基于云計(jì)算微服務(wù)架構(gòu)的地鐵廣播和乘客信息統(tǒng)一信息發(fā)布系統(tǒng)的研究

胡世宏

(古鈦(上海)科技有限公司，上海 浦東 201208)

1 傳統(tǒng)廣播和乘客信息發(fā)布系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)

車(chē)站廣播設(shè)置廣播控制器、功放、呼叫站、無(wú)源喇叭設(shè)備，車(chē)站乘客信息設(shè)置控制器、LCD(LED)屏，車(chē)場(chǎng)只設(shè)置廣播設(shè)備，控制中心設(shè)置服務(wù)器，處理ATS、時(shí)鐘等外部接口，并處理業(yè)務(wù)邏輯，在車(chē)站、控制中心的控制終端上可以發(fā)布控制指令，實(shí)時(shí)監(jiān)控車(chē)站、車(chē)場(chǎng)廣播、乘客信息系統(tǒng)的設(shè)備動(dòng)作及狀態(tài)。

傳統(tǒng)的系統(tǒng)主要是由廣播系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)的廠(chǎng)商提供自有的一套軟件系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，這面臨如下問(wèn)題：

如果要拓展功能或拓展信息連接，就需要依賴(lài)原廠(chǎng)商提供軟件升級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)升級(jí)改造需要設(shè)備及應(yīng)用軟件同步升級(jí)改造。

隨著城市軌道交通向網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)、運(yùn)維一體化的方式轉(zhuǎn)變，要求原系統(tǒng)要能更靈活的進(jìn)行功能拓展及信息互聯(lián)，同時(shí)還需要降低升級(jí)改造的成本。

2 基于云計(jì)算微服務(wù)技術(shù)架構(gòu)的可行性

2.1 云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算(cloudcomputing)是一種特殊的工作形式，它的主要特點(diǎn)是對(duì)與互聯(lián)網(wǎng)有一定聯(lián)系的服務(wù)進(jìn)行互相交換、應(yīng)用和增加，一般經(jīng)過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來(lái)提供資源，資源多為動(dòng)態(tài)的、容易拓展的且不是現(xiàn)實(shí)中存在的。在應(yīng)用云計(jì)算后，開(kāi)發(fā)軟件的技術(shù)、基礎(chǔ)框架結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生大幅度的改變。一是即將開(kāi)創(chuàng)的軟件需要與云不排斥，且能夠很好地在以非現(xiàn)實(shí)存在為關(guān)鍵特點(diǎn)的云平臺(tái)上工作，能夠滿(mǎn)足計(jì)算性能、保存數(shù)據(jù)的性能隨著時(shí)間變化；二是保存數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)框架機(jī)構(gòu)、中心處理能力必須要能夠滿(mǎn)足大部分使用者的需求；三是軟件的使用環(huán)境要在基于互聯(lián)網(wǎng)的前提下；四是擁有更強(qiáng)大的安全性能，能夠抵擋各種攻擊，維護(hù)個(gè)人的敏感文件不被泄露；五是能夠適應(yīng)計(jì)算機(jī)、手機(jī)以及用戶(hù)終端等，在這些設(shè)備上正常工作。

在應(yīng)用云計(jì)算后，開(kāi)創(chuàng)軟件的基礎(chǔ)環(huán)境、工作方式會(huì)產(chǎn)生顯著改變。雖然，沒(méi)有給傳統(tǒng)的軟件理論帶來(lái)徹底的變化，但在云平臺(tái)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)軟件所用的工具、平臺(tái)以及環(huán)境能夠?qū)崿F(xiàn)快速開(kāi)發(fā)、同一個(gè)工程組內(nèi)部共同合作、在兩個(gè)地方進(jìn)行開(kāi)發(fā)。而且在開(kāi)發(fā)工程組內(nèi)部可以滿(mǎn)足基于云平臺(tái)進(jìn)行線(xiàn)上開(kāi)發(fā)的要求，并利用云完成儲(chǔ)備知識(shí)、軟件再次利用。

云計(jì)算的服務(wù)通常被分為以下3個(gè)層次，詳細(xì)介紹見(jiàn)表1所示。

表1 云計(jì)算的服務(wù)

2.2 微服務(wù)技術(shù)

微服務(wù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以單個(gè)應(yīng)用軟件為單位對(duì)應(yīng)用服務(wù)進(jìn)行處理，每個(gè)應(yīng)用單獨(dú)運(yùn)行，進(jìn)程獨(dú)立，并與小重量級(jí)別的機(jī)制進(jìn)行溝通。服務(wù)以處理業(yè)務(wù)的能力為核心建設(shè)，能夠利用非手動(dòng)部署結(jié)構(gòu)部分分開(kāi)進(jìn)行放置。這些服務(wù)所應(yīng)用的非獨(dú)立式管理范圍最小，它們的程序代碼能夠用不同的編輯應(yīng)用程序的語(yǔ)言編輯，可以采用不同的保存數(shù)據(jù)的技術(shù)。

