基于云平臺的中低速磁浮票務系統

陳柯行，黃志偉，李廣智，吳 昊

（北京全路通通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

1 概述

在日益擴展和完善的城市軌道交通運營網絡中，城市軌道交通票務系統實現了售檢票業務的自動化，滿足了乘客快速購票檢票乘車的需求，是保障運營的重要支撐系統[1]。傳統城市軌道交通的票務系統通常采用“一線一中心”的單線建設模式。如圖1所示，地鐵票務系統由清分中心、線路中央計算機系統、車站計算機系統、車站終端設備、車票5層結構組成，每條線設置一套控制系統，整個線網設置一個清分中心[2]。

中低速磁浮系統是一種采用車載電磁懸浮技術和短定子直線感應電機驅動車輛的城市軌道交通系統，具有噪音污染小、建設成本低等優點，在國內多用于旅游觀光和近距離城市間的交通連接，可與地鐵等線路互補。國內正在運營的中低速磁浮線路有長沙磁浮快線、北京地鐵S1線、鳳凰磁浮旅游專線和清遠磁浮旅游專線等[3-6]，其票務系統具有以下特點。

1）中低速磁浮客流以外地乘客為主[7]。例如鳳凰磁浮旅游專線開通初期預測年均客運量1 518萬人次，其中80%以上為外地乘客。該類乘客通常初次乘坐磁浮列車，車站購票時容易出現找零、票卡回收、現金回收、儲值卡充值等操作不熟練的情況，導致排隊阻塞。因此，為了減少乘客時間成本，票務系統采用“互聯網多元化支付為主，儲值票為輔，現金支付補充”的支付方式，這對票務系統的網絡安全性和實時性提出了更高的要求[8]。

2）中低速磁浮多用于旅游觀光等線路，節假日高峰期面臨大規?？土?，乘客在出行前傾向于提前通過網絡購票。因此，票務系統需要提供電子二維碼等無需現場取票的非實體卡車票。與實體卡車票相比，非實體卡車票制作成本低且不易丟失，提高了通行效率和乘客體驗，但同時這也對票務系統的數據存儲和計算能力提出了新的要求。

3）地鐵線網規模較大，其票務系統采用五層結構是便于各線路、車站能夠獨立運行，但需要在每個線路中心和車站都設置服務器。而中低速磁浮線網規模較小，沿用地鐵票務系統5層結構會造成基礎設施分散和建設成本過高等問題。

基于以上特征，沿用傳統票務系統的設計原則無法很好的適應中低速磁浮票務系統的網絡、存儲和計算等能力要求，并且建設成本高昂。因此，本文將結合微服務化思想搭建基于云平臺的中低速磁浮票務系統，實現計算、存儲、網絡等資源按需分配，提高資源利用率，便于業務快速部署和擴展。

2 云平臺和微服務架構介紹

2.1 云平臺

云平臺指的是基于軟硬件資源提供計算、網絡和存儲能力的云計算平臺，在數據存儲、處理和資源調度等多方面具有優勢[9]。中低速磁浮系統云平臺為票務系統、綜合監控系統、綜合運維系統、乘客信息中心系統等業務系統提供基礎資源，架構如圖2所示。

圖2 中低速磁浮云平臺架構Fig.2 Diagram of cloud platform architecture for medium and low speed maglev lines

1）數據采集層

由業務系統負責，完成各類數據采集上報。云平臺提供控制中心的各類數據的網絡匯聚交換機和配套的安全防護設備，各業務系統負責控制中心網絡接入交換機、通信處理機并負責接入云平臺的匯聚交換機。

2）網絡傳輸層

由通信傳輸系統提供線網骨干網網絡通道，云平臺負責實現控制中心與線路網的連通。

3）IT設施層

由服務器、存儲、安全、網絡等物理基礎設施構成融合資源池的基礎架構。

4）資源池層

通過虛擬化軟件，對計算、存儲、安全、網絡等物理資源進行虛擬化，提供統一的計算、存儲、安全和網絡資源池。

5）基礎設施服務層（IaaS）

通過劃分不同虛擬數據中心（VDC）以及在VDC內部進一步劃分不同虛擬私有云（VPC），為各應用提供資源的靈活分配。VDC/VPC內部通過云主機服務、云存儲服務、彈性IP服務、物理機服務和GPU服務器服務等，提供自助資源發放，實現基礎設施即服務。

