南宁轨道交通集团有限责任公司 广西南宁 530029
摘要：地铁综合监控系统是线路系统中重要的组成部分，对线路运营、监控、维保等起到不可或缺的作用，本文对基于容器技术的云平台架构的综合监控系统优势进行探讨，横向对比综合监控系统的传统建设模式和多种云平台架构，为国内后续线路的建设提供参考。
关键词：综合监控系统（ISCS）；云平台架构；容器技术
引言
伴随着社会经济的快速发展，我国的城市轨道交通也迎来了一个蓬勃的发展阶段。同时随之应运而生的城市轨道交通综合监控系统也快速发展起来，并日渐受到各地地铁建设单位的追捧。
地铁作为一个监控设备繁多，监测数据庞大的系统，需要一个高性能的综合管理平台对其进行监控与管理，城市轨道交通综合监控系统作为近年来快速发展的新技术已成为城市轨道交通建设的发展潮流，每一个地铁建设项目都要配备一个与之相应的城市轨道交通综合监控系统。轨道交通综合监控系统是一种大型的数据采集与监视控制系统。它基于系统骨干网，通过专业接口装置，在SCADA系统软件平台上实现多专业、多系统的数据采集、信息集成和信息共享，为城市轨道交通科学、高效的运营及管理提供先进的技术手段。
本文对传统架构的综合监控系统与云平台架构的综合监控系统进行比较，并针对基于容器技术的云平台架构的综合监控系统与其他几种云平台架构的综合监控系统的实现方式横向对比，分析基于容器技术的云平台架构的综合监控系统所存在的优势，为轨道交通云综合监控系统技术理论提供支撑及技术参考。
1 轨道交通综合监控系统国内外现状分析
1.1国外轨道交通综合监控系统建设方式
国外城市轨道交通的发展历史较长，发展规模较大，其中的自动化技术应用也较为成熟。目前，国外城市轨道交通自动化系统已经发展到综合自动化系统的新阶段。例如：西班牙毕巴尔巴额地铁、韩国的仁川地铁、汉城地铁7号线和8号线、法国巴黎地铁14号线等都采用综合自动化系统。香港地铁的将军澳线的机电设备和通讯系统的综合监控系统；新机场快线也采用了综合监控系统。墨西哥城地铁B线采用了机电设备监控系统为基础并与信号系统互联的综合监控系统。
西班牙马德里地铁、新加坡东北线则采用了更现代化的综合自动化监
控。新加坡地铁首次成功地实现完全无人驾驶、全部智能化运行。
但在云平台架构的轨道交通综合监控系统方面，国外目前尚未拥有已应用的线路。
1.2国内轨道交通综合监控系统建设方式
国内地铁首次采用综合自动化监控系统的是北京轨道交通13号线（2002年），综合监控系统将供电、环控与防灾报警系统集成在一起，采用统一的硬件平台和软件平台。在后续建设的各个城市的各条线路中可以进行集成和互联的系统共15个，几乎包括了地铁运营所有的系统。
在国内综合监控系统构建上，硬件结构基本同于国外，但软件结构却有所差别。国内综合监控系统通常的实现形式为在通用组态平台（SCADA）上搭建。国内系统软件结构多适用于组态平台的应用，对于闭路电视、广播、列车运行监控和无线电系统，则出于组态平台的处理能力，选择了信息必要部分的互联。而大多利于运营动态状况的机电设备信息，则未进入国内综合监控系统范围。
国内对于云平台架构的轨道交通综合监控系统应用，目前仅有在温州市域铁路S1线（建设中）中应用的先例，该线路是国内首条采用基于虚拟化技术的云平台架构的综合监控系统的线路。
2轨道交通综合监控系统发展历程及趋势
轨道交通综合监控系统发展至今，经历了由分布式至集中式的发展历程。
分立式：各机电系统分立设置，独立建设，重复投资，独立管理，导致各系统资源共享困难，造成资源浪费，并且难于维护。
集中式：对部分支撑系统进行集成，易于实施，建设周期快，有效减少重复投资，降低了建设成本。
国内既有地铁综合监控系统的监控方式一般采用三级控制、两级管理的分层分布式结构，分别是中央级、车站级和现场级三级控制，以及中央级、车站级两级管理。其硬件架构多采用以下方式：
图1 传统综合监控硬件架构图
但在该架构中主要存在以下几点问题：
（1）设备利用率较低：服务器性能过剩，利用率底下；
（2）设备硬件投资较高：中央级、车站级综合监控均设置有各自的机房、冷气空调、服务器、配套机柜及网线等硬件设备，维持设备运行也需耗费大量电量；
（3）运维管理难度较大：设备数量多且分散，导致管理难度增加。
而云技术搭建的云平台恰恰解决了以上问题，实现了设备精简、空间节约、提高运维效率、降低运维成本、建设投资集约化、大幅度降低造价等目的。
云技术的定义是指在广域网或局域网内将硬件、软件、网络等系列资源统一起来，实现数据的计算、储存、处理和共享的一种托管技术。
