基于領域驅動與微服務的高鐵列控仿真測試系統業務中臺設計

陳匯遠

(中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所,北京 100081)

高速鐵路列控系統是保障鐵路運輸安全的核心裝備。其中，車載設備是高鐵列控系統的關鍵部分，其運行直接關系旅客生命和財產安全。為保障車載設備安全可靠地運行，有必要對高鐵列控系統車載設備的系統功能進行充分全面測試和驗證。

高鐵列控仿真測試系統涉及大量軟、硬件開發，結構和接口復雜，業務規則繁雜多變。謝雨飛和郭丹青[1-2]通過采用形式化建模方法對高鐵列控系統進行驗證和測試；盧楠[3]通過采用專家系統方法對列控系統進行測試，但其缺少針對系統業務擴展如何快速響應新需求變化的思考；龐家杰和焦健[4-5]從需求分析、系統設計和系統實現對高鐵列控測試系統進行全面詳細描述，但系統設計基于傳統的單體架構設計，代碼耦合性強，資源可重用性低。如何解決大型軟件設計建模的復雜性，促進信息系統的開發與協同效率，使核心業務系統能快速響應新需求變化，大幅降低軟件開發成本，提高系統的可擴展性和可維護性，成為構建大型復雜信息系統迫切需要解決的問題。

1 系統構成

高速鐵路列控仿真測試系統是個半實物仿真系統，它包括主控模塊、無線消息處理模塊和硬件模塊，其系統結構如圖1所示。

圖1 高速鐵路列控仿真測試系統結構

1.1 主控模塊

主控模塊包括參數設置子模塊、車載與地面仿真子模塊和故障仿真子模塊。

(1)參數設置子模塊

用于設置列車參數及與硬件模塊通信的參數。列車參數主要包括列車型號、列車長度、輪徑值等。與硬件模塊通信的參數主要包括：與硬件模塊中IO接口模擬裝置通信參數、與速度傳感器模擬裝置通信參數、與軌道電路信號模擬裝置通信參數及與應答器信號模擬裝置通信參數。

(2)車載與地面仿真子模塊

用于模擬地面線路仿真信號和車輛IO功能。通過加載與校核列控工程數據腳本文件產生列車地面線路數據仿真信號；根據列車仿真速度計算列車位置，并通過列車位置逐條執行腳本指令；同時具備模擬車輛IO功能。列控工程數據腳本文件主要包括列車位置、相對距離、載頻、低頻、區段名稱及區段長度等。所產生的仿真信號主要包括：車輛輸入輸出信號、軌道電路信號、應答器信號及速度傳感器信號。通過IO接口模擬裝置接收車載設備的制動信息、切除牽引、過分相和過分相有效等信號；通過IO接口模擬裝置向ATP車載設備發送方向手柄位置、牽引手柄位置、制動手柄位置、駕駛室激活、休眠和制動反饋等信號。

(3)故障仿真子模塊

用于模擬列車故障狀況，測試列車ATP異常條件下的功能處理。列車故障不僅包括緊急制動反饋故障、常用制動反饋故障、速度跳變、速度差故障等，也包括模擬牽引手柄、制動手柄、方向手柄的狀態故障等。

1.2 無線消息處理模塊

用于模擬無線閉塞中心(Radio Block Center，RBC)的功能，加載并校核無線腳本文件，執行無線消息序列，通過硬件模塊中的綜合業務數字網(Integrated Services Digital Network，ISDN)服務器與真實ATP進行無線消息交互，實現ATP在列控C3等級下控車。無線腳本文件主要包含列車位置、RBC發送的無線消息、RBC接收的無線消息、無線消息長度、無線消息內容和無線消息傳輸方向等信息。

1.3 硬件模塊

硬件模塊包括IO接口模擬裝置、速度傳感器模擬裝置、軌道電路信號模擬裝置、應答器信號模擬裝置和ISDN服務器。其中，IO接口模擬裝置用于模擬列車的各種手柄位置、激活駕駛臺、過分相、制動、制動反饋等功能；速度傳感器模擬裝置用于模擬列車的速度脈沖信號；軌道電路信號模擬裝置用于模擬地面線路的軌道電路信號；應答器信號模擬裝置用于模擬地面線路的應答器信號；ISDN服務器用于RBC與ATP車載設備的無線信息交互。