6）平臺服務層（PaaS）

向下管理IaaS的基礎架構資源，向上為SaaS提供包括基礎資源、數據庫、操作軟件和應用中間件等平臺軟件服務。

7）應用服務層（SaaS）

提供中心級應用服務。

2.2 微服務架構

票務系統通常有兩種開發架構模式：單體架構和微服務架構。如圖3所示，使用傳統單體架構是將票務系統所有的業務功能編寫在一個項目中，最終會打包成一個WAR包并部署運行。這種方式部署簡單，但在對某個功能模塊進行修改或者開發新功能模塊時需要對系統整體修改和部署，可伸縮性較差。

圖3 單體架構Fig.3 Single architecture

微服務是一種新型開發架構模式，使用微服務架構開發票務系統能夠簡化票務系統業務體系。其架構如圖4所示，開發人員將票務系統不同的功能模塊拆分為不同的微服務，每個微服務之間松耦合，其更新或擴展不會對別的微服務造成影響，易于開發和維護。

圖4 微服務架構Fig.4 Micro-service architecture

3 基于云平臺的中低速磁浮票務系統

3.1 框架

地鐵票務系統由清分中心計算機系統、線路中央計算機系統、車站計算機系統、車站終端設備、車票5層結構組成。其中，清分中心計算機系統負責統籌全局性管理功能，線路中央計算機系統負責當前線路的集中管理功能并上傳數據至清分中心，車站計算機系統負責管理當前車站的數據并上傳數據至線路中心。如圖5所示，中低速磁浮票務系統取消中間層級系統，重新規劃線路中央計算機系統和車站計算機系統功能，使傳統5層結構精簡為3層結構：中心云平臺、車站終端設備和車票。

圖5 基于云平臺的票務系統框架Fig.5 Ticketing system architecture based on the cloud platform

中心云平臺層由業務服務層、平臺服務層和基礎設施服務層組成。傳統票務清分系統、線路中央計算機系統、車站計算機系統合稱為中央計算機系統，與新增的互聯網票務平臺統一部署到中心云平臺業務服務層。中央計算機系統與云平臺內部其他系統（如綜合監控系統、綜合運維系統等）通過云平臺核心網絡進行通信，完成設備監控等功能?；ヂ摼W票務平臺與外部系統（支付系統、分銷系統、發票系統等）通過接口服務器實現數據交互，同時應接入防火墻確保云平臺數據安全。

在云平臺架構基礎上，系統結合微服務架構將應用服務層細分為接入層、網關層、業務服務層。其中，接入層又叫負載均衡層，通過云平臺提供的負載均衡服務能夠將外部流量引入系統中。網關層主要包含內部和外部接口的認證、安全、鑒權、過濾和限流等服務，這一層將內部服務接口做一層安全隔離，實現保護內部服務、鑒權、黑名單過濾等需求。業務服務層則根據票務系統實際業務需求劃分為多個微服務。

車站終端指自動售票機和自動檢票機等車站級設備。云平臺中心層通過通信傳輸系統提供線網骨干網網絡通道完成與車站終端的網絡連通，中央計算機系統能夠直接監視車站終端設備運行狀態并收集各類運營數據。反之，車站終端設備也能夠直接接收中央計算機系統下發的參數和其他指令。

