1 概述

  截至2016年底,我国高速铁路运营里程已达2万多km。2017年9月,随着复兴号投入运营,部分高铁线路恢复到时速350 km的高速运营模式。面对世界上规模最大、速度遥遥领先的中国高速铁路网,如何快速准确的定位、解决列车运行过程中的通信超时故障,确保高铁列车安全稳定的运行,成为铁路电务运维工作的重中之重。

  我国时速300 km以上的列车通过CTCS-3(简称C3)列控系统进行控制,C3列控系统基于GSM-R网络承载列车与地面数据的交互。为有效监测列车运行过程中的交互数据,所有时速300 km以上的线路均已部署GSM-R网络接口监测系统(简称“接口监测系统”)。因此在分析高铁列车通信超时故障时,接口监测系统是最主要的数据来源。为提高运维效率,目前全路正在加快各类运维支撑系统、故障智能分析系统的研发、部署,这些系统在进行高铁通信超时故障分析时,均需要从接口监测系统提取数据,因此研究如何将接口监测系统及时、高效的共享给外部系统,成为当前接口监测系统一个亟待解决的课题。

2 接口监测系统简介
2.1 系统概述

  接口监测系统包括电路域、分组域及7号信令网三部分的监测[1],而C3列控业务主要分布在电路域相关接口,因此下文中描述的接口监测系统主要为电路域部分。电路域接口监测系统对C3列控无线通信相关的Igsm-r、Um、Abis、A、PRI等接口进行监测,具备接口数据采集、解析、关联、存储、查询、故障分析及网络质量分析等基本功能,是GSM-R无线网络运维人员进行C3无线超时问题分析的主要工具。

2.2 系统结构

  接口监测系统包括存储、系统同步、网关、网管、综合分析和各单接口监测子系统,其中单接口处理部分又包括Igsm-r接口、Um接口、Abis接口、A接口和PRI接口子系统。系统结构如图1所示。

2.3 数据分布

  接口监测系统在电路域各接口采集的数据内容和数据量均不相同,各接口数据分布情况如表1所示。

  由表1中结果看出,各接口数据量分布不均,但单日数据量均达到或超过千万级。

3 接口监测数据共享的意义

  从接口监测系统的数据分布可知,接口监测系统能够全程监测列车运行过程中的数据,这些数据对于列车的安全可靠运行具有重要意义。

  铁路运维系统按照业务领域划分,包括运输组织业务、固定设施运维、移动设备运维、铁路运输安全、客货营销服务等业务,子系统又细分为电务管理、车辆管理、客站运维、行车安全监控、车号识别、安全管理等[2]。运维系统通过从接口监测系统获取各接口的监测数据,进行车号识别、故障处理等,实现集中监控、预警,可以为铁路运维业务提供安全信息综合分析及决策支持。

  无线超时故障智能诊断系统主要用于车辆运行过程的用户信息识别、运行故障数据分析和定位,并提供解决方案。智能诊断系统通过对接口监测系统各接口的信令、业务数据、切换和测量报告等数据的研究和分析,可以形成自己的故障专家知识库。故障专家知识库中包含各种检测标准、图库、算法标准、经验数据等,是智能诊断系统进行故障分析和诊断的标准和依据[3]。接口监测系统作为数据源,为智能诊断系统提供各个接口数据。

  由此可见,接口监测数据在铁路运维方面具有重要的意义。选择何种方式将接口监测的大规模数据向外共享,将对数据共享及使用效率具有很大影响。

4 数据共享方法研究
4.1 共享方法简介

  常用的数据共享方法有Socket通信、TCP/IP+FTP文件共享、数据库共享、共享内存、Web Service服务、U盘拷贝等。

  1)Socket通信

  Socket通信方式是指通过TCP/IP协议在子系统间进行数据的传送。双方通过IP地址和端口号建立通信链路,再按照约定协议收发和解析数据。考虑到数据量、网络质量等因素的影响,可能还需要一定的策略保障安全可靠传输。

  2)TCP/IP+FTP文件共享

  FTP协议又称为文件传输协议,是应用层协议之一,提供客户端和服务器间文件双向传输。双方系统需要约定文件服务器地址、文件命名规则、文件内容格式等,并告知对方文件服务器的用户名、密码、文件上传路径等。FTP文件共享方式同时存在数据连接和控制连接,控制连接通常使用TCP/IP协议,发送交互命令和相应状态信息,数据连接使用FTP,用于发送数据。

  3)数据库共享

  数据库共享方式是指两个系统通过数据库中的同一个表进行数据的共享。使用数据库共享数据时,需要合理管理外部系统的访问权限。系统间访问共享数据库时,互斥锁将严重影响数据共享的效率。

  4)共享内存

  共享内存方式是指不同的进程利用计算机系统公共内存进行数据的交互。各个进程将该公共内存映射到自己的私有地址空间,不需要进行数据拷贝,即可进行内存的访问。由于多个进程同时访问同一块内存,因此需要依靠同步机制来保证访问数据的正确性。

  5)Web Service服务

  Web Service也称为XML Web Service,是一种跨语言跨操作平台的远程调用技术,用XML+XSD、SOAP和WSDL三大技术实现[4]。Web Service采用XML格式封装数据,封装后的数据加上说明格式的HTTP消息头,HTTP消息头和XML内容格式就是SOAP(Simple Object Access Protocol)协议[5]。WSDL(Web Services Description Language)基于XML语言,用于描述Web Service及其函数、参数和返回值。WSDL文件保存在Web服务器上,通过URL地址即可访问。Web  Service服务提供商可以通过注册到UDDI服务器或直接告知客户端调用者的方式为客户端提供WSDL的URL地址。客户端根据URL地址向服务器发送数据查询请求,服务器接收请求后,进行相应处理并将数据结果返回到客户端。

