上海轨道交通Linux虚拟化技术经验分享

一、 国内轨道交通行业发展趋势

21世纪以来，具有节能、快捷和大运量特征的城市轨道交通建设愈趋受到众多城市的关注。城市轨道交通是采用专用轨道导向运行的城市公共客运交通系统，包括地铁系统、轻轨系统、有轨电车、单轨系统、自动导向轨道系统、市域快速轨道系统和磁浮系统。由于畅通、高效、可靠的交通出行不仅是出行者选择出行方式的基础，更是城市交通管理者追求的目标，所以，城市轨道交通凭借快速、便捷、安全、运量大和运输效率高等特性，成为城市公共交通的重要组成部分。在中国已经运营轨道交通的城市中，越来越多的居民选择乘坐轨道交通出行。

据中国产业调研网发布的全球及中国轨道交通项目可行性分析与发展趋势预测报告（2016版）统计，现在经国务院批准修建地铁的城市有39个，总规划里程超过7300公里。以上海为例，在新一轮轨道交通线网规划（2015-2040）中，上海将规划1000公里市郊铁路（包括国家大铁路）、1000公里城市轨道交通、1000公里中运量公交系统（包括有轨电车、BRT等），形成效率和运量并重的客运交通走廊。

二、 上海地铁信息化建设

1、背景

随着上海轨道交通网络化规模的不断发展，截止 2015 年底，上海地铁已开通运营14 条线、364 座车站，运营里程588.422 公里。同时，根据上海轨道交通网络的当前规划，上海轨道交通网络远景将由21 条线路组成，网络规模超过1000km，车站数量超过500 座。至2020 年，轨道交通将分担城市公交总客流的60%左右。因此，从提升基于轨道交通的指挥管理范围和能力、优化监控管理的效率和合理性、增强对重大事件和突发情况的应对能力和手段以及配套的商务运营等方面考虑，均离不开信息系统的支撑。

2、基本原则

一是实现业务过程信息化。实现业务逐级监控和调度反馈，建立灵活的业务控制和指挥信息系统，支撑业务执行层（战术层）高效准确的判断能力和灵活主动的应对能力。提高网络基础业务管理和执行过程的信息化程度，提升业务规范化和自动化水平，提高执行效率和路网业务交互支撑能力。

二是实现业务管理流程信息化。完善业务管理信息化系统，提供计划协调管理能力和执行监控手段，提供严密有效的业务互连互控，规范业务的流程和权限控制，支撑管理组织（战略执行层）高效严密的业务协同能力和精确灵活的业务指挥能力。

三是实现科学决策管理信息化。提供灵活、随需应变的业务流程和信息资源整合，提供业务管控可视手段。支撑申通地铁集团领导（战略决策层）精确地掌握轨道交通业务规律和趋势，辅助科学决策和灵活高效的指挥调控，为网络化运营和建设业务的推进提供决策支持。

3、热点板块

一是传媒服务板块。主要包括上海地铁信息电视直播（上海电视台新闻中心、移动电视、上海交通广播等）、乘客导乘系统（PIS）、乘客资讯系统（NIPS）、运营状态发布系统（TOS）、上海地铁官方网站、官方微博、官方微信、官方APP等，开展企业对外宣传、媒体沟通与信息服务和实现个性化推送及精准营销的信息系统。

二是运营业务板块。由运营业务管理、运营资源管理、运营计划管理、票务管理（AFC、ACC、MCC）网络应急调度指挥系统（COCC）和生产执行系统等组成，通过虚拟化、私有云和大数据技术，优化客运组织策略、提供路网路径选择诱导和建立智能高效的预警应急机制。

三是维保业务板块。由维修业务管理、维修计划管理、维修执行管理、物资供应管理等组成部分，以成本和质量管控为目标，用信息化手段建成完整的设备静态和动态台帐，对历史数据和实时状态进行数据挖掘，优化维修策略，提升故障预警和处置能力。

四是项目建设板块。由项目建设管理（Greata）、建筑工程项目信息模型（BIM）和供应商征信管理等组成，通过大数据技术辅助项目投资管理、造价决策，加强采购过程管理，提高采购质量和效益。

三、 Linux虚拟化在上海地铁应用的分析

众所周知，云计算是将CPU、存储、I/O设备、网络、内存等资源通过虚拟化技术抽象成为一个动态的资源池，为用户提供按需分配服务的计算模式。而虚拟化技术是云计算的核心技术之一，主要聚焦在硬件设备和操作系统的虚拟化，比如linux虚拟化，就能给整个系统性能、可移植性和复杂性提供很多“活力”。

十二五期间，上海地铁主要业务管理过程实现信息化全覆盖，为日常的生产与管理运行提供了强有力的支撑，信息化基础保障能力初步形成，建立了虚拟化基础设施环境，为虚拟化运用和私有云建设奠定了基础。由此可见，通过linux虚拟化技术来实现上海地铁的信息化业务是具备一定的条件和前景的。