2 領域驅動設計及微服務

2.1 領域驅動設計2.1.1 領域驅動設計架構

2004年軟件設計大師Eric Evans提出領域驅動設計是構建大型復雜軟件的系統分析和設計建模方法，它采用分層結構，包括用戶界面層、應用層、領域層和基礎設施層[6]。其中，用戶界面層實現與用戶信息交互；應用層起協調作用，不含任何業務規則和邏輯，通知領域層向其傳遞調用信息；領域層為系統的核心層，負責表達業務定義、業務規則和業務的狀態，它將軟件中最重要的資產業務規則進行剝離，抽象在領域層，使得業務邏輯與應用層和基礎設施層等代碼分離，實現業務邏輯與數據分離；基礎設施層提供系統的技術支撐，包括具體平臺、數據持久化和消息傳輸等。

領域驅動設計是一系列軟件設計實踐、技術和原則的集合，它是服務劃分的一種方法，領域驅動設計中的核心部分是領域模型，它能夠將領域模型解耦成包含業務流程且相互區別的限界上下文并表達它們之間的關系。領域驅動設計的技術特點是分層架構與職責劃分和高可復用性。

2.1.2 領域模型設計

領域層是系統核心層，其主要作用是設計出能夠準確表示系統業務邏輯的領域模型。Eric Evans提出7種領域模型元素：實體、值對象、關聯、服務、聚合、工廠和倉儲。其中，實體、值對象、關聯和服務是反映領域模型中業務邏輯的基本元素，聚合、工廠和倉儲則描述上述4種基本元素在領域模型中的生命運行周期[7]。

在領域模型設計中，首先，明確領域概念和領域邊界；其次，領域可細化為子域，通過領域邊界分析界定邊界的職責和劃分限界上下文；然后，通過領域場景分析，設計領域模型的屬性和行為，構建限界上下文之間的集成關系[8]。根據領域場景分析中的操作集合定義領域實體，把具有個性特征且身份唯一的領域概念抽象成實體，把不具備身份唯一特征且可變領域概念抽象成值對象，領域對象具備狀態和行為，根據領域實體與值對象業務關聯性定義聚合，一個聚合就是一個事務邊界[9]。此外，有一些邏輯處理和行為是服務于實體，供領域實體對象調用，能很好協調各實體共同完成某些行為稱之為領域服務。領域服務只有行為沒有狀態，通過對實體和領域服務中的行為建模形成領域事件，領域事件能夠在業務流程中驅動業務行為進行流轉[10]。最后，根據業務和語義邊界、服務及領域事件之間的依賴關系確定領域模型。

2.2 微服務

微服務指根據系統業務功能，構建能夠互相協作的小而自治服務[11]。它具備高內聚、高擴展和高自治性特點，使得系統易于擴展和維護[12]。

微服務架構是近年來新興的軟件架構，具備服務化、組件化、分散化和獨立部署等優點，它通過組件化的方式將應用程序分解為多個微服務，使得系統更易開發、擴展和維護。同時，微服務系統實質是分布式系統，它強調去中心化的軟件組織架構，每個微服務都可獨立測試、部署和運行，單個服務變更不會影響到其他服務，持續化部署和維護更加便利，實現了系統高可靠性、可用性和可維護性[13]。

設計一種高質量的微服務架構需遵循以下原則：單一職責、服務自治、輕量級通信方式和接口明確。根據這些設計原則，微服務基礎框架應包括：服務注冊、服務發現、服務通信、日志管理和接口管理等基本功能。此外，為增強微服務架構的完整性及先進性，應加入限流容錯、負載均衡、服務配置、服務監控等功能。通過對這些服務功能組合使用，保證了微服務架構的高效、穩定、可移植和跨平臺等特性[14]。

2.3 領域驅動設計和微服務的結合

領域驅動設計與微服務相結合，賦予新的活力。SBD公司Jay Bercher指出領域驅動設計和微服務似乎是完美組合，采用這種組合方式，使得開發團隊明確各自職責劃分，根據負責的相關領域進行相應的微服務開發，限制了并行開發中可能出現的冗余，創建了一種高效的開發模式[15]。

