各子系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的海量信息無(wú)法及時(shí)有效處理，便會(huì)產(chǎn)生信息孤島［1-2］。各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分散丟失，無(wú)法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的監(jiān)控和維護(hù)，由此更可能導(dǎo)致嚴(yán)重的交通事故，甚至帶來(lái)人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。云計(jì)算技術(shù)是一種以數(shù)據(jù)和處理能力為中心的密集型計(jì)算模式，其采用分布式的形式架構(gòu)，依托虛擬化平臺(tái)，內(nèi)部新增多個(gè)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)設(shè)備。綜合利用現(xiàn)有硬件資源，實(shí)現(xiàn)信息資源的相互共享和海量數(shù)據(jù)的整合，有效避免信息孤島問(wèn)題，節(jié)省硬件存儲(chǔ)空間，有效提升大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)性能和計(jì)算的運(yùn)行效率。通過(guò)流式計(jì)算和批處理計(jì)算等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大數(shù)據(jù)的挖掘和實(shí)時(shí)處理，使軌道交通朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化監(jiān)管模式發(fā)展。

1　智能化軌道交通系統(tǒng)及技術(shù)

城市軌道交通包括地鐵、輕軌、有軌電車、磁懸浮列車等多種類型。而軌道交通智能化系統(tǒng)由6大自動(dòng)化子系統(tǒng)組成，包括綜合監(jiān)控系統(tǒng)、綜合安防系統(tǒng)、乘客資訊系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)。

（1）綜合監(jiān)控系統(tǒng)。是以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和信息技術(shù)為基礎(chǔ)的大型計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)。主要通過(guò)集成系統(tǒng)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，并與其他子系統(tǒng)互聯(lián)，為城市軌道交通現(xiàn)代化運(yùn)營(yíng)管理提供信息化基礎(chǔ)。

（2）綜合安防系統(tǒng)。由安防網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、安防集成管理子系統(tǒng)、綜合電視監(jiān)視子系統(tǒng)、門禁子系統(tǒng)、電子圍墻系統(tǒng)及車站緊急報(bào)警子系統(tǒng)等構(gòu)成。安防系統(tǒng)集成既可作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)集成項(xiàng)目，也可作為一個(gè)子系統(tǒng)包含在智能化軌道交通系統(tǒng)集成中，實(shí)現(xiàn)對(duì)車站、車輛段、停車場(chǎng)、主變電所的設(shè)備和管理用房、出入口、票務(wù)室、銀行等重點(diǎn)區(qū)域的出入管理、登記、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控和入侵探測(cè)等功能，有效保障地鐵運(yùn)營(yíng)安全。

（3）乘客資訊系統(tǒng)。是依托多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心，通過(guò)設(shè)置站廳、站臺(tái)、出入口、列車的顯示終端，讓乘客及時(shí)準(zhǔn)確了解列車運(yùn)營(yíng)信息和公共媒體信息的多媒體綜合信息系統(tǒng)。

（4）自動(dòng)售檢票系統(tǒng)。簡(jiǎn)稱AFC系統(tǒng)，采用全封閉的運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)軌道交通售檢票、計(jì)費(fèi)、統(tǒng)計(jì)、清分、管理等全過(guò)程的自動(dòng)處理。

（5）通信系統(tǒng)。一般由傳輸網(wǎng)絡(luò)、公務(wù)電話、專用電話、廣播、無(wú)線通信、時(shí)鐘、電源及接地等子系統(tǒng)組成，構(gòu)成傳送語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和圖像等各種信息的綜合業(yè)務(wù)通信網(wǎng)。

（6）信號(hào)系統(tǒng)。包括4個(gè)子系統(tǒng)：列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)、列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)、列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)連鎖系統(tǒng)。各子系統(tǒng)通過(guò)信息交換網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)行車指揮和列車運(yùn)行的自動(dòng)化控制。

2　云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算（Cloud Computing）是21世紀(jì)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展推動(dòng)下又一大重要進(jìn)步，是一種基于因特網(wǎng)的超級(jí)計(jì)算模式。通過(guò)使用大量的分布式計(jì)算機(jī)，在遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)中心成千上萬(wàn)臺(tái)電腦和服務(wù)器連接成一片電腦云?！霸啤敝械馁Y源是可以無(wú)限擴(kuò)展的，并且可以隨時(shí)獲取，按需使用，隨時(shí)擴(kuò)展，按使用付費(fèi)。云計(jì)算技術(shù)具有4個(gè)顯著特點(diǎn)：超大規(guī)模、高可靠性、通用性、成本低，并實(shí)現(xiàn)按需服務(wù)。