云计算根据美国国家标准与技术研究院（NIST）定义：是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池（资源包括网络，服务器，存储，应用软件，服务），这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。
在云资源基础上搭建的专业业务平台称为云平台，其具备一下特征：
（1）一个基础（foundation）：几乎所有应用都会用到一些在机器上运行的平台软件。各种支撑功能（如标准的库与存储，以及基本操作系统等）均属此部分。
（2）一组基础设施服务（infrastructure services）：在现代分布式环境中，应用经常要用到由其他计算机提供的基本服务。比如提供远程存储服务、集成服务及身份管理服务等都是很常见的。
（3）一套应用服务（application services）：随着越来越多的应用面向服务化，这些应用提供的功能可为新应用所使用。尽管这些应用主要是为最终用户提供服务的，但这同时也令它们成为应用平台的一部分。
2016年，由国内多名行业专家和企业参与编制的《城市轨道交通综合监控系统工程技术规范》中，明确提出：综合监控系统系统构成方案可以选择采用云平台方案。因此基于云技术而搭建的云平台架构的综合监控系统也将是未来轨道交通综合监控系统的发展方向之一。
云的综合监控基本系统硬件架构与传统综合监控硬件架构相比，就是将车站、车辆段、停车场的部分或全部实时服务器迁移至中央，并通过虚拟化技术来进行搭建。并可考虑将车站、车辆段、停车场的工作站去除，使用瘦客户端，将工作站通过桌面云方案部署在中央。
实现综合监控系统的软硬件云解决方案，期望解决：
（1）促进系统架构由双冗余模式向并行分布集群模式发展，提升系统的可用度。
（2）硬件资源的统一管理和维护，降低工程实施、调试和更新的工作量和风险。
（3）简便快速地部署，回滚等，便于应用系统升级和扩展。
（4）规模可以横向扩展，便于发展为线网级应用平台；为将来大数据分析提供了有效的基础支撑。
（5）提高服务器硬件资源的利用率，降低成本。但在网络架构方面，云平台架构的轨道交通综合监控系统和传统综合监控系统在网络架构部分没有产生变化，网络建设成本没有变化。
图2 云平台架构的综合监控系统的基本硬件架构图
3云平台架构的轨道交通综合监控系统技术
云平台架构的轨道交通综合监控系统主要针对综合监控服务器的传统物理服务器，变更为云服务器，主要有基于以下3种技术的云平台解决方案：群集技术、虚拟化技术、容器技术。
3.1群集技术
群集在现有的综合监控系统中已经得以应用，实现提高系统可用性、可管理性、但该方式是使用多台传统物理服务器保障一个系统的正常运行，未能达到精简设备、降低造价的要求。
3.2虚拟化技术
基于虚拟化技术的云平台架构的综合监控系统技术为，已经实现了设备精简、空间节约、提高运维效率、降低运维成本、建设投资集约化、大幅度降低造价等目标，且该方式在实现方式上目前更能为客户方所接受，建设中的温州市域铁路S1线便是该技术应用的先例。
在可靠性与安全性方面，基于虚拟化技术的云平台架构的综合监控系统通过热迁移LM（Live Migration）、高可用HA（High Availability）、双机热备FT（Fault Tolerance）以及双群集备份确保了系统的可靠性与安全性，且虚拟化作为成熟技术，均提供一整套用于监控和管理工具。提升了系统可用性，降低了后期维护对系统的影响。并且在需要进行部署变更的情况下，只需确认群集资源尚有余量，简单的创建虚机并增加节点应用，即可实现增容，不需要紧急采购服务器、网络设备等。
但基于虚拟化技术的云平台架构的综合监控系统在以下方面仍存在一定的技术研究空间：
1）使用虚拟化技术虚拟出的虚拟服务器与物理服务器，在CPU性能、内存性能、磁盘IO性能存在一定的性能损耗；
2）商用虚拟化软件价格较高；
3）虚拟服务器需要安装Guest OS，虽然各虚拟服务器间的隔离性较好，但后期维护不便。
3.3容器技术
基于容器（Docker）技术搭建的云平台架构的综合监控系统，恰恰可以回避以上缺陷，实现虚拟服务器与物理服务器各项性能接近，无需安装商用虚拟化软件及Guest OS，达到降低综合监控系统建设成本，提高资源使用效率等目的。
