基于MQTT的乘客服務(wù)信息分發(fā)設(shè)計(jì)

■ 楊耕田 黃尊濤

軌道交通已成為人們在日常生活中離不開的重要出行方式，軌道交通具有運(yùn)量大、運(yùn)行時(shí)間穩(wěn)定、安全環(huán)保等眾多優(yōu)點(diǎn)，是整個(gè)交通體系的重要組成部分。乘客信息系統(tǒng)（Passenger Information System，PIS）作為軌道交通中為乘客提供豐富資訊的載體，可以提供列車運(yùn)營信息、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營信息、政府公告、便民信息、廣告以及在火災(zāi)等突發(fā)狀況下的緊急疏散信息等。隨著智慧出行理念的漸入人心，PIS必將承載更多信息的發(fā)布與傳播，以便滿足人們各種出行需求及對實(shí)時(shí)資訊的掌握。

1 PIS介紹和信息分發(fā)技術(shù)

1.1 PIS的功能

在正常情況下，PIS既可以提供列車運(yùn)行時(shí)間、列車到站信息、換乘信息、車站周邊信息等各種輔助人們出行的信息，也可以提供政府公告、新聞、廣告等多媒體資訊的發(fā)布及推廣；而在遇到火災(zāi)或其他災(zāi)害等緊急事件時(shí)，PIS還可以提供緊急疏散通告及提示信息等[1]。

（1）時(shí)間信息顯示[2]。PIS能夠?qū)崟r(shí)地與時(shí)鐘系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間同步，以保證PIS時(shí)間的準(zhǔn)確性，同時(shí)PIS的播控器還可以在屏幕上為乘客提供實(shí)時(shí)的系統(tǒng)時(shí)間顯示，以便于乘客能夠了解具體時(shí)間。

（2）列車運(yùn)行時(shí)間、到站信息及換乘信息的顯示。PIS可以通過與自動(dòng)列車監(jiān)控系統(tǒng)（Automatic Train Supervision，ATS）的對接獲取線路上列車的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，通過簡單的處理即可以為乘客提供列車運(yùn)行時(shí)間、到站信息及換乘信息等，這些信息都可以在播控器及相應(yīng)的廣播設(shè)備上提供給乘客，以便乘客可以更安全、快速地候車、換乘或出站。

（3）天氣預(yù)報(bào)信息等各類生活資訊顯示。PIS可以通過與天氣服務(wù)器連接，將天氣信息顯示到播控器屏幕的指定區(qū)域上，給乘客的出行提供參考，另外PIS還可以在播控器屏幕上為乘客提供車站周邊的景點(diǎn)及各種商場等信息。

（4）多媒體直播信息的顯示。相關(guān)的直播信息經(jīng)視頻服務(wù)器處理后可以在播控器上進(jìn)行實(shí)時(shí)播放，播放內(nèi)容包括數(shù)字電視、實(shí)時(shí)新聞及重大賽事等。直播內(nèi)容將以插播的形式打斷正在進(jìn)行的播放列表，以保證實(shí)時(shí)播放的及時(shí)性。

（5）廣告、電視節(jié)目等多媒體信息的顯示[3]。經(jīng)過相關(guān)業(yè)務(wù)人員對錄播的電視節(jié)目、宣傳片、公益廣告及商業(yè)廣告等視頻內(nèi)容進(jìn)行編播后，可以由相關(guān)人員將整個(gè)播放列表發(fā)送至播控器，此時(shí)播控器可按照編播的順序依次播放相關(guān)內(nèi)容，乘客即可通過播控器的視頻播放獲取相關(guān)資訊。播放列表中內(nèi)容的播放優(yōu)先級別較低，當(dāng)有直播內(nèi)容或者緊急信息時(shí)，都有可能打斷列表中內(nèi)容的正常播放。

（6）緊急信息的通告及提示[2]。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)或其他緊急事件時(shí)，PIS既可以使用預(yù)制的緊急信息，又可以即時(shí)編播更加準(zhǔn)確的緊急信息進(jìn)行通告，通告方式包括在播控器顯示屏上滾動(dòng)播放醒目的提示語、使用廣播設(shè)備進(jìn)行及時(shí)告警等，以此來實(shí)現(xiàn)對乘客的告警，幫助安全、快速地疏導(dǎo)人流。緊急信息內(nèi)容的播放優(yōu)先級具有最高等級，播控器將優(yōu)先播放緊急信息內(nèi)容。另外，緊急信息級別可分為緊急一級、緊急二級、緊急三級，其中緊急三級為最高等級。

