駱 濱
(昆明地鐵建設(shè)管理有限公司,云南昆明 650021)
云計(jì)算系統(tǒng)在各個(gè)行業(yè)得到日益廣泛的應(yīng)用。云計(jì)算系統(tǒng)平臺(tái)包括云計(jì)算、云調(diào)度、云存儲(chǔ)、云安全、云監(jiān)控、云端打印設(shè)備和外存儲(chǔ)設(shè)備等,兼顧數(shù)值處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ),是一種集成分布式計(jì)算、邊緣計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算、虛擬化、分布式存儲(chǔ)、分布式設(shè)備管理、負(fù)載動(dòng)態(tài)均衡功能的系統(tǒng)。云計(jì)算系統(tǒng)的外在表現(xiàn)是為客戶(hù)提供實(shí)時(shí)的軟件服務(wù)、海量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、快速的系統(tǒng)響應(yīng)、豐富的開(kāi)發(fā)工具等。
云計(jì)算中心是把相關(guān)的基礎(chǔ)層硬件設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)行虛擬化管理、動(dòng)態(tài)分配、按需服務(wù),是一個(gè)通過(guò)分布式技術(shù)實(shí)現(xiàn)的集中式數(shù)據(jù)處理中心。隨著云計(jì)算的發(fā)展成熟,研制與特定行業(yè)或者特定的工作需求相吻合的專(zhuān)業(yè)云方案就浮上了桌面。邊緣計(jì)算是指在分布式的云環(huán)境中,將數(shù)據(jù)和信息、信號(hào)等傳輸給距離最短的相鄰節(jié)點(diǎn)來(lái)處理,并將處理結(jié)果以最短的時(shí)間反饋給終端用戶(hù)。這種節(jié)點(diǎn)本身具備信息處理的能力,可以作為一個(gè)微型的云計(jì)算中心來(lái)對(duì)待。這種處理方式避免長(zhǎng)距離的網(wǎng)絡(luò)傳輸,減輕網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān),減少帶寬的占用,也減輕云計(jì)算中心的信息處理量和資源占用,同時(shí)提升了用戶(hù)的使用體驗(yàn)。邊緣計(jì)算與云計(jì)算互為補(bǔ)充、深度協(xié)調(diào)各種資源的使用和調(diào)度,使整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率更高、負(fù)載更為均衡、處理和響應(yīng)效率更佳、避免網(wǎng)絡(luò)擁堵、用戶(hù)體驗(yàn)度提高。
目前昆明地鐵自動(dòng)售檢票系統(tǒng)(AFC),能夠較好地完成售、檢票的功能,完成票款的清分和資金的劃撥,系統(tǒng)功能完備、數(shù)據(jù)獨(dú)立、邏輯清楚,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。但從昆明地鐵實(shí)際使用情況來(lái)分析,目前的系統(tǒng)也存在明顯的不足。
(1)層次過(guò)多。從第四層到第一層的客流、票卡、設(shè)備狀態(tài)、統(tǒng)計(jì)收益數(shù)據(jù)等和從第一層到第四層的運(yùn)營(yíng)參數(shù)、控制命令、時(shí)鐘同步等數(shù)據(jù)都需要層層轉(zhuǎn)發(fā),整個(gè)過(guò)程傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)節(jié)過(guò)多。
(2)設(shè)備和數(shù)據(jù)高度冗余。數(shù)據(jù)高度冗余,從終端設(shè)備(四層)到車(chē)站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(三層)再到線(xiàn)路中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(二層)再到清分系統(tǒng)(一層),每一層都保存著重復(fù)的應(yīng)用數(shù)據(jù)。設(shè)備高度冗余,從車(chē)站終端設(shè)備(第四層)到清分系統(tǒng)(第一層)每層都有服務(wù)器、工作站、存儲(chǔ)設(shè)備、打印設(shè)備等。
(3)功能重疊。從第三層到第一層都存在傳輸、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)分析、系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全監(jiān)控、時(shí)鐘管理、報(bào)表生成、收益管理等功能,使得每一層都需要配置網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件、操作系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、應(yīng)用軟件等,整個(gè)系統(tǒng)中多處重復(fù)軟件使整個(gè)系統(tǒng)顯得十分冗雜。
