一種異構主從模式數據同步園區停車系統的設計與實現

馮凌穎 陳耀武 蔣榮欣

一種異構主從模式數據同步園區停車系統的設計與實現

馮凌穎 陳耀武 蔣榮欣

(浙江大學生物醫學工程與儀器科學學院 浙江 杭州 310027)

針對目前大多城市的園區停車系統中崗亭車輛出入管理的缺陷，從總體需求、功能模塊和實現方式出發，設計一種異構主從模式數據同步的園區停車管理系統。采用.NET框架的C#開發，系統包括數據服務中心、中心客戶端和崗亭客戶端三個部分。數據服務中心采用Windows IIS服務器的WebService部署，中心數據庫使用SQL Server，崗亭本地數據庫采用Access數據庫。實驗結果表明，該系統利用中心和崗亭之間的數據庫同步，有效地使系統在網絡故障下各崗亭仍能正常工作，并能在4秒左右時間內能完成所有數據同步，具有很高的實用價值。

停車管理 WebService 分布式數據庫 數據同步

0 引 言

近年來，隨著科學的進步和國民經濟的高速發展，車輛是人們出行以及貨物運輸的重要交通工具。隨著車輛數目的急劇增加，不僅城市公路的管理建設需要加強，而且各種小區和停車場對進出車輛的管理也顯得尤為重要。目前比較典型的停車管理系統主要采用的是攝像頭監控并識別車牌、道閘的進出放行以及統一的管理軟件[1-3]。本文所設計的是一套園區停車管理系統，具有車牌識別、道閘的全自動管理，采用異構主從模式的分布式數據庫層、WebService服務層和客戶端應用層的三層模型。引入數據同步模塊，將各崗亭數據庫與中心數據庫進行同步，支持崗亭斷網等故障下仍然能正常工作，一定程度上降低了管理人員和維護人員的工作強度，并提高了車輛出入放行的效率，具有很好的安全保障和實際應用價值。

1 停車管理系統的整體架構

針對目前的比較主流的園區或停車場設計，一般有多個(2～20個)主要出入口，每個出入口崗亭有進出兩個車道，并且有兩名崗亭管理員進行操作。在每個崗亭和中心服務器安裝一套園區停車管理系統，實現對園區內每個崗亭兩個車道的進出車輛進行控制和管理。整個系統的模型如圖1所示。

圖1 園區停車管理系統的模型圖

從安全、效率和可操作性上考慮，主要實現以下功能：

1) 每個崗亭有雙車道：一個崗亭配置一臺工控機，一個車道配置一臺中等配置以上的個人顯示器和打印機；

2) 每個崗亭安裝兩個高清抓拍攝像機(分別對應兩個車輛)，只要有車輛進出崗亭即可將車輛的車牌照片采集并輸送到工控機的車牌識別功能處；

3) 每個崗亭一個車道配備一名執勤工作人員，執勤工作人員通過系統的崗亭客戶端查看車牌識別結果；如果無法識別車牌，執勤人員可以手動輸入車輛號碼，根據數據服務中心提供的車輛信息決定放行，禁止通行或者打印臨時通行證放行，執勤工作人員也可一鍵開啟道閘放行；

4) 數據服務中心負責中心數據庫的白名單、違章信息、中心管理人員權限和執勤人員信息的錄入，修改，刪除和查詢等操作；數據服務中心提供車輛信息的查詢，包括當前園區內車輛和車輛通行的歷史信息；

5) 正常情況下所有崗亭訪問中心數據庫，當出現網絡故障的情況下，單個崗亭能切換到訪問本地數據庫繼續正常工作；中心管理員可以手動通過管理中心客戶端將中心數據同步到各個崗亭，崗亭本地系統也可自動同步本地和數據服務中心的數據，此外，系統也可設定定時進行數據同步。

針對以上功能分析，本文設計的園區停車管理系統主要分為數據服務中心、管理中心客戶端、崗亭本地系統三個部分[4-6]。其中崗亭本地系統包括工控機、高清攝像機、打印機、LED顯示器、道閘和地感線圈。其整體框架如圖2所示。

圖2 園區停車管理系統的主要軟件框架圖

1.1 數據服務中心

數據服務中心提供各個崗亭對車牌號碼的信息查詢，各個崗亭人員的執勤情況，以及整個區域的車輛進出歷史信息。中心管理員對數據服務中心內部的數據進行更新，包括車輛白名單、人員在崗信息、人員執勤卡信息、崗亭信息、用戶信息等。數據服務中心通過網絡建立和各個崗亭的直接數據連接，當管理中心客戶端發起一鍵應急開啟或關閉道閘時，可以立即響應該指令。

