１　前言

城市轨道交通综合监控系统[１]是一套大型的ＳＣＡＤＡ监控系统平台，基于线路骨干网，通过专业接口装置，在统一软件平台上实现ＰＳＣＡＤＡ、ＢＡＳ、ＦＡＳ、ＡＴＳ、ＡＣＳ、ＡＦＣ、ＰＩＳ、ＰＳＤ等多专业、多系统的数据采集、信息集成和共享。但现有模式均以车站为基础单元，每条线路分设综合监控系统，线与线之间没有数据交集或者仅通过专用接口交换局部数据。该模式并不能真正意义上为城市轨道交通科学和高效的运营组织和管理提供支持和决策依据。

为了更好地满足智能交通的要求，综合监控系统正朝着全局化、网络化、标准化、智能化的方向发展，从单一的监控功能向性能更可靠、功能更强大、高度可扩展的基础设施型分布式综合监控平台发展。近年来，云计算[２－４]技术的提出和快速发展，为研究开发新一代的分布式网络综合监控系统提供了全新的思路。云计算是一种新兴计算模型，以虚拟化技术为基础，以网络为载体，提供基础架构、平台、软件等服务形式，整合大规模可扩展的计算、存储、数据、应用等分布式计算资源进行协同工作的超级计算模式。它将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上，使用户能够按需获取计算能力、存储空间和信息服务，具有超大规模、支持虚拟化、高可靠性、高可扩展性、按需服务和极其廉价的特点，为轨道交通网络化监控和智能交通带来了机遇。

２ 云计算

２．１ 基本原理

云计算包括互联网上各种服务形式的应用以及这些服务所依托数据中心的软硬件设施，这些应用服务一直被称作软件即服务（Ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｓ　ａ　Ｓｅｒｖｉｃｅ，　ＳａａＳ）[２－４]，而数据中心的软硬件设施就是所谓的云。云计算就是ＳａａＳ和效用计算。目前，除了国际大型软件开发商（Ａｍａｚｏｎ、Ｇｏｏｇｌｅ、ＩＢＭ、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ、Ｓｕｎ等）推出的商用云计算平台之外，学术界也提出了Ｈａｄｏｏｐ，Ｓｅｃｔｏｒ/Ｓｐｈｅｒｅ，ＡｂｉＣｌｏｕｄ，Ｅｕｃａｌｙｐｔｕｓ等许多云计算系统或平台方案。

城市轨道交通综合监控系统不同于典型的互联网应用，以Ｇｏｏｇｌｅ为代表的适用于互联网的云计算技术无法直接应用，因此文章的研究围绕开源的Ｈａｄｏｏｐ技术架构展开，便于改进与优化，以及原型系统的建立与实验。

Ｈａｄｏｏｐ是最知名的云计算开源系统[４]，它模仿和实现了Ｇｏｏｇｌｅ云计算的主要技术，可以在大量廉价的硬件设施组成的集群上运行应用程序，为应用程序提供了一组稳定可靠的接口，旨在构建一个具有高可靠性和良好扩展性的分布式系统。Ｈａｄｏｏｐ的核心技术是ＨＤＦＳ、ＭａｐＲｅｄｕｃｅ和ＨＢａｓｅ。

ＨＤＦＳ是一个分布式文件系统[４]，有着高容错性的特点，设计用来部署在低廉的硬件上，可提供高传输率来访问应用程序的数据，适合类似城市轨道交通综合监控系统这样有着超大规模数据集的应用程序。

ＭａｐＲｅｄｕｃｅ是一种编程模型[４]，以在大型集群上执行分布式应用的简单性和可用性著称，由Ｍａｐ（映射）和Ｒｅｄｕｃｅ（化简）组成。Ｈａｄｏｏｐ中Ｍａｐ操作在各节点并行完成，处理过程中一般没有数据的传输工作，只是在Ｒｅｄｕｃｅ过程中需要向主节点传送计算结果，对于数据密集型的计算过程节省了大量的数据传输时间。

ＨＢａｓｅ是一种构建在ＨＤＦＳ之上的分布式、面向列的存储系统[４]，适合实时读写、随机访问超大数据集的应用。ＨＢａｓｅ通过线性方式从上到下增加节点来进行扩展，不是关系型数据库，也不支持ＳＱＬ，但它巧妙地将大而稀疏的表放到廉价服务器上。

基于Ｈａｄｏｏｐ技术架构构建城市轨道交通网络综合监控系统云计算平台，既符合交通网络化的特点和智能交通系统的需求，也能充分发挥云计算的优势。

海量数据存储：智能交通系统的建设，使得状态数据向高采样率、连续稳态记录和海量存储的趋势发展。轨道交通系统中，一个车站的相关设备信息数十万计，且一个城市轨道交通网络中，至少包含十几条线路和数百个车站，加之配套的公交接驳、车场系统、城市安防等辅助系统，网络化的综合监控系统将处理数千万的数据信息点。