(4)資源利用率低。2019年 7月 (疫情前),昆明地鐵客流量最大的首期工程平均單日運(yùn)送394 437人次,全線(xiàn)平均客流26 296人次/h,單站平均客流低于1 000人次/ h。線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)高峰時(shí)段斷面客流單站最大值小于18 000 人次。清分系統(tǒng)、線(xiàn)路中央系統(tǒng)、車(chē)站等大量計(jì)算機(jī)設(shè)備處于空閑狀態(tài),造成投資浪費(fèi)。
(5)系統(tǒng)越來(lái)越龐大。隨著新線(xiàn)次第完工,AFC系統(tǒng)的設(shè)備規(guī)模也同步增多。同時(shí)維護(hù)成本也越來(lái)越高。
在充分分析現(xiàn)存的AFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點(diǎn)后,提出一個(gè)4層的基于云計(jì)算和邊緣計(jì)算技術(shù)的自動(dòng)售檢票系統(tǒng)(ACE)。在如圖2所示的ACE架構(gòu)中,剔除圖1中的清分系統(tǒng)、線(xiàn)路中央計(jì)算機(jī)、車(chē)站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3個(gè)層次,增加了多車(chē)站邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)層(MEC)和云清分中心(CCC)。第四層CCC采用了云計(jì)算技術(shù),構(gòu)建了能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)清分功能的清分系統(tǒng)。
ACE系統(tǒng)包括了云計(jì)算清分設(shè)備、多車(chē)站邊緣計(jì)算設(shè)備、傳輸速率10 GB以上主干網(wǎng)和車(chē)站終端設(shè)備。其物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。
3.2.1 云計(jì)算清分中心
CCC包括若干物理服務(wù)器、萬(wàn)兆交換機(jī)、萬(wàn)兆路由交換機(jī)等核心設(shè)備。由云計(jì)算系統(tǒng)對(duì)物理服務(wù)器進(jìn)行虛擬化分割和管理,產(chǎn)生多臺(tái)虛擬服務(wù)器,并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)即時(shí)響應(yīng)。當(dāng)線(xiàn)路增加時(shí),可以根據(jù)實(shí)際需要實(shí)時(shí)擴(kuò)展系統(tǒng)硬件和性能。
3.2.2 地鐵網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
主干網(wǎng)絡(luò)采用自愈式冗余網(wǎng)絡(luò)雙環(huán)形結(jié)構(gòu),二層組網(wǎng),車(chē)站設(shè)備、邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)設(shè)備和CCC各自組成局域網(wǎng),局域網(wǎng)采用星形以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。各個(gè)局域網(wǎng)采用萬(wàn)兆路由交換機(jī)接入環(huán)形網(wǎng)絡(luò),CCC局域網(wǎng)內(nèi)部采用萬(wàn)兆交換機(jī)相連,其他局域網(wǎng)內(nèi)部采用千兆交換機(jī)相連接。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)工作時(shí),若主環(huán)出現(xiàn)故障,則備用環(huán)路工作,主環(huán)進(jìn)入自愈修復(fù)狀態(tài),以保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正常工作。
3.2.3 邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)
邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)(MEC)可以看成是1個(gè)微縮版的云計(jì)算服務(wù)節(jié)點(diǎn)。1個(gè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)管理和傳輸若干個(gè)(圖2中若K= 5,即表示5個(gè)站點(diǎn))站點(diǎn)的數(shù)據(jù)、命令、時(shí)鐘信號(hào),所轄站點(diǎn)的交易數(shù)據(jù)、設(shè)備參數(shù)、人臉特征、報(bào)表信息等都存儲(chǔ)在邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,由該系統(tǒng)統(tǒng)一處理和上傳下發(fā)。
3.2.4 車(chē)站設(shè)備
