南京地鐵線網(wǎng)指揮中心大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)

王 健，徐 煒，張 寧，婁永梅，朱 國(guó)，章瀾嵐

（1. 南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，南京 210024；2. 東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 210018；3. 東南大學(xué)智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心軌道交通研究所，南京 210018；4. 北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100073；5. 南京熊貓信息產(chǎn)業(yè)有限公司，南京 210008）

“十三五”以來(lái)，我國(guó)綜合交通運(yùn)輸體系不斷完善，城市軌道交通運(yùn)營(yíng)里程已經(jīng)位居世界第一，很多城市的軌道交通已經(jīng)進(jìn)入規(guī)?；途W(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)管理時(shí)期。軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)管理的特征是多樣化、層次化、精細(xì)化，互聯(lián)互通、資源共享，靈活供需調(diào)節(jié)、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)管理[1-4]，要求能夠根據(jù)線網(wǎng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)各線路統(tǒng)一管理、協(xié)調(diào)運(yùn)作，其基礎(chǔ)是對(duì)獲得的各專業(yè)運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及外部支撐信息進(jìn)行充分有效的整合、挖掘，形成基于大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的車站-線路-線網(wǎng)多層次決策體系。然而，由于對(duì)實(shí)際需求和管理服務(wù)手段認(rèn)識(shí)不足，存在多系統(tǒng)缺乏協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)、供需協(xié)調(diào)難度大、信息交換效率低下等問(wèn)題[4-6]，嚴(yán)重制約了軌道交通系統(tǒng)的整體效能發(fā)揮。在規(guī)?；途W(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)管理階段，如何通過(guò)大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)，打破各系統(tǒng)之間的“信息孤島”，突破“煙囪式”應(yīng)用建設(shè)，增強(qiáng)信息交互，提升數(shù)據(jù)安全性和可靠性，以提升城市軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)管理效率和服務(wù)水平，切實(shí)發(fā)揮其在城市公共交通系統(tǒng)中的骨干作用，成為當(dāng)前迫切需要解決的核心問(wèn)題。

筆者以南京線網(wǎng)指揮中心(network control center，NCC)為例，對(duì)城市軌道交通大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行詳細(xì)的研究和分析。

1 整體架構(gòu)

軌道交通大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)目前有以下幾種實(shí)現(xiàn)方式：一是基于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，面向聯(lián)機(jī)事務(wù)處理(online transaction processing，OLTP)，側(cè)重日常事務(wù)處理的具體業(yè)務(wù)系統(tǒng)；二是基于數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，面向聯(lián)機(jī)分析處理(online analytical processing，OLAP)，支持復(fù)雜分析操作，側(cè)重決策支持[7]；三是基于數(shù)據(jù)湖，面向信息處理和高并發(fā)任務(wù)，側(cè)重挖掘和提煉大規(guī)模的原始數(shù)據(jù)。依據(jù)是否采用虛擬化的云存儲(chǔ)和云計(jì)算平臺(tái)，可以進(jìn)一步細(xì)化為對(duì)應(yīng)的物理架構(gòu)和云架構(gòu)[8-9]。這些實(shí)現(xiàn)方式在職能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理模式、數(shù)據(jù)訪問(wèn)等方面存在顯著區(qū)別，具體如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和數(shù)據(jù)湖的區(qū)別Tab. 1 Difference between data warehouse, database and data lake

圖1 線網(wǎng)指揮中心大數(shù)據(jù)平臺(tái)的總體架構(gòu)Fig. 1 System architecture

南京地鐵線網(wǎng)指揮中心(NCC)采用的是基于數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)物理架構(gòu)的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、數(shù)據(jù)集市以及上層決策系統(tǒng)服務(wù)等模塊，其架構(gòu)如圖1 所示。其中，數(shù)據(jù)源層基于海量多源異構(gòu)原始數(shù)據(jù)采集和治理功能，形成線網(wǎng)數(shù)據(jù)資源目錄；混合式大數(shù)據(jù)平臺(tái)基于平臺(tái)邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)和物理架構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組織，提高系統(tǒng)執(zhí)行效率和穩(wěn)定性；上層決策系統(tǒng)服務(wù)通過(guò)提供信息交互平臺(tái)和高性能運(yùn)算資源，為上層應(yīng)用提供支持。同時(shí)，數(shù)據(jù)安全管理貫穿于數(shù)據(jù)傳輸、處理、分析和應(yīng)用的全過(guò)程。此外，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)鏈接，對(duì)大量計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源進(jìn)行統(tǒng)一管理與調(diào)度的云平臺(tái)和云計(jì)算技術(shù)，主要應(yīng)用在南京地鐵線網(wǎng)指揮中心NCC 項(xiàng)目后續(xù)二期工程中(筆者將另文展開(kāi)論述)。