1.2 管理中心客戶端

中心客戶端的主要功能有白名單的錄入、違章數據的查詢、用戶權限的增刪改查、對車輛信息的查詢(包括實時在園區內的車輛和歷史車輛進出信息)、當前工作人員執勤信息的查詢等功能。

當出現緊急情況時，中心客戶端可以啟動一鍵緊急開或者一鍵緊急關閉功能，通過數據服務中心已經和崗亭客戶端建立的網絡連接，打開全部道閘或者關閉全部道閘。

1.3 崗亭客戶端

崗亭設在各個道閘的路口，負責車輛從駛進道閘直到車輛離開道閘的整個動作過程的數據交互工作。當有車輛壓到地感線圈時，工控機啟動高清攝像機抓拍車牌照片并且傳到崗亭客戶端予以顯示，程序自動對新進的車牌信息進行分析。若分析成功，客戶端查詢數據服務中心獲取該號牌的信息，查詢包含白名單和違章記錄。若車牌識別程序無法識別時，執勤人員可以在崗亭客戶端手動輸入當前的號牌信息，同樣該號牌進入數據服務中心比對白名單，并查詢違章記錄。

崗亭客戶端設有一塊LED屏幕用于顯示車輛的車牌，權限信息和違章記錄等信息。獲取了該車輛的詳細情況后，若該車輛屬于白名單，則自動放行；若數據顯示違章數目超標，則禁止駛入；若既不是白名單且違章記錄不超標，則由崗亭執勤人員打印通行證，并且車輛駕駛員交納24小時的臨時通行費用，由執勤人員刷卡放行。

2 崗亭與數據中心的工作方式

結合實際需求，本著先進、實用，保證工程的成本優化，本文所設計的園區停車管理系統采用.NET框架下C#開發。支持現有的網絡編程新標準，也能夠消除大量程序錯誤，對版本的更新提供內在的支持，降低了開發成本。

2.1 ADO.NET數據庫訪問技術

ADO.NET是微軟.NET框架的一部分，是一組用于和數據源進行交互的面向對象類庫[7-9]。并提供了平臺互用性和可伸縮的訪問。它是當前數據庫中的重要技術，特別是在C#應用開發實例中，主要作用是將數據庫與數據之間建立起鏈接，為對方的數據存取提供一個平臺。

并且ADO.NET提供程序可以支持SQLServer、ODBC、Access和Oracle等多種數據庫。其中比較重要的兩個類——數據集(DataSet)和數據表(DataTable)能夠實現獨立于所有數據源的數據訪問，表示的是內存關系數據庫，不但能方便與實際數據庫做數據交換，并且能夠方便與XML文件進行讀寫數據。

2.2 分布式數據庫的設計

根據系統的架構設計，如果要滿足在網絡出現故障時，各個崗亭仍然能夠單機運行，那么則需要在崗亭本地系統設置臨時數據庫。該臨時數據庫需備份數據服務中心的白名單記錄，車輛通行信息和人員執勤信息。當網絡恢復時，崗亭臨時數據庫只需要手動或者按照設定的時間間隔自動與中心數據庫進行白名單、車輛通行信息和執勤人員數據的同步。

中心和崗亭數據庫的設計如圖3所示。系統的數據服務中心采用Windows上IIS服務器的WebService部署[10,11]，中心數據庫使用SQL Server，而崗亭的本地數據庫采用輕量級的Access數據庫。當網絡不通暢時，啟用崗亭的本地數據庫，將正常情況下的白名單查詢都從本地數據庫查詢獲取，車輛通行信息以及崗亭執勤人員交班也根據本地數據庫信息執行。崗亭車輛出入控制的基本流程如圖4所示。

圖3 中心和崗亭數據庫的設計

圖4 崗亭車輛出入控制的基本流程圖

崗亭客戶端初始化本地數據庫的全局鏈接和數據中心WebService初始化中心數據庫的全局鏈接代碼如下所示。其中DataBaseLayer是本文自定義的.NET通用數據庫訪問層的封裝類，以支持不同類型的中心數據庫和崗亭數據庫。

崗亭客戶端初始化本地數據庫的全局鏈接localConn:

public static string mdbpath = Config.GetConfig((string)App. Current.FindResource(″LocalDbPath″));

public static DataBaseLayer localConn = new DataBaseLayer(@″ Provider=Microsoft.Jet.OLEDB.4.0;data source=″ + mdbpath, ″ Access″);

數據中心WebService初始化中心數據庫全局鏈接centerConn:

public static string conStr = ConfigurationSettings.AppSettings [″CenterDbAddress″];

public static DataBaseLayer centerConn = new DataBaseLayer (conStr, ″SqlServer″);

