基于混合云平台的城市轨道交通自动售检票系统

聂红红 马殷元

(1. 兰州交通大学机电技术研究所， 730070， 兰州；2. 兰州交通大学机电工程学院， 730070， 兰州∥第一作者， 硕士研究生)

AFC(自动售检票)系统是城市轨道交通票务管理的基础。采用通信网络、数据库管理、自动化、现金识别等技术，对AFC系统进行智能化设计[1]，可取代传统人工售票、检票、统计、结算等工作，进而大大提高票务管理工作效率，为乘客提供优质的服务。随着城市轨道交通的发展，票务数据容量不断扩大，数据存储设备数量相应不断增加，对数据处理设备性能的要求也更高。近年来，云计算技术作为一种新型互联网服务方式[2]，为海量数据的存储及处理等提供了基础平台，这不仅能提高数据处理能力，还实现了硬件设备的高效利用与管理，减少了数据存储设备。将云计算技术引入到AFC系统中，建设混合云平台可实现对AFC系统架构层次的优化，具有提高资源利用率、降低建设成本等优点。

1 传统AFC系统存在的问题

传统AFC系统由票卡、车站终端设备、车站级服务器子系统、线路中央计算机子系统及清分子系统等5层组成[3]，如图1所示。

图1 传统AFC系统架构Fig.1 Conventional AFC system architecture

传统AFC系统存在的问题：① 可靠性和可用性方面有待加强，例如车站级服务系统(SC)计算机存在单点故障的问题；② AFC系统规模不断扩大，且分布较分散，增大了运营管理的难度；③ 运营维护成本不断增加；④ 数据的高速增长对数据处理能力要求更高。

随着互联网支付技术的发展，不少城市轨道交通引入了新型互联网支付模式，还对AFC系统架构进行了优化。主要的优化方案有组建线路中心(MLC)与融合清分中心(ACC)等。这些方案在一定程度上简化了AFC系统架构、降低了建设成本，但在可靠性及数据处理能力等方面仍存在许多问题。

2 基于混合云平台的AFC系统

2.1 混合云平台部署模式

结合城市轨道交通AFC系统架构及线网远期发展需求，综合考虑公有云与私有云的利弊，从建设成本和数据安全性出发，本文提出采用混合云平台部署模式。混合云平台由私有云和公有云组合而成，可根据AFC系统中应用程序及数据的重要性灵活部署。混合云平台兼具公有云与私有云的优势，可降低建设成本，提高存储数据安全性及系统可靠性。

2.2 基于混合云平台的AFC系统总体架构

在传统AFC系统架构及云平台部署模式的基础上，本文提出基于混合云平台的AFC系统总体架构，如图2所示。由图2可见，混合云平台取代了传统AFC系统架构中的车站级服务器子系统、线路中央计算机子系统及清分子系统，车站终端设备直接接入了混合云平台，最终形成了包含车票、车站终端设备和混合云平台的3层架构。云平台可实现AFC业务的不间断运行、数据的集中存储，是统一的平台服务，简化了票务管理工作，进而整体提高城市轨道交通运营服务水平，降低设备维护成本。

图2 基于混合云平台的AFC总体架构Fig.2 Overall architecture of AFC based on hybrid cloud

2.3 混合云平台架构

参照主流的云计算架构，基于混合云平台的AFC系统架构可划分为基础层、平台层和软件层[4]。为了保证服务的可靠性与数据的安全性，混合云服务体系中应配置灾备数据中心与云安全管理机制。混合云服务体系架构如图3所示。

图3 基于混合云平台的AFC系统架构Fig.3 AFC system architecture based on hybrid cloud platform

基础层是AFC系统的基础，将服务器、数据存储设备及网络等硬件设备集中起来，通过虚拟化技术为上层应用平台按需提供计算、网络及存储等资源。混合云架构可将部分非核心业务资源部署在公有云中，降低私有云建设成本及资源负载，便于实现基础资源的弹性扩展。为保证公有云与私有云之间的资源互连，应在基础层搭建专用网络，以实现网络互通。

平台层主要为AFC系统提供服务管理、资源管理、业务管理及数据管理等。通过组件和接口，平台层向下获取基础层中的数据，向上为软件层支持应用构建。在混合云服务体系中，公有云与私有云的平台层服务体系相同，服务内容不同。数据及服务业务根据其重要程度分别部署在不同的云上，例如：清分管理及票务管理等核心业务部署在私有云上，办公应用及邮件系统等非核心业务部署在公有云上。

