基于云计算技术的AFC线网管控清分中心的应用研究

陈华银黄宇

成都轨道交通集团有限公司四川成都610000

摘要：自动售检票系统（AutomaticFareCollectI/On，简称AFC）中心级建设模式已从传统的各线独立设置的传统方式，递进为集中设置线路中心级的模式，而在现阶段云计算技术的成熟运用，致使再次思考将多线路中心级与清分中心集中设置为线网管控清分中心（NetworkControlClearingCenter，简称NCCC）。基于云计算技术的平台设置，将会满足NCCC对资源共享、项目投资，系统优化及高效可靠服务的全新需求。云计算技术可实现AFC传统五层架构的合理演进，从而突破传统架构的能力瓶颈。此方案设计对基于云计算技术的AFC线网管控清分中心及其他专业对于云计算技术的应用有重要的指导意义和参考价值。

关键词：云计算技术；自动售检票系统；线网管控清分中心；网络化运营

StudyontheapplicationofAFCNetworkControlClearingCenterbasedoncloudcomputingtechnology

CHENhua-yin，HUANGyu

（ChengduRailTransitGroupco.ltd.，Chengdu）

AbstractAutomaticFarecollectionsystemlevelconstructionmodelhasatraditionalwaytoindependentfromthetraditionallinemode，progressivelevelsetuplineCenterforcentralizedmode，andusedinthepresentstageofcloudcomputingtechnologymature，hasagainthinkingwillgradelineCenteranddistributionCentersetaslineNetworkControlanddistributionCenter（NetworkControl&ClearingCenter，NCCC）.TheplatformsettingbasedoncloudcomputingtechnologywillmeetthenewrequirementsofNCCCforresourcesharing，projectinvestment，systemoptimizationandefficientandreliableservice.CloudcomputingtechnologycanrealizethereasonableevolutionofAFC'straditionalfive-tierarchitecture，thusbreakingthroughthebottleneckofthetraditionalarchitecture.Thedesignofthisschemehasimportantguidingsignificanceandreferencevaluefortheapplicationofcloudcomputingtechnologybasedoncloudcomputingtechnology.

Keywords：CloudComputing、NetworkControlClearingCenter，，AutomaticFareCollectI/Onsystem

1引言

云计算技术是信息技术和信息服务的一个重大进步。通过以自助、动态伸缩、可计量的方式实现对共享计算资源池的按需访问，云计算技术在速度、敏捷性和效率方面提供了无与伦比的优势。它是过去几年中一直推动企业数据中心及服务提供商发展的各种趋势的融合与进步。

云为使用者实现投资成本控制和服务质量的提升。通过云计算技术，使用方能够快速部署应用程序，而同时可使其底层技术组件随业务的起落而伸缩。传统的应用程序一旦部署，就会绑定到特定基础架构，直到基础架构升级时为止，会出现低效率、低利用率和低灵活性。云计算的动态池化资源供应以及便捷云管理等技术使应用程序能够在运行时动态部署到最合适的基础架构上，或者根据业务的需求对资源进行重新分配。

云计算技术的四个特征：

1）按需提供服务：应用业务可以根据需要供应、监视和管理计算资源。

2）广泛的网络访问：通过标准网络和异构设备提供计算服务。

3）快速伸缩：IT资源可以按需快速伸缩。

4）资源池化：IT资源以非专用方式为多个应用业务所共享。

通俗的理解云计算技术就是在共享的IT（信息化）资源（硬件、软件）平台上，快速部署应用业务，提供极限性能和灵活扩展性，结合轨道交通AFC系统NCCC的实际需求及专业的重要性和特殊性，下文将对云计算技术的需求及设计方案进行分析和比选。

2国内多线路中心和清分中心建设现状及存在的问题

2.1现阶段建设模式

目前国内已开通运营和在建工程的自动售检票系统，大部分采用传统五层架构模式：第一层：清分中心系统（ACC）、第二层：线路中心系统（LC）、第三层：车站计算机系统（SC）、第四层：车站终端设备系统（SLE）、第五层：票卡。传统五层结构系统构成图如下所示：

图1：传统五层架构图

部分采用了合并第二层各线线路中心的建设模式，将在一定程度上节约建设成本和做到更好的数据汇集。多线路中心方案系统构成图如下图所示：

图2：多线路中心方案示意图

根据城市既有开通线路和建设规划，在网络化运营的情况下合并第二层多线路中心，依托现阶段强大的计算机处理能力，将第一层的清分中心融合进入多线路中心，将传统五层架构缩减为四层，及建设管控清分中心，实现数据的汇集及统筹管理。NCCC方案系统构成图如下图所示：