3 系統數據同步的實現

本文所設計的分布式數據庫系統采用的是主從模式的異構數據庫系統。各個崗亭的本地Access數據庫集合可以與數據服務中心的SQL Server進行數據共享和訪問。數據庫系統的各個組成部分分別具有自身的自治性，在實現數據同步和共享的同時，每個數據庫仍保持有自己的獨立應用特性。

常用的數據庫復制技術[12,13]分為同步復制和異步復制。主要方法有基于觸發器法、基于事務法、基于時間戳法和基于API法。考慮到本文所設計的園區停車系統只有在網絡出現故障的情況下，崗亭才會訪問自身本地的Access臨時數據庫，一般情況下所有崗亭均統一訪問中心數據庫，因而不需要數據庫之間頻繁的通信。所以本文采用的是占用較少額外系統資源的基于API的復制方法。在系統中引入中同步模塊，當網絡恢復正常后，同步模塊可以自動將各崗亭的數據與中心數據庫同步，而中心管理員可以手動選擇將中心數據庫同步到各個崗亭。

3.1 同步模塊的設計

針對需求，同步模式分為從—主模式同步和主—從模式同步，同步功能類型分為新增、修改或刪除。所有同步的表格數據以DataSet類型進行傳輸，并根據不同的表數據定義，不同的API復制接口進行相應的解析和操作。

1) 從—主模式的異步復制方法

從—主模式的異步數據復制方法在該系統中主要是實現當崗亭網絡恢復后，自動將本地數據庫的數據同步到中心數據庫。首先由崗亭客戶端向數據服務中心WebService提交異步請求；WebService響應請求后，各個崗亭客戶端準備好需要同步一致的數據集，然后根據維護類型對中心數據庫進行同步更新。

2) 主—從模式的同步復制方法

主—從模式的同步數據復制方法在該系統中主要是實現當中心管理員修改了中心數據庫的白名單時，實時地同步到各個崗亭數據庫的白名單，以防止后續網絡故障出現的數據差錯。當中心管理員成功修改了白名單時，通過網絡發送命令至崗亭數據庫，將更新的白名單同步到所有崗亭數據庫。

圖5為崗亭數據庫和中心數據庫的從—主模式的自動同步流程。當中心管理員更改白名單和違章信息后，可以選擇手動同步主—從模式，其流程與圖中從—主模式自動同步數據庫的步驟5-步驟8相同。

圖5 崗亭和中心數據庫的從—主模式的自動同步流程

3.2 同步模塊定時器

在數據服務中心模塊中，設定了一個獨立定時線程，主要完成整個停車管理系統的日常定時同步數據任務。定時任務精度要求不高，并且粒度較大，因而只用精確到秒級即可。在初始化定時隊列時，分配一定數量的定時節點，并放入空閑隊列中，需要添加定時任務時，從空閑隊列中申請一個節點，填充好超時時間和定時回調任務等內容后加入到定時隊列中。節點超時后，定時線程執行節點中的回調函數，并回收節點到空閑隊列中。任務隊列中，超時時間(time)使用相對與前一個節點的超時時間，節點按照時間遞增排序，只要隊列頭節點未超時，后面的節點也未超時。其增加定時任務節點的流程如圖6所示。任務節點的主要結構成員如表1所示。

圖6 定時隊列增加節點的流程圖

結構成員說明func任務回調函數指針arg任務回調參數指針time超時時間

對于中心管理員而言，可以使用管理中心客戶端人為地設定定時任務，從而規定整個系統數據同步的時間間隔。管理中心客戶端對中心數據庫的白名單、門衛個人信息或崗亭信息等一些數據表做相應修改后，希望能夠及時同步信息到各個崗亭，那么可以添加某固定時間的定時任務到任務隊列，等待執行。

在每做一次數據同步，每個崗亭同時都要獲取數據中心的時間(DataTime類型)做一次時鐘同步，以確保系統每個模塊的時間一致性。并且可以人為選擇設定規定時間(如1分鐘)進行系統自動循環數據同步和時鐘同步。

4 實驗結果

為了考查該系統的性能，為系統搭建局域網，多臺工控機作為多個崗亭的本地系統，一臺主流的PC機作為數據服務中心，其基本配置如表2所示。園區停車系統的崗亭客戶端和中心客戶端界面如圖7和圖8所示。

表2 系統配置表

圖7 崗亭客戶端界面

圖8 中心客戶端(查詢車輛通行信息)界面

對系統進行以下實驗：在工控機上安裝Access數據庫，在數據服務中心安裝SQL Server 2008數據庫。以一般園區停車管理系統數據庫所要存儲的最高歷史數據量為測試用例數據。中心數據庫白名單(共5個字段)5000條數據、車輛通行信息表(共11個字段)30 000條數據、執勤歷史信息表(共5個字段)10 000條數據并包括其他表的信息(門衛個人信息表、權限卡表、崗亭表、用戶表和角色表)。將開發的系統WebService API使用IIS服務器部署到數據服務中心PC機上。