微服務(wù)中每個(gè)服務(wù)均有各自的處理和小重量級(jí)別通信結(jié)構(gòu)部分，一般放置在一個(gè)或者幾個(gè)服務(wù)器上，與其他服務(wù)的主要區(qū)別是零件化、獨(dú)立治理、去核心化，主要總結(jié)為以下幾點(diǎn)。

(1)一對(duì)一服務(wù)

服務(wù)種類(lèi)和范圍小，每個(gè)服務(wù)只負(fù)責(zé)對(duì)一種業(yè)務(wù)需要的能力進(jìn)行處理，只專(zhuān)心致志一件事上。

(2)獨(dú)立布署

每個(gè)服務(wù)單獨(dú)進(jìn)行安排并在一個(gè)進(jìn)程內(nèi)調(diào)試運(yùn)行。在這種模式下，系統(tǒng)的代碼能夠更加靈活的進(jìn)行組織以及發(fā)布，方便快捷的交接并能夠應(yīng)對(duì)突然的變化。

(3)獨(dú)立開(kāi)發(fā)和運(yùn)行

技術(shù)可以根據(jù)類(lèi)型靈活選擇，傳統(tǒng)的系統(tǒng)技術(shù)對(duì)其沒(méi)有限制。業(yè)務(wù)上產(chǎn)生的問(wèn)題選取選取符合自己條件的技術(shù)單獨(dú)運(yùn)行。各個(gè)服務(wù)間采用和語(yǔ)言毫無(wú)關(guān)聯(lián)的API統(tǒng)一集中式開(kāi)創(chuàng)。與單獨(dú)一體式的結(jié)構(gòu)相比，微服務(wù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是一種適應(yīng)新型業(yè)務(wù)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用形式。

(4)獨(dú)立團(tuán)隊(duì)和執(zhí)行

服務(wù)的存活周期由團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)任，在單獨(dú)的上文下文環(huán)境中工作，自己發(fā)布命令自己執(zhí)行，而不需要與全部服務(wù)都相通的中心決策，各個(gè)團(tuán)隊(duì)之間以零散的小區(qū)為單位相互連接。

2.3 容器技術(shù)

Linux Container(簡(jiǎn)稱(chēng)LXC)它是一種內(nèi)核輕量級(jí)的操作系統(tǒng)層虛擬化技術(shù)。Linux Container主要由Namespace和Cgroup兩大機(jī)制來(lái)保證實(shí)現(xiàn)。容器技術(shù)主要有幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)極其輕量；(2)秒級(jí)部署；(3)易于移植；(4)彈性伸縮。

由Google，Docker、CoreOS、IBM、微軟、紅帽等廠(chǎng)商聯(lián)合發(fā)起的OCI(Open Container Initiative)于2016年4月推出了第一個(gè)開(kāi)放容器標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)主要包括runtime運(yùn)行時(shí)標(biāo)準(zhǔn)和image鏡像標(biāo)準(zhǔn)。容器技術(shù)主要解決了PAAS的層的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。目前主流的有以下幾種：

(1)容器化傳統(tǒng)應(yīng)用不僅能提高現(xiàn)有應(yīng)用的安全性和可移植性，還能節(jié)約成本。每個(gè)企業(yè)的環(huán)境中都有一套較舊的應(yīng)用來(lái)服務(wù)于客戶(hù)或自動(dòng)執(zhí)行業(yè)務(wù)流程。即使是大規(guī)模的單體應(yīng)用，通過(guò)容器隔離的增強(qiáng)安全性、以及可移植性特點(diǎn)，也能從Docker中獲益，從而降低成本。一旦容器化之后，這些應(yīng)用可以擴(kuò)展額外的服務(wù)或者轉(zhuǎn)變到微服務(wù)架構(gòu)之上。

(2)微服務(wù)加速應(yīng)用架構(gòu)現(xiàn)代化進(jìn)程。應(yīng)用架構(gòu)正在從采用瀑布模型開(kāi)發(fā)法的單體代碼庫(kù)轉(zhuǎn)變?yōu)楠?dú)立開(kāi)發(fā)和部署的松耦合服務(wù)。成千上萬(wàn)個(gè)這樣的服務(wù)相互連接就形成了應(yīng)用。Docker允許開(kāi)發(fā)人員選擇最適合于每種服務(wù)的工具或技術(shù)棧，隔離服務(wù)以消除任何潛在的沖突，從而避免“地獄式的矩陣依賴(lài)”。這些容器可以獨(dú)立于應(yīng)用的其他服務(wù)組件，輕松地共享、部署、更新和瞬間擴(kuò)展。Docker的端到端安全功能讓團(tuán)隊(duì)能夠構(gòu)建和運(yùn)行最低權(quán)限的微服務(wù)模型，服務(wù)所需的資源(其他應(yīng)用、涉密信息、計(jì)算資源等)會(huì)適時(shí)被創(chuàng)建并被訪(fǎng)問(wèn)。