图3：NCCC方案示意图

2.2传统建设模式的问题分析

城市轨道交通网络化运营的成型，将带来运营管理水平的提升和新技术的应用，同时出现系统建设规模及计算机设备随着线路的增多而剧增的情况。各线独立的计算机硬件设备其网管功能较弱，配置和管理相对繁琐，为网络化的管理和运维带来了诸多不便，特别在数据的处理能力上存在层级多、重复存储和处理效率低的问题。

一座采用传统服务器部署架构的典型车站，CPU负载率需满足规范中“主要设备CPU平均负载不高于20%，最高负载不高于30%”的要求。传统模式下独立设置服务器，车站级服务器的比例占总服务器数量90%以上，根据规范要求的设置会出现CPU利用率偏低的情况，部分占用率低于10%。若系统采用容忍单点故障、中心设备1比1备份的方案，将导致70%以上的CPU资源闲置。传统系统设计方案使硬件架构不具备按需求调整的能力，个别设备CPU将有较高的负载率，长期在高负载率的工况下运行将降低设备寿命。若需根据需求调整能力仅能从更换更强大、先进的硬件设备来实现。

融合第四层建设多线路中心的方案，在一定程度上解决了上述问题，但是依托现阶段强大的计算机处理能力，进一步将清分中心融入多线路中心建设NCCC方案，是适宜现阶段技术及未来发展方向的一种趋势。

2.3基于云计算技术的NCCC建设的必要性

采用云计算技术可充分提高系统硬件资源的利用率，节约建设投入和运维支出，降低工程总体造价的同时提升系统处理能力及响应效率。系统各应用业务均按照云计算的统一标准进行开发实施及注册部署，能实现对各类应用业务的标准化制定及管理，即达到节能增效的运营目的，又能实际的提升运营维护水平。着眼数据统计报表的多样性需求和大数据分析的逐渐成熟，云计算技术的运用是此类先进技术及实现高效的管理办法的基础条件，依托于云平台的强大处理能力使得系统在支持实时分析和业务智能化的同时为在线事务处理提供同样高能效的支持。

3云计算技术的能力需求分析

按照云计算技术的定义和内涵，并结合轨道交通NCCC实际业务需求，从以下6个方面分析轨道交通NCCC对于云计算技术的能力需求。

3.1支持多种负载类型的能力整合

云平台的搭建一般是在基于既有线路开通一定数量并且即将步入网络化运营的城市，云平台在投入运营时将会容纳众多业务系统的数据，为相关各应用提供全面的处理能力和数据交换及存储，同时中心应用平台将承载各类数据报表分析应用系统的运行。而这些应用的类型既有面向交易的处理（On-LineTransactionProcessing，简称OLTP），又有联机分析处理（On-LineAnalysisProcessing，简称OLAP），还面向混合类型交易处理（HybridTransactional/AnalyticalProcessing，简称HTAP）的业务应用。

结合轨道交通NCCC多样化的应用需求，云平台应拥有支持这种复杂的、多负载类型的系统整合能力和平台资源分配能力，既可以满足OLTP的高并发、高可用特点，又可以满足OLAP的大数据量处理要求。

3.2动态服务器资源池管理能力

动态服务器资源池管理能力是指通过对服务器资源的动态调配，可实现服务器资源的由大划小，也可统一管理跨大规模、多主机的复杂模式，实现合小为大的服务器资源融合。一方面大型的服务器资源池可通过跨越多个物理节点运行，另一方面多个小型服务器资源也可共享运行于同一个物理节点。

3.3存储资源池的共享

通过构建存储虚拟化资源池，将存储在所有存储资源池间协调分配，共享整个的存储容量。负载重的可以从所有存储资源中使用存储容量，使得存储的利用率大为提升，不再是瓶颈。存储内部的数据分布需实现自动地保持均衡，即便在单块磁盘损坏时，或者新的存储节点添加时，这种均衡仍然得以保持。

3.4多业务需求的系统资源管理和调配

为防止在多业务应用下各业务对系统资源的抢占，云平台必须要能提供多种手段对多业务应用所需的系统资源，如CPU、内存和I/O等进行合理的管理和调配。这种调配按预先制定的需求级别完成，确保重要、优先级高的业务应用得到所需资源。

3.5良好的接入能力和扩充性

NCCC在满足本期建设规划的线路所需处理能力的同时要对既有线路进行改造接入，并且考虑下一期建设规划线路的能力预留和接入条件。在实现既有硬件设备利旧接入使用的同时具备系统扩展的能力，即保证了已投入的硬件设备不浪费，又能实现在系统能力有更高需求时的灵活简便扩充。

3.6标准化、集成化和智能化

科技技术的高速发展，软件系统随之升级和进步，驾驭着无比强大的设备硬件。硬件与软件的齐头并进，才使得最终使用用户得到良好的预期效果。AFC系统的发展同样遵循这一规律，未来的将向标准化、集成化和智能化迈进。