在實驗中主要測試兩種模式同步所耗費的時間，以確保在該設計方案下，停車管理系統能夠正確工作。測試結果如表3所示。測試結果可以表明該系統16個崗亭(大型園區或停車場的規模)能在大約4 s左右的時間內能完成歷史最高數據量的同步，具有很高效的實用價值。

表3 實驗結果 單位：s

5 結 語

本文設計了一種基于異構主從模式數據同步的園區停車管理系統設計。其核心的分布式數據庫采用異構主從模式，中心數據庫采用SQL Server，崗亭數據庫采用Access，支持兩者之間的主動和手動同步。通過本系統的開發實施，設計出了標準化并具有靈活性的停車管理系統。系統采用基于.NET框架的三層體系結構，提高了系統的可伸縮性、擴展性和可維護性。

目前，該系統已應用于某些城市的工業園區，效果良好，改善了以往由于個別崗亭的網絡故障，使得該崗亭暫停服務或者是人為放行車輛但未能準確記錄信息的問題。很有效地解決了車輛進入園區混亂的局面，一定程度上降低了人工操作和管理成本。該系統的成功應用，既提高了車管部門的信息化水平，也方便了人們的日常出行。

[1] 戴帥,劉金廣,朱建安,等.城市路內停車管理戰略及實踐[J].城市交通,2014,12(1):6-11.

[2] 段里仁,毛力增.停車管理的基本理念與國際經驗[J].綜合運輸,2012,1(2):69-73.

[3] Michael Kodransky,Gabrielle Hermann.Europe’s Parking U-Turn:From Accommodation to Regulation[R].USA:Institute for Transportation & Development Policy,2011.

[4] 孫裕.停車管理系統的設計與實現[D].成都:電子科技大學,2013.

[5] 李晗.基于物聯網的無線車輛管理系統設計與實現[D].長沙:國防科學技術大學,2011.

[6] 任杰.小區智能車輛管理系統的設計與實現[D].上海:華東師范大學,2012.

[7] Alfred J Lendvai,Hao Shi.ADO and ADO.NET Object Model Comparisons:A Relational Perspective[J].International Journal oComputer Science and Network Security,2007,7(1):23-25.

[8] Abraham Silberschatz,Henry F Korth,S Sudar shan.Database System Concepts[M].New York: McGraw-Hill,2010.

[9] 蔣薇,賴青貴,秦玲,等.基于ADO.NET數據訪問技術的研究和應用[J].微計算機信息,2010,10(3):141-143.

[10] Tamer Ozsu M,Patrick Valduriez.Principles of Distributed Database Systems[M].3rd ed.London: Prentice Hall,2011.

[11] 任建輝,徐林,蔡航標.一種基于XML/Web Services的分布式數據庫同步技術的研究與實現[J].成都大學學報:自然科學版,2009,28(2):136-138.

[12] 孫廣,劉建軍.通過數據庫復制功能實現數據庫同步備份[J].電子世界,2012,15(22):156-160.

[13] 劉海,陳啟買.基于角色的數據交換中間件的研究與實現[J].計算機應用,2009,29(1):34-36.

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A RESIDENT AREA PARKING SYSTEM BASED ON DATA SYNCHRONISATION IN HETEROGENEOUS MASTER-SLAVE MODE

Feng Lingying Chen Yaowu Jiang Rongxin

(CollegeofBiomedicalEngineeringandInstrumentScience,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,Zhejiang,China)

We designed a resident area parking system with data synchronisation in heterogeneous master-slave mode commencing from total requirements, function modules and implementation approach for the defects of current resident area parking systems in vehicle access management of sentrybox in most cities. Developed with C# of .NET framework, the system consists of three parts—data service centre, centre client and sentrybox client. The data service centre uses WebService deployment of Windows IIS server, the centre database uses SQL Server, and the local database of sentrybox uses Access database. Experimental results showed that by utilising database synchronisation between centre and sentryboxs, the system effectively made every sentrybox working well under the circumstance of network failure, and could complete the whole data synchronisation within about 4 seconds. To sum up, this system has very high practical value.

Parking management WebService Distributed database Data synchronisation

2014-11-07。國家高技術研究發展計劃項目(2010AA 09Z104)。馮凌穎，碩士，主研領域：網絡多媒體，數據庫技術。陳耀武，教授。蔣榮欣，副研究員。

TP319

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2016.04.015