區(qū)域中心模式下AFC設備監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

李　量　張　寧　李　郁　毛　建

(1. 南京地鐵建設有限責任公司　南京　210024； 2. 東南大學智能運輸系統(tǒng)研究中心南京　210018； 3.北京全路通信信號研究設計院有限公司　北京　100073)

?

區(qū)域中心模式下AFC設備監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

李量1張寧2李郁3毛建1

(1. 南京地鐵建設有限責任公司南京210024； 2. 東南大學智能運輸系統(tǒng)研究中心南京210018； 3.北京全路通信信號研究設計院有限公司北京100073)

設計一種軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)，既能監(jiān)控AFC設備的運轉，又能方便運營人員的日常管理以及維修人員的故障診斷。首先調查AFC系統(tǒng)現(xiàn)狀，分析區(qū)域線路中心的管理模式，進而對AFC設備監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的存儲與管理進行研究，運用公共對象請求代理體系結構(CORBA)通信技術解決與終端設備的通信問題，最后利用組態(tài)軟件對系統(tǒng)進行設計實現(xiàn)。實踐證明，該AFC設備監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能以組態(tài)的形式對AFC設備進行監(jiān)控，滿足功能系統(tǒng)要求。

AFC設備；監(jiān)控系統(tǒng)；實時數(shù)據(jù)庫；公共對象請求代理體系結構；組態(tài)軟件

自動售檢票(automatic fare collection, AFC)系統(tǒng)是一種能實現(xiàn)地鐵售票、檢票、清分和統(tǒng)計分析等全過程自動化的計算機管理系統(tǒng)。隨著軌道交通網(wǎng)絡化和信息化的發(fā)展，AFC系統(tǒng)的應用越來越廣泛，相應的服務要求也越來越高。在多條新線同時開建以及現(xiàn)有AFC系統(tǒng)改擴建的背景下，為滿足統(tǒng)一管理的需求，區(qū)域線路中心(ZLC)[1-2]的規(guī)劃設計理念應運而生，它有別于以往的AFC系統(tǒng)單線建設管理模式和多線共用中心系統(tǒng)模式，是以區(qū)域為建設的管理單位。

作為軌道交通網(wǎng)絡化集中管理模式的一種體現(xiàn)，區(qū)域線路中心對于線網(wǎng)密集的軌道交通的高效運轉具有非常重要的應用價值，能夠統(tǒng)一線路中心的建設、運營和維護標準，避免因多家集成商分散建設而帶來的運營維護技術壁壘和協(xié)調瓶頸，提高線網(wǎng)運營管理及維護的工作效率，降低系統(tǒng)建設、運營和維護等各方面的成本。

1　AFC設備監(jiān)控系統(tǒng)概述

AFC設備監(jiān)控系統(tǒng)是軌道交通運營管理的重要組成部分，提高其服務水平和配置靈活度具有重要意義。在區(qū)域中心模式下，隨著AFC系統(tǒng)設備的增加，網(wǎng)絡化運營中的運營維護壓力也增大。作為區(qū)域線路中心系統(tǒng)的重要組成部分，AFC設備監(jiān)控系統(tǒng)應能實時監(jiān)控各類終端設備的狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并修復故障，保障硬件設備和軟件系統(tǒng)的正常運行。

AFC設備監(jiān)控系統(tǒng)主要包括AFC設備、數(shù)據(jù)服務器和監(jiān)控軟件3種實體，結構如圖1所示，可實現(xiàn)如下功能：

1)用戶通過監(jiān)控軟件可以遠程查看系統(tǒng)中自動售票機、半自動售票機、進出站閘機等AFC設備的當前狀態(tài)和歷史狀態(tài)。

2)當發(fā)生某個特定事件時，設備將事件數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控軟件，以提醒監(jiān)控管理人員采取必要的控制措施。

3)用戶根據(jù)需要給設備發(fā)送控制命令，使設備采取相應的動作。

圖1　地鐵AFC設備監(jiān)控系統(tǒng)結構

AFC設備監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控及管理對象是AFC設備，主要包括自動售票機、半自動售票機、進出站閘機等，暫不支持服務器、網(wǎng)絡設備等對象。在設計系統(tǒng)時，應能在不影響AFC設備正常工作的情況下，監(jiān)控到AFC設備運行的關鍵環(huán)節(jié)，并且保持系統(tǒng)的高穩(wěn)定性。

數(shù)據(jù)服務器不僅是監(jiān)控軟件和設備的通信中樞，也是監(jiān)控系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的管理者。由于整個軌道交通系統(tǒng)所使用的AFC設備并沒有統(tǒng)一的版本，所以在通信過程中需要使用中間件技術[3]，同時根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的要求以及數(shù)據(jù)的特點，采用實時數(shù)據(jù)庫技術。筆者主要研究3個方面的關鍵技術：數(shù)據(jù)管理與存儲、數(shù)據(jù)通信和組態(tài)軟件。