软件层基于平台层提供的数据接口，为不同的用户及业务提供多样化的软件服务。在私有云中，软件层主要是核心业务软件，包括清分管理软件、票务管理软件及设备管理软件等；在公有云中，软件层为非核心类应用软件，包括办公应用软件、邮件系统软件等。

3 基于混合云平台的AFC系统关键技术

3.1 混合云双活异地灾备组网

为保证AFC系统数据传输的安全性，私有云与公有云之间应采用点到点的网络专线来实现云之间的网络通信[5]。为提高混合云的容灾等级，保证AFC系统业务不间断运行，AFC系统应采用业务双活模式，并在异地建立数据灾备中心，以保证发生不可抗灾难时的数据安全可靠。混合云双活异地灾备组网架构如图4所示。

混合云双活异地灾备组网架构具有如下特点：

1) 业务双活模式。为解决业务故障问题，传统云平台系统多采用主备模式，不仅设备利用率低，而且发生故障时的业务恢复时间较长。为此，业务双活模式被提出。在业务双活模式下，本地AFC系统和异地AFC系统没有主备之分，两者互补。采用云计算技术的双活模式AFC系统能充分利用硬件资源，提高设备利用率。由于2个AFC系统同时进行工作与灾备，故在发生故障时，业务能够自动切换，保证业务数据零丢包，极大提高了业务的可靠性与稳定性。要实现基于混合云平台的AFC系统业务双活，就需建立2个私有云平台，并在基础层、平台层及软件层实现2个平台的互联，以保证2个平台具有相同的部署架构、设备资源、业务类型等，采用负载均衡技术以实现最佳双活效果。私有云平台之间采用先进的SDN技术及NFV技术，保证了平台之间网络、业务及数据的互通。

2) 异地数据灾备中心。该灾备中心主要承担AFC系统的数据备份功能，对数据存储要求较高，故建设时应综合考虑AFC系统的数据存储量与数据增长量。

3.2 混合云数据存储架构

与传统的AFC系统数据存储技术相比，混合云数据存储技术具有容量大、易扩展等优势，通过负载均衡技术等可降低存储设备的闲置，提高资源利用率[6]。根据当前主流的云存储技术及AFC系统业务，基于混合云技术的AFC系统数据存储体系架构如图5所示。

图5 基于混合云的AFC数据存储体系架构Fig.5 AFC data storage architecture based on hybrid cloud

存储层是整个AFC系统数据存储的基础，由存储服务器、存储设备及存储网络等组成，通过集群技术和虚拟存储完成对数据的存储。

管理层通过数据压缩、存储调度、数据加密等数据存储技术，为存储层提供数据容量小、存储效率高的数据存储服务；通过数据解压、获取调度、数据解密等数据获取技术，为服务层提供高效的数据获取服务；通过数据安全及数据迁移等技术，保证数据的存储安全性，并提供数据迁移功能。

服务层为应用层提供统一的数据查询、数据检索、数据挖掘等服务接口。数据查询服务可以让用户通过应用程序方便查询数据，数据检索服务可以方便用户查询AFC系统中各类设备、票卡及票务等数据信息，数据挖掘服务可帮助预测客流信息等。

应用层为用户提供具体的应用程序，可利用服务层提供的服务接口开发各种AFC业务程序。

3.3 混合云资源调度系统

AFC系统的用户在订阅计算资源时，通过应用程序将任务请求提交给混合云资源调度系统。混合云资源调度系统具有资源监测和资源调度等功能，可根据用户任务请求和各云平台资源使用情况来选择调度策略。混合云资源调度系统结构如图6所示。

图6 混合云资源调度系统示意图Fig.6 Hybrid cloud resource scheduling model

例如，当私有云中的计算资源负载过大时，用户通过混合云资源调度系统向公有云申请计算资源的关键步骤为：

1) 任务请求。当私有云计算资源不足时，混合云资源调度系统主动向公有云申请计算资源。计算资源调度要充分考虑数据的安全性，保证数据不离开私有云。

2) 任务分配。在执行任务时，有些任务存在顺序关系，有些任务可同时执行。因此，计算资源分配时应充分考虑任务之间的关系，并根据任务类型合理分配。

4 结语

随着城市轨道交通的快速发展，传统的AFC系统出现了数据处理能力不足、存储设备量大等问题。AFC系统在引入云计算技术后，将大大减少硬件设备，降低建设维护成本，提高资源利用率，推动AFC系统更智能化的发展。