1.2 PIS的結(jié)構(gòu)和信息分發(fā)技術(shù)

PIS可以分為2個(gè)層級，即控制中心層和車站/車輛層（見圖1）。其中，控制中心負(fù)責(zé)制定播放版式和播放列表內(nèi)容，發(fā)布和解除運(yùn)營信息，對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控等；車站/車輛層主要是由各種設(shè)備組成，負(fù)責(zé)控制中心下發(fā)信息的處理和播放[4-5]。車站/車輛層的可用于處理乘客服務(wù)信息的設(shè)備包含播控器、視頻服務(wù)器、廣播板卡、車載CCTV服務(wù)器、乘客報(bào)警器、接警終端、廣播控制終端、攝像頭、視頻直播服務(wù)器、廣播控制盒和車載廣播主機(jī)等。

目前，現(xiàn)有的乘客服務(wù)信息分發(fā)技術(shù)很多是基于套接字（Socket）通信來實(shí)現(xiàn)，而Socket通信會存在以下不足之處：

（1）消息傳輸可靠性較消息隊(duì)列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協(xié)議差，可能會存在消息丟失的情況；

（2）當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題時(shí)，無法進(jìn)行離線消息的緩存；

（3）對服務(wù)器壓力較大，當(dāng)連接終端數(shù)量較大時(shí)，很難橫向擴(kuò)展；

圖1 PIS的層級結(jié)構(gòu)

（4）會使得控制中心和播控器的耦合性高，不利于后期維護(hù)。

相較之下，MQTT作為控制中心和各個(gè)設(shè)備之間的通信協(xié)議，既能降低各個(gè)模塊之間的耦合性，又能保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)又具有高可用性、高擴(kuò)展性，能夠解決在網(wǎng)絡(luò)不可靠的情況下出現(xiàn)的消息丟失問題和高并發(fā)情景下的性能瓶頸問題。

1.3 MQTT協(xié)議

MQTT協(xié)議是一種基于發(fā)布和訂閱模式的“輕量級”通信協(xié)議（見圖2）[6]，是建立在TCP/IP協(xié)議之上的，其在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。

MQTT協(xié)議的實(shí)現(xiàn)需要2個(gè)主要角色，即客戶端和服務(wù)器端，其中客戶端又可分為發(fā)布者（Publish）和訂閱者（Subscribe），服務(wù)器端又被稱為代理（Broker）。MQTT傳輸?shù)南?nèi)容可以分為2部分：主題（Topic）和負(fù)載內(nèi)容（Payload）。訂閱者可以根據(jù)自身需求到服務(wù)器端訂閱自己所關(guān)注的主題，這樣可以保證在發(fā)布者發(fā)送相關(guān)主題消息時(shí)，服務(wù)器端可以及時(shí)地將對應(yīng)的消息推送到訂閱者端。

MQTT協(xié)議傳輸消息的服務(wù)質(zhì)量（QoS）可分為3個(gè)等級[6]：

（1）QoS0最多分發(fā)1次，這一級別可能會發(fā)生消息丟失或重復(fù)情況，消息發(fā)布依賴于底層TCP/IP；

（2）QoS1至少到達(dá)1次，這一級別會確保消息到達(dá)，但消息可能會重復(fù)；

（3）QoS2僅分發(fā)1次，這一級別會確保消息只有1次到達(dá)，在一些要求比較嚴(yán)格的計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中，可以使用此類級別。

2 乘客服務(wù)信息分發(fā)流程設(shè)計(jì)

以控制中心下發(fā)運(yùn)營信息到播控器為例，說明乘客服務(wù)信息通過MQTT進(jìn)行分發(fā)的完整流程（見圖3）：

（1）上傳訂閱關(guān)系。控制中心和播控器在啟動(dòng)以后需與MQTT服務(wù)器建立長連接，并將相關(guān)的Topic訂閱關(guān)系上傳到MQTT服務(wù)器。

圖2 MQTT協(xié)議

圖3 控制中心下發(fā)運(yùn)營信息到播控器的流程

（2）發(fā)送運(yùn)營信息。控制中心組織需要下發(fā)的運(yùn)營信息并生成相應(yīng)的下發(fā)計(jì)劃，在進(jìn)行審核后將該下發(fā)計(jì)劃發(fā)送到MQTT服務(wù)器端的消息隊(duì)列。

