区域中心模式下AFC设备监控系统设计与实现

李　量　张　宁　李　郁　毛　建

(1. 南京地铁建设有限责任公司　南京　210024； 2. 东南大学智能运输系统研究中心南京　210018； 3.北京全路通信信号研究设计院有限公司　北京　100073)



区域中心模式下AFC设备监控系统设计与实现

李量1张宁2李郁3毛建1

(1. 南京地铁建设有限责任公司南京210024； 2. 东南大学智能运输系统研究中心南京210018； 3.北京全路通信信号研究设计院有限公司北京100073)

设计一种轨道交通监控系统，既能监控AFC设备的运转，又能方便运营人员的日常管理以及维修人员的故障诊断。首先调查AFC系统现状，分析区域线路中心的管理模式，进而对AFC设备监控系统中数据的存储与管理进行研究，运用公共对象请求代理体系结构(CORBA)通信技术解决与终端设备的通信问题，最后利用组态软件对系统进行设计实现。实践证明，该AFC设备监控系统稳定可靠，能以组态的形式对AFC设备进行监控，满足功能系统要求。

AFC设备；监控系统；实时数据库；公共对象请求代理体系结构；组态软件

自动售检票(automatic fare collection, AFC)系统是一种能实现地铁售票、检票、清分和统计分析等全过程自动化的计算机管理系统。随着轨道交通网络化和信息化的发展，AFC系统的应用越来越广泛，相应的服务要求也越来越高。在多条新线同时开建以及现有AFC系统改扩建的背景下，为满足统一管理的需求，区域线路中心(ZLC)[1-2]的规划设计理念应运而生，它有别于以往的AFC系统单线建设管理模式和多线共用中心系统模式，是以区域为建设的管理单位。

作为轨道交通网络化集中管理模式的一种体现，区域线路中心对于线网密集的轨道交通的高效运转具有非常重要的应用价值，能够统一线路中心的建设、运营和维护标准，避免因多家集成商分散建设而带来的运营维护技术壁垒和协调瓶颈，提高线网运营管理及维护的工作效率，降低系统建设、运营和维护等各方面的成本。

1　AFC设备监控系统概述

AFC设备监控系统是轨道交通运营管理的重要组成部分，提高其服务水平和配置灵活度具有重要意义。在区域中心模式下，随着AFC系统设备的增加，网络化运营中的运营维护压力也增大。作为区域线路中心系统的重要组成部分，AFC设备监控系统应能实时监控各类终端设备的状态，及时发现并修复故障，保障硬件设备和软件系统的正常运行。

AFC设备监控系统主要包括AFC设备、数据服务器和监控软件3种实体，结构如图1所示，可实现如下功能：

1)用户通过监控软件可以远程查看系统中自动售票机、半自动售票机、进出站闸机等AFC设备的当前状态和历史状态。

2)当发生某个特定事件时，设备将事件数据发送给监控软件，以提醒监控管理人员采取必要的控制措施。

3)用户根据需要给设备发送控制命令，使设备采取相应的动作。

图1　地铁AFC设备监控系统结构

AFC设备监控系统的监控及管理对象是AFC设备，主要包括自动售票机、半自动售票机、进出站闸机等，暂不支持服务器、网络设备等对象。在设计系统时，应能在不影响AFC设备正常工作的情况下，监控到AFC设备运行的关键环节，并且保持系统的高稳定性。

数据服务器不仅是监控软件和设备的通信中枢，也是监控系统运行数据的管理者。由于整个轨道交通系统所使用的AFC设备并没有统一的版本，所以在通信过程中需要使用中间件技术[3]，同时根据监控系统的要求以及数据的特点，采用实时数据库技术。笔者主要研究3个方面的关键技术：数据管理与存储、数据通信和组态软件。

2　数据管理与存储

2.1数据管理

数据服务器管理着系统中在线设备的当前状态数据和事件数据。由于数据服务器管理的设备较多，在客流高峰时，设备状态数据的更新也比较频繁，因此对数据的管理和存储提出了较高的要求。数据管理具有如下特征。

1) 一座大中城市的轨道交通线路往往有数十座地铁站，每座地铁站设有数十甚至上百个AFC设备,而每个AFC设备往往有数百个状态数据需要不断更新，数据量较大。

2) 对数据存储和处理的速度要求较高。系统要求能及时有效地处理采集的数据，满足系统对数据吞吐量的要求。

3) 数据按时效性可分为实时数据和历史数据。实时数据只在一段时间内有效，过时后此数据往往就没有意义。

4) 对大部分实时存储的数据安全要求较低，无需考虑数据备份，而历史数据则需要考虑数据备份。一旦实时数据丢失或数据服务器系统重启，数据服务器可通过设备的定时上传重新获取实时数据。