  6)U盘拷贝

  U盘拷贝方式最为传统,需要被请求方将请求数据生成文件,保存在某一路径,操作人员直接将数据文件拷贝至请求方服务器指定路径。

4.2 共享方法比对

  从实现复杂度、实时性、可靠性、带宽、硬件要求、安全性等方面对以上几种方法进行比较,对比结果如表2所示。

4.3 接口监测系统数据对外共享方法

  接口监测系统需支持向多个外部系统共享数据,且接口监测系统对外共享的数据量较大,接口监测系统向外部系统共享数据具有以下特点。

  1)接口监测系统与外部系统部署于不同的设备。

  2)数据量大,单次请求数据条数在十万级,可能高达百万级;每条数据可能有多个字段,总长度不超过5 000Byte;如用文件存储,文件总数通常为几十个,多达千个。

  3)数据通常用于做离线分析,实时性要求不高。

  4)数据准确度要求高。

  结合接口监测系统对外共享数据的特点,综合考虑前文中提到的6种数据共享方式,分析如下。

  1)使用Socket共享全部数据可能会占用过多带宽,导致系统内部网络拥堵,并且需要处理数据拆包组包等,增加运算,降低执行效率。

  2)TCP/IP+FTP方式需要建立Socket连接,用TCP协议发送数据请求、执行状态等控制信息,数据文件全部用FTP传送,不会给网络造成过多压力。

  3)数据库方式十分高效,直接共享数据表,但外部系统访问本系统数据库,存在安全隐患。

  4)共享内存方式适用于两个或者多个进程部署于同一台硬件设备,而接口监测系统和其他外部系统分别部署在不同的服务器,因此不能采用内存共享方式。

  5)Web service优点在跨平台的互操作性,多机数据传送效率低于Socket。

  6)U盘拷贝方式低速可靠,但是在数据类型多样、数据文件众多的情况下,依靠人工导出导入数据,效率太低,极易因为操作人员失误导致数据共享失败。

  通过各种处理方式的适用性对比,接口监测系统最终采用TCP/IP+FTP方式进行数据共享。

  为完成数据共享,接口监测系统需要增设接口网关和FTP文件服务器,其中接口网关仅用于数据共享时的TCP/IP交互。接口监测系统加入接口网关和FTP服务器后,与外部系统之间的连接关系如图2所示。

  以图2中外部系统请求接口监测数据为例,对数据请求流程进行简要说明。此时,外部系统接口网关、接口监测接口网关同时作为客户端和服务器,接口监测综合分析子系统作为服务器,外部数据请求系统作为客户端。

  数据请求、生成、上传、下载简要步骤如下。

  1)外部系统向外部系统网关、外部系统网关向接口监测网关、接口监测网关向接口监测内部子系统依次发送TCP连接请求。

  2)如连接成功,外部系统发送数据请求,经由外部系统网关和接口监测系统网关转发至内部子系统。如连接失败,则进行指定次数的重连;经过重连仍不成功,断开连接,不再继续执行后续步骤。

  3)接口监测内部子系统校验查询请求的合规性,如符合约定协议,则返回请求确认消息,并执行查询;如不符合协议,则返回错误消息。接口网关将该消息转发至外部系统网关。

  4)接口监测内部子系统执行查询且查询成功后,生成数据文件,并上传至接口监测FTP文件服务器,同时发送文件处理成功消息;如不成功,则返回错误消息。接口监测网关将该消息转发至外部系统接口网关,并由外部系统网关转送给外部系统。

  5)外部系统收到返回消息后,如为成功消息,则根据消息向接口监测FTP文件服务器请求下载文件至本地;如为失败消息,则根据实际需求,断开连接或者重新发送请求。如断开请求,则不再执行后续步骤;如重新发送请求,则返回step1。

  6)外部系统下载文件。文件下载成功,断开连接;下载失败,根据实际需求进行相应操作。

5 结束语

  本文对比了文件共享的几种常见方式,结合接口监测系统特点,选取“TCP/IP+FTP”方式进行向外部系统共享数据,并简要阐述数据交互流程。“TCP/IP+FTP”方式可以满足目前系统需求,随着数据量增加、数据格式丰富,尚需要对数据共享的处理方式进一步改进及完善。

参考文献

  [1]国家铁路局.QCR 553-2016 铁路数字移动通信系统(GSM-R)接口监测系统技术条件[S].北京:中国铁道出版社,2016.

  [2]贾利民.高速铁路安全保障技术[M].北京:中国铁道出版社,2010.

  [3]广州铁路集团公司.广铁[2014]36号 铁路信号集中监测系统智能分析与故障诊断功能技术规范[S].广州:广州铁路集团公司,2014. 

  [4]班纳吉,卡罗纳.C# Web服务高级编程[M].康博,译.北京:清华大学出版社,2002.

  [5]库罗斯,罗斯.计算机网络-自顶向下方法[M].6版.北京:机械工业出版社,2014.

  [6] Anthony Jones,Jim Ohlund.Windows网络编程[M].杨合庆,译.北京:清华大学出版社,2002.

  [7] Abraham Silberschatz,Henry F.Korth,S.Sudarshan.数据库书籍-数据库系统概念[M].杨冬青,李红燕,唐世渭,译.上海:机械工业出版社,2012.

  [8]戴尼奥.服务设计模式[M].姚军,译.上海:机械工业出版社,2013.

  (收稿日期:2017-11-03)

  (修回日期:2018-01-02)