2　數(shù)據(jù)管理與存儲

2.1數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)服務器管理著系統(tǒng)中在線設備的當前狀態(tài)數(shù)據(jù)和事件數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)服務器管理的設備較多，在客流高峰時，設備狀態(tài)數(shù)據(jù)的更新也比較頻繁，因此對數(shù)據(jù)的管理和存儲提出了較高的要求。數(shù)據(jù)管理具有如下特征。

1) 一座大中城市的軌道交通線路往往有數(shù)十座地鐵站，每座地鐵站設有數(shù)十甚至上百個AFC設備,而每個AFC設備往往有數(shù)百個狀態(tài)數(shù)據(jù)需要不斷更新，數(shù)據(jù)量較大。

2) 對數(shù)據(jù)存儲和處理的速度要求較高。系統(tǒng)要求能及時有效地處理采集的數(shù)據(jù)，滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)吞吐量的要求。

3) 數(shù)據(jù)按時效性可分為實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)只在一段時間內有效，過時后此數(shù)據(jù)往往就沒有意義。

4) 對大部分實時存儲的數(shù)據(jù)安全要求較低，無需考慮數(shù)據(jù)備份，而歷史數(shù)據(jù)則需要考慮數(shù)據(jù)備份。一旦實時數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)服務器系統(tǒng)重啟，數(shù)據(jù)服務器可通過設備的定時上傳重新獲取實時數(shù)據(jù)。

2.2內存數(shù)據(jù)庫

常見的數(shù)據(jù)庫是將數(shù)據(jù)庫工作版本存放于磁盤中，低速的磁盤I/O(輸入/輸出)使磁盤數(shù)據(jù)庫無法提供高性能的數(shù)據(jù)管理服務；針對設備監(jiān)控應用，提出采用內存數(shù)據(jù)庫技術。內存數(shù)據(jù)庫將管理的全部或大部分數(shù)據(jù)存放于內存中，消除了事務處理中的磁盤I/O瓶頸問題；充分利用內存訪問速度快的優(yōu)勢，為數(shù)據(jù)庫應用提供高性能的數(shù)據(jù)管理服務[4]。

在分析監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)需求的基礎上，研究并實現(xiàn)適用于AFC設備監(jiān)控系統(tǒng)的內存數(shù)據(jù)庫，具體要求如下：

1)在共享內存的基礎上實現(xiàn)內存數(shù)據(jù)庫，支持多進程操作訪問；

2)根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)特點，優(yōu)化內存數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存儲和索引機制，提高內存的使用效率和訪問效率；

3)支持關鍵數(shù)據(jù)的轉儲和恢復機制；

4)支持事務處理的鎖機制。

本監(jiān)控系統(tǒng)的內存數(shù)據(jù)庫由一組進程組成，以實現(xiàn)相應的功能。軟件模塊關系如圖2所示。

圖2　內存數(shù)據(jù)庫程序框架

2.3數(shù)據(jù)的存儲與訪問

根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理需求，基于上述內存數(shù)據(jù)庫的框架，設計和實現(xiàn)了一個內存數(shù)據(jù)庫，從而可以完成數(shù)據(jù)的高效存儲和訪問。具體內容包括以下幾方面。

1) 在共享內存的基礎上實現(xiàn)內存數(shù)據(jù)庫，支持多進程對內存數(shù)據(jù)庫的操作，給出了詳細的共享內存動態(tài)管理方法和進程同步機制，內存分配效率高，并且盡可能地避免了內存碎片的產(chǎn)生。

2)根據(jù)AFC監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的特點，對內存數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存儲和索引機制進行優(yōu)化，如采用T樹和哈希表組合方式實現(xiàn)狀態(tài)數(shù)據(jù)的存儲和索引，采用T樹和循環(huán)隊列形式實現(xiàn)事件數(shù)據(jù)的存儲和索引。實驗證明，本內存數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)訪問效率較高，有著較好的性能，滿足系統(tǒng)的要求。

3)在進行數(shù)據(jù)轉儲事務時，考慮到內存數(shù)據(jù)庫的高效和磁盤數(shù)據(jù)庫的I/O操作較慢的特點，采用命名管道的方式實現(xiàn)進程間的通信，以完成數(shù)據(jù)的轉儲備份操作。

4)在鎖機制基礎上實現(xiàn)了內存數(shù)據(jù)庫并發(fā)事務處理機制。

最后，對內存數(shù)據(jù)庫的性能進行了測試，實驗表明，內存數(shù)據(jù)庫的性能完全滿足區(qū)域中心系統(tǒng)的要求。

3　數(shù)據(jù)通信

在對地鐵AFC設備監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸需求進行分析的基礎上，通過比選，選擇CORBA(公共對象請求代理體系結構)技術作為通信的底層技術，并以此為基礎，設計并實現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)的CORBA接口和數(shù)據(jù)傳輸模型。