标准化使系统呈良性发展的趋势，能完善的设计、生产、安装和操作等流程，即使项目分段实施和按需扩容，都能灵活的按照实际需求处理。同时简化运营管理和维护难度。集成化使得设备小而全，即更小体积完成更多的功能，同时设备实现模块化并冗余和热插拔，并且达到节能的目标。

智能化是系统硬件性能达到足够高效并且应用层面有更人性化的需求而顺势并发的新需求。NCCC建立除了满足日常数据汇集、结算业务和报表生成等功能外，更深层次的意义是使体系内所汇集的各类票务数据能被有效整合及挖掘，利用商业智能技术（BusinessIntelligence，简称BI）将城市轨道交通运营中发生的数据转化为统计资料，帮助各业务部门做出适宜的业务经营决策。

4基于云计算技术的NCCC设计方案比选

云计算技术在城市轨道交通NCCC的应用是以达到资源共享、节约投资和优化运营管理及完善维护为目标，达到系统优化、提升效率和反应速度。云计算技术的设计方案比选，是以城市轨道交通AFC系统业务的关键性指标为基本要求，对采用云计算技术后系统的可靠性和可用性进行比较。同时重点对数据中心架构、安全体系、可靠性体系和业务系统规划着手，形成可指导工程设计的系统设计方案。

从架构上来看，城市轨道交通NCCC构建主要有基于虚拟化的IaaS上的数据库架构和基于多业务的一体化数据云架构以及两者组合方式的双云架构等三种方案。

4.1方案一：基于虚拟化的IaaS上的数据库架构

服务器虚拟化是指能够在一台或者双机集群（HighAvailable，简称HA）物理服务器上运行多台虚拟服务器的技术，并且该虚拟服务器在用户、应用软件甚至操作系统看来，几乎与物理服务器没有区别，用户可以在虚拟服务器上灵活的安装各种软件。同时服务器虚拟化技术还应该确保上述多个虚拟服务器之间的数据时隔离的，虚拟服务器对资源的使用是可控的。

虚拟化技术主要实现了对底层物理资源的抽象，使其成为一个个可以被灵活生成、调度、管理的基础资源单位。将这些资源进行有效的整合，从而生成一个可统一管理、灵活分配调度、动态迁移、计费度量的基础服务设施资源池，并向用户提供自动化的基础设施服务，即IaaS平台。在这种IaaS平台上通过直接安装数据库来实现多个数据库的整合和集中服务来构建数据中心的方式，则是基于虚拟化的IaaS上的数据库架构的基本技术原理。

4.2方案二：基于多业务的一体化数据云架构

基于多业务的一体化数据库云解决方案可实现整合并集中管理分散的数据库，服务器部署通过标准配置进行网格化和虚拟化，形成资源池。多业务资源管理和资源动态供给，提高每个业务对资源的灵活需求。实现资源共享，提高系统综合利用率，降低运营和维护成本。在消除传统架构性能瓶颈，极限的数据库性能提升，数据库被整合到共享资源池上，资源管理通过工具自动化实施，最大程度提高投资的利用率。

4.3方案三：虚拟化IaaS与一体化数据云的组合架构

城市轨道交通NCCC云平台由应用云和数据云组成。应用云支持Windows、Linux两种主流操作系统的同时能够灵活部署不同的种类的应用中间件，因此采用IAAS虚拟化实现。通过虚拟化管理软件，来统一管理多台X86服务器，提供虚拟主机用于部署中间件服务器软件。中间件软件可以实现不同系统之间的业务协同，也可以提供统一的门户。

数据云把数据统一部署在一套数据和资源共享的云数据库平台上，有统一数据库标准，进行信息的有效共享，保证业务数据的完整性和一致性。通过多业务的一体化数据云来统一管理数据库的内存、后台进程等资源，业务部署在私有数据库上，即能够实现信息的共享和访问，同时简化了数据库的运维管理，多个私有数据库共享后台进程后，也大幅节约了硬件资源、降低了软件和硬件资源的采购成本。

4.4灾备中心设置方案

采用云计算技术大规模集中部署数据中心会出现存储风险集中的问题，如遇突发灾难火灾、区域电力中断、区域通信中断或者人为破坏等，都会导致服务中断、数据丢失和经济损失等。在设置主中心的时应设置异地灾备中心。灾备中心的能力应结合以下2点配置：