2 數(shù)據(jù)源層

2.1 數(shù)據(jù)采集

軌道交通數(shù)據(jù)來(lái)源有多種分類方法[10-11]，根據(jù)其與軌道交通運(yùn)營(yíng)管理的關(guān)聯(lián)性，可以分為內(nèi)部數(shù)據(jù)、協(xié)同數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)三類。內(nèi)部數(shù)據(jù)，包含地理信息數(shù)據(jù)等靜態(tài)數(shù)據(jù)，以及客流數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、票務(wù)數(shù)據(jù)、事件數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)、各部門設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)；協(xié)同數(shù)據(jù)，包含法律法規(guī)、公共交通、氣象、地質(zhì)災(zāi)害、醫(yī)療衛(wèi)生、安防等數(shù)據(jù)；外部數(shù)據(jù)，包含基站、互聯(lián)網(wǎng)地圖、大型活動(dòng)、社交媒體等數(shù)據(jù)。其中，包含了結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，也包含實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，具有多源、異構(gòu)、動(dòng)態(tài)、多維度的特點(diǎn)。

為保證數(shù)據(jù)的完整性與準(zhǔn)確性，軌道交通更加突出自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集，常見(jiàn)的數(shù)據(jù)接口方式包括Socket、Modbus TCP/IP 協(xié)議、HTTP 協(xié)議、消息隊(duì)列、FTP文件傳輸?shù)葘Ｓ媒涌趨f(xié)議或通信機(jī)制。此外，還包括人為主動(dòng)或被動(dòng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、應(yīng)用爬蟲(chóng)技術(shù)采集的全網(wǎng)信息等。為保證數(shù)據(jù)的時(shí)效性，應(yīng)對(duì)軌道交通未來(lái)高速無(wú)人駕駛和精準(zhǔn)人臉識(shí)別等應(yīng)用在數(shù)據(jù)快速處理和分析方面提供支持，在數(shù)據(jù)采集和接入階段即需要運(yùn)用集群或分布式等架構(gòu)，充分提高系統(tǒng)并行處理能力，同時(shí)降低各接口服務(wù)之間的耦合度，提高開(kāi)發(fā)效率。

南京地鐵NCC 系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)接入平臺(tái)，與線路綜合監(jiān)控系統(tǒng)(integrated supervisory control system，ISCS)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(supervisory control and data acquisition，SCADA)建立基于 TCP/IP 協(xié)議的冗余網(wǎng)絡(luò)連接，與移動(dòng)支付系統(tǒng)建立基于HTTP 協(xié)議的實(shí)時(shí)行程傳輸，與ACC 建立基于FTP 協(xié)議的歷史客流數(shù)據(jù)傳輸，與區(qū)域線路中心(zone line center，ZLC)建立基于Modbus TCP/IP 協(xié)議的冗余網(wǎng)絡(luò)連接。此外，還預(yù)留與地鐵公司其他相關(guān)系統(tǒng)(集團(tuán)辦公自動(dòng)化OA，資產(chǎn)管理系統(tǒng)等)、企業(yè)外部單位的信息接口。

2.2 數(shù)據(jù)治理

由于軌道交通的數(shù)據(jù)分散在各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，形成豎井式架構(gòu)，造成多個(gè)信息孤島，導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余、數(shù)據(jù)不一致、有效性差、共享性差、擴(kuò)展性差等問(wèn)題。因此，軌道交通數(shù)據(jù)的有效融合需要數(shù)據(jù)治理(data governance)過(guò)程，即通過(guò)抽取、轉(zhuǎn)換、加載等方法，將軌道交通多源異構(gòu)數(shù)據(jù)抽取到臨時(shí)中間層進(jìn)行清洗、整合、探查、分析等處理，然后再存儲(chǔ)到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的數(shù)據(jù)資產(chǎn)，最終形成城市軌道交通線網(wǎng)數(shù)據(jù)資源目錄。

南京地鐵線網(wǎng)指揮中心大數(shù)據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)治理主要包含以下內(nèi)容：

