多協議支持的通用外部交互接口服務器設計與實現

趙宏濤，魏元玲，王 濤，陳 峰

（中國鐵道科學研究院 通信信號研究所， 北京 100081）

多協議支持的通用外部交互接口服務器設計與實現

趙宏濤，魏元玲，王 濤，陳 峰

（中國鐵道科學研究院 通信信號研究所， 北京 100081）

通過多種連接方式和通信協議支持，外部交互接口服務器提供本鐵路局和鐵路局外單位信息交互功能，同時兼顧實現鐵路局內TDCS-CTC平臺交互和運行圖查詢等功能。為進一步提升當前接口服務器兼容性、擴展性和數據處理能力，設計實現了用戶管理層、信息處理層和數據管理層3層軟件邏輯架構。接口服務器內部數據流轉統一使用TDCS協議格式，并針對不同協議版本選擇相應處理邏輯。借助于多目標轉發、數據高效緩存和滑動窗口模型下的信息組包算法，接口服務器部署靈活，運行穩定、安全、高效，可有效滿足現場生產需要。

外部交互接口服務器；多協議支持；數據高效緩存；信息組包

外部交互接口服務器作為獨立運行程序，通過串口、套字節（Socket）、通用數據庫和第三方消息中間件等方式，在本鐵路局列車調度指揮系統（TDCS）中心、行車指揮中心（CTC）與鐵路總公司、相鄰鐵路局或本鐵路局外廠家對應系統間傳遞信息，同時兼顧實現鐵路局內部TDCS-CTC平臺交互和運行圖查詢等功能。接口服務器傳遞數據分為單向信息數據（運行圖信息、車站表示信息、列車運行信息等）和雙向命令數據（調度命令信息、控制命令信息等），支持多種數據交互協議，主要包括：（1）列車調度指揮系統數據通信協議，簡稱TDCS協議，（2）GSM-R數字移動通信協議；（3）FZy-CTC數據通信協議，簡稱CTC協議；（4）TDCS-y數據通信協議，簡稱TDCSy協議。

隨著我國鐵路的快速發展，列車運行速度不斷提高，各條新建線與既有線交錯續接，鐵路網規模持續擴大，鐵路局間信息耦合越來越緊密，交互數據量直線攀升，接口服務器的作用日益凸顯。設計一款支持多協議數據傳輸轉換、部署靈活、易于后期擴展和現場維護的穩定安全高效且通用的外部交互接口服務器，實現跨鐵路局、多平臺海量信息實時共享和資源有效互通，提高鐵路行車調度指揮自動化水平，成為當前鐵路信息化建設迫切需要解決的問題之一。

1 通用外部交互接口服務器介紹

1.1 通用外部交互接口服務器應用場景

通用外部交互接口服務器（簡稱：接口服務器）經過配置和擴充，可作為鐵路總公司與鐵路局間的接口服務器、相鄰鐵路局接口服務器、FZy-CTC與TDCS-y系統接口服務器、運行圖查詢服務器和相鄰鐵路局GRM-R接口服務器等。

1.1.1 鐵路總公司接口服務器

鐵路總公司接口服務器用于將本鐵路局高速鐵路中心和普速鐵路中心的信息傳送到鐵路總公司對應系統。該接口程序與鐵路總公司之間采用第三方WebSphere MQ通道建立連接，基本連接結構如圖 1所示。

圖1 鐵路總公司/相鄰鐵路局接口服務器

與本鐵路局中心設備的連接用于將實時的表示信息、車次號信息、報點信息以及運行圖實時修改信息等發送給鐵路總公司。數據庫的連接用于響應鐵路總公司的運行圖相關查詢請求，向其發送非實時運行圖信息。

1.1.2 鐵路局間接口服務器

接口服務器作為鐵路局間接口應用時，其系統連接結構與鐵路總公司接口類似，主要區別在于鐵路局間接口要從MQ實時接收采集表示、邏輯表示、報點、站間閉塞、調度命令等信息，并將其發送給本鐵路局中心設備進行處理。

1.1.3 TDCS-CTC平臺接口服務器

TDCS-CTC平臺接口服務器用于連接TDCS-y系統和FZy-CTC系統，實現兩個或多個中心模塊間數據信息的交換，尤其是分界區域的信息交換。圖2為基本連接結構示意圖。

1.1.4 運行圖查詢服務器

圖2 TDCS-CTC平臺接口服務器

接口服務器作為運行圖查詢服務器使用時，需要安裝數據庫，并配置數據庫連接用戶。一個或多個查詢終端作為客戶端通過網絡連接到接口服務器。圖3為基本系統結構連接示意圖。

圖3 運行圖查詢服務器

圖3中，接口服務器接收各查詢終端的控制命令，依據不同請求類型，通過訪問數據庫獲取相應數據并返回結果；由TDCS-y服務器和FZy-CTC服務器轉發行調臺的調整運行線信息，運行圖查詢服務器直接轉發給各查詢終端，實現運行線的實時調整；其它鐵路局接口服務器與本鐵路局運行圖查詢服務器通過Socket或MQ方式連接，實現鐵路局間運行圖信息的查詢和轉發。