領域驅動設計中限界上下文是微服務設計和拆分的主要依據[8]。領域驅動設計中領域層通過微服務形式實現系統業務邏輯功能，限界上下文中領域模型的領域事件，通過異步機制使得業務流程和數據能夠從業務域中映射到微服務。領域驅動設計中應用層不含業務規則和邏輯，協調微服務編排、組合和調用。

3 中臺設計

3.1 系統領域驅動模型

綜合領域驅動設計理論和微服務特點，設計仿真測試系統領域驅動模型如圖2所示。

圖2 高速鐵路列控仿真測試系統領域驅動模型

表示層實現與用戶信息交互，主要包括試驗場景信息顯示；應用層實現服務調用，不含任何業務規則和邏輯；領域層作為系統核心層，實現系統業務邏輯功能；基礎設施層實現數據持久化和數據通信。

3.2 業務中臺建設

中臺是一種企業能力共享和資源復用的方法論。中臺包括業務中臺和數據中臺，業務中臺能夠有效組織后臺的系統資源，轉化為前端可調用的業務服務，提升業務的協作效率。業務中臺依據“高內聚、低耦合”原則，將復雜業務系統進行細粒度拆分，降低業務系統復雜度，有利于軟件開發和維護。數據中臺是指通過數據技術對系統中的數據進行采集、分析和處理，根據業務需要對各類數據進行整合，實現數據匯聚和集中管理，以提供給業務中臺使用。

微服務是目前業界公認的業務中臺技術最佳實現方式[16]。業務中臺架構建設多采用微服務架構，故具備微服務架構的優點和特點，此外，基于微服務架構的中臺架構，對系統的共性能力和穩定能力進行提取，并對底層進行封裝，通過“搭積木”的系統構建方式，快速實現系統升級和改造[17]。業務中臺建設遵循“厚中臺、薄應用”的思想，按照高內聚、低耦合的原則進行構建，通過業務邏輯分離，為前臺減負，提高前臺快速響應能力，整合后臺系統資源，快速支持系統的業務擴展[18]。業務中臺建設目標是將持續優化和提升的業務能力沉淀到業務中臺，通過業務的集中化管控，實現業務能力復用和不同業務板塊能力融合。 業務中臺價值的核心意義在于將業務能力IT化轉化為業務能力資產化，提高了業務的敏捷性，能夠快速響應業務需求變化；通過可復用的業務能力能夠大幅提高開發效率，避免了軟件開發的重復建設，提升業務創新效能，達到降本增效的目標。

3.3 業務中臺設計

業務中臺設計首先基于業務領域建模，在業務建模的基礎上進行中臺規劃，并根據業務功能進行服務識別和服務設計，最后實現服務[19]。業務中臺領域建模通常采用領域驅動設計方法，通過規劃業務限界上下文邊界，構建中臺領域模型，并根據領域模型進行微服務的識別和設計。業務中臺設計如圖3所示。

圖3 業務中臺設計

(1)業務領域建模

根據系統需求對業務拆分，并對業務邊界劃分，在建模中使用領域、子域，明確領域邊界和劃分限界上下文，依據職責對“領域模型”進行歸納，形成業務域模型；通過領域場景分析，設計業務域的屬性和行為；基于領域建模分析方法分析業務實體，建立實體間聯系，并根據業務、領域邊界及領域事件間的關系確定領域模型。

(2)中臺規劃

通過領域模型和業務流程對服務進行識別和梳理，進行服務化架構建模，并根據領域驅動設計聚合要求規劃業務中心。業務中心關注系統的業務需求，擁有清晰完整的業務邊界。業務中臺中心劃分基本原則遵循高內聚低耦合、數據完整性、漸進性建設等原則。

(3)服務識別和設計

微服務設計和拆分的主要依據是限界上下文，通過領域模型的業務域、業務流程和限界上下文將業務能力設計成按業務域組織的有層次的服務。基于領域驅動設計劃分微服務遵循的原則：最小完備原則、穩定空間原則、職責單一原則[20]。

涵蓋本系統的主要業務服務包括車輛輸入信號處理服務、車輛輸出信號處理服務、列車位置計算服務、速度信號生成服務、軌道電路信號生成服務、應答器信號生成服務、無線消息處理服務、故障信息處理服務等。針對復雜業務，可進行顆粒度細化，拆分成若干微服務，分別進行開發和維護，提高了系統可維護性。