1) 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)管理：數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是數(shù)據(jù)治理的依據(jù)，通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、指標(biāo)數(shù)據(jù)和二次數(shù)據(jù)制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，形成數(shù)據(jù)源和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間的映射。

2) 元數(shù)據(jù)管理：基于數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，建立軌道交通數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)元數(shù)據(jù)模型(包含業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)、技術(shù)元數(shù)據(jù)、管理元數(shù)據(jù)3 個(gè)方面)，促進(jìn)數(shù)據(jù)抽取、加載、轉(zhuǎn)換(extract-transform-load，ETL)過(guò)程的規(guī)范化，為數(shù)據(jù)質(zhì)量管理和主數(shù)據(jù)管理提供基礎(chǔ)。

3) 主數(shù)據(jù)管理：通過(guò)構(gòu)建統(tǒng)一完整的主數(shù)據(jù)視圖，解決部門之間的業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)交叉問(wèn)題，避免因業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)交叉導(dǎo)致的主數(shù)據(jù)不一致問(wèn)題。

4) 數(shù)據(jù)質(zhì)量管理：一方面，按照預(yù)定義的檢查規(guī)則，對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、有效性、一致性、關(guān)聯(lián)性和時(shí)效性進(jìn)行檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并掌握數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題；另一方面，對(duì)存在質(zhì)量問(wèn)題數(shù)據(jù)的影響、成因和解決措施進(jìn)行分析和總結(jié)，形成有效的閉環(huán)反饋。

5) 數(shù)據(jù)安全和隱私管理：根據(jù)數(shù)據(jù)安全級(jí)別，設(shè)置數(shù)據(jù)安全規(guī)則，制定安全管理策略，包含用戶隱私保護(hù)、數(shù)據(jù)可信傳輸和數(shù)據(jù)訪問(wèn)控制等。

6) 數(shù)據(jù)生命周期管理：對(duì)軌道交通數(shù)據(jù)創(chuàng)建、使用、更新、歸檔和銷毀的整個(gè)生命周期進(jìn)行有效管理。

3 邏輯架構(gòu)

大數(shù)據(jù)平臺(tái)綜合了多種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，其基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到數(shù)據(jù)庫(kù)的性能和管理，在明確軌道交通各部門業(yè)務(wù)規(guī)則和業(yè)務(wù)對(duì)象的基礎(chǔ)上，通過(guò)抽象的方式描述業(yè)務(wù)中概念實(shí)體與實(shí)體之間的關(guān)系，由實(shí)體、屬性、關(guān)系三部分組成。數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)是面向所有系統(tǒng)的通用性模型，不針對(duì)任何單一應(yīng)用，保存的是不可拆分的原子粒度數(shù)據(jù)和輕度匯總數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)特定功能需求，還需要進(jìn)一步對(duì)各部門或主題的數(shù)據(jù)集市(data marts，DM)進(jìn)行相應(yīng)的邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1 數(shù)據(jù)集市

數(shù)據(jù)集市作為數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的子集，是一種面向特定主題或部門需求而建立的分析環(huán)境，通過(guò)預(yù)先計(jì)算好相應(yīng)的數(shù)據(jù)，滿足用戶對(duì)性能的需求，可以在一定程度上緩解數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)訪問(wèn)的瓶頸。因此，在其邏輯架構(gòu)的構(gòu)建過(guò)程中，更關(guān)注復(fù)雜的業(yè)務(wù)規(guī)則。

在數(shù)據(jù)集市建模中，提倡采用面向主題、穩(wěn)定、時(shí)變、非易失的維度建模，包含星型模式、雪花模式和星座模式等。運(yùn)用維度建模，需要根據(jù)業(yè)務(wù)分析模型，確定數(shù)據(jù)的粒度和每個(gè)事實(shí)所需要關(guān)聯(lián)的維度、屬性和層次，通過(guò)預(yù)先計(jì)算、保留冗余等方式，提高執(zhí)行效率，極大地提高數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的性能。由于維度建模在業(yè)務(wù)發(fā)生變化時(shí)需要重新進(jìn)行維度定義，且無(wú)法保證數(shù)據(jù)來(lái)源的一致性和準(zhǔn)確性，所以不適用于數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的底層。

因此，在大數(shù)據(jù)平臺(tái)的底層采用第三范式建模，構(gòu)建企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)(enterprise data warehouse，EDW)邏輯架構(gòu)。第三范式建模是在數(shù)據(jù)庫(kù)建模中常見(jiàn)的建模方法，具有體系化、擴(kuò)展性好、避免冗余和更新異常的特點(diǎn)，能夠保證數(shù)據(jù)來(lái)源的一致性、完整性和準(zhǔn)確性。