1.2 接口服務器主要工作

1.2.1 多用戶多協議多方式接入

接口服務器支持鐵路局內/鐵路局外、本單位/外廠家多用戶以各類通用協議（TDCS協議、GSM-R協議等）和多種方式（Socket直接連接、第三方消息中間件間接連接等）進行互聯互通。本項工作關注于接入方式的多樣性、可靠性、穩定性和傳輸實時性。

1.2.2 實時信息轉換/轉發工作

接口服務器根據規則將某一來源用戶的消息轉發到一個或多個目的用戶。當來源用戶與目的用戶使用不同通信協議時，處理邏輯就涉及到協議轉換操作。本項工作涉及信息類型主要包括邏輯表示信息、采集表示信息、到發點信息、實時運行圖信息、鄰站預告信息、GSM-R無線車次校核信息、臨時限速（TSR）狀態信息等。

1.2.3 歷史信息緩存工作

為了響應外單位用戶查詢請求，提供本區域內歷史狀態數據，同時提高該過程的響應速度和執行效率，接口服務器需要緩存一定物理管轄區域和時間范圍內的信息數據，主要包括車站狀態信息、車站表示信息和列車動靜態信息等。

1.2.4 數據查詢及響應工作

通過本地緩存或外部查詢（數據庫連接用戶等外部用戶），接口服務器對某一來源用戶的查詢請求進行處理，并返回查詢結果信息。本項工作涉及信息類型主要包括全部或部分表示信息查詢請求、臨時限速信息查詢請求、運行圖查詢請求等。

2 接口服務器設計

2.1 接口服務器軟件架構設計

根據接口服務器高內聚低耦合、分離關注點的軟件設計原則及主要工作內容梳理，調整接口服務器各部分之間的依賴關系和抽象層次，采用3層邏輯架構設計：用戶管理層、信息處理層和數據管理層，如圖 4所示。層級劃分的作用并不限于簡化系統邏輯結構和降低開發復雜度，更可增加系統對環境的適應力、兼容力和擴展力[1～2]。

圖4 接口服務器軟件層級設計

2.1.1 用戶管理層

用戶管理層設計目標是兼容、穩定、高效和擴展，其位于接口服務器應用邊界，用于實現多用戶多協議多方式接入工作。該邏輯層級可以解耦用戶、協議和連接方式對核心數據的影響，向上提供用戶相關服務，向下隱藏具體場景和邏輯業務的差異與細節。用戶的基本邏輯包含通用的邏輯處理規則，主要包括用戶登錄和基本信息處理等。這一公共模塊的設計，可以精簡代碼、減少后期維護工作量。特有邏輯則需要針對特定用戶和應用場景設計，例如接口服務器作為運行圖查詢服務器時，TDCS用戶需要根據用戶局碼定時請求相鄰鐵路局運行圖信息并廣播查詢終端。用戶處于4種循環狀態：空閑狀態、接收消息狀態、發送消息狀態和處理消息狀態，其中，空閑狀態幾乎不占用各類資源，接收消息狀態和發送消息狀態較多占用網絡資源，處理消息狀態則較多占用本地計算資源。用戶調度單元通過合理的資源配置和規則制定，結合不同用戶交互負載的周期性特點和歷史數據分析，提供一種數據中心下信息包驅動的應用融合調度和信息分發方法，促使用戶在各類狀態間進行轉換，降低計算資源綜合消耗。

2.1.2 信息處理層

信息處理層設計目標是同步、異構、實時和分發，其位于接口服務器邏輯核心，用于實現實時信息轉換/轉發以及數據查詢和響應工作。本層上部具體協議單元對接用戶管理層中對應具體用戶，之后通過協議類型轉換單元統一轉換為TDCS協議格式數據，再由TDCS協議對應轉換為目的用戶所需協議格式數據。設計基類CExchangeBase完成TDCS協議與其他協議的基本轉換，設計繼承類CExchgFzy2StdCtc、CExchg-Tdcs2DMIS和CExchange_GSM完成具體消息類型轉換。不同協議由于設計思路和應用場景不同，其所包含信息內容維度也有所差異，對于大信息量協議消息類型轉換為小信息量協議消息類型時，剝離附加消息單獨處理。信息包處理用于信息整理，根據各協議數據包長度限制進行拆組包工作。該單元可將大量破碎信息整合為一包完整信息，提高網絡資源利用率和對端程序處理過程完整性。信息調度單元通過FIFO數據包發送鏈表、大容量緩存鏈表、信息包-用戶映射關系實時轉換、分發數據，并緩存由于網絡阻塞和計算阻塞等導致的數據暫緩發送信息，以此提供更宏觀的、面向用戶層的服務邏輯。