充分利用闲置资源，建设成本低：目前的综合监控系统均以线路为单位建设，且系统硬件配置均采用主流的高端服务器，实际应用中负荷较低，即：大马拉小车。Ｈａｄｏｏｐ云存储技术和架设和扩容非常简单，可以直接利用低负荷的服务器搭建，且不要求服务器类型相同，大幅降低建设成本，并利用虚拟化技术提高其利用率。

可靠性高：Ｈａｄｏｏｐ的数据存储系统ＨＤＦＳ采用分布式存储的方式来存储数据，采用冗余存储的方式来保证存储数据的可靠性，以高可靠软件来弥补硬件的不可靠，从而提供廉价可靠的海量分布式存储和计算系统。

有效的管理技术：云计算资源规模庞大，一个系统的服务器数量可能会高达十万台并跨越几个坐落于不同物理地点的数据中心，同时还运行成百上千种应用。该特性与轨道交通站点分布广、设备分散的特点相吻合。对云存储技术来说，每台存储服务器的使用状况，都可以在一个管理界面上看到。

２．２　ＳａａＳ技术

软件即服务（Ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｓ　ａ　Ｓｅｒｖｉｃｅ，ＳａａＳ）[２－４]是一种通过网络提供软件的模式，用户无需再购买软件，而改用向提供商租用基于ｗｅｂ的软件来管理企业经营活动，且不再对软件进行维护，服务提供商会全权管理和维护软件。ＳａａＳ服务依托于软件和互联网，与传统软件相比，其在商业模式和技术实现上具有互联网特性、多重租赁特性、服务特性。

互联网特性[２－４]：ＳａａＳ服务通过互联网浏览器或Ｗｅｂ　Ｓｅｒｖｉｃｅｓ/Ｗｅｂ　２．０程序连接的形式为用户提供服务。由于ＳａａＳ极大地缩短了用户与ＳａａＳ提供商之间的时空距离，从而使得ＳａａＳ服务的营销、交付与传统软件相比有着很大的不同。

多租户特性[２－４]：作为ＳａａＳ的核心技术，本质上是一种应用程序模型，其基本设计思想是：多个租户共享运行在同一套硬件平台之上的单个应用软件实例，类似于Ｇｏｏｇｌｅ的邮件服务。多租户的设计使得快部署、低成本的理想成为现实。目前，实现Ｍｕｌｔｉ－ｔｅｎａｎｃｙ的方法主要有物理分隔、虚拟化、支持Ｍｕｌｔｉ－ｔｅｎａｎｃｙ的应用设计等。对应轨道交通综合监控系统，每个车站单元即是一个租户。

服务特性[２－４]：ＳａａＳ是以互联网为载体，将软件以服务形式被客户使用，所以服务合约的签订、服务使用的计量、在线服务质量的保证、服务费用的收取等等问题都必须考虑，而这些问题通常是传统软件没有考虑到的。

３ 基于云计算的城市轨道交通网络综合监控系统

３．１ 总体设计

根据前面对云计算、软件即服务等关键技术的分析，文章提出了一种基于云计算的城市轨道交通网络分布式综合监控系统，以车站为基本构建单元，在由传感器、ＰＬＣ、前置机、路由器、交换机等硬件设备组成的分布式可扩展物理网络的支持下，该系统以管理型ＳａａＳ的形式提供城市轨道交通网络的综合监控整体解决方案。

功能全面、界面友好、操作简单、数据实时、信息直观是系统设计中重点考虑的方面，并且将ＧＩＳ融入到系统中，从而建立基于强大的空间数据和管理属性数据，以更直观的图形界面和简单易操作的特性，实现地理位置与城市交通状态的完美结合，有力支持智能交通系统的建设。

系统采用了浏览器/服务器（Ｂｒｏｗｓｅｒ/Ｓｅｒｖｅｒ，Ｂ/Ｓ）结构，在ＴＣＰ/ＩＰ的支持下，客户端浏览器通过ＨＴＴＰ协议向云端的Ｊａｖａ应用服务器发送请求。Ｗｅｂ层的Ｓｅｒｖｌｅｔ或ＪＳＰ生成网页用来完成表示层逻辑，其主要作用是接受并检验用户输入，调用后端的业务逻辑层并把业务逻辑层处理的结果返回给用户。ＪＳＰ和Ｓｅｒｖｌｅｔ都运行在应用服务器端。业务逻辑层由ＥＪＢ来实现，ＥＪＢ通过云数据管理系统访问数据，或者通过ＪＤＢＣ访问关系数据管理系统（Ｄａｔａｂａｓｅ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｓｙｓｔｅｍ，ＤＢＭＳ）。考虑到部分用户对客户机/服务器（Ｃｌｉｅｎｔ/Ｓｅｒｖｅｒ，Ｃ/Ｓ）监控系统的操作习惯，采用基于浏览器的模拟Ｃ/Ｓ系统界面风格。

实时性：作为一个以安全运营和智能调度为目的的监控系统，准确性和实时性是其必要性能。基于云计算平台Ｈａｄｏｏｐ的系统设计，可以保证计算、存储等资源的高度可扩展性，可以根据用户规模动态分配必要的资源，使系统的处理能力和响应时间能够满足用户的需求。系统在日常处理中的响应速度为秒级，实现实时反馈轨道交通网络中各个车站的实时运行信息。