南京地鐵線網(wǎng)指揮中心采用自上而下的方法，基于企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，為數(shù)據(jù)存取頻繁的信息系統(tǒng)構(gòu)建從屬型數(shù)據(jù)集市，提高查詢速度。在這種方法中，數(shù)據(jù)在進(jìn)入數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)之后都進(jìn)行清洗和整理，之后才分發(fā)到數(shù)據(jù)集市中，這對(duì)于維護(hù)全局?jǐn)?shù)據(jù)的一致性十分有利。

3.2 主題模型

隨著數(shù)據(jù)量的不斷增加，數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的查詢性能急劇下降，產(chǎn)生嚴(yán)重延時(shí)，對(duì)關(guān)鍵、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的分析和處理就顯得力不從心。同時(shí)，跨專業(yè)、跨部門、跨領(lǐng)域的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存在標(biāo)準(zhǔn)不一致等問(wèn)題，需要在深入了解業(yè)務(wù)需求的基礎(chǔ)上，通過(guò)主題模型設(shè)計(jì)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組織。主題是指業(yè)務(wù)分析所需的某一方面信息，用于定義數(shù)據(jù)模型的范圍，為數(shù)據(jù)邏輯模型的設(shè)計(jì)提供總體框架。主題模型采用名稱和定義的形式來(lái)標(biāo)示所有的主題域，以一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)多等形式標(biāo)示主題域之間的邏輯關(guān)系，滿足數(shù)據(jù)共享要求。

南京地鐵線網(wǎng)指揮中心大數(shù)據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)了當(dāng)事人、路網(wǎng)、設(shè)備設(shè)施、行車、票務(wù)、渠道、OD、客流、清分、事件、能耗等11 個(gè)主題，各個(gè)主題之間存在著密切的關(guān)聯(lián)。其中，票務(wù)主題包含產(chǎn)品、交易、庫(kù)存、關(guān)系、票價(jià)等信息，客流主題包含多維基礎(chǔ)客流信息、修正信息、路徑集信息等，設(shè)備設(shè)施主題包含履歷表、分類、配置點(diǎn)、狀態(tài)檢測(cè)、關(guān)系、故障等信息，事件主題包含周邊環(huán)境、突發(fā)事件、天氣、節(jié)假日、應(yīng)急預(yù)案等信息。

4 物理架構(gòu)

軌道交通數(shù)據(jù)具有體量大、類型多樣、產(chǎn)生速度快、處理復(fù)雜、多元交互的特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)單機(jī)處理方式難以滿足其應(yīng)用的需求，需要對(duì)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的物理架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。適用于分布式環(huán)境下的混合數(shù)據(jù)物理架構(gòu)，可以作為軌道交通數(shù)據(jù)處理的有效途徑，以滿足高擴(kuò)展、高吞吐、高可用的應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)分類分級(jí)的數(shù)據(jù)共享。

大數(shù)據(jù)IO 密集和計(jì)算密集的特點(diǎn)，決定了在云平臺(tái)上建立大數(shù)據(jù)應(yīng)用是必然趨勢(shì)。然而，傳統(tǒng)的基于虛擬機(jī)的云平臺(tái)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)存在技術(shù)沖突，目前包含南京地鐵在內(nèi)的多家軌道交通數(shù)據(jù)中心將大數(shù)據(jù)應(yīng)用進(jìn)行裸機(jī)(物理機(jī))部署。隨著容器化技術(shù)的成熟，可以通過(guò)運(yùn)用資源隔離和限制技術(shù)，降低系統(tǒng)硬件要求和耦合度，實(shí)現(xiàn)性能與物理機(jī)幾乎無(wú)差別的多租戶應(yīng)用；根據(jù)資源的動(dòng)態(tài)需求變換，實(shí)時(shí)調(diào)整集群計(jì)算節(jié)點(diǎn)的類型和規(guī)模，達(dá)到錯(cuò)峰的目的，從而提高資源利用率，降低運(yùn)維成本。

軌道交通大數(shù)據(jù)平臺(tái)物理架構(gòu)設(shè)計(jì)的核心是運(yùn)用分布式技術(shù)，為支撐系統(tǒng)提供可擴(kuò)展、可彈性配置的存儲(chǔ)資源和運(yùn)算資源。軌道交通數(shù)據(jù)混合式的大數(shù)據(jù)平臺(tái)可以分為以下三類：

1) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)：用于采集各業(yè)務(wù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)快速提取和轉(zhuǎn)換，將源系統(tǒng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，然后傳入數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和可視化平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)和展示。

2) 分區(qū)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)：基于元數(shù)據(jù)和主題域，構(gòu)建具有高可擴(kuò)展性的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，將多個(gè)具有獨(dú)立資源的分區(qū)運(yùn)行在不同的物理節(jié)點(diǎn)上，由數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)和管理，對(duì)用戶和上層應(yīng)用來(lái)說(shuō)依然是單一的系統(tǒng)鏡像。通過(guò)設(shè)置合理的分區(qū)鍵和連接方式，保證數(shù)據(jù)跨所有分區(qū)均勻分布，提高并行查詢效率。

3) 分布式系統(tǒng)：通過(guò)將運(yùn)算資源和存儲(chǔ)資源虛擬化，為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)提供獨(dú)立管理和智能檢索功能；為數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)提供定期的數(shù)據(jù)備份功能，避免因?yàn)橹鞅砩L(zhǎng)而降低數(shù)據(jù)查詢的性能；為海量數(shù)據(jù)分析處理提供運(yùn)算資源。

南京地鐵線網(wǎng)指揮中心大數(shù)據(jù)平臺(tái)采用Kafka 分布式消息發(fā)布訂閱系統(tǒng)、MPP 大規(guī)模并行處理架構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)和Hadoop 分布式系統(tǒng)，作為軌道交通大數(shù)據(jù)平臺(tái)的物理架構(gòu)。其中，Kafka 用來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理，MPP 數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，Hadoop 用來(lái)提供非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)備份，以實(shí)現(xiàn)軌道交通海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和高效分析。

5 系統(tǒng)支持

城市軌道交通大數(shù)據(jù)平臺(tái)面向上層決策系統(tǒng)，除了提供統(tǒng)一、共享的數(shù)據(jù)資源以外，還面對(duì)多系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互需要提供穩(wěn)定、可靠的信息交互支撐，面對(duì)高負(fù)荷的數(shù)據(jù)分析和挖掘應(yīng)用需要提供高性能的計(jì)算資源。

5.1 信息交換支撐

由于上層決策應(yīng)用系統(tǒng)間數(shù)據(jù)需求的異構(gòu)性，所以系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互共享就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，特別是在需要多個(gè)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)支撐的綜合決策中問(wèn)題尤為突出。這會(huì)導(dǎo)致上層決策系統(tǒng)依然處于孤立狀態(tài)，因此需要一種獨(dú)立于各信息系統(tǒng)、完全解耦、能夠容納系統(tǒng)變化的中間信息交換平臺(tái)[12]。

南京地鐵線網(wǎng)指揮中心大數(shù)據(jù)平臺(tái)采用基于企業(yè)服務(wù)總線(enterprise service bus，ESB)技術(shù)，構(gòu)建城市軌道交通信息交換平臺(tái)，并制定信息交換規(guī)范。平臺(tái)基于多線程體系支撐，規(guī)范異構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式、交換和路由，消除不同應(yīng)用之間的技術(shù)差異，實(shí)現(xiàn)包括線網(wǎng)監(jiān)控、應(yīng)急處置、視頻分析、客流預(yù)測(cè)和仿真等不同系統(tǒng)和服務(wù)之間的信息交互。

對(duì)于需要批量存取共享數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)，如客流預(yù)測(cè)系統(tǒng)和客流仿真系統(tǒng)，可以直接與數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，其他信息系統(tǒng)可通過(guò)訪問(wèn)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的方式獲取交互數(shù)據(jù)。

5.2 高性能計(jì)算

高性能計(jì)算(high performance computing，HPC)基于高性能計(jì)算平臺(tái)，充分利用數(shù)據(jù)中心的集群、分布式網(wǎng)絡(luò)以及專業(yè)硬件設(shè)備等高性能處理單元的聚合能力[13]，運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、深度學(xué)習(xí)等方法進(jìn)行分析和建模，解決軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)中的復(fù)雜問(wèn)題。