系統中多處用到的功能統一封裝成可復用的公共服務，為業務服務提供更便利的支撐。它包括通信服務、流程服務、文件服務等。其中，流程服務能夠將已有的多個功能獨立服務，根據業務需要通過服務組合的方式組合成更為復雜和完善的整體應用，提高了系統可擴展性。

(4)服務實現

在服務實現階段需考慮系統性能、可靠性、可擴展性和可維護性。經過服務設計，結合微服務的特點，通過基于微服務架構實現服務的開發和部署。

服務網關是連接客戶端和后臺的中介，它提供服務統一代理入口與調用分發，通過執行服務的路由和消費契約的方式，確保微服務垂直擴展。此外，網關也具備負責鑒權、認證、安全和跳轉等作用。

服務監督與治理包括服務注冊、服務配置、服務監控、負載均衡和日志管理。服務注冊通過去中心化結構，使每個服務節點都可以提供服務注冊和發現功能，有效防止只有一個注冊中心由于故障而導致的系統風險，提高系統可用性[21]。服務配置提供應用配置與應用部署完全分離，實現在分布式環境下對微服務運行時所需參數的集中管理、動態調整和自動更新。服務監控提供在系統運行時對基礎設施和微服務等性能進行監控，方便系統管理員根據微服務狀態和執行情況進行系統性能參數的調優和日常運維。負載均衡實現對同一微服務的多個請求到該微服務的特定實例進行科學分配，提高服務的執行效率。日志管理通過日志分析，實現快速診斷微服務等發生故障后，迅速排除錯誤，提高系統的可維護性。

4 典型業務場景應用

4.1 典型業務支撐

以高速列車C2/C3等級轉換場景為例，如圖4所示，說明業務中臺的應用。

(1)場景說明

高鐵列車C2/C3等級轉換業務完整流程包含列車C2等級部分模式發車、列車C2等級轉完全模式、列車接收到呼叫RBC指令應答器信息和C2/C3轉換預告應答器信息、列車接收到C2/C3執行應答器信息和列車C3等級完全運行等5個主要環節[22]。

(2)中臺應用說明

本業務場景涉及業務中臺的車輛IO信息中心、車輛信息中心、軌道電路信息中心、應答器信息中心和無線消息中心，通過相互協作能力組合應用對高鐵列車C2/C3等級轉換業務提供有效支撐。具體各環節場景及環節與中心對應關系如下。

①列車C2等級部分模式發車。

通過車輛IO信息中心的車輛輸入信號服務和車輛輸出信號服務獲取駕駛臺激活、手柄位置、制動反饋等信息；通過車輛信息中心的速度信號處理服務和列車位置計算服務獲取列車速度、加速度和位置信息；通過軌道電路信息中心的軌道電路信號處理服務獲取列車行車許可信息。

圖4 中臺在高鐵列車C2/C3等級轉換場景中的應用

②列車C2等級轉完全模式。

列車在運行過程中，通過應答器信息中心的應答器信號處理服務，獲取到線路坡度信息、靜態速度信息、軌道區段信息和臨時限速信息等，轉換成完全模式。

③列車接收到應答器發送的呼叫RBC指令和C2/C3等級轉換預告。

列車繼續運行，通過應答器信息中心的應答器信號處理服務，獲取呼叫RBC指令和C2轉C3等級預告報文。通過無線消息中心的無線消息處理服務，獲取與RBC交互的通信信息。

④列車接收到C2/C3執行應答器信息。

列車繼續運行，越過C2轉C3等級應答器，通過應答器信息中心的應答器信息處理服務，獲取C2轉C3等級執行信息，立即轉C3等級。

⑤列車C3等級完全運行。

列車通過無線消息中心的無線消息處理服務，獲取RBC發送列車運行的行車許可信息，以C3等級完全模式繼續運行。

4.2 應用驗證

在實際應用中，通過搭建實驗平臺對基于領域驅動與微服務框架構建的高鐵列控仿真測試系統進行驗證。實驗平臺如圖5所示。

圖5 實驗平臺

實驗平臺構成主要包括客戶端程序、接入層、服務注冊中心、服務配置中心、服務層和數據層。客戶端程序是模擬列車在地面線路上運行軌跡的仿真程序；接入層主要實現身份鑒權和分發請求；服務注冊中心提供服務注冊和發現功能；服務配置中心提供服務動態配置和服務信息更新同步；服務層包括服務監督與治理、各種業務服務和公共服務；數據層包括重要的業務數據信息。

