干货 | 郑州地铁轨交容器云实践

（来源：ITPUB）

有人说看一个城市的文明程度就看其交通，的确，公共交通是城市文明的重要组成部分。随着城市化快速发展，如今全球很多国家面临交通日益拥堵等问题，城市轨道交通成为提高交通资源利用率、缓解交通拥堵、降低交通污染、节约土地资源和能源的重要手段，也越来越受到重视。

为了解决城市交通的难题，新的技术也发挥着越来越重要的作用，欧洲、美国、亚洲等很多国家都在发展智慧轨道交通寻求破局之道，近年来中国城市轨道交通已经进入快速发展时期，智慧轨道交通加速推进，根据2019年中共中央、国务院发布的《交通强国建设纲要》，要推动大数据、互联网、人工智能、区块链、超级计算等新技术与交通行业深度融合，到21世纪中叶，中国将全面建成交通强国。

由于轨道交通是分期、分段建设，在数据智能时代造成了新的问题，比如容易存在数据孤岛现象、运维成本高和资源利用率低下等，需要新的技术解决以上问题。郑州地铁集团有限公司(以下简称“郑州地铁”)采用容器云技术构建了一站式大数据云平台，在智慧轨道交通方面进行了突破性实践，并实现了地铁客流智能预测。

轨道交通数字化瓶颈

18世纪60年代工业革命肇始于英国，1863年1月10日，世界上第一条地铁在伦敦开始正式运营，开启了人类城市轨道交通的新纪元。一个世纪后，在遥远的东方大陆，中国第一条城市地铁线路——北京地铁1号线(Beijing Subway Line 1)于1969年10月1日开始试运营，车身标志性的红色为世界城市轨道交通带来一抹中国红。

经过半个多世纪的发展，那一抹红已经演变成五彩斑斓，并在几十个中大型城市逐渐形成四通八达的交通网络，成为市民出行的重要交通工具。交通运输部近日发布的城市轨道交通运营数据速报显示，截至2020年12月31日，全国除港澳台外，共有44个城市开通运营城市轨道交通线路，共计233条，运营里程7545.5公里。据悉，“十四五”期间，全国多地地铁将迎来爆发式增长。

郑州地铁2008年成立，主要负责郑州市轨道交通项目的工程投资、建设和运营。成立以来，郑州地铁发展迅速，截至2020年12月，郑州已开通运营的地铁线路为7条，累计运营里程达206.3公里，目前有多条线路正在建设当中。

大规模的城市轨道交通建设与运营管理均需要信息技术的强力支撑，随着地铁线路的不断增加，城市人口增加所带来出行压力不断提高，以郑州地铁为代表的城市轨道交通建设和运营者迫切需要通过数字化技术提升建设、管理和运营能力，探索智慧轨道交通的发展之路，郑州地铁以“建设成为国际领先、国内一流的轨道交通建设者和运营商”为企业战略目标，立足于信息化建设现状，加快轨交新技术和新应用的落地。

在数据智能时代，数据成为新的生产资料，其价值与日俱增。但轨道交通的分期、分段建设，容易造成数据孤岛、运维成本高、数据标准不一致等问题，并造成数据不能充分利用，制约了其信息化建设。郑州地铁也遇到了业务瓶颈，总结下来主要有三点：

一是数据孤岛问题，随着郑州地铁的快速发展以及开通线路的不断增多，在郑州地铁集团生产域、管理域都积累了大量的数据，例如生产域ANCC系统(AFC Network Control Center，自动售检票线网管理中心系统)积累了大量客流数据;和客流相关的行车、重大节日、气象等数据;列车运行时设备监测视频数据;管理域一体化平台历年来所积累的数据。原来传统数据仓库是彼此独立的IT系统，每次开通新线路都要单独搭建系统接入数据，很容易形成数据孤岛，导致运维成本升高。亟需对集团的IT资源、技术架构、基础设施进行集约化管理，从而满足郑州地铁初期、近期及远期的信息化发展需求。

二是数据标准瓶颈，数据标准不统一，各类应用系统数据没有统一归集平台，缺少统一治理的规范，导致数据“各自为政”。郑州地铁急需一个统一的数据湖平台将ANCC、智能乘车ITP、线网生产业务、一体化平台等各数据源上的数据统一接入、统一存储、统一数据标准、统一治理，从而更好地支撑智慧运营、智慧建设、智慧管理和智慧服务。

三是数据应用瓶颈，郑州地铁的各类数据没有充分发挥应有的作用，例如全量的客流数据，没有结合气象、重大节日、重大活动、线路车站等数据进行综合分析、预测，无法对站点客流、线路客流、线网客流、断面客流进行精准预测;列车运行获取的弓网视频数据，没有进行机器学习、深度学习的模型训练，弓网异常打火现象只能靠人力识别，效率较低，而且工作量繁重。针对现有数据应用的瓶颈，郑州地铁急需结合先进的大数据技术、人工智能技术等对生产管理各类数据进行采集、治理、分析，做到事前预测、事中控制、事后分析改进，为城市市民提供安全优质的出行服务。

为了解决以上难题，2018年郑州地铁开始了容器云大数据平台建设，采用云计算、容器、大数据、AI等技术，充分挖掘数据价值，实现智慧轨道交通建设目标。近日，郑州地铁的“基于容器云平台管理不同操作系统下多个应用的研究与实现”入选了由中国城市轨道交通协会和信息化专业委员会发布的“2019-2020年城市轨道交通行业信息化最佳实践优秀案例”名单，实现了很多突破。