目前，南京地鐵線網(wǎng)指揮中心大數(shù)據(jù)平臺(tái)在列車運(yùn)行圖編制、視頻目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別、線網(wǎng)客流仿真、客流分析和預(yù)測(cè)等具體應(yīng)用場(chǎng)景中，能夠提供高性能計(jì)算資源。例如：視頻分析系統(tǒng)運(yùn)用高性能GPU 集群，實(shí)現(xiàn)多路視頻實(shí)時(shí)智能分析(包括人員計(jì)數(shù)、人群密度分析、異常事件檢測(cè)等模塊)；客流分析和預(yù)測(cè)系統(tǒng)利用分布式存儲(chǔ)和運(yùn)算資源，將復(fù)雜問(wèn)題分解為許多小部分，分配給不同的計(jì)算機(jī)處理，從而節(jié)約了整體計(jì)算時(shí)間，極大地提高了計(jì)算效率。

6 數(shù)據(jù)安全

貫穿于整個(gè)城市軌道交通大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)的功能，除了以數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為核心的數(shù)據(jù)組織和數(shù)據(jù)治理外，還包含了數(shù)據(jù)安全管理功能，以滿足城市軌道交通在列車運(yùn)行等多種應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)于數(shù)據(jù)安全性和可靠性的需求。建立與城市軌道交通具體業(yè)務(wù)深度結(jié)合的數(shù)據(jù)安全管理模塊，是線網(wǎng)指揮大數(shù)據(jù)平臺(tái)的可靠性和合理性的必要保障。數(shù)據(jù)安全管理功能，除了最基本的物理環(huán)境數(shù)據(jù)安全保障外，還應(yīng)包含網(wǎng)絡(luò)通信安全管理和應(yīng)用分析安全管理，具體功能如下：

1) 物理環(huán)境安全：是數(shù)據(jù)安全最基礎(chǔ)的保障，通過(guò)對(duì)線網(wǎng)指揮數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)備進(jìn)行合理布置和安裝，為基礎(chǔ)支撐和業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供一個(gè)穩(wěn)定、安全、可靠的數(shù)據(jù)生成、處理、存儲(chǔ)和傳輸?shù)奈锢憝h(huán)境，有效防護(hù)靜電、溫濕度變化、電磁干擾等情況。

2) 網(wǎng)絡(luò)通信安全：面對(duì)具有高可靠和高優(yōu)先級(jí)需求的信息傳輸，充分利用各種軟硬件安全設(shè)備和產(chǎn)品，在邊界防護(hù)、入侵防范、集中管控等方面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全防護(hù)，如為列車控制系統(tǒng)提供獨(dú)立、高可靠的冗余數(shù)據(jù)通信信道。

3) 業(yè)務(wù)應(yīng)用安全：分析和應(yīng)用安全進(jìn)一步與城市軌道交通業(yè)務(wù)相結(jié)合，一方面包含了對(duì)系統(tǒng)自身的脆弱性風(fēng)險(xiǎn)和漏洞的防范，運(yùn)用身份鑒別、訪問(wèn)控制、數(shù)據(jù)完整性和保密性驗(yàn)證、主備部署、數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)等綜合性全生命周期管理手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用和(敏感)數(shù)據(jù)安全的可靠防護(hù)；另一方面包含了城市軌道交通運(yùn)營(yíng)調(diào)度行為的可靠性評(píng)判，從輔助支撐線網(wǎng)指揮決策的角度，保證城市軌道交通運(yùn)營(yíng)的數(shù)據(jù)安全高效。

7 結(jié)語(yǔ)

線網(wǎng)指揮中心大數(shù)據(jù)平臺(tái)是城市軌道交通最上層指揮調(diào)度系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐，其架構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和成功實(shí)施，對(duì)地鐵系統(tǒng)科學(xué)合理管理數(shù)據(jù)資產(chǎn)、安全高效協(xié)調(diào)管控系統(tǒng)和健全智能決策支持的實(shí)現(xiàn)起到至關(guān)重要的作用。筆者結(jié)合南京地鐵大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)實(shí)例，自下而上地從數(shù)據(jù)采集治理、邏輯架構(gòu)和物理架構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)用支持、數(shù)據(jù)安全等多個(gè)角度，梳理軌道交通大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析和探討。

線網(wǎng)指揮中心大數(shù)據(jù)平臺(tái)的建設(shè)是一個(gè)復(fù)雜、長(zhǎng)期的系統(tǒng)工程，會(huì)隨著業(yè)務(wù)需求的變化不斷完善，發(fā)揮自身數(shù)據(jù)富集的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)城市軌道交通信息化、智能化發(fā)展。