移动数据库在信号维护巡检终端中的应用

张小花,王瑞峰

(兰州交通大学自动化与电气工程学院,兰州 730070)

移动数据库在信号维护巡检终端中的应用

张小花,王瑞峰

(兰州交通大学自动化与电气工程学院,兰州 730070)

针对铁路信号设备传统巡检方式存在的弊端,利用移动数据库技术设计了信号维护巡检终端系统。重点阐述巡检终端的设计及实现过程,利用移动数据库存储设备故障信息和工作人员到位情况;采用UTLRSP(Union Transaction-Level Result-Set Propagation,关联事务结果集)移动复制模型并结合基于优先级的增量更新算法实现数据同步。该模型在数据同步之前将事务相关联,且只传输事务的结果,有效降低了巡检终端对存贮空间的消耗。结合基于优先级的增量更新算法,保证在无线网络带宽下降时,使优先级高的数据先传输,提高数据的传输效率及动态新鲜度。该系统有效避免信号设备不检、漏检现象,同时实现实时传输巡检数据,提高信号设备维护水平和信息化管理进程。

铁路信号设备维护;移动数据库;UTLRSP模型;优先级;同步

铁路信号设备是保证行车安全和提高运输效率重要技术设备[1]。设备传统的维护方式仍然采用信号工签到的方式[2],这种方式存在诸多弊端:如信号设备不检、漏检,历史记录维护分散,尤其是铁路信号设备大多数在室外,从而无法实时传递设备运行状态信息,导致故障处理不及时等问题。为解决上述问题,本文将RFID(Radio Frequency Identification,射频识别)技术、GPRS(General Packet Radio Service,通用无线分组业务)无线通信技术、嵌入式技术和移动数据库技术有机结合,设计一套信号维护管理系统。

1 系统的构成

系统由巡检终端、设备/人员信息卡和铁路信号设备维护管理系统构成。系统的总体构成框图如图1所示。其中巡检终端是该系统的核心组成部分,由数据采集、存储和传输三部分组成,数据采集主要完成人员/设备卡信息采集,数据存储是指将设备运行状态和故障现象及原因存储在移动数据库中,数据传输是指通过GPRS无线通信或USB接口实现巡检终端与铁路信号维护管理系统的数据同步。

图1 系统的总体构成框图

2 巡检终端的设计

2.1 硬件结构

巡检终端硬件主要由中央处理器、存储器、RFID读写模块、GPRS模块、带触摸的液晶显示屏、外围接口电路等组成,具体的结构框图如图2所示。RFID读写模块主要由射频管理芯片和天线组成,实现射频标签的读取[3]。GPRS模块实现巡检终端与维护管理系统的数据传输与同步。

图2 巡检终端硬件构成框图

2.2 工作过程

巡检终端业务流程如图3所示。首先通过巡检终端输入用户名、密码登录系统,查询巡检任务并按照显示的任务安排开始巡检。然后巡检人员到达每个巡检点,对该信号设备的RFID标签扫描,并对其运行状况进行检查,若该信号设备有故障,则将故障信息存储到移动数据库中,若设备正常运行则按照巡检任务继续巡检下一个信号设备。最后,巡检任务完成后,通过GPRS无线通信或USB接口将巡检数据上传给维护管理系统。

图3 巡检终端业务流程

2.2.1 射频模块的实现

RFID是一种非接触式无线自动识别技术,基本的RFID系统由标签、读写器和天线组成[4]。读写器通过内部天线给标签发射无线电波能量,标签被激活后将已存储数据输出。读写器将数据读取并译码后送给应用程序作相应的处理[5]。天线、读写器、收发器及主机集成在一起,构成巡检终端的射频识别模块。射频识别模块通过RFID中间件实现对射频标签的操作,它是连接标签与应用程序的一种独立的服务程序。应用系统通过中间件提供的API函数可以连到读写器,实现对射频标签的初始化、读、写、key值验证和关闭等操作。本文采用C#调用动态链接库,实现标签初始化,步骤如下。

①通过DllImport引用动态链接库:

[DllImport("icc_dll.dll",

EntryPoint="ICC_lnit",//入口函数名

CharSet=CharSet.Unicode,//选用Unicode字符型

CallingConvention=CallingCovention.Winapi)]

②函数申明:

public static extern int ICC_lnit(SOCKETS Sid, CARD_TYPE CardTyPe)