智慧轨交容器云实践

郑州地铁大数据云平台建设取得突破离不开顶层设计、前瞻性规划。在公司党委“6+2”战略总体部署下，郑州地铁为加快推进“智慧地铁”规划和建设，采取统一规划部署，分阶段、分步骤的建设思路。在2018年组建智轨专项工作小组，小组成员包含运营分公司、机电设备部、信息管理部和技术管理部等相关部门。

在技术选型时，郑州地铁充分调研且博采众长。据悉，相比于互联网、金融业、航空等行业，地铁行业信息化、数字化程度较为落后。郑州地铁信息管理部副部长李昱见介绍，2018年成立智轨专项工作小组后，就开始深入研究云计算、大数据、AI等关键技术，与阿里云、星环、华为、腾讯云等相关厂商交流，借鉴其它行业的先进数字化转型、云端转型实践经验，深入对比形成多个小课题研究，找到适合自己的技术。“到底哪个技术更适合我们，哪个技术更适合地铁这种集团化、线网化的国企，实际上是企业云，不是公有云。哪个厂商的产品更适合企业云，我们做了深度的研究对比，相当于解剖麻雀一样，把各家的产品都了解透了，因为我们搞技术的讲究实事求是，深入研究。”李昱见指出。

在2019年以李昱见为第一作者发表的论文《智慧轨道交通中的容器云》中，系统阐释了智慧轨道交通中容器云的实践，文中指出，云平台搭建有两种技术手段 ：一种是目前比较流行的虚拟机技术;另一种是容器化技术。虚拟机技术会造成一定的资源损耗，容器化技术比虚拟机技术有更少的抽象层，直接使用物理资源，几乎没有性能损耗。传统轨道交通信息化建设存在的建设周期长、运维成本高和资源利用率低等问题，通过容器云计算技术得到解决，并且容器云也为大数据和人工智能技术在智慧轨道交通的应用提供了支撑。

具体到郑州地铁项目，郑州地铁综合多方因素最终选择了星环的容器化数据云平台(TDC)产品，底层是星环原生云操作系统(Transwarp Cloud Operating System，TCOS)，为云上的大数据应用部署以及资源管理提供全方位的实现支持，第二层是TDC的云管理框架，提供包括安全保护、多租户管理、微服务管理等服务在内的云平台基础架构。第三层是服务应用层，包含TDH和Sophon中的所有组件，以云产品形式提供大数据和AI服务。

具体架构图如下：

图1：郑州地铁数据云平台架构图

郑州地铁容器云大数据平台项目实现了数据、应用、分析、管理的互融互通，对轨交云的智能应用提供有力支撑，改善了传统信息化建设中周期长、运维成本高、资源利用率低等问题，实现集团内外部的生产、经营和服务管理，有效提升了乘客的乘车体验，保障地铁设备的安全运营。取得了创新性成果：

一是底层采用统一的容器支撑平台，实现了资源的统一管理、统一调度，大幅提升资源使用效率。比如，典型的数据中心硬件资源利用率是25%，原因是传统的虚拟化技术，需要额定占用云平台资源且不释放，导致云平台资源利用率很低，容器化平台通过更积极的资源分配，以低成本方式对新的实例实现更合理的资源分配，同时支持动态分配，灵活调度系统资源，从而大大提高平台的资源利用效率。

二是基于大数据技术的数据仓库实现多元异构数据归集，星环大数据云平台提供丰富的PaaS服务，为结构化、半结构化和非结构化数据的存储、分析提供了统一的平台，实现了数据的统一的存储和管理，为数据的统一治理提供了前提基础和先行条件。统一的数据管理平台拥有设备在线数据实时采集、分析等能力，能够对海量历史数据按照不同维度、主题进行汇总分析，实现对大数据的综合分析(如针对客流、乘客和行车等数据实现车站级、线路级与线网级客流综合分析)。

三是AI助力实现智能分析与预测，大数据云平台提供一站式的图形化机器学习平台，可以完成包括数据预览、数据预处理、特征工程、建模、模型评估以及模型部署等整个数据分析流程。人工智能平台和大数据平台相互打通，业务分析师和数据分析师可以通过自动建模以及内置的行业模板轻松构建AI 模型，从而提升业务价值。

智慧轨交容器云平台有广泛的智能应用，比如在智能应用有设备故障预测与健康管理系统功能、智能视频数据分析、客流预测、乘客画像等方面的落地，比如，去年年底郑州地铁上线了客流预测系统，可以明确预判客流从哪来，到哪去，可以进行精准的预判，而提前进行客流预测，有利于在大客流期间提前做好相应准备，此外，在一些重点大站会展现出热力图，根据热力图可以精准看到车站的布局结构，包括车站的堵点，有利于车站的客流疏导。去年12月31号郑州地铁的客流量破了新高，由于基于客流预测提前有了准备，把运能放到该放的位置上去，当天车站全线网131个车站没有一个车站进行三级客流控制，车站通行比较顺畅。

李昱见介绍轨道交通行业数字化转型目前还在起步阶段，即将迎来爆发期。北上广深这些超大城市，其地铁运行多年，可能历史遗留问题会多一些，像郑州这样的新兴城市相对来说没有那么多历史包袱，这是郑州地铁在迈向智慧轨道交通之路上的优势所在，未来郑州地铁郑州地铁将积极探索大数据和人工智能在轨道交通行业的创新和融合应用，更好地融入到智慧城市建设中。