CORBA通信本身是一種發(fā)布/訂閱(Publish/Subscribe)結構[5]，每次通信只能由訂閱方發(fā)起，而AFC系統(tǒng)包含數(shù)千個設備和多個監(jiān)控軟件，監(jiān)控軟件與設備間互為發(fā)布方和訂閱方，進行雙向的通信。由于AFC系統(tǒng)中設備和監(jiān)控軟件的數(shù)目不固定，訂閱方難以直接通過命名服務的方式獲取發(fā)布方的對象引用，因此對系統(tǒng)的連接和數(shù)據(jù)傳輸模型進行設計，實現(xiàn)對象引用的發(fā)布和獲取，以實現(xiàn)雙向實時通信，具體內容包括：定義了數(shù)據(jù)類型和CORBA接口，設計和實現(xiàn)了系統(tǒng)注冊方案、設備狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸方案、設備事件數(shù)據(jù)傳輸方案和設備命令數(shù)據(jù)傳輸方案的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模型。

3.1數(shù)據(jù)通信連接的建立

在本系統(tǒng)內，不僅設備和監(jiān)控軟件需獲取數(shù)據(jù)服務器的CORBA對象的引用，由于數(shù)據(jù)庫服務器還需將事件數(shù)據(jù)推送至監(jiān)控軟件以及將命令數(shù)據(jù)推送至設備，因此數(shù)據(jù)庫服務器也需獲取設備和監(jiān)控軟件的CORBA對象的引用。在注冊過程中，監(jiān)控軟件建立與數(shù)據(jù)服務器的雙向通信[6]。設備的注冊過程與監(jiān)控軟件基本相同，下面以數(shù)據(jù)服務器監(jiān)控軟件注冊代理對象register操作的執(zhí)行流程(見圖3)為例加以說明。

圖3　監(jiān)控軟件注冊順序

1) 調用輸入的監(jiān)控軟件根對象的getData操作，獲得該監(jiān)控軟件的地址信息。判斷該地址是否已經(jīng)注冊，如果已經(jīng)注冊則該監(jiān)控軟件注冊失敗，否則繼續(xù)執(zhí)行。

2) 調用監(jiān)控軟件根對象的queryInterface操作，獲得監(jiān)控軟件控制器對象的對象引用。

3) 創(chuàng)建該監(jiān)控軟件對應的監(jiān)控軟件事件處理器對象。

4) 調用監(jiān)控軟件控制器對象的setMACSEventHandler操作，將創(chuàng)建的監(jiān)控軟件事件處理器的對象引用傳給監(jiān)控軟件。

5) 創(chuàng)建監(jiān)控軟件節(jié)點，將監(jiān)控軟件的注冊信息保存到該節(jié)點中，并將該節(jié)點添加到監(jiān)控軟件注冊表中，注冊成功。

3.2數(shù)據(jù)傳輸方案

3.2.1設備狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸方案

設備狀態(tài)數(shù)據(jù)使用“推/拉”模式傳輸。設備定時將自己的當前狀態(tài)數(shù)據(jù)推送給數(shù)據(jù)服務器，數(shù)據(jù)服務器將收到的設備狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲于設備狀態(tài)表中，監(jiān)控軟件定時從數(shù)據(jù)服務器讀取設備的當前狀態(tài)數(shù)據(jù)。

3.2.2設備事件數(shù)據(jù)傳輸方案

設備事件采用“存儲轉發(fā)”模式和“推/拉”模式相結合的方式傳輸。設備在事件發(fā)生時，將對應的設備事件標簽的當前信息推送給數(shù)據(jù)服務器，數(shù)據(jù)服務器將收到的設備事件數(shù)據(jù)存儲于設備狀態(tài)表中，并將該數(shù)據(jù)推送給設備監(jiān)控軟件。

3.2.3設備命令數(shù)據(jù)傳輸方案

使用“存儲轉發(fā)”模式傳輸設備命令數(shù)據(jù)。監(jiān)控軟件先將設備命令數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)服務器，數(shù)據(jù)服務器再將設備命令數(shù)據(jù)轉發(fā)給指定的單個在線設備或系統(tǒng)中所有在線設備。

4　組態(tài)軟件

為了實現(xiàn)監(jiān)控界面的簡便、靈活開發(fā)，監(jiān)控軟件應具備組態(tài)功能。這樣用戶就可根據(jù)地鐵車站的設備數(shù)量和布局，簡單、方便地使用開發(fā)環(huán)境，編寫配置信息，以搭積木和作圖的方式[7]開發(fā)出一套設備監(jiān)控系統(tǒng)，進而根據(jù)這些配置信息實現(xiàn)運行環(huán)境。