相比于虚拟化技术，容器技术拥有更高的资源使用效率，因为它并不需要为每个应用分配单独的操作系统——实例规模更小、创建和迁移速度也更快。这意味相比于虚拟机，单个操作系统能够承载更多的容器。
图3 虚拟化技术与容器技术架构对比
容器技术相关的核心技术是cgroups（Control Groups），cgroups是Linux内核提供的一种可以限制、记录、隔离进程组（process groups）所使用的物理资源（如：cpu，memory，IO等等）的机制。Cgroups也是LXC（Linux Container）为实现虚拟化所使用的资源管理手段。
LXC是一种基于容器的操作系统层级的虚拟化技术，借助于namespace的隔离机制和cgroup的限额机制，LXC提供了一套统一的API和工具来建立和管理container。LXC跟其他操作系统层次的虚拟化技术相比，最大的优势在于LXC被整合进内核，无需单独为内核更新补丁。
LXC旨在提供一个共享Kernel的OS级虚拟化方案，在执行时不用重复加载Kernel，且container的kernel与host共享，因此可以大大加快container的启动过程，并显著减少内存消耗。容器提供隔离的同时，还通过共享资源节省开销，因此容器技术在资源方面相对于虚拟化技术的开销要小的多。实际测试中，使用容器技术的虚拟服务器在IO性能和CPU性能与baremetal性能接近。
根据IBM发表的论文给出的数据分析，使用IBM x3650 M4服务器运算Linpack程序分别对物理机计算性能、docker及虚拟机云架构计算性能进行测试，结果如下图所示：
图3 物理机计算性能、docker及虚拟机云架构计算性能对比
该图中，从左向右依次为物理机计算性能数据、docker架构计算性能数据、虚拟机架构计算性能数据，可见docker相对于物理机其计算性能几乎没有损耗，而虚拟机对比物理机架构则有着非常明显的损耗。虚拟机架构的计算性能损耗在50%上下。
然而基于容器技术搭建的云平台架构的综合监控系统，也存在以下缺陷：
单个操作系统有可能引起影响所有相关实例的单点事故，如果内核停止，所有容器都会停止运行。
恶意软件或者主机操作系统崩溃可能禁用或者影响所有容器。
容器易于迁移，但是只能被迁移到具有兼容操作系统内核的其他服务器当中，无形中也减少了迁移选择。
但在轨道交通领域中综合监控系统是一个相对封闭的定制的应用系统，因此容器以上的缺点在这领域显现得并不突出。需要关注的是：容器是一种开源技术，它需要应用层更多的投入才能实现一个更有效的云平台。
4结语
城市轨道交通综合监控随着技术的不断发展进步，由分立式到集中式，其现有架构已经相当成熟。但该架构也存在设备利用率低、设备硬件投资高、运维管理难度大等不可避免的问题和缺陷，由此催生了云平台架构的综合监控系统的出现。
随着云平台技术的不断完善，采用云平台技术中新兴的基于容器技术的云平台架构综合监控系统可以达到通过提高设备利用率，降低设备硬件投资，降低运维难度等达到降低建设、运营成本、提高运营效率的目的。
参考文献
[1]李天辉.城市轨道交通综合监控系统的技术发展[J].《自动化博览》.2013（10）.80-84
[2]施小敏.综合监控系统比较及技术发展分析.《铁路通信信号工程技术》.2016.13（6）：58-61
[3]孙亮.VMware架构下虚拟机的性能测试分析.《中国科技博览》.2014（5）：491-493
[4]陈光.vmware虚拟化系统和原系统性能对比研究.《科技创新与应用》.2012（18）：31-32
[5]陈慧.基于云架构的地铁综合监控系统设计.《昆明理工大学》.2015
[6]田灯旺.云架构下的地铁综合监控系统设计.《电子技术与软件工程》.2017（12）：22-23
[7]乔良树.基于云计算的轨道交通综合监控系统研究.中国高新科技.2017.1（12）
[8]施小敏.国内外地铁综合监控系统比较及技术发展分析.《铁路通信信号工程技术》，2016.13（6）：58-61
[9]王宏博.云计算在城市轨道交通综合监控系统的应用研究.《工程技术：文摘版》.2016（6）：00280-00280
[10]李强.地铁综合监控系统应用发展研究.《自动化与仪器仪表》.2015（10）
论文作者:张博凯
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/2
标签：监控系统论文; 架构论文; 技术论文; 轨道交通论文; 平台论文; 容器论文; 系统论文; 《建筑学研究前沿》2018年第20期论文;