車(chē)站設(shè)備包括接入主干網(wǎng)的留有冗余萬(wàn)兆接口的路由交換機(jī)以及接入千兆交換機(jī)口的自動(dòng)檢票機(jī)、售票充值一體機(jī)、人臉識(shí)別器、手機(jī)刷碼器、票房售票機(jī)等,省去了車(chē)站計(jì)算機(jī)及其相關(guān)設(shè)備。當(dāng)主干網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)時(shí),車(chē)站設(shè)備能夠獨(dú)立運(yùn)行并保存數(shù)據(jù),當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常時(shí),車(chē)站設(shè)備可以正常傳輸數(shù)據(jù)。
由于ACE系統(tǒng)中去除傳統(tǒng)的清分中心和線(xiàn)路中央計(jì)算機(jī)、車(chē)站計(jì)算機(jī)功能層,增加MEC和CCC功能層,因而有必要對(duì)自動(dòng)售檢票系統(tǒng)的功能進(jìn)行適度的重新劃分,盡量避免不必要的重復(fù)和累贅。
3.3.1 云清分中心功能
CCC保留傳統(tǒng)AFC系統(tǒng)中的清分、參數(shù)管理、報(bào)表分析、票務(wù)管理、密鑰管理、數(shù)據(jù)交換、異地容災(zāi)、系統(tǒng)管理等子系統(tǒng),增加決策支持子系統(tǒng)和人臉比對(duì)子系統(tǒng)。同時(shí)去除客流監(jiān)測(cè)和設(shè)備監(jiān)控功能。
人臉比對(duì)子系統(tǒng)在CCC的人臉中心庫(kù)中保留所有線(xiàn)路站點(diǎn)采集的人臉數(shù)據(jù)、支付方式(銀行卡、微信、支付寶等)和其他必須的輔助信息。CCC人臉中心庫(kù)和各個(gè)MEC人臉本地庫(kù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完全一致。CCC中的人臉比對(duì)功能為全線(xiàn)網(wǎng)提供服務(wù),但并不是所有的人臉比對(duì)都在CCC中心庫(kù)完成。
將原線(xiàn)路中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的決策支持功能移到CCC中執(zhí)行,既可以根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)于全線(xiàn)網(wǎng)的客流、收益、系統(tǒng)運(yùn)行等提供分析報(bào)告,也可以對(duì)某條線(xiàn)路或指定區(qū)間、站點(diǎn)提供分析預(yù)測(cè)報(bào)告。
3.3.2 邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)功能
MEC主要功能包括軟件更新、數(shù)據(jù)采集、時(shí)鐘管理、客流監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控、維護(hù)管理、人臉比對(duì)、數(shù)據(jù)庫(kù)操作、權(quán)限管理等。將原線(xiàn)路中央計(jì)算機(jī)、車(chē)站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的報(bào)表系統(tǒng)和收益管理等功能劃分到CCC中實(shí)現(xiàn)。
MEC人臉本地庫(kù)保存著MEC所轄站點(diǎn)采集的人臉與支付信息,并實(shí)時(shí)傳輸?shù)紺CC人臉中心庫(kù)中保存。若通過(guò)手機(jī)APP采集的人臉與支付信息,則直接傳入CCC人臉中心庫(kù)存儲(chǔ)。當(dāng)旅客刷臉驗(yàn)票時(shí),系統(tǒng)在本地庫(kù)對(duì)人臉信息進(jìn)行比對(duì),若比中,則支付以后過(guò)程結(jié)束;否則將信息傳送到CCC中心庫(kù)比對(duì),若比中,則將該人臉信息復(fù)制到當(dāng)前MEC人臉本地庫(kù);若未比中,則反饋信息給站點(diǎn)人臉設(shè)備。本地人臉數(shù)據(jù)庫(kù)和CCC人臉中心庫(kù)都要進(jìn)行數(shù)據(jù)定時(shí)更新。
3.3.3 車(chē)站設(shè)備功能
車(chē)站設(shè)備中增加人臉采集和比對(duì)、手機(jī)刷碼功能,除去原車(chē)站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)及其附屬設(shè)備,升級(jí)交換機(jī)性能,其余自動(dòng)檢票機(jī)、自動(dòng)售票機(jī)、票房售票機(jī)等設(shè)備保留,但需要升級(jí)其網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。
3.4.1 云清分中心架構(gòu)
CCC架構(gòu)包括業(yè)務(wù)應(yīng)用層、系統(tǒng)平臺(tái)層、基礎(chǔ)設(shè)施層。架構(gòu)層級(jí)如圖4所示。