//2个参数分别为Socket标识和卡片类型。

③函数调用:在其他方法中通过调用ICC_Init函数就可以实现对射频标签的初始化操作。

2.2.2 数据同步的实现

本系统选用SQL Server Mobile 2005作为移动数据库,该数据库支持同步策略。采用关联事务结果集传递(Union Transaction-Level Result-Set Propagation, UTLRSP)移动复制模型实现数据同步,其结构如图4所示。

图4 关联事务结果集传递同步处理模型

巡检终端和维护管理系统中所有数据项都有一个全局时间标记,当全局时间标记相同时,数据库处于一致性状态,即双方均已根据对方新近所做的修改刷新了本地数据[6-8]。与网络断连时,巡检人员可对缓存副本操作,此时处于积累状态。巡检终端接入网络时,将积累状态下所提交的各个非只读型事务进行相关联(2个及以上事务对同一个数据对象操作,则为其作相同的事务标识)。发送数据同步消息,根据移动事务日志表创建一个由事务标识和结果集组成的上载事务队列(Upload Transaction Queue,UTQ),根据UTQ的时间顺序放入复制请求缓冲区(Request Buffer,RB),等待同步服务器为RB中的UTQ启动一个相应的同步进程,按照时间先后顺序进行冲突校验,验证成功的事务,将关联事务结果集相同部分合并传送到信号维护管理系统数据库中,且修改相应数据项的全局时间标记。随后,由同步服务器负责把其中修改过的数据项下载到输出缓冲区(Output Buffer,OB),巡检终端根据OB更新的数据项刷新本地缓存的数据副本[9-11]。至此整个同步处理过程执行完毕,巡检终端与信号维护管理系统数据库最终保持一致。

本文以移动数据库系统KingBase Lite 2.0为基础,采用模拟实验的方法对UTLRSP模型的性能进行分析。实验中巡检终端和维护管理系统分别保存数据库的一个完整副本,每一轮实验均从一致性状态开始,经过u时间断接操作,然后进入同步处理阶段[12]。为了比较UTLRSP移动复制模型对存贮空间消耗的影响,采用两级复制模型(在图中记为NoLog)作为实验的参照对象。移动事务日志数据量与断接时间u之间的关系如图5所示。从图5中可以看出,与两级复制模型相比,UTLRSP模型的事务日志数据量明显减少,并随着断接时间增加,特征更加显著。由于在两级复制模型中,移动事务日志需要记录事务标识以及事务的读集、写集、结果集,中间执行结果,但在UTLRSP模型中,移动事务日志只需存储巡检终端所提交事务的标识及结果集,因此所需存储空间很小。

图5 事务日志数据量

2.2.3 基于优先级的增量更新算法

由于移动计算环境中无线网络弱稳定性及低带宽的特点,在带宽急剧下降时,会引起数据更新效率下降,从而巡检终端缓存数据失效导致移动事务执行失败。为克服以上缺陷,采用一种基于优先级的增量更新算法更新巡检终端数据。该算法根据数据的动态新鲜度排列优先级,保证优先级高的数据先传输给巡检终端,有效降低移动事务撤销率。

数据新鲜度是用来表示缓存数据是否为最新更新的值,本文采用基于时间的方法度量数据新鲜度。假设移动数据库中缓存的数据表为V,V的元组为r1, r2,…,rm,V的列即表的属性为c1,c2,…,cn,rij是表V的一个数据项,表示它在第ri个元组,属性为cj的列, rij的字段长度用sij表示。新鲜度Fr用0～1之间的数字表示,Fr=1表示数据项是最新值,优先级最高。若数据项rij在t0时刻被修改,数据项在t0时刻的值是最新的,随着时间的推移,新鲜度将逐渐降低,其在t(t≥t0)时刻的数据新鲜度由时间函数ft(Δt)决定(Δt=tt0),即Fr(rij)=ft(Δt)。

ft(Δt)是数据项的新鲜度随时间衰减的变化函数,在本文中,取ft(Δt)为一线性函数

其中,T为数据项的截止时间。

根据移动用户对不同数据访问频率不同,需将巡检终端访问频率高的数据优先缓存。因此对数据新鲜度的度量时,给予V中的每一列cj一个权值wj,满足

wj是用户对列数据访问频率的一种度量,在决策时,权值高的列优先考虑。在定义元组的数据新鲜度时,需考虑各数据项的字段长度,根据长度对列的权值进行修正。

定义1 元组的新鲜度

数据项rij最后被修改的时刻是tij,fj是第j列数据项的新鲜度随时间的变化函数(假定同一列数据项的时间函数相同),则t时刻元组ri的新鲜度Fr(ri)是对应各列所有数据项新鲜度的加权平均值(Δtij=t-tij),首先计算出该元组ri对应所有列的权值平均值¯wj