那么linux虚拟化技术是否可行？从建设角度看，linux虚拟化可以减少服务器的数量，减少初期硬件采购成本，降低部分管理成本，避免重复购买设备，这是符合信息化系统建设思路的。从运维角度看，linux虚拟化可以提高服务器资源的利用率和可用性，自动实现负载均衡、动态迁移、故障自动隔离、系统自动重构，从而最大程度地降低故障影响，是符合信息化系统运维思路的。

那么linux虚拟化技术是完美的吗？从安全角度看，linux虚拟化安全并不是像我们所熟悉的物理安全那样简单，从某种意义上讲，虚拟机的安全还是依赖主机的安全，主机如果受到破坏，那么主机所管理的虚拟机也有可能面临攻击，同样，如果主机发生问题了，那所有的虚拟机也将会产生问题。从部署角度看，从原来小机应用迁移到虚拟机，不仅费时和费钱，而且会遇到很多事先无法预测的问题，但如果是新建系统就不用担心这一层。

综上所述，linux虚拟化技术在上海地铁的应用前景还是符合发展需要的。

四、 案例介绍

轨道交通自动售检票（AFC）系统作为轨道交通直接面向乘客的窗口，一直以来以需求为导向，引领着新型技术在轨道交通实践应用的潮流。特别是在2005年建成全国首个清分系统（ACC）后，AFC系统更是将售票员、检票员、会计、统计、审计等多重角色集于一身，以数据收集和控制系统实现了票务管理的高度自动化。

10多年以来，随着上海轨道交通路网规模的不断扩大，采用5层架构体系、一线一中央的模式下，城市轨道交通AFC系统的规模越来越庞大，整个系统的建设、运营、维护成本不断增加。为了保证AFC系统能够高效、节约、健康、稳定的运行，同时适应轨道交通路网将来的发展，结合当前计算机系统技术的发展和轨道交通运营管理的模式现状，在综合各个方面的需要和充分研究的基础上，建设上海轨道交通AFC多线中央系统（MCC）已正式启动。

在实现方案的技术路线选择上，分立架构模式和资源虚拟化型架构模式就有了“正面碰撞”。

图1 分立架构式MCC系统拓补图

如图1所示，分立架构模式是传统的系统架构模式，系统的主应用服务器与数据库服务器集中为一个业务处理中心，统一处理完成系统中所有的业务需求，如所有车站系统的接入、所有交易数据的上传等。在系统结构上，主应用服务器和数据库服务器都分别进行热备设置，以保证服务不会因硬件故障停止。

这种模式是根据所有线路的交易数量以及每个服务器承担的业务，事先分配并管理各服务器的线程数量和进程数量。每台服务器内的内存、处理器和I/O都自己独立使用，各服务器间互不共享使用。当网络客流量增加，系统需要进行资源扩展时，只能通过增加主应用服务器和数据库服务器的内存、处理器等部件，实现纵向扩展；若要再增加服务器以实现纵向扩展，存在较大的难度。

图2 资源虚拟化型架构式MCC系统拓补图

如图2所示，资源型架构模式是通过虚拟化技术、负载均衡技术和系统管理技术，将系统的服务器、磁盘阵列等设备，按照存储和业务处理的需要，分别数据库形成集群，通信平台系统服务器形成资源池，统一外部接口，统一处理数据。

通信平台系统资源池通过使用服务器虚拟化软件，将MCC系统中所使用的多台通信平台系统整合起来，将所有MCC的业务统一归入通信平台系统资源池内，由资源池统一处理所有线路的对应业务。每个资源池所有服务器的线程数量和进程数量及每台服务器内的内存、处理器和I/O都由资源池管理平台统一管理、动态分配。通过虚拟存储软件与物理硬盘等存储设备建立一个相对独立的抽象层进行工作，将MCC系统中所有的存储空间集中起来，通过地址空间映射关系，在不中断硬盘I/O的情况下设置数据存放的地点，无中断地在数据中心内部迁移数据，组成可用的逻辑存储单元，大大提高存储资源的利用率和灵活性。

当网络客流量增加，系统需要进行资源扩展时，不仅可以通过增加服务器的内存、处理器，实现纵向扩展；在单台服务器达到满配后，还可以在资源池中再增加服务器，实现设备的横向扩展。这两种模式扩展时，前一个是单台设备本身处理能力的扩展增加，后一种是一个资源池的总体处理能力扩展增加，扩展效率的更明显。

通过上述比较，资源虚拟化架构在扩展能力、建设难度等方面具有明显的优势，从全国各地的建设经验来看，也有较多的实际案例。分立式架构属于传统架构，存在一定的技术瓶颈，一旦服务器纵向扩展达到满配后，再要进行横向扩展难度较大，实际案例也较少。因此，最终技术架构采用了资源虚拟化架构作为实现MCC的技术路线。

虽然，该项目还未正式实施，但相信由linux虚拟化技术主导的技术路线，结合上海地铁多年运营经验，必将打造出一个国内领先、国际先进的AFC多线中央系统。