(1)基礎(chǔ)設(shè)施層。該層包括資源池化的基礎(chǔ)設(shè)施和云計(jì)算管理平臺(tái)。如物理服務(wù)器、存儲(chǔ)器等物理基礎(chǔ)設(shè)備,通過(guò)云計(jì)算管理平臺(tái)的虛擬化管理功能產(chǎn)生一系列的虛擬機(jī),包括虛擬服務(wù)器、虛擬存儲(chǔ)器、虛擬網(wǎng)絡(luò)等。虛擬機(jī)有利于更充分地利用硬件資源,提高設(shè)備的使用效率,更好地共享底層物理資源。底層物理設(shè)備為系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供物理支持。
(2)系統(tǒng)平臺(tái)層。虛擬化是云計(jì)算的核心技術(shù)。云系統(tǒng)軟件和云操作系統(tǒng)、通信軟件、云數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等為應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)軟件環(huán)境。云計(jì)算技術(shù)通過(guò)負(fù)載均衡、進(jìn)程線(xiàn)程調(diào)度、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遷移、動(dòng)態(tài)分配、虛擬化、多用戶(hù)等功能保證ACE系統(tǒng)功能的及時(shí)實(shí)現(xiàn)。人臉比對(duì)子系統(tǒng)、電源管理子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)備份軟件以線(xiàn)程的形式運(yùn)行于系統(tǒng)層,以便對(duì)來(lái)自于ACE系統(tǒng)的請(qǐng)求及時(shí)作出響應(yīng)。該層提供了應(yīng)用軟件的二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)、應(yīng)用編程接口(API)程序開(kāi)發(fā)包,為ACE功能的再次提升和軟件更新提供了基礎(chǔ)環(huán)境。智能管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)、應(yīng)用軟件、防火墻等的監(jiān)控、配置、安裝、管理等功能。
(3)業(yè)務(wù)應(yīng)用層。該層包括了ACE系統(tǒng)的應(yīng)用程序接口,系統(tǒng)以桌面云的形式提供服務(wù)。桌面云提供與CCC虛擬設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互、計(jì)算的能力,可以圓滿(mǎn)地完成CCC的工作。桌面云可以根據(jù)不同的用戶(hù)權(quán)限和需求定義不同的應(yīng)用入口、虛擬數(shù)據(jù)區(qū)和訪問(wèn)范圍,有利于對(duì)不同級(jí)別人員的區(qū)別管理。
3.4.2 多站點(diǎn)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)架構(gòu)
MEC架構(gòu)類(lèi)似于CCC架構(gòu),但規(guī)模要小。MEC采用云操作系統(tǒng)。MEC根據(jù)所轄站點(diǎn)的多少和客流大小選擇設(shè)備的數(shù)量和性能。MEC硬件基礎(chǔ)提供的性能要與該節(jié)點(diǎn)處理所有所轄站點(diǎn)的數(shù)據(jù)、命令和人臉比對(duì)等的響應(yīng)時(shí)間相匹配。隨著市郊線(xiàn)網(wǎng)的建造,一部分站點(diǎn)離CCC的距離可以達(dá)到200多km甚至更遠(yuǎn),MEC能夠?qū)λ犝军c(diǎn)的數(shù)據(jù)就近處理,這極大地減輕主干網(wǎng)絡(luò)的傳輸負(fù)載,也縮減數(shù)據(jù)處理的響應(yīng)時(shí)間。
人臉識(shí)別系統(tǒng)是一個(gè)分布式二級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng),即本地庫(kù)—中心庫(kù)管理模式。為了提高人臉識(shí)別的效率和釋放無(wú)用空間、清理不使用的人臉數(shù)據(jù),需要定期對(duì) MEC本地人臉數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新和數(shù)據(jù)清理。算法如下:
第一步,對(duì)每一個(gè)MEC本地庫(kù)取一定的時(shí)間段天數(shù)L,按每天進(jìn)出站兩次計(jì)算,時(shí)間段L進(jìn)出站總數(shù)為2×L,作為比較基數(shù);
第二步,取當(dāng)前人臉數(shù)據(jù),若是數(shù)據(jù)庫(kù)尾,則判定為空庫(kù),結(jié)束;否則,轉(zhuǎn)第三步;
第三步,統(tǒng)計(jì)時(shí)間段L范圍內(nèi)該MEC所轄站點(diǎn)的該人臉進(jìn)出站次數(shù)T;
第四步,若T /(2×L)≤0.05(小于等于5%),則該人臉信息移到CCC中心庫(kù),覆蓋中心庫(kù)中該人臉舊的信息,刪除本地庫(kù)該人臉信息;
