一种列控运行数据智能诊断系统的软件架构设计

吕向东，姜国华，王怀江

(1．中国铁路郑州局集团有限公司电务部，郑州 450000；2．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；3．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

1 概述

CTCS3-300T车载运行记录主要存储于标准JRU及各单元小黑盒中，每个小黑盒内部有1片256 kB EEPROM循环存储记录。列车发生故障回库后，路局电务维护人员使用笔记本通过串口下载记录数据，即使拿到数据，对数据的分析依靠经验，诊断结果具有局限性，维护效率低、成本高。针对以上问题，开发一套基于CTCS3-300T车载设备智能诊断系统。

2 系统总体结构

车载设备智能系统总体结构如图1所示，系统由3部分组成，分别是车载诊断记录单元（DRU）、传输子系统、数据分析子系统。其中，DRU用于车载诊断记录数据的安全采集和加密传输。传输子系统采用列控设备动态监测系统（DMS），实现数据车地无线传输。数据分析子系统对接收数据进行分类存储、智能分析，将分析结果持久化到数据库中。

3 系统软件架构

本文主要针对数据分析子系统的软件架构进行设计，整体架构分为3层：展现层、业务层、持久层，如图2所示。软件由前端、后台、通信模块、AElog分析模块、总线分析模块、应答器数据分析模块、DRU通信模块共计7个模块组成，模块划分如图3所示。

4 功能设计及实现

4.1 B/S架构

图2 软件整体架构层次Fig.2 Overall architecture layers of the software

图3 系统模块划分图Fig.3 System module division diagram

考虑到C/S架构开发的分布式管理系统安装运行和升级服务比较复杂，不利于系统的普及和推广，本系统采用B/S架构，将服务器划分为Web服务器和数据库服务器，客户端不需要安装应用软件，只需在浏览器输入Web服务器地址即可登录操作。Web服务器可以实现逻辑业务解析，将Web服务处理和数据处理独立分割，提高系统可移植性；系统升级可做到一次部署全部升级，客户端零维护，可扩展性大大提高。

4.2 高并发支持

系统支持2 000辆车同时在线，支持多个客户端同时发起分析数据请求，后台通过给每个请求定义一个唯一ID来标识进行，并交由线程池处理。例如当接收到分析AElog数据的请求时，后台先将用户上传的文件根据车号、端号、日期、A/B系等信息创建路径并存储，存储成功后将文件路径发送给AElog解析模块，等待解析模块解析完成并返回解析结果时，后台通过ID来找到对应的请求，并构造JSON对象，返回给前端进行显示。处理流程如图4所示。

4.3 WebSocket推送

当DRU检测到ATP上电后，会自动读取AElog文件，将文件压缩后传输给通信模块，通信模块完成解压并分类存储后，由后台调用AElog分析模块进行分析，同时将分析结果返回给前端进行显示。整个数据处理流程如图5所示。后台分析出故障后，通过WebSocket主动推送给前端，前端对推送结果进行解析，通过AJAX完成局部更新，将对应故障模块高亮显示，并在相应窗口发出故障警告，如图6所示。

4.4 模块间通信

图4 并发处理流程Fig.4 Concurrent processing flow

图5 故障数据处理流程Fig.5 Fault data processing flow

本系统后台模块和各个分析模块间各建立一个Socket连接，后台采用Netty框架去维护这个连接。

1）Netty是一款异步的事件驱动的网络应用程序框架，支持快速开发可维护、高性能、面向协议的服务器和客户端，将应用程序逻辑和网络层解耦，避免直接使用底层的API，降低了网络编程的复杂性。

2）当检测到连接中断时，后台能够自动发起重连，保证连接持续性。

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

3）后台模块和分析模块只关注于自身业务逻辑的开发，而不必过多关注通信接口开发，降低了各个模块间的耦合性。

4）通信数据以JSON（JavaScript 对象表示法）表示，JSON是轻量级的文本数据交换格式，独立于语言和平台，对JSON的使用，简化了通信协议的开发，通信接口开发进一步简化。

5 总结

本系统采用MVC架构设计模式，面向接口编程，业务逻辑层独立，便于后期业务扩展。系统运行稳定，操作使用方便，通过配置文件application.properties和Java自身跨平台的特点，系统可部署于Linux和Windows操作系统上。在功能层面，系统提供对车载ATP记录数据的全面监控和实时分析，针对具体故障根据案例库给出处理措施，是列控车载设备的智能化运行维护“专家”系统。经验证，本系统架构适用于高铁ATP运行记录数据的监控和分析。