（3）根據(jù)訂閱關(guān)系推送。MQTT服務(wù)器根據(jù)播控器端的訂閱關(guān)系將消息隊(duì)列中的消息推送到指定的播控器。

（4）消息解析和處理。播控器在收到消息后進(jìn)行解析，然后根據(jù)消息類型進(jìn)行相應(yīng)操作，如將運(yùn)營信息顯示到屏幕上。

（5）發(fā)送反饋消息。播控器在接收到MQTT消息后或在執(zhí)行相應(yīng)操作后，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)指令可能存在不同的需求，封裝1條針對此消息的結(jié)果反饋消息，并將反饋消息發(fā)回給MQTT服務(wù)器。

（6）推送反饋消息。MQTT服務(wù)器根據(jù)消息類型將反饋消息推送回控制中心。

（7）更新下發(fā)消息狀態(tài)。控制中心將原下發(fā)消息的狀態(tài)由“下發(fā)中”更新為“已下發(fā)”，并記錄下發(fā)成功時(shí)間。

3 MQTT消息體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)PIS中控制中心與車站/車輛設(shè)備端的點(diǎn)對點(diǎn)通信，將Topic定義為三級：一級Topic指定了消息的類型；二級Topic為固定字符串“p2p”，表示進(jìn)行的是點(diǎn)對點(diǎn)通信；三級Topic為設(shè)備端的ClientId，由GroupId和DeviceId組成。

3.1 一級Topic定義

根據(jù)消息的通信方向，可以將MQTT消息分為2類：一類為控制中心下發(fā)給設(shè)備端的消息，另一類為設(shè)備端上報(bào)給控制中心的消息。其中，控制中心下發(fā)的消息根據(jù)內(nèi)容可分為信息和指令2類；而設(shè)備端上報(bào)給控制中心的消息根據(jù)上報(bào)類型可以分為主動(dòng)上報(bào)和結(jié)果反饋2類。一級Topic命名示例見圖4。

一級Topic命名規(guī)則如下：第1部分為能力中心標(biāo)識，此處表示該Topic為PIS能力中心所關(guān)注的Topic；第2部分為標(biāo)識符，此處固定為“_Topic”；第3部分為通信方向，“SO”表示Server Originate，即控制中心下發(fā)給設(shè)備端的消息，“ST”表示Server Terminated，即設(shè)備端上報(bào)給控制中心的消息；第4部分為消息類型，若此消息為下行數(shù)據(jù)，則可分為信息類“INF”和指令類“CMD”，若此消息為上行數(shù)據(jù)，則可分為主動(dòng)上報(bào)類“REPORT”和結(jié)果反饋類“RESULT”。

3.2 二級Topic定義

為兼容使用阿里云的MQ消息隊(duì)列服務(wù)器發(fā)送MQTT消息的機(jī)制，設(shè)計(jì)中參照阿里云標(biāo)準(zhǔn)將二級Topic定義為固定字符串“p2p”，即“peer to peer”。

3.3 三級Topic定義

設(shè)備端的ClientId由GroupId和DeviceId組成，其中GroupId的命名規(guī)則為字符串“GID_”加上設(shè)備類型，如播控器的GroupId為“GID_PIPD”，設(shè)備端的DeviceId表示設(shè)備ID，由運(yùn)營人員統(tǒng)一命名規(guī)則，在GroupId和DeviceId之間加上分隔符“@@@”即為ClientId。因此，每個(gè)設(shè)備監(jiān)聽的完整Topic都是與該設(shè)備的設(shè)備ID進(jìn)行過綁定，這樣即可達(dá)到MQTT消息點(diǎn)對點(diǎn)通信的目的。

對于QoS級別的選擇，考慮PIS的乘客信息對于設(shè)備端是不可丟失的，但是信息重復(fù)又不會引起什么問題，另外由于阿里云的MQTT組件暫不能支持QoS2級別的消息，最終將QoS級別選定為QoS1。