云計(jì)算常與網(wǎng)格計(jì)算、效用計(jì)算、自主計(jì)算相混淆。事實(shí)上，許多云計(jì)算部署依賴于計(jì)算機(jī)集群（但與網(wǎng)格的組成、體系結(jié)構(gòu)、目的、工作方式大相徑庭），也吸收了自主計(jì)算和效用計(jì)算的特點(diǎn)。從技術(shù)上看，大數(shù)據(jù)與云計(jì)算的關(guān)系就像一枚硬幣的正反面一樣密不可分。大數(shù)據(jù)必然無(wú)法用單臺(tái)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，必須采用分布式計(jì)算架構(gòu)。它的特色在于對(duì)海量數(shù)據(jù)的挖掘，但必須依托云計(jì)算的分布式處理、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、云存儲(chǔ)和虛擬化技術(shù)。

云計(jì)算可以認(rèn)為包括以下幾個(gè)層次的服務(wù)：基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）、軟件即服務(wù)（SaaS）和平臺(tái)即服務(wù)（PaaS）。這三種服務(wù)并不是獨(dú)立的，其中存在密不可分的層次關(guān)系。

基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)：IaaS（Infrastructure-as-a-Service），消費(fèi)者通過(guò)Internet可以從完善的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施獲得服務(wù)。云存儲(chǔ)與虛擬機(jī)平臺(tái)運(yùn)行的程序同時(shí)進(jìn)行，提高了云計(jì)算資源管理的效率，動(dòng)態(tài)的為用戶提供了及時(shí)的服務(wù)（如硬件服務(wù)器租用）。

軟件即服務(wù)：SaaS（Software-as-a-Service），這種類型的云計(jì)算是通過(guò)瀏覽器把程序傳給成千上萬(wàn)的用戶。用戶無(wú)需購(gòu)買軟件，而是向提供商租用基于Web的軟件，來(lái)管理企業(yè)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)（如Google Apps）。

平臺(tái)即服務(wù)：PaaS（Platform-as-a-Service），這種形式的云計(jì)算把開發(fā)環(huán)境作為一種服務(wù)來(lái)提供給用戶，因此，PaaS也是SaaS模式的一種應(yīng)用。廠商提供開發(fā)環(huán)境、服務(wù)器平臺(tái)、硬件資源等服務(wù)給用戶，用戶在其平臺(tái)上開發(fā)自己的應(yīng)用程序并通過(guò)其服務(wù)器和互聯(lián)網(wǎng)傳遞給其他用戶。

云計(jì)算是分布式處理、并行處理和網(wǎng)格計(jì)算的發(fā)展，或者說(shuō)是這些計(jì)算機(jī)科學(xué)概念的商業(yè)實(shí)現(xiàn)［3-5］。其基本原理是：在典型的云計(jì)算模式中，用戶通過(guò)終端接入網(wǎng)絡(luò)，向“云”提出需求；“云”接受請(qǐng)求后組織資源，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)為終端提供服務(wù)。用戶終端的功能可以大大簡(jiǎn)化，諸多復(fù)雜的計(jì)算與處理過(guò)程都將轉(zhuǎn)移到終端背后的“云”上去完成。用戶所需的應(yīng)用程序并不需要運(yùn)行在用戶的個(gè)人電腦、手機(jī)等終端設(shè)備上，而是運(yùn)行在互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模服務(wù)器集群中；用戶所處理的數(shù)據(jù)也無(wú)需存儲(chǔ)在本地，而是保存在互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)中心里。提供云計(jì)算服務(wù)的第三方負(fù)責(zé)這些數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的管理和維護(hù)，并保證為用戶提供足夠強(qiáng)的計(jì)算能力和足夠大的存儲(chǔ)空間。在任何時(shí)間和任何地點(diǎn)，用戶只要能夠連接至互聯(lián)網(wǎng)，就可以訪問(wèn)云，實(shí)現(xiàn)隨需隨用。

3　基于云計(jì)算的智能化軌道交通系統(tǒng)

智能化軌道交通系統(tǒng)作為一個(gè)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)［6］，6個(gè)子系統(tǒng)中每個(gè)子系統(tǒng)又存在諸多的傳感器與信號(hào)采集終端，各子系統(tǒng)在運(yùn)行中所產(chǎn)生的海量信息包含大量數(shù)據(jù)，如何對(duì)這些海量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和挖掘是一大難題。因此，通過(guò)對(duì)智能化軌道交通系統(tǒng)和云計(jì)算技術(shù)的研究，提出基于云計(jì)算技術(shù)的智能化軌道交通系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與維護(hù)方法，以虛擬化技術(shù)為基礎(chǔ)，將各系統(tǒng)監(jiān)測(cè)采集到的海量數(shù)據(jù)通過(guò)分布式數(shù)據(jù)總線傳輸至云計(jì)算平臺(tái)，在云計(jì)算平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析和挖掘，繼而使信息資源可以獲得全面的共享和整合，分析后第一時(shí)間予以反饋，給出預(yù)測(cè)評(píng)估，使其達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與維護(hù)的目的。