實驗平臺采用分布式部署，客戶端程序運行在多個終端PC上，服務器A包括接入層、服務注冊中心和服務配置中心。服務器B包括服務監督與治理和公共服務。服務器C包括業務服務和數據層。微服務協同工作原理如下：首先，客戶端向接入層發送應用請求，經過接入層身份認證后，進入服務網關。服務網關讀取數據請求，并從服務注冊中心獲取相關的服務信息，然后向服務層分發請求。服務層中的微服務根據請求調用數據層中的相關數據信息，在經過相應的業務邏輯處理后將結果返回給客戶端。以高鐵列車C3等級RBC移交典型場景為例，首先，用戶在ATP車載設備端通過DMI啟動任務開始流程(SOM)，并經過身份認證登錄后執行客戶端程序。服務端經過服務網關讀取客戶端的數據請求，并通過服務注冊中心獲取服務層中的文件服務信息，向服務層文件服務分發請求，加載場景線路腳本文件和無線腳本文件，從數據層中獲取線路軌道電路信息、應答器信息、無線消息等。通過執行服務層中的速度信號處理服務、應答器信號處理服務、軌道電路信號處理服務和無線消息處理服務后，通信服務將列車速度信息、應答器信息、地面軌道電路信息和無線消息發送給列車ATP車載設備。列車ATP車載設備通過用戶操作DMI以C3等級目視模式發車，接收到RBC發送的線路坡度曲線、靜態速度曲線和行車許可等無線信息后轉成完全模式。ATP車載設備接收到應答器中RBC切換命令后，雙電臺分別與移交RBC和接收RBC進行無線連接。當列車最小安全后端經過RBC移交點時，ATP車載設備接受結束與移交RBC通信的命令終止與移交RBC通信，列車以C3等級完全模式繼續在接收RBC管轄范圍內運行。在此期間，客戶端程序界面中能夠實時回顯列車經過的軌道電路信息、應答器信息、與RBC交互的無線消息、列車速度和列車位置等信息。

4.3 應用成效

業務中臺應用在高鐵列控仿真測試系統中能快速響應業務需求變化。此外，業務中臺主要目標之一實現企業級業務能力的復用，將分散在不同業務場景重復建設的業務能力，沉淀到業務中臺，實現業務流程融合和能力復用。綜合上述的高鐵列車C2/C3等級轉換場景和高鐵列車C3等級RBC移交場景分析，這兩種典型場景多次調用圖4中5個能力中心下的同一服務，不同的是根據列車當時的運行等級和模式，以及列車運行過程中調用相關服務接收到不同的應答器報文和無線消息，能夠觸發不同的業務場景處理流程發生。其他很多場景例如列車過分相等也是類似的處理。通過典型業務場景應用與分析，基于業務中臺的可復用業務能力，有效地避免了軟件重復開發建設，提升了信息系統的開發與協同效率，提高了系統的可擴展性和可維護性。同時，遵循“厚中臺、薄應用”思想建設的業務中臺，可根據新的業務需求和設計，在業務中臺添加新的業務能力中心，也可以在既有的業務能力中心中添加新的服務，使得業務中臺能快速響應業務需求變化，大幅提高系統開發效率，方便了系統的擴展和運維。

5 結語

高鐵列控仿真測試系統涉及到大規模軟硬件開發，且接口眾多結構復雜。通過領域驅動設計和微服務的結合，設計出一種行之有效的業務中臺模型。與傳統單體架構針對業務全流程開發使得系統存在大量冗余功能缺點的不同，通過業務中臺的可復用業務能力，有效避免了軟件開發的重復建設，提高了資源的可重用性和信息的共享性，促進了信息系統的開發與協同效率，使業務系統能快速地響應新需求的變化，實現系統可擴展和可維護性。此外，采用本文提供的中臺架構設計，在涉及到復雜信息系統業務中臺軟件建模方面提供了一種實用的解決方案。