2.2内存数据库

常见的数据库是将数据库工作版本存放于磁盘中，低速的磁盘I/O(输入/输出)使磁盘数据库无法提供高性能的数据管理服务；针对设备监控应用，提出采用内存数据库技术。内存数据库将管理的全部或大部分数据存放于内存中，消除了事务处理中的磁盘I/O瓶颈问题；充分利用内存访问速度快的优势，为数据库应用提供高性能的数据管理服务[4]。

在分析监控系统对数据需求的基础上，研究并实现适用于AFC设备监控系统的内存数据库，具体要求如下：

1)在共享内存的基础上实现内存数据库，支持多进程操作访问；

2)根据监控系统的数据特点，优化内存数据库的数据存储和索引机制，提高内存的使用效率和访问效率；

3)支持关键数据的转储和恢复机制；

4)支持事务处理的锁机制。

本监控系统的内存数据库由一组进程组成，以实现相应的功能。软件模块关系如图2所示。

图2　内存数据库程序框架

2.3数据的存储与访问

根据系统的数据管理需求，基于上述内存数据库的框架，设计和实现了一个内存数据库，从而可以完成数据的高效存储和访问。具体内容包括以下几方面。

1) 在共享内存的基础上实现内存数据库，支持多进程对内存数据库的操作，给出了详细的共享内存动态管理方法和进程同步机制，内存分配效率高，并且尽可能地避免了内存碎片的产生。

2)根据AFC监控系统数据的特点，对内存数据库的数据存储和索引机制进行优化，如采用T树和哈希表组合方式实现状态数据的存储和索引，采用T树和循环队列形式实现事件数据的存储和索引。实验证明，本内存数据库的数据访问效率较高，有着较好的性能，满足系统的要求。

3)在进行数据转储事务时，考虑到内存数据库的高效和磁盘数据库的I/O操作较慢的特点，采用命名管道的方式实现进程间的通信，以完成数据的转储备份操作。

4)在锁机制基础上实现了内存数据库并发事务处理机制。

最后，对内存数据库的性能进行了测试，实验表明，内存数据库的性能完全满足区域中心系统的要求。

3　数据通信

在对地铁AFC设备监控系统的数据传输需求进行分析的基础上，通过比选，选择CORBA(公共对象请求代理体系结构)技术作为通信的底层技术，并以此为基础，设计并实现了监控系统的CORBA接口和数据传输模型。

CORBA通信本身是一种发布/订阅(Publish/Subscribe)结构[5]，每次通信只能由订阅方发起，而AFC系统包含数千个设备和多个监控软件，监控软件与设备间互为发布方和订阅方，进行双向的通信。由于AFC系统中设备和监控软件的数目不固定，订阅方难以直接通过命名服务的方式获取发布方的对象引用，因此对系统的连接和数据传输模型进行设计，实现对象引用的发布和获取，以实现双向实时通信，具体内容包括：定义了数据类型和CORBA接口，设计和实现了系统注册方案、设备状态数据传输方案、设备事件数据传输方案和设备命令数据传输方案的系统数据传输模型。

3.1数据通信连接的建立

在本系统内，不仅设备和监控软件需获取数据服务器的CORBA对象的引用，由于数据库服务器还需将事件数据推送至监控软件以及将命令数据推送至设备，因此数据库服务器也需获取设备和监控软件的CORBA对象的引用。在注册过程中，监控软件建立与数据服务器的双向通信[6]。设备的注册过程与监控软件基本相同，下面以数据服务器监控软件注册代理对象register操作的执行流程(见图3)为例加以说明。

图3　监控软件注册顺序

1) 调用输入的监控软件根对象的getData操作，获得该监控软件的地址信息。判断该地址是否已经注册，如果已经注册则该监控软件注册失败，否则继续执行。

2) 调用监控软件根对象的queryInterface操作，获得监控软件控制器对象的对象引用。

3) 创建该监控软件对应的监控软件事件处理器对象。

4) 调用监控软件控制器对象的setMACSEventHandler操作，将创建的监控软件事件处理器的对象引用传给监控软件。

5) 创建监控软件节点，将监控软件的注册信息保存到该节点中，并将该节点添加到监控软件注册表中，注册成功。

3.2数据传输方案

3.2.1设备状态数据传输方案

设备状态数据使用“推/拉”模式传输。设备定时将自己的当前状态数据推送给数据服务器，数据服务器将收到的设备状态数据存储于设备状态表中，监控软件定时从数据服务器读取设备的当前状态数据。