(4)IT基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)化充分利用基礎(chǔ)設(shè)施，節(jié)省資金。Docker和容器有助于優(yōu)化IT基礎(chǔ)設(shè)施的利用率和成本。優(yōu)化不僅僅是指削減成本，還能確保在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間有效地使用適當(dāng)?shù)馁Y源。容器是一種輕量級(jí)的打包和隔離應(yīng)用工作負(fù)載的方法，所以Docker允許在同一物理或虛擬服務(wù)器上毫不沖突地運(yùn)行多項(xiàng)工作負(fù)載。企業(yè)可以整合數(shù)據(jù)中心，將并購(gòu)而來(lái)的IT資源進(jìn)行整合，從而獲得向云端的可遷移性，同時(shí)減少操作系統(tǒng)和服務(wù)器的維護(hù)工作。

2.4 新的廣播和乘客信息發(fā)布系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

新的架構(gòu)符合云計(jì)算的IaaS、PaaS、SaaS的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)模式，整體系統(tǒng)可部署在IaaS上，采用kubernetes等PaaS層的容器云平臺(tái)，以SaaS的方式實(shí)現(xiàn)廣播、乘客信息系統(tǒng)的應(yīng)用功能，運(yùn)用docker容器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能、通信服務(wù)的微服務(wù)化，技術(shù)架構(gòu)。

3 驗(yàn)證測(cè)試實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

3.1 主要測(cè)試代碼

本次研究開(kāi)發(fā)工具，前端頁(yè)面采用html5、css3、javascript，服務(wù)端采用nodejs，容器采用docker，服務(wù)器操作系統(tǒng)為linux(centos7.5)。

微服務(wù)部署，201、202為控制中心服務(wù)器，101、102為車(chē)站服務(wù)器；控制中心服務(wù)器部署調(diào)度控制微服務(wù)(papis-o-dd)，實(shí)現(xiàn)調(diào)度控制中心功能；車(chē)站服務(wù)器部署車(chē)控室控制微服務(wù)(papis-s-cz)，車(chē)站設(shè)備網(wǎng)管微服務(wù)(papis-s-wg)，車(chē)站移動(dòng)控制微服務(wù)(papis-m-cz)，車(chē)站PIS設(shè)備通信微服務(wù)(pisapp)，車(chē)站PA設(shè)備通信微服務(wù)(sagabc1)。

本次研究實(shí)現(xiàn)的主要實(shí)現(xiàn)了控制中心控制、車(chē)控室控制、車(chē)站網(wǎng)管、車(chē)站移動(dòng)控制功能：

例如：車(chē)控室控制界面：

以控制中心微服務(wù)為例，其中index.html為功能頁(yè)面，papis-o-dd.js為客戶(hù)端，papis-o-dd-server.js為服務(wù)端。

功能頁(yè)面實(shí)現(xiàn)PIS信息發(fā)布，代碼如下：

客戶(hù)端程序通過(guò)ajax接口與服務(wù)端通信，代碼如下：服務(wù)端調(diào)用PIS通信微服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)PIS設(shè)備的控制，代碼如下：

3.2 測(cè)試效果及結(jié)論

通過(guò)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)應(yīng)用微服務(wù)(192.168.1.111:3010)，迅速進(jìn)入功能界面，通過(guò)交互界面，輸入廣播、乘客信息的控制指令后，在1秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)廣播、乘客信息設(shè)備的控制動(dòng)作，測(cè)試了LCD屏顯示告警信息，開(kāi)關(guān)LCD屏，開(kāi)關(guān)PIS控制器，廣播直播開(kāi)關(guān)等，所有控制動(dòng)作均在1 s內(nèi)完成。

經(jīng)過(guò)本次測(cè)試研究，可以確定采用云計(jì)算、微服務(wù)、容器技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)新架構(gòu)下的地鐵車(chē)站廣播、乘客信息系統(tǒng)功能。

同時(shí)也可以推斷地鐵CCTV、電話(huà)、門(mén)禁、屏蔽門(mén)等機(jī)電系統(tǒng)，也可以采用本次實(shí)驗(yàn)研究的技術(shù)架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。