負(fù)載內(nèi)容為JSON格式，分為2層封裝，第1層封裝為通用字段，包括指令I(lǐng)D、設(shè)備ID、設(shè)備類型、指令名稱和指令明細(xì)等，而具體的指令參數(shù)等會在指令明細(xì)字段進(jìn)行第2層的封裝。指令I(lǐng)D是由系統(tǒng)自動(dòng)生成的、具有唯一性的字符串，主要作用是將控制中心下發(fā)的消息與設(shè)備端的結(jié)果反饋類消息進(jìn)行一一對應(yīng)；設(shè)備ID是由運(yùn)營人員為每個(gè)設(shè)備分配的、具有唯一性的ID，主要用于區(qū)分各個(gè)設(shè)備；設(shè)備類型為各種設(shè)備類型的縮寫，如“PIPD”表示播控器；指令名稱主要用于區(qū)分該條MQTT消息的指令類型，如“ATS”表示該條消息為ATS類消息；指令明細(xì)字段用于具體參數(shù)的第2層封裝，如“ATS”消息的具體內(nèi)容會被封裝為JSON字符串，然后賦值到指令明細(xì)字段。

圖4 一級Topic命名示例

4 MQTT協(xié)議的優(yōu)勢

各種設(shè)備作為車站/車輛層的基礎(chǔ)設(shè)備，是車站/車輛層PIS子系統(tǒng)的重要組成部分。作為控制中心和設(shè)備端之間的通信協(xié)議，MQTT協(xié)議具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用MQTT可以將控制中心級PIS與設(shè)備端之間的直接耦合減小；

（2）MQTT消息隊(duì)列中間件可以為PIS分布式應(yīng)用提供異步可靠的通信機(jī)制，提高應(yīng)用的可擴(kuò)展性、可用性和吞吐量，同時(shí)利用消息隊(duì)列中間件的高可用性還可以保證數(shù)據(jù)的完整性和可靠性，以及解決PIS大量設(shè)備同時(shí)在線時(shí)信息可靠收發(fā)的問題；

（3）設(shè)備端可以預(yù)先在消息隊(duì)列中間件訂閱自己關(guān)注的消息主題，這樣可以保證相關(guān)消息的及時(shí)推送以及設(shè)備及時(shí)地接收所關(guān)注的數(shù)據(jù)，也就保證了PIS消息收發(fā)的及時(shí)性。

5 MQTT服務(wù)器的搭建

對于MQTT服務(wù)器的使用共分為2個(gè)階段：測試階段和商用階段。

在測試階段中，采用開源的Mosquitto進(jìn)行服務(wù)器搭建。目前各種平臺上對于MQTT協(xié)議進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的代理有很多，其中Mosquitto是一個(gè)開源的輕量級的實(shí)現(xiàn)（C語言），而且比較完整的實(shí)現(xiàn)了MQTT V3．1協(xié)議中的消息推送基本功能[6]，同時(shí)還能夠完全兼容MQTT V3．1．1協(xié)議[7]，可以提供輕量級的消息推送模式。另外，為了支持高并發(fā)的數(shù)據(jù)量，Mosquitto還能夠通過橋接的方式進(jìn)行集群的搭建，即1個(gè)主服務(wù)器，多個(gè)從服務(wù)器，這樣當(dāng)有大量消息需要進(jìn)行收發(fā)處理時(shí)，就可以將請求分散到集群內(nèi)的多臺服務(wù)器上，降低單個(gè)服務(wù)器的負(fù)載，提高消息收發(fā)處理的高效性。

在商用階段中，可以采用阿里云的LMQ消息隊(duì)列等互聯(lián)網(wǎng)中間件進(jìn)行消息的可靠性傳輸，這些消息中間件同樣支持分布式部署。

6 結(jié)束語

隨著人們出行的智能化發(fā)展，作為公共交通重要組成部分的軌道交通出行方式更需要大量運(yùn)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使出行更加快捷方便，用技術(shù)創(chuàng)新滿足人們對美好生活的向往。PIS需要分發(fā)的信息類型也將伴隨著軌道交通的快速發(fā)展而變得更加多種多樣，且在軌道交通運(yùn)營過程中變得越來越重要。對于PIS信息分發(fā)的設(shè)計(jì)還可應(yīng)用于軌道交通相關(guān)各種設(shè)備信息及其他信息的數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析處理后，即可更加有效地組織公共交通的運(yùn)行計(jì)劃安排，更加準(zhǔn)確地進(jìn)行相關(guān)資訊的傳播，更加快速地處置突發(fā)狀況，使人們的出行更加高效。