車票是乘客進/出站時持有的包含購票信息的乘車憑證。為提高通行效率，中低速磁浮系統主要采用非實體卡車票形式，緩解高峰期購票壓力，方便乘客出行。

中低速磁浮線網規模較小，使用3層結構可以極大地降低建設和運行成本，提高響應速度，降低系統部署難度。

3.2 功能模塊設計

中低速磁浮系統中心云平臺層分為中央計算機系統和互聯網票務系統兩部分，根據功能分別拆分為不同的微服務。每個微服務獨立開發部署，提供不同的功能。

中央計算機系統由以下微服務支持。

1）用戶管理：負責用戶信息管理和權限管理等。

2）車票管理：負責票種種類及使用規則定義、票價表定義與下發、車票發行等。

3）車票發售：發售票務系統車票。

4）清分清算：根據清分規則對票務收益進行清分、根據分賬規則與外部系統進行對賬。

5）運營管理：客流統計與分析、運營設備注冊、運營模式管理和黑名單管理。

6）訂單管理：負責系統訂單查詢等管理功能。

7）票務管理：管理車票庫存，處理各終端設備上傳的交易數據。

8）設備管理：實時監控車站終端設備運行狀態和緊急情況下控制終端設備。

9）安全管理：負責密鑰生成和下載。

10）參數管理：負責向車站終端設備下發系統運行參數和控制命令信息。

11）系統維護：負責數據庫的備份和恢復。

12）測試平臺：負責新票種、新支付方式等開發測試。

互聯網票務系統由以下微服務支持。

1）第三方發售：APP、微信小程序等第三方互聯網售票平臺的車票發售。

2）第三方支付：與支付產品（銀行、支付寶等）對接，實現支付功能。

3）第三方分銷：與攜程等第三方分銷平臺對接，實現分銷功能。

4）二維碼發碼：生成動態二維碼，供乘客進出站使用。

5）實名認證：提供身份證和人臉實名認證功能，支持開通人臉乘車服務。

3.3 用戶權限管理功能設計

中低速磁浮票務系統的微服務架構可選擇采用Spring Cloud Alibaba框架，其常用組件包括注冊中心（Nacos）、監控中心（Admin）、網關（Gateway）、流量控制與服務降級（Sentinel）、分布式解決方案（Seata）等。

以設計用戶權限管理功能為例，說明微服務架構中注冊中心和網關等模塊是如何工作的。如圖6所示，服務注冊中心Nacos能夠通過服務注冊和服務發現來實現微服務之間的服務調用。網關服務、用戶管理服務、訂單服務、支付服務等均需要向Nacos注冊，并且訂閱Nacos中的所有已注冊服務。

圖6 用戶權限管理功能示意Fig.6 Diagram of the user access management function

網關服務是服務訪問的統一入口，客戶端和網頁端所有的用戶請求都會統一通過網關服務進入，適合承擔鑒權這種切面類型的功能服務。因此，將用戶鑒權模塊設置在網關服務中。網關保持開放登錄注冊接口，用戶發送登錄注冊請求時，網關轉發請求給用戶服務，用戶輸入賬號、密碼等信息完成登錄注冊功能，同時用戶服務緩存當前登錄用戶信息和對應權限列表。用戶再次發起業務請求時，網關進行攔截，并獲取請求中附帶的用戶身份信息，然后調用緩存中信息對請求用戶做鑒權操作，確認當前用戶是否有訪問該業務服務的權限，實現統一鑒權功能。若網關服務鑒定當前用戶具有權限，那么網關服務再次轉發請求給對應的業務服務。由于網關服務和各個業務服務都進行了服務注冊，因此在網關層面不需要將節點ip配置在轉發路徑上，注冊中心Nacos會提供服務與節點的關系。網關服務可以根據接受到的不同請求參數來決定路由到不同業務服務中。

4 結論

本文重新規劃傳統城市軌道交通線路采用的票務系統5層結構，提出一種基于云平臺的中低速磁浮票務系統。引入云平臺為票務系統提供計算、存儲、網絡等硬件基礎資源，實現軟硬件資源統一管理、合理動態分配和集中監測，提高資源利用率。同時在云平臺基礎上采用微服務架構代替傳統單體架構開發票務系統，能夠將復雜的票務系統拆分為可獨立部署的簡單微服務，使票務系統能夠根據需求快速擴展，有助于提高開發效率，為中低速磁浮票務系統結合云技術和微服務架構提供參考依據。