基于云計(jì)算的智能化軌道交通系統(tǒng)架構(gòu)分為3層（見圖1）。

第一層為設(shè)備層。設(shè)備層通過(guò)傳感器和信號(hào)采集終端對(duì)各子系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，考慮到采集的數(shù)據(jù)存在干擾和噪聲，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸（如以太網(wǎng)、GPRS/CDMA等）傳輸給下一層。

第二層為云計(jì)算平臺(tái)層。作為智能化軌道交通系統(tǒng)的平臺(tái)支撐，云計(jì)算平臺(tái)層起到承下啟上的作用，接收設(shè)備層采集到的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，并為上層提供計(jì)算、存儲(chǔ)資源和大數(shù)據(jù)挖掘能力支持。

傳統(tǒng)軌道交通系統(tǒng)平臺(tái)需在中央級(jí)、車站及車輛段設(shè)置多臺(tái)不同服務(wù)器來(lái)完成數(shù)據(jù)的采集，控制信號(hào)的上傳下達(dá)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各子系統(tǒng)中全線路各種狀態(tài)的監(jiān)控和故障情況的處理，這就使得設(shè)備投資費(fèi)用很高，且很多設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間處于空閑狀態(tài)，造成資源的浪費(fèi)。且由于設(shè)備眾多，也使得設(shè)備維修成本和人工成本增加，云計(jì)算平臺(tái)的使用就使得這個(gè)問(wèn)題大大簡(jiǎn)化。

云計(jì)算平臺(tái)采用虛擬化技術(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)所需要運(yùn)行的應(yīng)用程序并不需要運(yùn)行在各車站的服務(wù)器終端上，而是運(yùn)行在“云”平臺(tái)的大規(guī)模服務(wù)器集群中。各子系統(tǒng)所采集的海量數(shù)據(jù)也無(wú)需存儲(chǔ)在本地，而是保存在“云”平臺(tái)的數(shù)據(jù)中心里。大數(shù)據(jù)挖掘分析可通過(guò)流式處理和批處理技術(shù)等，對(duì)應(yīng)用層提供技術(shù)支持，將第一層傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理和分析，得到設(shè)備的狀態(tài)情況并將結(jié)果傳向下一層。

第三層為應(yīng)用層。接收第二層云計(jì)算平臺(tái)層傳輸過(guò)來(lái)的設(shè)備狀態(tài)情況，及時(shí)作出反饋，給出預(yù)測(cè)評(píng)估，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備層各子系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖1　基于云計(jì)算的智能化軌道交通系統(tǒng)架構(gòu)

4　結(jié)束語(yǔ)

日益嚴(yán)峻的交通問(wèn)題使城市化進(jìn)程面臨巨大的壓力和棘手的難題，因此，大力推進(jìn)軌道交通系統(tǒng)建設(shè)任務(wù)刻不容緩。截至目前，我國(guó)共有38座城市擁有185條線路，運(yùn)營(yíng)總里程達(dá)4 073 km。從我國(guó)城市軌道交通行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，近五六年我國(guó)城市軌道交通保持快速發(fā)展勢(shì)頭，若能將先進(jìn)的技術(shù)運(yùn)用到軌道交通系統(tǒng)建設(shè)中，必能節(jié)省大量的建設(shè)成本，避免資源的浪費(fèi)。云計(jì)算是對(duì)IT商業(yè)模式的革命，是繼水、電、氣和通信之后的第五個(gè)公用平臺(tái)，作為新型的計(jì)算機(jī)模式，將其應(yīng)用到軌道交通中，為其提供強(qiáng)有力的信息技術(shù)支持，必將引領(lǐng)軌道交通系統(tǒng)朝著智能化、信息化方向發(fā)展。

［1］ 張巍，湯立.我國(guó)鐵路云計(jì)算技術(shù)發(fā)展策略的思考［J］. 中國(guó)鐵路，2012（10）：13-16.

［2］ 魏曉東.城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)與技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［3］ 楊迎卯.云計(jì)算對(duì)軌道交通的影響［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2015（3）：115-116.

［4］ 劉陽(yáng)學(xué)，王萬(wàn)齊，李平，等.基于云計(jì)算的鐵路工程管理平臺(tái)數(shù)據(jù)安全研究［J］.鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2015（6）：51-55.

［5］ 姚宏宇.基于云計(jì)算架構(gòu)的交通智能化信息平臺(tái)［J］. 信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2014（10）：20-23.

［6］ 周光軍.基于云計(jì)算技術(shù)的城市軌道交通信息系統(tǒng)統(tǒng)一開發(fā)測(cè)試平臺(tái)應(yīng)用架構(gòu)淺析［J］. 信息安全與技術(shù)，2015（1）：43-47.

蘇俊鋒：深圳達(dá)實(shí)智能股份有限公司，高級(jí)工程師，廣東 深圳，518057

羅茜：湖南大學(xué)，碩士研究生，湖南 長(zhǎng)沙，410082

責(zé)任編輯李葳

U282；TP274+.2

A

1672-061X（2016）04-0071-03