一種列控運行數據智能診斷系統的軟件架構設計

呂向東，姜國華，王懷江

(1．中國鐵路鄭州局集團有限公司電務部，鄭州 450000；2．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；3．北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070)

1 概述

CTCS3-300T車載運行記錄主要存儲于標準JRU及各單元小黑盒中，每個小黑盒內部有1片256 kB EEPROM循環存儲記錄。列車發生故障回庫后，路局電務維護人員使用筆記本通過串口下載記錄數據，即使拿到數據，對數據的分析依靠經驗，診斷結果具有局限性，維護效率低、成本高。針對以上問題，開發一套基于CTCS3-300T車載設備智能診斷系統。

2 系統總體結構

車載設備智能系統總體結構如圖1所示，系統由3部分組成，分別是車載診斷記錄單元（DRU）、傳輸子系統、數據分析子系統。其中，DRU用于車載診斷記錄數據的安全采集和加密傳輸。傳輸子系統采用列控設備動態監測系統（DMS），實現數據車地無線傳輸。數據分析子系統對接收數據進行分類存儲、智能分析，將分析結果持久化到數據庫中。

3 系統軟件架構

本文主要針對數據分析子系統的軟件架構進行設計，整體架構分為3層：展現層、業務層、持久層，如圖2所示。軟件由前端、后臺、通信模塊、AElog分析模塊、總線分析模塊、應答器數據分析模塊、DRU通信模塊共計7個模塊組成，模塊劃分如圖3所示。

4 功能設計及實現

4.1 B/S架構

圖2 軟件整體架構層次Fig.2 Overall architecture layers of the software

圖3 系統模塊劃分圖Fig.3 System module division diagram

考慮到C/S架構開發的分布式管理系統安裝運行和升級服務比較復雜，不利于系統的普及和推廣，本系統采用B/S架構，將服務器劃分為Web服務器和數據庫服務器，客戶端不需要安裝應用軟件，只需在瀏覽器輸入Web服務器地址即可登錄操作。Web服務器可以實現邏輯業務解析，將Web服務處理和數據處理獨立分割，提高系統可移植性；系統升級可做到一次部署全部升級，客戶端零維護，可擴展性大大提高。

4.2 高并發支持

系統支持2 000輛車同時在線，支持多個客戶端同時發起分析數據請求，后臺通過給每個請求定義一個唯一ID來標識進行，并交由線程池處理。例如當接收到分析AElog數據的請求時，后臺先將用戶上傳的文件根據車號、端號、日期、A/B系等信息創建路徑并存儲，存儲成功后將文件路徑發送給AElog解析模塊，等待解析模塊解析完成并返回解析結果時，后臺通過ID來找到對應的請求，并構造JSON對象，返回給前端進行顯示。處理流程如圖4所示。

4.3 WebSocket推送

當DRU檢測到ATP上電后，會自動讀取AElog文件，將文件壓縮后傳輸給通信模塊，通信模塊完成解壓并分類存儲后，由后臺調用AElog分析模塊進行分析，同時將分析結果返回給前端進行顯示。整個數據處理流程如圖5所示。后臺分析出故障后，通過WebSocket主動推送給前端，前端對推送結果進行解析，通過AJAX完成局部更新，將對應故障模塊高亮顯示，并在相應窗口發出故障警告，如圖6所示。

4.4 模塊間通信

圖4 并發處理流程Fig.4 Concurrent processing flow

圖5 故障數據處理流程Fig.5 Fault data processing flow

本系統后臺模塊和各個分析模塊間各建立一個Socket連接，后臺采用Netty框架去維護這個連接。

1）Netty是一款異步的事件驅動的網絡應用程序框架，支持快速開發可維護、高性能、面向協議的服務器和客戶端，將應用程序邏輯和網絡層解耦，避免直接使用底層的API，降低了網絡編程的復雜性。

2）當檢測到連接中斷時，后臺能夠自動發起重連，保證連接持續性。

圖6 WebSocket推送和AJAX局部更新效果Fig.6 WebSocket push and AJAX partial update effects

3）后臺模塊和分析模塊只關注于自身業務邏輯的開發，而不必過多關注通信接口開發，降低了各個模塊間的耦合性。

4）通信數據以JSON（JavaScript 對象表示法）表示，JSON是輕量級的文本數據交換格式，獨立于語言和平臺，對JSON的使用，簡化了通信協議的開發，通信接口開發進一步簡化。

5 總結

本系統采用MVC架構設計模式，面向接口編程，業務邏輯層獨立，便于后期業務擴展。系統運行穩定，操作使用方便，通過配置文件application.properties和Java自身跨平臺的特點，系統可部署于Linux和Windows操作系統上。在功能層面，系統提供對車載ATP記錄數據的全面監控和實時分析，針對具體故障根據案例庫給出處理措施，是列控車載設備的智能化運行維護“專家”系統。經驗證，本系統架構適用于高鐵ATP運行記錄數據的監控和分析。