可扩展性：各个城市的轨道交通系统正处于建设高峰期，线路规模和车站规模均在不断扩展中，因此其网络综合监控系统必须具备良好的可扩展性。云计算平台的多租户特性正好解决这一问题。用户可以根据需要，随时利用平台提供的维护工具对系统进行数据维护、系统更新和扩充。

易用性：监控系统的直接用户，大部分对云计算平台不是特别熟悉。这就要求系统能够提供易用的人机交互界面，简单培训即可保证正确操作。针对系统使用中可能出现的各种问题，需提供足够的在线帮助，缩短用户对系统熟悉的过程。

可靠性：系统可长时间不间断、无故障的运行。

易维护性：系统具有较好的可维护性，以便在系统出现故障时能够迅速恢复系统运行。

安全性：系统在网络安全的各个环节要采取可靠的安全措施，免遭攻击和破坏。

高效率：系统要避免客户端和服务器端间的频繁交互，仅传递必要的数据，以减轻服务器的压力和降低网络带宽。

强交互性：系统要能够满足中、高度复杂性的交互需要，也就是要能够到达Ｃ/Ｓ应用程序的交互效果，提高用户的体验满意度。

３．２ 功能设计

根据对城市轨道交通网络综合监控系统的需求分析，其云计算平台将由系统管理、设备管理、实时监控、ＧＩＳ监测、报警与联动等主要功能模块组成，集成城市安防、公交接驳、道路监控等辅助系统，提供维护检修、预测评估等决策支持功能。

（1）系统管理模块：分为用户管理、日志管理、数据备份等部分。用户管理提供用户信息的管理和用户权限的管理，包括添加、删除和修改用户，并为用户分配相应的角色。用户基础信息包括用户ＩＤ、用户名、联系信息、用户角色等，并由管理员设定用户权。系统提供角色到菜单的对应关系维护，同一用户可以同时映射到多个角色。权限管理基于多租户的考虑，采用分级授权，平台所有的用户和应用可以共享同一个基础架构和代码平台。日志管理提供系统日志、用户日志、报警日志、操作日志等管理和查询。数据备份将由系统自动执行，备份３至５个副本到云存储平台中，保证数据的可靠性。

（2）设备管理模块：分为运行台账、故障记录、检修记录、设备档案、备件台账等子模块。运行台账用于值班员对值班工作内容的简要记录和查询；故障记录用于记录系统故障和设备故障的报警信息，并提供报表和查询；检修记录用于维护人员对设备检修内容、时间、结果等简要记录和历史查询；设备档案提供系统所有硬件设备的设备编号、生产商、供货商、安装位置、投运时间等静态信息；备件台账提供可用的备品备件的详细情况。

（3）实时监控模块：分为环控监测、供电监测、火灾监测、客流监测等部分。考虑到几个部分数据类型的相似性和实时性要求，所以平台将这几大部分设计成统一的功能和显示风格。每个子系统都有“实时显示”、“实时曲线”、“历史查询”、“历史曲线”、“报表”等功能。该模块主要实现运营安全或设备状况密切相关的重要参数的历史、实时数据的显示，使由平台管理的所有分布式车站设备状态透明化。“报表”主要是为管理决策提供支持服务，对一些关键数据进行整理和统计，形成直观的统计分析报告。值班员可以通过该模块对现场设备进行在线远程控制。

（4）ＧＩＳ实时监测模块：

实现地铁车站综合监控与地理信息系统的结合，实时显示各分布式车站的设备、人员、机车等状态数据，监测相应的检修维护人员到位情况，查看平台下各监控点的温度、湿度、客流量等具体实时数据，并能结合公交接驳系统、城市综合安防系统等其他平台实时观测每个车站的进出站客流和道路实时交通状况，掌握机车维修进度，并根据突发客流等信息及时调配在轨车辆和修改车辆运行时间表。

（5）报警与联动模块：

根据子系统功能、信息重要级别等因素将报警信息分区、分级设置，并且实现火灾、恐怖袭击等灾害报警联动功能。系统以报警灯、语音、短信等形式进行报警。例如：某车站火灾时，系统自动将火灾区域报警信息声光方式报告给值班员，同时自动联动本站及邻站的信号、自动售检票、广播、乘客咨询等关联系统，使得各系统采取相应应急措施，避免灾害扩大化。

４ 结束语

交通问题已经成为城市发展进程中的突出难题，全国各地正加紧建设轨道交通网以缓解城市交通压力，并且智能交通系统的建设也越来越被重视。传统的轨道交通综合监控系统主要是以单个车站为单位的单条线路的设备监控和数据处理，信息量较少，且多条线路之间以及轨道网与公交接驳等配套系统之间无法实现信息共享。

随着科学技术的进步，超大容量数据库和海量信息处理等技术均已经在云计算领域得以解决，因此，建设基于云计算的轨道交通网络综合监控系统已经成为可能，更好地满足智能交通和信息管理的要求，使得城市交通管理和运行朝着网络化、标准化、智能化的方向发展，并从单一监控功能向性能可靠、功能强大、高度可扩展的基础设施型分布式监控平台发展。