2.1.3 數據管理層

數據管理層設計目標是一致、分級和可配置，其位于接口服務器管理底層，用于實現歷史信息緩存和數據服務工作。從數據請求和數據流向的角度看，一個完整的數據管理單元應該包括操作捕獲、緩存數據存儲、緩存數據流動和數據服務提供4部分。區別于常見緩存框架允許數據獲取中一定延遲窗口的最終一致性要求，行車調度系統中的接口服務器強調數據的強一致性。數據管理單元可通過XML、特定領域語言（DSL）編程等多種配置方式，在用戶零配置或簡單配置情況下，提供數據緩存的分級存儲和生命周期管理功能。這其中就包括為提高數據獲取效率而采取的躍遷策略定制，比如在某一級滿足特定超時策略可以發生向下躍遷（高速小容量緩存向低速大容量緩存）。全局規則數據則在一定程度上決定了信息調度中數據流向和接口對外提供的功能清單。

2.2 接口服務器內部數據調度邏輯

接口服務器支持多種協議格式，但為了保證內部處理邏輯的簡潔和高效，減少開發和維護工作量，接口服務器內部數據流轉統一使用TDCS協議格式。圖5為數據調度邏輯示意圖[3]。

圖5 接口內部數據調度邏輯圖

接口服務器內部流轉TDCS協議版本由配置文件中TDCS_Version字段決定（取值范圍為1或2），設其值為X。圖 5左側連接多個外部接口用戶（MQ用戶或使用TDCS交互的Socket用戶），設為接口A和接口B，交互TDCS版本由配置文件中該用戶的UserMorVersion決定（取值范圍為1或2，需小于等于TDCS_Version）。設接口與A用戶交互TDCS版本為X（即等于TDCS_Version值），接口與B用戶交互TDCS版本為Y（小于等于TDCS_Version值）。

當X和Y皆為1或皆為2時，內外部交互皆使用該版本TDCS協議進行交互。

當X為2，Y為1時，接口服務器對接收到的FZy-CTC協議消息、TDCS-y協議消息和GSM-R協議消息，轉換為版本為X的TDCS協議，之后按版本X的TDCS協議進行處理。

接口服務器對由A、B用戶接收的消息，按消息中實際版本進行處理。

接口服務器向A用戶發送消息時：（1）數據庫查詢消息、表示信息查詢消息等由接口從數據庫查詢后回復或從本地緩存查詢后回復的消息，回復消息版本與A用戶發送的查詢消息版本一致；（2）由FZy-CTC協議、TDCS-y協議或GSM-R協議轉換的TDCS協議消息，版本為X；（3）從其他版本為X的TDCS用戶直接轉發的消息，版本為X；（4）從其他版本為Y的TDCS用戶直接轉發的消息，版本為Y（即接口不會將低版本TDCS消息轉換為高版本TDCS消息）。

接口服務器向B用戶發送消息時：（1）數據庫查詢消息、表示信息查詢消息等由接口從數據庫查詢后回復或從本地緩存查詢后回復的消息，回復消息版本與B用戶發送的查詢消息版本一致；（2）由FZy-CTC協議、TDCS-y協議或GSM-R協議轉換的TDCS協議消息，先轉換為版本X，之后降級為版本Y；（3）從其他版本為X的TDCS用戶直接轉發的消息，進行消息轉換，轉換為版本Y的消息；（4）從其他版本為Y的TDCS用戶直接轉發的消息，版本為Y。

3 關鍵技術

3.1 多目標轉發

接口服務器連接用戶眾多，往往同一來源消息要動態轉發到多個目的用戶。快速、準確地確定目的用戶，有助于保證消息的高效送達。

接口服務器采用固有轉發結合用戶配置的方式確定目的用戶。固有轉發，是根據歷史統計數據、消息特有屬性和消息基本字段，固定地將特定消息類型轉發到某些用戶，其判斷依據是消息類型。例如針對列車無線閉塞中心（RBC）狀態變化信息，接口會自動查找鐵路總公司RBC實時MQ通道，并轉發；針對運行圖查詢請求且消息中局碼等于本局局碼，接口會自動查找本地數據庫用戶，并轉發。固有轉發，可以極大地減輕現場配置人員工作量，減少出錯概率，但現場適應性稍差。

用戶配置，是工程人員根據現場系統連接結構和數據要求，通過自行制定轉發規則，人工強制配置特定來源用戶的特定消息，路由到某些目的用戶，其判斷依據是消息類型和用戶類別。通過轉發規則的配置，用戶配置方式可以轉發或屏蔽特定消息類型，靈活性高，現場適應性好，但所需工作量稍大。