1）容灾国际标准SHARE78的七个等级如下。

等级零：无异地备份

等级一：备份介质异地存放

等级二：备份介质异地存放及备用场地

等级三：备份介质异地存放及备份中心

等级四：定时数据备份及备份中心

等级五：实时数据备份及备份中心

等级六：零数据丢失

2）主要容灾指标有恢复点目标与恢复时间目标两个。

恢复点目标：（RecoveryPointObjective，简称RPO）是指业务系统所允许的在灾难过程中的最大数据丢失量，用来衡量容灾系统的数据冗余备份能力。

恢复时间目标（RecoveryTimeObjective，简称RTO）是指信息系统从灾难状态恢复到可运行状态所需的时间，用来衡量容灾系统的业务恢复能力。

城市轨道交通NCCC的容灾应考虑四级或五级，对RPO和RTO都应有较高要求。异地灾备中心具备应急指挥业务能力并通过高速链路实时同步数据，实现快速恢复和切换、最小化数据损失和重新同步主备两端数据。通过建立实时灾备系统，可以确保在主用中心出现灾难时实现数据基本不丢失的情况下进行灾备应急切换，保持业务连续运行，同时应能实现定期演练型切换。上述三个方案均需设置主用中心和灾备中心保证数据的安全。

5基于云计算技术的NCCC方案推荐

方案一所采用的基于虚拟化的基础架构云上的数据库方案，由于数据库云平台的特殊性，其性能瓶颈主要存在于输入/输出端口（Input/Output，简称I/O）上，包含数据库实例与存储间的I/O瓶颈，主要源于传统存储无法读懂SQL语句，返回的是数据块，造成大量无效的I/O占用资源；存储自身I/O瓶颈，同样往往也存在大量无效I/O的占用。

而虚拟化技术本身无法解决数据库云平台最核心的I/O瓶颈的问题，甚至一些虚拟化软件自身的开销还加重了I/O的瓶颈问题，当系统负载压力增大时，性能将会有明显下降，同时虚拟化只能实现资源的由大划分为小，再加上通过直接在IaaS平台上部署数据库存在着整合程度低，虚拟机无序扩张管理难度高等问题，因此这种架构适宜于不会出现突破计划能力负载的系统部署。

方案二中采用支持多业务的一体化数据库云可托管众多数据库，支持数据库整合或复杂的服务云。由于所有多业务模式下的数据库环境都需要处理多样化、复杂和不可预测的混合负载，包括OLTP、OLAP和批处理操作，这些操作均采用顺序和随机访问模式。而支持多业务模式的一体化数据库云可运行主流类型或特定组合的数据库负载。

系统应避免出现一个应用业务占用过多资源，导致其他业务的服务质量降低的情况出现。通过预设应能实现在物理数据库、连接、应用、用户甚至作业层面指定优先级和资源限制，以确保各个整合数据库或SQL操作均可获得必要的资源和实现目标响应时间，并且这个操作过程需要界面化和简洁化。

方案二适用于城市轨道交通第一条线路的建设即采用此方案，能通过先进的技术直接取得实际效益。对于已开通既有线路的城市，特别是在已开通东西向、南北向和环线线路或者进入第三期建设规划的城市，开始总结建设和运营经验，正在向线网化运营的阶段迈进，可参考方案三的建设模式。因为在建设的递进过程中常会出现5个问题：

1）异构性：数据库的异构、操作系统的异构及数据类型的异构。

2）复杂性：复杂的业务系统往往会带来数据上的复杂，比如数据之间的关联、引用、规则等会随着时间的推移变得复杂。

3）数据量：数据量已经从传统的MB上升到TB、PB级，对数据处理和集成的能力也提出了更高的要求。

4）时效性：数据能否及时处理完成，以便及时提供决策指导。

5）完整性：前端的指标展现与最底层的原始数据是否能核对，针对非法数据数据处理过程中是否能自动纠正。

方案三的组合方案在利用既有设备的情况下，结合一体化数据库云可灵活的部署资源和分配业务，可解决以上问题同时实现及时的应用响应需求。在性能和效率提升的同时节约了建设成本和后期运维投入。

6结束语

国内各城市轨道交通正在进行大规模的建设，大中型城市逐步迈入线网化运营阶段，适宜的对既有建设和运营经验进行归纳总结，为后期建设提供良好有效的导向，基于云计算技术的NCCC应用就是在这个积极的环境中应运而生。此方案的应用正是科技发展引领行业技术应用迈出坚实的一步，引领自动售检票系统整体水平的大步提升，并以先进的技术提升服务质量和响应速度并且引导运维水平的升级。各个城市根据建设规划及运维情况，选择适宜的方案进行设计以达到符合企业自身发展需求和国家产业政策、项目实施方案科学合理和技术成熟、经济效益良好和社会效益显著的目标。

城市轨道交通采用基于云计算技术的线网管控清分中心建设模式，代表着城市轨道交通建设已采用线网化思维指导设计，统筹考虑线网内数据汇集、处理与挖掘，通过统计技术为企业带来切实的指导性策略部署、实际的经济效益和良好的社会效益。基于云计算技术的线网管控清分中心应用研究对今后国内城市轨道交通工程类似项目的建设和研究，具有非常重要的指导意义和参考价值。