在參照已有組態(tài)軟件功能的基礎上，自主開發(fā)了一個適用于區(qū)域模式下AFC系統(tǒng)的組態(tài)軟件。該監(jiān)控組態(tài)軟件作為面向過程監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集的軟件平臺，集成了豐富的功能，主要由監(jiān)控軟件、頁面編輯軟件和圖元類庫3部分組成，如圖4所示，其中頁面編輯軟件和監(jiān)控軟件共享圖元類庫。監(jiān)控頁面開發(fā)用戶可根據(jù)地鐵AFC設備監(jiān)控系統(tǒng)的需求使用頁面編輯軟件，在界面上創(chuàng)建圖元、調整圖元大小和位置、配置圖元、生成監(jiān)控頁面文件。監(jiān)控管理人員可使用監(jiān)控軟件打開監(jiān)控頁面文件，對設備進行遠程監(jiān)控。

圖4　組態(tài)化監(jiān)控軟件示意

5　結語

根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理需求，設計和實現(xiàn)了一個內存數(shù)據(jù)庫模塊，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效存儲和訪問；根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸需求，選用CORBA面向對象中間件技術作為通信的底層技術，對基于CORBA技術的通信機制進行了討論；根據(jù)系統(tǒng)可組態(tài)開發(fā)監(jiān)控界面的需求，設計和實現(xiàn)了組態(tài)化監(jiān)控軟件。實踐證明，筆者設計的AFC設備監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能以組態(tài)的形式實現(xiàn)對AFC設備的監(jiān)控，功能和性能都達到了系統(tǒng)要求。另外，未來可考慮在當前系統(tǒng)架構的基礎上添加一層，即增加整個線網(wǎng)的數(shù)據(jù)服務器，以實現(xiàn)多級監(jiān)控。

[1] 吳娟, 徐鐘全, 毛建.南京地鐵AFC區(qū)域線路中心的規(guī)劃設計[J].鐵路通信信號工程技術, 2012, 9(5): 63-65.

[2] 胡冬, 楊洋.南京地鐵AFC系統(tǒng)區(qū)域線路中心建設需求分析[J].科技信息, 2011(35): 51-52.

[3] 黎江, 劉凱.軟件中間件技術在自動售檢票系統(tǒng)中的應用[J].鐵路計算機應用, 2006, 15(1)：34-36.

[4] 沙先軍.內存數(shù)據(jù)庫的研究設計與實現(xiàn)[D].合肥: 安徽大學, 2011.

[5] 朱其亮, 鄭斌.CORBA原理及應用[M].北京: 北京郵電大學出版社, 2001.

[6] 陸文偉.基于CORBA的軌道交通AFC設備監(jiān)控組態(tài)軟件的設計與實現(xiàn)[D].南京:東南大學, 2012.

[7] 歐金成, 歐世樂, 林德杰，等.組態(tài)軟件的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].工業(yè)控制計算機, 2002, 15(4): 1-5.

(編輯：王艷菊)

Design and Implementation of AFC Equipment Monitoring System under Regional Center Mode

Li Liang1Zhang Ning2Li Yu3Mao Jian1

(1. Nanjing Metro Co., Ltd., Nanjing 210024； 2. ITS Institute of Southeast University, Nanjing 210018； 3. Beijing National Railway Research & Design Institute of Signal & Communication Co., Ltd., Beijing 100073)

It is expected to design a monitoring system of urban rail transit which can not only monitor the operation of AFC equipment but also be convenient for daily management by operation personnel and breakdown diagnosis by maintenance personnel. The situation of AFC system was investigated firstly; the‘regional line center’management mode was analyzed. Then data storage and management of the AFC equipment monitoring system was studied. CORBA communications technology was used to solve the communication problem with the terminal equipment; and the configuration software was finally used for system design and implementation. Practice has proved that the system is stable and reliable, and that it can monitor AFC equipment in configuration form while its function and performance meets system's requirements.

AFC equipment; monitoring system; Time-varying database; CORBA; Configuration Software

10.3969/j.issn.1672-6073.2015.01.002

2014-05-27

2014-06-26

李量，工程師，長期從事地鐵設備設計管理工作，li_l@njmetro.com.cn

江蘇省科技廳產(chǎn)學研聯(lián)合創(chuàng)新資金項目(BY2012197)；南京地鐵專項科技項目(8550140042)

U29-39;U293.22

A

1672-6073(2015)01-0004-04

編者按自動售檢票(AFC)系統(tǒng)在各城市的軌道交通工程中得到廣泛應用,其系統(tǒng)設計、數(shù)據(jù)傳輸、票制票卡等項目的管理,在實踐中得到不斷的完善與創(chuàng)新。本期熱點研討精選了7篇論文集中發(fā)表,供讀者參考應用,以推動AFC系統(tǒng)技術進一步發(fā)展提高。