圖6示例中，信息1和信息2的信息類型相同，因此使用相同的固有轉發規則G2到同一目的用戶D2。用戶配置模式下，消息1經過U1到目的用戶D5和Dn，經過U2到目的用戶D3，消息2經過Un到目的用戶D3和Dn。兩種模式相結合，可以揚長避短，滿足實際需求。

圖6 多目標轉發示例

3.2 數據緩存技術

接口服務器需緩存大量列車和車站動靜態數據。如何在紛繁復雜的數據間進行信息檢索，關系著接口服務器整體邏輯流程的處理效率。

緩存信息的核心索引是車次號和站碼。以這兩項信息為中心，建立數據映射關系如圖 7所示[4]，其說明如表1所示。

圖7 數據映射關系示例

表1 數據映射關系說明

3.3 滑動窗口模型下的信息組包操作

管界內列車運行及由其引起的對應信號機、區間等車站對象狀態的變化，會觸發大量采集表示信息的發送操作。為在合理的延遲考量下，盡可能減少對端數據包包數和處理工作量，接口服務器采用具有跳出機制、向后兼容N步的滑動窗口模型實現表示信息的組包發送工作，具體算法如下[5]：

（1）設定單一信息包最大長度為Lmax，滑動窗口長度為W，組包兼容包數為N，消息最大延遲時間T ms，組包數據包設為Pdata。

（2）從待發送信息緩存列表中讀取一包信息Cdata。判斷Cdata信息類型，如是采集表示信息，轉（6）；否則，轉（3）。

（3）如果連續發送非采集表示信息數據包包數大于N或距Pdata中最早待處理數據時間大于T ms，轉（5）。

（4）發送本次新讀取的信息Cdata，轉（2）。

（5）分別發送之前組包信息Pdata和本次新讀取的信息Cdata，清空Pdata和Cdata，轉（2）。

（6）如果信息Pdata與Cdata的信息包總長度大于Lmax，或Pdata中已組包數量大于W，或距Pdata中最早待處理數據時間大于T ms，轉（7）；否則，轉（8）。

（7）發送組包信息Pdata后，清空Pdata。

（8）將信息Cdata合并組包至Pdata，并更新Pdata中信息包長度等字段，轉（2）。

其中，（3）可實現N包（向后兼容N步）信息包內采集表示信息的組包操作，提升非連續表示信息的組包率；最大延遲時間的設定及（6）中一系列跳出機制的設定，可保證信息的實時性。現場數據表明，此模型的應用可減少對鐵路總公司表示信息數據包數60%，極大地改善對端處理環境，提升處理效率。

4 結束語

多協議支持的通用外部交互接口服務器采用諸多先進技術，結構設計合理，具有穩定、可靠和數據處理能力強等特性，兼容多種通信協議和連接方式，已成功應用于北京、成都等多個鐵路局的多套系統結構中，有較高的應用價值，獲得用戶好評。

[1]趙宏濤，王 濤，張 琦.鐵路調度系統中虛擬共用信息平臺研究[J].鐵路計算機應用，2013，22（10）： 27-30.

[2]趙宏濤，王 濤，張 琦.鐵路調度系統軟件開發中數據流接口的設計[J].鐵道通信信號，2013（1）.

[3]余紅梅.鐵路分散自律 CTC 系統的應用問題及對策[J].鐵路通信信號工程技術，2015，12（1）： 8-11.

[4]王彥士，王 偉，劉朝輝，等.支持透明集成的數據緩存機制[J].計算機研究與發展，2015，52（4）：907-917.

[5]常建龍，曹 鋒，周傲英.基于滑動窗口的進化數據流聚類[J].軟件學報，2007，18（4）：905-918.

責任編輯 楊琍明

General external interactive interface server supported by multi-protocol

ZHAO Hongtao,WEI Yuanling,WANG Tao,CHEN Feng
( Signal &Communication Research Institute,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China)

Supported by multiple connection modes and communication protocols,external interactive interface server provides the information interaction function between local railway administration and outside units,meanwhile,implements the function of TDCS-CTC platform interaction and train diagram query.In order to improve the compatibility,scalability and data processing capability of the interface server,the three tier software architecture with user management layer,information processing layer and data management layer was designed and implemented.The internal data fow of the interface server used TDCS protocol uniformly,and the corresponding processing logic was selected for different protocol versions.With the help of multi-destination forwarding,high effcient data caching and information package algorithm in sliding window model,interface server can meet the production demands with high deployment fexibility,running stability,security and effciency.

external interactive interface server;multi-protocol support;high effcient data caching;information package

U285∶TP39

A

1005-8451（2016）02-0055-06

2015-06-04

趙宏濤，助理研究員； 魏元玲，助理研究員。