3.2.2设备事件数据传输方案

设备事件采用“存储转发”模式和“推/拉”模式相结合的方式传输。设备在事件发生时，将对应的设备事件标签的当前信息推送给数据服务器，数据服务器将收到的设备事件数据存储于设备状态表中，并将该数据推送给设备监控软件。

3.2.3设备命令数据传输方案

使用“存储转发”模式传输设备命令数据。监控软件先将设备命令数据传送给数据服务器，数据服务器再将设备命令数据转发给指定的单个在线设备或系统中所有在线设备。

4　组态软件

为了实现监控界面的简便、灵活开发，监控软件应具备组态功能。这样用户就可根据地铁车站的设备数量和布局，简单、方便地使用开发环境，编写配置信息，以搭积木和作图的方式[7]开发出一套设备监控系统，进而根据这些配置信息实现运行环境。

在参照已有组态软件功能的基础上，自主开发了一个适用于区域模式下AFC系统的组态软件。该监控组态软件作为面向过程监控与数据采集的软件平台，集成了丰富的功能，主要由监控软件、页面编辑软件和图元类库3部分组成，如图4所示，其中页面编辑软件和监控软件共享图元类库。监控页面开发用户可根据地铁AFC设备监控系统的需求使用页面编辑软件，在界面上创建图元、调整图元大小和位置、配置图元、生成监控页面文件。监控管理人员可使用监控软件打开监控页面文件，对设备进行远程监控。

图4　组态化监控软件示意

5　结语

根据系统的数据管理需求，设计和实现了一个内存数据库模块，从而实现数据的高效存储和访问；根据系统数据传输需求，选用CORBA面向对象中间件技术作为通信的底层技术，对基于CORBA技术的通信机制进行了讨论；根据系统可组态开发监控界面的需求，设计和实现了组态化监控软件。实践证明，笔者设计的AFC设备监控系统稳定可靠，能以组态的形式实现对AFC设备的监控，功能和性能都达到了系统要求。另外，未来可考虑在当前系统架构的基础上添加一层，即增加整个线网的数据服务器，以实现多级监控。

[1] 吴娟, 徐钟全, 毛建.南京地铁AFC区域线路中心的规划设计[J].铁路通信信号工程技术, 2012, 9(5): 63-65.

[2] 胡冬, 杨洋.南京地铁AFC系统区域线路中心建设需求分析[J].科技信息, 2011(35): 51-52.

[3] 黎江, 刘凯.软件中间件技术在自动售检票系统中的应用[J].铁路计算机应用, 2006, 15(1)：34-36.

[4] 沙先军.内存数据库的研究设计与实现[D].合肥: 安徽大学, 2011.

[5] 朱其亮, 郑斌.CORBA原理及应用[M].北京: 北京邮电大学出版社, 2001.

[6] 陆文伟.基于CORBA的轨道交通AFC设备监控组态软件的设计与实现[D].南京:东南大学, 2012.

[7] 欧金成, 欧世乐, 林德杰，等.组态软件的现状与发展[J].工业控制计算机, 2002, 15(4): 1-5.

(编辑：王艳菊)

Design and Implementation of AFC Equipment Monitoring System under Regional Center Mode

Li Liang1Zhang Ning2Li Yu3Mao Jian1

(1. Nanjing Metro Co., Ltd., Nanjing 210024； 2. ITS Institute of Southeast University, Nanjing 210018； 3. Beijing National Railway Research & Design Institute of Signal & Communication Co., Ltd., Beijing 100073)

It is expected to design a monitoring system of urban rail transit which can not only monitor the operation of AFC equipment but also be convenient for daily management by operation personnel and breakdown diagnosis by maintenance personnel. The situation of AFC system was investigated firstly; the‘regional line center’management mode was analyzed. Then data storage and management of the AFC equipment monitoring system was studied. CORBA communications technology was used to solve the communication problem with the terminal equipment; and the configuration software was finally used for system design and implementation. Practice has proved that the system is stable and reliable, and that it can monitor AFC equipment in configuration form while its function and performance meets system's requirements.

AFC equipment; monitoring system; Time-varying database; CORBA; Configuration Software

10.3969/j.issn.1672-6073.2015.01.002

2014-05-27

2014-06-26

李量，工程师，长期从事地铁设备设计管理工作，li_l@njmetro.com.cn

江苏省科技厅产学研联合创新资金项目(BY2012197)；南京地铁专项科技项目(8550140042)

U29-39;U293.22

A

1672-6073(2015)01-0004-04

编者按自动售检票(AFC)系统在各城市的轨道交通工程中得到广泛应用,其系统设计、数据传输、票制票卡等项目的管理,在实践中得到不断的完善与创新。本期热点研讨精选了7篇论文集中发表,供读者参考应用,以推动AFC系统技术进一步发展提高。