第五步,在MEC本地庫(kù)中,取下一條記錄,若是數(shù)據(jù)庫(kù)尾,則結(jié)束;否則,轉(zhuǎn)第三步;算法結(jié)束。
可以對(duì)CCC人臉中心庫(kù)進(jìn)行類(lèi)似的操作,以清理掉長(zhǎng)期(例如10年)不使用的人臉數(shù)據(jù)。通過(guò)人臉信息更新,始終保持人臉庫(kù)為活躍有效乘客,以減少庫(kù)容和提高識(shí)別速度。
基于云計(jì)算的ACE系統(tǒng)構(gòu)架是4層結(jié)構(gòu),比原來(lái)的AFC系統(tǒng)構(gòu)架少1層,這在一定程度上不僅減少設(shè)備冗余,也減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶蛹?jí)。ACE系統(tǒng)既減少了整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)備,也減少了相關(guān)的軟件需求。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)由原來(lái)的4層存儲(chǔ)減少到新系統(tǒng)的3層存儲(chǔ)。新系統(tǒng)重新劃分了各層級(jí)的應(yīng)用功能,減少了功能重復(fù)和累贅,也減少了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的傳遞。ACE系統(tǒng)引入了MEC概念,1個(gè)多站點(diǎn)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)能夠代替K個(gè)車(chē)站計(jì)算機(jī)系統(tǒng),減少了K套車(chē)站計(jì)算機(jī)系統(tǒng),增加了一套MEC系統(tǒng),設(shè)備減少50%以上。
隨著線(xiàn)網(wǎng)的擴(kuò)容,清分中心處理數(shù)據(jù)的能力也要求同步提高?;谠朴?jì)算系統(tǒng)的易擴(kuò)展性,可以通過(guò)增加服務(wù)器等設(shè)備的方式提高云清分中心的處理能力。
云計(jì)算系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比,資源的利用率更高,在云清分中心與傳統(tǒng)清分中心設(shè)備數(shù)量和性能相當(dāng)?shù)那闆r下,相同時(shí)間內(nèi)CCC能夠處理更多的數(shù)據(jù)。
經(jīng)分析ACE系統(tǒng)可能存在的問(wèn)題有以下幾個(gè)方面。
(1)在ACE系統(tǒng)中,站點(diǎn)設(shè)備數(shù)量K取值的準(zhǔn)確性部分決定整個(gè)系統(tǒng)的效率。若K的取值太大,則可能使多站點(diǎn)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的反應(yīng)速度下降;若K的取值太小,則可能使該節(jié)點(diǎn)的設(shè)備空閑率增高。
(2)若云清分中心與多站點(diǎn)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)設(shè)備性能懸殊,則也會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的處理能力。
(3)云計(jì)算系統(tǒng)是產(chǎn)生規(guī)模效益的,若某個(gè)城市的人口和地鐵規(guī)劃(包括輕軌)達(dá)不到一定的規(guī)模,則要考慮是否存在建設(shè)ACE系統(tǒng)的必要。
(4)安全問(wèn)題。CCC屬于私有云,與傳統(tǒng)清分中心一樣都與外界存在數(shù)據(jù)與信息的交互,但只要采取必要的安全措施,安全風(fēng)險(xiǎn)是可以防范的。
ACE系統(tǒng)運(yùn)用云計(jì)算和邊緣計(jì)算技術(shù),使整個(gè)系統(tǒng)總體投資適度減少。ACE系統(tǒng)比傳統(tǒng)AFC系統(tǒng)層級(jí)更少、設(shè)備規(guī)模降低、各層功能避免重疊,整個(gè)系統(tǒng)更加精簡(jiǎn)和運(yùn)行流暢。ACE系統(tǒng)中融合了人臉比對(duì)系統(tǒng),提出了人臉數(shù)據(jù)庫(kù)的建庫(kù)模式和動(dòng)態(tài)更新算法,使系統(tǒng)功能更加完備,符合地鐵機(jī)電技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)和方向。ACE系統(tǒng)是一個(gè)結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、技術(shù)先進(jìn)、性?xún)r(jià)比高的地鐵自動(dòng)售檢票系統(tǒng),比傳統(tǒng)AFC系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)。
若新建地鐵線(xiàn)路直接采用ACE系統(tǒng)建設(shè),則性?xún)r(jià)比較高;若對(duì)于既成線(xiàn)路進(jìn)行改造,則會(huì)有一定的工程量,需要慎重考慮其性?xún)r(jià)比。