同样地,数据表的新鲜度即为所有元组的数据新鲜度的算术平均值。

巡检终端与网络连接后,需传输更新部分,用ΔV表示,但在网络带宽下降时,只能选择传输ΔV的一部分内容,并使整体的Fr(V)值最大。设tmax是用户对传输的时间要求,B是无线网络带宽,则需要在有限带宽下选取ΔV的一个子集Ω,在约束条件下

使

达到最大值。

其中,式(5)表示在一定带宽下,给定时间内可以传输的最大数据量,式(6)表示在ΔV中选取Ω传输之后的数据表整体新鲜度的值,是问题的目标函数。从式(6)可以得出,选择Ω进行传输后,数据表V的新鲜度的增加值为

令wij=wj(1-fj(Δtij)),则

为使ΔFr达到最大,由于数据表V在某一时刻的新鲜度是固定的,也就是公式(8)右边的分母是固定的。因此,目标就是选取ΔV的一个子集Ω,使最大,则选取的Ω应尽量包括wij值高的数据项,即权值大,更新间隔时间长的数据,最后使数据表的整体新鲜度达到最大值。同步服务器系统维护一个时钟,每个数据项有一个时间戳记录最新修改时间和巡检终端缓存的时间。数据项优先级用P表示,根据式(9)计算,值越大优先级越高。

其中,Tj为第j列数据项的截止时间,Δt=修改时间戳-缓存时间戳。

在无线带宽下降时,根据P值大小,将P值大的数据优先同步至巡检终端,即保证最新数据优先传输,巡检终端执行移动事务时,始终读取最新数据,有效降低移动事务撤销率。与之前的增量更新算法相比,该算法只需记录修改的列、删除列和记录数据项的时间戳,需增加的计算量很少,需增加的服务器额外开销很少,同时有效提高数据传输效率和新鲜度,因此该算法是实用的。

3 结语

本文将移动数据库技术应用到铁路信号设备维护中,重点介绍了巡检终端的功能与实现方法。采用UTLRSP移动复制模型结合基于优先级的增量更新算法数据同步传输。该模型有效降低了巡检终端对存贮空间的消耗,提高资源的利用效率,随着断接时间的增加,UTLRSP模型对资源利用效率的优化效果也变得逐渐明显。在网络带宽急剧下降时,基于优先级的增量更新算法可以保证巡检终端先缓存优先级最高的数据,提高数据新鲜度和移动事务执行成功率。该系统有效地督查工作人员的工作情况,记录设备维护时间、运行状态及故障现象和原因,保证巡检终端始终下载最新的巡检任务并及时将巡检结果传输至后台维护管理系统,提高信号设备维护水平和信息化管理进程。

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Application of Mobile Database Technology in Signal Maintenance and Inspection-tour Terminal System

ZHANG Xiao-hua,WANG Rui-feng
(School of Automation and Electrical Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

To overcome the shortcomings in traditional railway signal equipment inspection-tour methods, the paper designed a signal maintenance and inspection-tour terminal system based on mobile database technology.Thepaperemphaticallyexpoundedthedesignandimplementationprocessofthe inspection-tour terminal system,also expounded how to use the mobile database to store equipment fault information and personal on-duty information.This system adopts UTLRSP(Union Transaction-Level Result-Set Propagation),replication mobile model and combines with the priority-based incremental updating algorithm to achieve data synchronization.This model associates the transaction with other transactions before data synchronization,and only transfers the results of the transactions,effectively reducing the storage space consumption of inspection-tour terminal.Moreover,when wireless network bandwidth falls,the priority-based incremental updating algorithm will ensure that the high-priority data can be transmitted preferentially to improve the efficiency of data transmission and dynamic freshness.In addition,this system can effectively avoid the phenomenon of no or missing inspection of signal equipment,achieve real-time transfer of inspection-tour data,boost signal equipment maintenance level and promote informationized management process.

railway signal equipment maintenance;mobile database;UTLRSP model;priority;synchronization

TP207

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.037

2013-11-08;

2013-11-12

国家自然基金地区项目(61164010)

张小花(1990—),女,硕士研究生,E-mail:740593171@ qq.com。